TRANSİSTÖRLER

Transistör bir devre elemanıdır. Bazı durumlarda 2, 3 yada 4 bacaklı olabilir. Bacakları farklı isimler alabilir. Kesin olan bir şey ise transistörün yapısına göre akım yada gerilim kazancı sağlayan, başka bir değişle YÜKSELTME işi yapan bir devre elemanıdır. Transistörler aynı zamanda katı-hal "solid-state" devre elemanlarıdır. Transistör yapımlarında silisyum, germanyum yada uygun karışımlar kullanılmaktadır. Transitör bir grubun genel adıdır. Bu grup içinde BJT, FET, MOSFET.....vardır.
İlk olarak BJT (Bipolar Junction Transistor) konusunu anlatacağım. Neden Bipolar "çift kutuplu" denmektedir? Çünkü BJT içinde hem çoğunluk taşıyıcılar hem de azınlık taşıyıcıları görev yaptığı için. Neden junction "yüzey birleşimli". Buradaki "yüzeyi" ben koydum. Sebebi ise transistör ilk icat edildiğinde yarı iletken maddeler bir nokta olarak birbirlerine değermiş. Bu nedenle onlara "Nokta Değmeli Transistör" denirmiş. Artık transistörler bir tost görüntüsünde olup yarı iletkenler birbirlerine yüzey olarak yapışık şekilde üretilmektedir.
İki tip BJT transistör vardır. Birisi NPN, diğeri PNP transistör. Bunları şekilleri ve sembolleri aşağıda görülmektedir.


Birinci şekilde de görüldüğü gibi NPN transistör, N, P ve N tipi yarı iletkenlerden oluşmuştur. Daha kalın olan N maddesi kollektör ( Collector ), kollektöre göre daha ince olan N maddesi emitör ( Emitter ) ve çok ince olan " yaklaşık 0,002mm" P maddesi ise beyz (Base) olarak adlandırılır. PNP transistör ise daha kalın olan P maddesi kollektör ( Collector ), kollektöre göre daha ince olan P maddesi emitör ( Emitter ) ve çok ince olan " yaklaşık 0,002mm" N maddesi ise beyz (Base) den oluşur.
Buradaki C,B ve E harflerinin anlamları ise
C TOPLAYICI,
B TABAN ve
E YAYICI dır.

Transistör İçindeki Hareketler

BJT transistörün çalışmasını taşıyıcının 1; püskürtülmesi (injection), 2; sürüklenmesi (diffusion) birleşme ve 3; toplanması (collection) olarak kısaca anlatabiliriz. Aşağıda NPN bir BJT transistörün içinde oluşan akımlar ve nasıl oluştuğunu gösteren şekle bakalım.


E-B bağlantısı VEE bataryası ile doğru bayaslanmıştır. C-B bağlantısı ile VCC bataryası ile ters bayaslanmıştır.
1; Püskürtülme
NPN transistör içinde Elektronlar, emitör bölgesi içinde Çoğunluk taşıyıcılarıdır. E-B bölgesine uygulanan doğru bayas ile, (Emitor N tipi madde, buraya VEE bataryasının negatif ucu bağlanmış, Beyz P tipi madde ve buraya da VEE bataryasının pozitif ucu bağlanmış.) elektronlar VEE bataryasının negatif ucundan emitöre girerek beyze doğru püskürtülürler. Emitörden beyz bölgesine püskürtülen elektronlar, emitör akımını oluşturur ve IE olarak adlandırılır.
2; Sürüklenme
Beyz bölgesin giren elektronlar burada azınlık taşıyıcısı oldukları için hareketleri bir sürüklenmedir. Beyz bölgesi çok ince olduğundan, emitörden beyze doğru püskürtülen elektronların ancak bir kısmı buradaki boşluklarla birleşir. Her boşluk-elektron birleşmesinden dolayı yeni bir boşluk oluşur. Böylece az miktarda elektron beyz bölgesinden VEE bataryasının pozitif terminaline gider. Bu elektron akışı IB beyz akımını oluşturur.
Beyz bölgesinin çok dar olduğunu, bu nedenle çok az boşluk-elektron birleşimi (recombination) oluştuğunu ve bu nedenle de beyz akımının çok küçük değerde olduğunu az önce söylemiştim. Bu akım aynı zamanda kollektor kesim akımı ( Collector Cut-Off current) ICO olarak da adlandırılır.
3; Toplanma
Beyz bölgesinde boşluk-elektron birleşmesi yapamayan oldukça çok sayıdaki elektron beyz içinde pozitif biaslı kollektöre doğru sürüklenerek çekilirler. N tipi kollektör ters biaslı olduğu için buradaki elektronlar VCC bataryasının pozitif ucu tarafından çekilmiş ve kollektör içinde bolca boşluk oluşmuştur. İşte beyzden gelen elektronlar kollektördeki bu boşluklarla birleşir. Her birleşme sunucu açığa bir elektron çıkar. Bu elektronlarda kollektör terminaline bağlı VCC bataryasının pozitif ucu tarafından çekilerek toplanır. Beyz içinde sürüklenen elektronların kollektör tarafından çekilebilmesi için VCC geriliminin, VEE geriliminden daha büyük olması yada başka bir değişle kollektör deki pozitif gerilim değerinin beyz deki pozitif gerilim değerinden daha büyük olması gereklidir. (VCC > VEE) Bu şekilde oluşan akıma Kollektör Akımı, IC denir.
Şimdi aklınıza şöyle bir sonuç gelebilir. Eğer VEE gerilimini yeteri kadar büyütürsem beyz bölgesindeki elektronların hepsi beyze bağlı VEE bataryasının pozitif ucu tarafından çekilir ve kollektöre hiç elektron gitmez ve IC akımı oluşmaz. Yada başka bir değişle VEE bataryasının değerini değiştirerek IC akımını değiştiririm, yani beyz emitöre göre daha pozitif olduğunda IC akımı azalır, beyz emitöre göre daha az pozitif olduğunda IC akımı artar. Bu doğrumudur? Eğer beyz maddesi en az emitör kadar kalın olursa doğrudur. Gerçekte beyz o kadar incedir ki; E-B arasına uygulanan gerilim, yani beyzde ki pozitiflik emitör tarafından çok yoğun elektron gelmesini sağlar. Fakat beyz çok ince olduğu için üzerinde az miktarda elektron-boşluk birleşmesi olur. IB akımını bu elektron-boşluk birleşmesi sağladığı için her zaman IB beyz akımı IC kollektör akımından az olacaktır. Yani buradaki püf noktası beyzin emitör ve kollektöre göre çok ince olmasıdır.
PNP transistör içindeki olayları çok kısa olarak açıklamak yeterli olacaktır. PNP transistör içinde çoğunluk taşıyıcısı BOŞLUKLAR dır. Bağlanan bataryaların kutupları ters, akım yönleri de ters dir. Yani NPN bir transistörde beyz emitöre göre pozitif, kollektöre göre negatif, kollektör ise hem base hem de emitöre göre pozitif olur. Akım yönleri ise kollektörden içeri doğru, beyz den içeri doğru ve emitörden dışarı doğrudur. PNP bir transistör de beyz emitöre göre negatif, kollektöre göre pozitif, kollektör ise hem base hem de emitöre göre daha negatif olur. Akım yönleri ise kollektörden dışarı doğru, beyz den dışarı doğru ve emitörden içeri doğrudur.
Yukarıdaki paragrafta söylediğimi bir formül olarak yazarsak;
IE=IC+IB ,
Olup transistör üzerinden geçen akımın denklemidir.
Hatırlanması gereken yada unutulmaması gereken bir noktada, dikkat edilirse E-B bağlantısı bir diyot gibi. Yani PN birleşimi. Şimdi bir hatırlama yapalım. Bir PN birleşimden akım geçebilmesi için eşik voltajının aşılması gerekir. Bu voltaj değeri silisyum için yaklaşık 0,6V, germanyum için yaklaşık 0.2 volt dur. Transistörden akım geçirilebilmesi için beyz-emitör voltajının aşılması gereklidir.

TRANSİSTÖR DEVRELERİ

Bir transistörün temel denklemi; IE=IC + IB idi.
Burada beyz akımı olan IB, IC ve IE akımlarına göre çok küçük olmaktadır. Bunun sebebi de beyz bölgesinin çok ince olmasından kaynaklanmaktadır.
Bir transistörün üç bacağı olduğu için üç ayrı tür ve özellikte bağlantıya sahiptir. Bu bağlantılar;
1- Ortak Beyzli devre (Common Base).
2- Ortak Emitörlü devre (Common Emmitter).
3- Ortak Kollektörlü devre (Common Collector).
Bir devre hangi özellikte olması gerekiyorsa içindeki transitörlerin de bağlantısı ona göre seçilmektedir.
Buradaki anlatımlarım BJT transistörün tamamen DC (Doğru Akım) davranışları olacaktır. Halbuki bir devrede hem AC hem de DC olabilir. Fakat AC de zaman zaman farklı davranışlar (özellikle bobin ve kondansatör gibi) olur. Bu gibi durumları yeri geldiği zaman açıklamaya çalışacağım.

Ortak Beyzli Devre


İlk önce devredeki akımları inceleyelim. Kollektör akımı, emitör içerisinden gelen elektronların oluşturduğu akım ile (INC), kollektör beyz bağlantısından geçen azınlık taşıyıcılarının oluşturduğu ters doyum akımı (ICO) toplamlarına eşittir.
IC=INC + ICO
Geçen yazımdan da hatırlanacağı üzere emitörden gelen elektronların tamamı kollektöre gitmemekte, bir kısmı beyze gitmektedir. Yani emitör akımı;
IE= INC / a
Olarak yazılabilir. Bu formülden de görüldüğü gibi IE akımı INC akımından mutlaka daha büyüktür. a (alfa) değeri daima birden küçük olup tipik değeri 0,98 ile 0,9995 arasındadır. a değeri aynı zamanda AKIM KAZANCI (Forward Current Transfer Ratio) olarak bilinir. Akım kazancını;
a =(IC - ICO)/IE buradan IC eşitliği olarak yazacak olursak;
IC= a x IE + ICO
ICO akımı çok küçük olduğu için pratikte pek önemsenmez ve hesaplama formüllerinde pek sık kullanılmaz. O zaman yuarıdaki formül;
IC=a x IE olur.
Bir transistörün akım kazancı tarifi olarak, DC çıkış gerilimi sabit tutularak, çıkış akımının giriş akımına oranı olarak belirtilir. Buna göre ortak beyzli devrede akım kazancı;
VCE sabit olmak üzere adc=hFB=IC/IE olur.
Ortak beyzli devrelerin genel özellikleri;
Güç kazancı iyi
Gerilim kazancı iyi
Akım kazancı 1 den küçük
Giriş empedansı çok az, yaklaşık 20ohm - 50ohm
Çıkış empedansı çok yüksek, 1Mohm - 2Mohm
Giriş ve çıkış arasında faz farkı yok.
Ortak beyzli devreler özelliklerinden de anlaşılacağı gibi giriş empedansı düşük, çıkış empedansı yüksek devrelerde kullanılır. Bir örnek vermek gerekirse; Bilindiği gibi antenlerin
empedansları düşük olur. Bu nedenle tunerlerin anten giriş devresi olarak kullanılmaktadır.

Ortak Emitörlü Devre

Ortak Emitörlü devrede DC KISA DEVRE AKIM KAZANCI ß (Beta) olarak adlandırılır.
ß=a / (1 - a)
ICO akımı çok küçük olduğu için göz ardı edilirse;
IC=ß x IB olur.
Yani, ortak emitörlü devrede DC giriş akımı IB, DC çıkış akımı IC değeridir. Bu durumda DC akım kazancı;
VCE sabit kalmak üzere ßdc=hFE=IC/IB dir.
IB değeri IC değerinden çok küçük olduğu için ß değeri büyük olur. Pratikte ß, 5 ile 500 arasında olabilir. ß değeri küçük olan transistörler genellikle güç transitörleri olup, yüksek ß değerine sahip transistörler küçük tarnsistörlerdir. ß değeri yada hFE değeri kataloglarda kolayca görülebilir.
Ortak emitörlü devrelerin genel özellikleri;
Güç kazancı çok yüksek
Gerilim kazancı iyi
Akım kazancı iyi
Giriş empedansı 1Kohm - 2Kohm
Çıkış empedansı 50Kohm dan küçük
Giriş ve çıkış arasında faz farkı var.
Ortak emitörlü devreler yaygın biçimde ön yükselteç devresi olarak kullanılır.

Ortak Kollektörlü Devre

Ortak Kollektölü devrde DC giriş akımı IB, DC çıkış akımı IE dir. Buna göre DC akım kazancı;
hFC=(ß + 1)
VCE sabit olmak üzere hFC=IE / IB olur.
Ortak kollektörlü devrelerin özellikleri;
Güç kazanci iyi
Gerilim kazancı 1 den küçük
Akım kazancı iyi
Giriş empedansı yüksek, örneğin 300Kohm
Çıkış empedansı çok küçük, 2ohm - 300ohm
Giriş ve çıkış arasında faz farkı yok.
Ortak kollektörlü devreler bağlandıkları devreleri yüklemezler. Çıkışları ise düşük empedanslı olduğu için çoğunlukla güç yükselteci, regülatör çıkış katı ve tampon devreler olarak yaygın olarak kullanılmaktadır.
Yukarıdaki anlatımların tamamını NPN transistörler için yaptım. PNP transistörlerde aynı formüller geçerli olup sadece akım işaretlerinin önüne - (eksi) işareti gelir.

TRANSİSTÖR ÇALIŞMA BÖLGELERİ

Bir aktif elemanın, yani şu sıralar konumuz olan transistörlerin çalışma bölgeleri denince aklımıza o devrenin hiçbir iş yapmazken ne durumda olduğu aklımıza gelmeli. Örneğin bir yükseltecin volümü kısıkken içindeki transistörler ne durumda, üzerlerinden ne kadar akım geçiyor, bacakları arasında ki voltajlar nasıl gibi. Bazen de transistörü normal çalışması sırasında herhangi bir anda da hangi bölge içinde çalıştığı önemli olabilir. Transistörün çalışma bölgeleri CE, CB ve CC için aynıdır. Aşağıdaki örnek şekilde bir transitörün çalışma bölgelerinin tamamı görülmektedir.


Aktif Bölge
Transistörü normal bağladığımız zaman örneğin, NPN bir transistörün kollektörü pozitif, emitörü kollektöre göre negatif ve beyzi emitöre göre pozitif olduğu zaman aktif bölgede çalışır. Aktif bölgede kollektör akımı IC, kollektör akımından bağımsızdır. Kollektör voltajı VCC değiştirilirse IC akımı değişmez. IC akımı IB akımına bağlı olarak değişir. VCE voltajı VCC voltajının yarısı civarında yada VCC den küçük, 1-2 volttan büyüktür.

Doyum (Saturation) Bölgesi
Emitör ve Kollektör voltajları birbirine çok yaklaştığına (burada bazen CB arası düz bayasta olabilir) transistör doyum bölgesine geçer. Doyum bölgesinde IC akımı artık en büyük değere ulaşmıştır. IB tarafından kontrol edilemez hale gelir. VCE voltajı çok küçülür. Transistör hızla ısınarak bozulabilir. Bu nedenle transistörler özellikle doyum bölgesinde uzun süre çalıştırılmamalıdır.

Kesim (Cut-Off) Bölgesi
Beyz ve Emitör arası ters bayaslandığı zaman yada Beyz ve Emitör arası voltaj transistörün VBE açma voltajına eşit yada küçük olduğu zaman transistör artık kesim bölgesindedir. Bu durumda VCC voltajı ne olursa olsun IC akımı akmaz. VCE voltajı VCC voltajına eşit olur. Kesim bölgesindeki transistörün elektronik devrelerde uygulaması vardır. Uygulama örneklerini daha sonraki yazılarımda anlatmaya çalışacağım.

Aşağıdaki örnekte transistörlü bir devrenin hangi bölgede çalıştığını bulalım.
Devremizdeki transistörün özellikleri;
NPN Silisyum (VBE=0,6V)
ß=100
VCC=12V
RC=2,7K
RB=200K
VBB=5V


Önce, bu devre için çalışma bölgesini belirlemek için ICmax akımını bulalım
1- ICmax=VCC/RC
ICmax=12/2,7
ICmax=4,44mA
IB akımı;
2-IB=(VBB-VBE)/RB
IB=(5-0,6)/200
IB=0,022mA
IC akımı;
3- IC=ß x IB
IC=100 x 0,022
IC=2,2mA
VCE voltajı;
4- VCE=VCC - (IC x RC)
VCE=12 - (2,2 x 2,7)
VCE=6,06V
Bulduğumuz VCE değeri 6,06V olup anlaşılacağı gibi VCC voltajının ortalarında bir değerdir. Bu durumda devremizin aktif bölgede çalıştığını söyleyebiliriz. Q noktasının yeri 6,06V ve 2,2mA dir. Bu durumu aşağıdaki şekilde görebiliriz.


Aynı devrede RB direncini 100K yapalım,
1- ICmax=VCC/RC
ICmax=12/2,7
ICmax=4,44mA
IB akımı;
2- IB=(VBB-VBE)/RB
IB=(5-0,6)/100
IB=0,044mA
IC akımı;
3- IC=ß x IB
IC=100 x 0,044
IC=4,4mA
VCE voltajı;
4- VCE=VCC - (IC x RC)
VCE=12 - (4,4 x 2,7)
VCE=0,12V
Bulduğumuz VCE değeri 0,12V olup anlaşılacağı gibi VCC voltajının çok altlarındadır. Daha doğru bir değişle transistor kısa devre gibi olmuştur. Bu durumda devremizin doyumda çalıştığını söyleyebiliriz. Q noktasının yeri 0,12V ve 4,4mA dir. Bu durumu aşağıdaki şekilde görebiliriz.


Şimdide birinci devredeki her şeyi aynı bırakıp VBB voltajını 0,6V yapalım.
1- ICmax=VCC/RC
ICmax=12/2,7
ICmax=4,44mA
IB akımı;
2- IB=(VBB-VBE)/RB
IB=(0,6-0,6)/200
IB=0mA
IC akımı;
3- IC=ß x IB
IC=100 x 0
IC=0mA
VCE voltajı;
4- VCE=VCC - (IC x RC)
VCE=12 - (0 x 2,7)
VCE=12V
Bulduğumuz VCE değeri 12V olup anlaşılacağı gibi VCC voltajına eşittir ve hiç akım geçirmemektedir. Bu durumda devremizin kesimde çalıştığını söyleyebiliriz. Q noktasının yeri 12V ve 0mA dir. Bu durumu aşağıdaki şekilde görebiliriz.


Yukarıdaki örnek çözümler, devrede bulunabilecek başka dirençlerle değişebilir. Bizim buradan anlamız gereken, bir transistör üzerinde ölçümler yaparak o transistörün hangi bölgede çalıştığını anlamak olacaktır. Bir transistörün hangi bölgede çalıştığını biliyorsak, bunu devrenin yapısına bakarak yada hesaplayarak bulabiliriz. Sonra üzerindeki voltajları ölçerek devrenin hakikaten doğru çalışıp çalışmadığını bulabiliriz. Bu bize özellikle arızalı bir devrenin onarımında yardımcı olacaktır.

TRANSİSTÖR DEVRELERİNİN BAYASLANMASI www.diyot.net

Kısa bir hatırlatma gerekirse, bir transistörde ki kollektör akımı IC=IB x ß idi. O zaman elimizde yeterli bilgi olduğu zaman transitörlü bir devrenin her türlü DC değerlerini hesaplayabiliriz şeklinde düşünebiliriz. Nedir yeterli bilgiler? Devredeki direnç değerleri, üzerlerine renk kodlarına bakarak okuyabiliriz. Voltaj değeri, bir AVO metre ile kolayca ölçebiliriz. Transistörün ß değeri onu da katalogdan bakarız.... Şimdi biraz düşünelim. Üreticiler ürettikleri her malzemeyi bir sonraki ile tıpatıp aynı şekilde üretebilirler mi? Yani bir direnç, bir kondansatör yada bir transistör bütün özellikleri ile bir diğerinin aynısı olabilir mi? Olmaz! Olsa olsa çok yakını olur. Hadi bu kadar kesin konuşmayalım ama tam eşitlik düşük bir olasılıktır. Arkadaşlar ısı elektronik bir devrede, devrenin kararlı çalışmasını etkileyen önemli bir faktördür. Bu sebepten devreler ısıdan en az eğişime uğrayacak şekilde tasarlanmaktadır. Ayrıca devredeki elemanların toleransları yani olması gereken değerden yüzde olarak sapmaları da devremizi etkiler. Örneğin bir transistörlü devrede transistörün ß değeri %20 değiştiğinde IC değeri ne kadar değişiyor. Yukarıdaki formüle göre IC akımının da %20 değişmesi doğal görünmektedir. O zaman görünüşte aynı olan devrelerde de farklı sonuçlarla karşılaşmamızda doğal olacaktır. Bu faklılaşma bazı devrelerde önemli olmayabilir. Bazı devrelerde de çok önemli olabilir. Şimdi çeşitli bayaslama tekniklerini, özelliklerini inceleyelim.

Sabit Bayaslama Devresi:


Bu devrenin Beyz akımı IB=(VCC - VBE) / RB olduğunu kolayca olduğunu görebiliriz. Bu formüle baktığımızda ß değerinin IB akımı ile alakalı olamadığını, ß değeri ne olursa olsun IB akımını değiştiremeyeceğini görülebilir. Bu devrenin Kollektör akımı ise, IC=IB x ß dır. Şimdi bu formülde ß değerindeki değişiklik aynen IC akımına yansıyacaktır. Bu devre ile ilgili diğer formüller ise;
Maksimum IC akımı: ICsat = VCC / RC
Kollektör - Emitör arası voltaj: VCE = VCC - (IC x RC)
Şimdi bir örnek yapalım, VCC=12V, RB=1M, RC=10K,
VBE=0V, ß=50 olsun. ICsat, IB, IC ve VCE değerlerini bulalım.
ICsat = VCC / RC; ICsat = 12 / 10, ICsat = 1,2mA
IB=(VCC - VBE) / RB; IB=(12 - 0) / 1000, IB=0,012mA
IC=IB x ß; IC=0,012 x 50, IC=0,6mA
VCE = VCC - (IC x RC); VCE = 12 - (0,6 x 10), VCE = 6V olur.
Şimdi bu transistörün bir nedenle bozulduğunu, ve yerine aynısını taktığımızı!! düşünelim. Fakat bu transistörün ß değeri eskisinden %20 fazla olsun. IB akımı aynı kalacak fakat IC;
IC=IB x ß; IC=0,012 x 60, IC=0,72mA olur.
Yani Sabit Bayaslama Devresinde %ß değişimi aynen IC akımına yansıyacaktır.

Kollektör Geri Beslemeli Bayas:


Bu devrenin beyz akımını oluşturan gerilim doğrudan kollektör gerilimidir. Şimdi dikkat edelim. Kollektör gerimi kollekör akımına bağlıdır. Kollektör akımı da ß değerine bağlıdır. Örneğin ß değerinin arttığını düşünelim. Bunun sonucu olarak IC akımı artacak fakat VCE gerilimi azalacaktır. VCE gerilimi IB akımın sağladığı için, IB akımına azaltma etkisi gösterecektir. Buda ß artmasından dolayı IC akımını artışını azaltacaktır. Bu devrenin Formülleri;
IB=(VCC - VBE) / (ß x RC + RB)
IC=IB x ß
VCE = VCC - (IC + IB) x RC
IB, IC akımından çok küçük olursa IC akımının yaklaşık değeri;
VCE = VCC - (IC x RC) formülü de kullanılabilir.
ICsat = VCC / RC
Şimdi bir örnek yapalım, VCC=12V, RB=1M, RC=10K,
VBE=0V, ß=50 olsun. ICsat, IB, IC ve VCE değerlerini bulalım.
ICsat = VCC / RC; ICsat = 12 / 10, ICsat = 1,2mA
IB=(VCC - VBE) / (ß x RC + RB); IB=12 / (50 x 10 + 1000);
IB=12 / 1500, IB=0,008mA
IC=IB x ß; IC=0,008 x 50, IC=0,4mA
VCE = VCC - (IC x RC); VCE = VCC - (IC x RC),
VCE = 12 - (0,4 x 10), VCE = 8V
Şimdi bu transistörün bir nedenle bozulduğunu, ve yerine aynısını taktığımızı!! düşünelim. Fakat bu transistörün ß değeri eskisinden %20 fazla olsun. Bu durumda IC akımı;
IB=(VCC - VBE) / (ß x RC + RB); IB=12 / (60 x 10 + 1000);
IB=12 / 1600, IB=0,0075mA
IC=IB x ß; IC=0,0075 x 60, IC=0,45mA
Bu sonuca bakacak olursak, ß %20 değişmesine rağmen IC %12,5 değişmiştir. Yani Kollektör Geri Besleme Bayaslama Devresinde %ß değişimi aynen IC akımına yansımayacaktır. Transitörün çalışma noktasının kararlılığı bu devrede daha iyidir.

Emitör Geri Beslemeli Bayas;



Bu devre, bir önceki Kollektör Geri Beslemeli Bayas devresindeki etkiyi gösterir.
Devre ile ilgili formüller;
IB=(VCC - VBE) / ((RB + (RE x (ß +1))
IC=IB x ß
VC=VCC - (IC x RC)
VE= IE x RE = IC x RE
VCE=VC - VE
ICsat = VCC / (RC + RE)

Şimdi bir örnek yapalım, VCC=12V, RB=1M, RC=10K,
VBE=0V, RE=1K, ß=50 olsun. ICsat, IB, IC ve VCE değerlerini bulalım.
ICsat = VCC / (RC + RE); ICsat = 12 / (10 + 1), ICsat = 1,1mA
IB=(VCC - VBE) / ((RB + (RE x (ß +1));
IB=12/ ((1000 + (1 x (50 +1))
IB=12/ 1051
IB=0,0114mA
IC=IB x ß
IC=0,0114 x 50
IC=0,57mA
VC=VCC - (IC x RC)
VC=12 - (0,57 x 10)
VC=6,3V
VE= IE x RE = IC x RE
VE = 0,57 x 1
VE = 0,57 V

VCE=VC - VE
VCE=6,3 - 0,57
VCE=5,73V

Şimdi bu transistörün bir nedenle bozulduğunu, ve yerine aynısını taktığımızı!! düşünelim. Fakat bu transistörün ß değeri eskisinden %20 fazla olsun. Bu durumda IC akımı;
IB=(VCC - VBE) / ((RB + (RE x (ß +1));
IB=12/ ((1000 + (1 x (60 +1))
IB=12/ 1061
IB=0,0113mA
IC=IB x ß
IC=0,0113 x 60
IC=0,678mA
Bu sonuca bakacak olursak, ß %20 değişmesine rağmen IC %18,9 değişmiştir. Yani Emitör Geri Beslemeli Bayaslama Devresinde %ß değişimi aynen IC akımına yansımamıştır. Eğer kullanılan transistörün ß değeri yüksek olsaydı bu devrenin de kararlılığı iyi çıkacaktı. Bu devrenin kararlılığı Kollektör Geri Besleme Bayaslama Devresinden daha kötüdür.

Kollektör ve Emitör Geri Beslemeli Bayas;

Bu devre adından da anlaşılacağı gibi her iki devrenin kararlılığa yaptığı etkilerin tümümü taşır.


Devre ile ilgili formüller;
IB=VCC-VBE / ((ß x RC) + RB + (1 + (ß x RE)))
IC=IB x ß
VC=VCC - (IC x RC)
VE= IE x RE = IC x RE
VCE=VC - VE
ICsat = VCC / (RC + RE)
Şimdi bir örnek yapalım, VCC=12V, RB=1M, RC=10K,
VBE=0V, RE=1K, ß=50 olsun. ICsat, IB, IC ve VCE değerlerini bulalım.
ICsat = VCC / (RC + RE); ICsat = 12 / (10 + 1)
ICsat = 1,1mA
IB=VCC-VBE / ((ß x RC) + RB + (1 + (ß x RE)))
IB=12 / ((50 x 10) + 1000 + (1 + (50 x 1)))
IB=12 / 500 + 1000 + 50
IB=0,0077mA
IC=IB x ß; IC=0,0077 x 50;
IC= 0,385mA
VC=VCC - (IC x RC)
VC=12 - (0,385 x 10)
VC=8,15V
VE = IC x RE
VE = 0,0385 x 1
VE = 0,385V
VCE=VC - VE
VCE=8,15 - 0,385
VCE=7,765V
Şimdi bu transistörün bir nedenle bozulduğunu, ve yerine aynısını taktığımızı!! düşünelim. Fakat bu transistörün ß değeri eskisinden %20 fazla olsun. Bu durumda IC akımı;
IB=VCC-VBE / ((ß x RC) + RB + (1 + (ß x RE)))
IB=12 / ((60 x 10) + 1000 + (1 + (60 x 1)))
IB=12 / 600 + 1000 + 60
IB=0,0072mA
IC=IB x ß; IC=0,0072 x 60;
IC= 0,432mA
Bu sonuca bakacak olursak, ß %20 değişmesine rağmen IC %12,2 değişmiştir. Yani Kollektör ve Emitör Geri Beslemeli Bayaslama Devresinde %ß değişimi aynen IC akımına yansımamıştır. Bu devrenin kararlılığı yukarıdaki daha iyidir.

Çift Kaynaklı Bias;

Çift kaynaklı devrelerde iki adet güç kaynağı kullanıldığı için bütün ölçmeler şaseye göre yapılmalıdır. Bu devrede dikkat edilmesi gereken nokta IB akımının VEE kaynağı tarafından sağlanmasıdır.


Devre ile ilgili formüller;
IB=VEE-VBE / (RB + (1+ ß) x RE)
IC=IB x ß
VC=VCC - (IC x RC)
VE= -(VBE + IB x RB)
VCE=VC - VE
Şimdi örneğimizi bu devre için yapalım. VCC=VEE=12V,
RB=1M, RC=10K, VBE=0V, RE=1K, ß=50 olsun. IB, IC ve VCE değerlerini bulalım.
IB=VEE-VBE / (RB + (1+ ß) x RE);
IB=12 / (1000 + (1+ 50) x 1);
IB=0,0114mA
IC=IB x ß;
IC=0,0114 x 50
IC=0,57mA
VC=VCC - (IC x RC);
VC=12 - (0,57 x 10)
VC=6,3V
VE= -(VBE + IB x RB)
VE= -(0+ 0,0114 x 1000)
VE= -11,4V

VCE=VC - VE
VCE=6,3 - (-11,4)
VCE=17,7V

Şimdi bu transistörün bir nedenle bozulduğunu, ve yerine aynısını taktığımızı!! düşünelim. Fakat bu transistörün ß değeri eskisinden %20 fazla olsun. Bu durumda IC akımı;
IB=VEE-VBE / (RB + (1+ ß) x RE);
IB=12 / (1000 + (1+ 60) x 1);
IB=0,0113mA
IC=IB x ß;
IC=0,0113 x 60
IC=0,687mA
Bu sonuca bakacak olursak, ß %20 değişmesine rağmen IC %18,9 değişmiştir. Yani Çift Kaynaklı Geri Beslemeli Bayaslama Devresinde kararlılık Emitör Geri Beslemeli devre ile aynıdır.

Üniversal Bayas Devresi:


Yukarıdaki şekilde görülen Üniversal Bayas devresinde VB voltajı, VCC kaynağından R1 ve R2 dirençlerinden oluşan gerilim bölücüden sağlanmaktadır. Bu dirençler, girişine bağlanan devrenin çıkış direncini yada empedansını etkilemeyecek kadar büyük, RE emitör direncinden yaklaşık olarak on kat büyük ve IB akımını sağlayacak şekilde seçilir.
VB voltajı;
VB=(R2/(R1 + R2)) * VCC
RB eşdeğer direnci;
RB=R1 * R2/(R1 + R2)
Bazı arkadaşlarımın aklına takılmış olabilir. Yukarıdaki şekle baktığımızda R1 ve R2 dirençleri seri bağlı gibi duruyor. Burada VCC voltaj kaynağının iç direnci önem kazanıyor. İdeal voltaj kaynaklarının iç direnci sıfırdır. Yani bir voltaj kaynağını omik olarak kısa devre olarak düşüneceğiz. O zaman R1 in üst ucu R2 nin alt ucuna bağlı gibi düşüneceğiz. Şekil bu durumda R1 ve R2 birbirine paralel bağlı olacaktır. Zaten RB direncinin formülü de paralel bağlı iki direncin eş değerini bulmaya yarayan formül oluyor. Aşağıdaki şekil RB direncinin ve VB voltajının eş değerleri kullanılarak çizilmiştir.

Bu devreye bakarak IB akımını bulalım. Lafı uzatmadan Kirshhoff un voltaj kanununu kullanarak;
VB=IB * RB + VBE + IE * RE
Denklemini yazarız. IE akımının karşılığını yazarsak;
VB=IB * RB + VBE + (IB +IB * ß) * RE
VB - VBE =IB * RB + IB (1 + ß) * RE
VB - VBE =IB (RB + (1 + ß) * RE)
IB=VB - VBE / RB + (1 + ß) * RE)
Bulunur. Aslında Bu formül bizim için yeterli olabilir. Burada VB ve RB değerlerini açarak yazarsak;
IB=((R2/(R1 + R2)) * VCC - VBE) / (R1 * R2/(R1 + R2) + (1 + ß) * RE))
Bu formül Üniversal Bayas devresinde IB akımını bulmak için kullanılır. IC akımı her zamanki gibi;
IC= IB * ß
ICmax=VCC / (RC + RE)
Bundan sonraki formüllerde IE akımını yaklaşık IC akımına eşit olduğunu kabul edeceğiz.
VC=VCC - (IC * (RC + RE))
VE=IC * RE
VCE= VC - VE
Şimdi bir örnek çözüm yapalım. VCC=12V, RC=10K,
RE=1K, R1=100K, R2=12K VBE=0.6V, ß=50 olsun. Q noktasının değerlerini bulalım. (IB, IC, ICmax, VC,VCE)
IB=((R2/(R1 + R2)) * VCC - VBE) / (R1 * R2/(R1 + R2) + (1 + ß) * RE))
IB=((12/(100 + 12)) * 12 - 0,6) / (12 * 100/(100 + 12) + (1 + 50) * 1))
IB=0,011mA
IC= IB * ß
IC= 0,011 * 50
IC= 0,55mA
ICmax=VCC / (RC + RE)
ICmax=12 / (10 + 1)
ICmax=1,1mA
VC=VCC - (IC * (RC + RE))
VC=12 - (0,55 * (10 + 1))
VC=6V
VE=IC * RE
VE=0,55 * 1
VE=0,55V
VCE= VC - VE
VCE= 6 - 0,55
VCE= 5,45V
Yukarıdaki örnek çözümümüzde devremiz güzel bir Q noktasında çalışmakta. Şimdi devredeki transistörün bir şekilde arızalandığını ve yerine bir yenisini taktığımızı varsayalım. Fakat transistörün ß değerinin %20 fazla olduğunu varsayalım. Bakalım IB ve IC akımları ne kadar değişecek.
IB=((R2/(R1 + R2)) * VCC - VBE) / (R1 * R2/(R1 + R2) + (1 + ß) * RE))
IB=((12/(100 + 12)) * 12 - 0,6) / (12 * 100/(100 + 12) + (1 + 60) * 1))
IB=0,01mA
IC= IB * ß
IC= 0,01 * 60
IC= 0,6mA

Bu sonuca bakacak olursak, ß %20 değişmesine rağmen
IC %9 değişmiştir.
Yani Üniversal Bayaslama Devresinde kararlılık diğer devrelere göre çok iyidir.
Bu bölümde anlatmaya çalıştığım devrelerde, bir transistörlü devrenin DC çözümü ve kararlılığı hakkında idi. Bunlar devreler en temel devreler olup, istediğimiz özelliklere sahip olması için bazı ekler yapılır. Transistörlü bir devrenin kararlılığını arttırmak (eğer gerek varsa) için bazen NTC, diyot yada yine transistörle yapılan sabit akım kaynakları kullanılır. Burada elektronikteki her devreyi teorik olarak anlatmak imkansız. Ancak sırası geldiğinde ben yada diğer arkadaşlarım pratik devrelerle vereceğimiz örneklerde açıklayacağız.
Artık şimdi basit transistörlü devrelerin DC çözümlemelerini kendiniz yapabilirsiniz. Hesapladığınız değerleri çalışan devre üzerinde kontrol edebilirsiniz. Ölçme sonuçlarınız hesaplarınızla eşit çıkmasa bile yakın değerler elde edeceksiniz. Bunun sebebi ise formüle koyacağınız değerlerde toleranslardan dolayı sapmalar olabilir. Eğer yeterli pratiğe sahip olursanız (zamanla, sabırla ve sevgiyle) artık hesap yapmadan sadece ölçerek devrenin normal yada arızalı olduğunu tespit edebilirsiniz. Hesaplamalarınızda devredeki dirençleri renk kodları ile voltajı da ölçerek bulabilirsiniz. Transistörün beta değerin tabi ki katalogdan bakacaksınız. Katalogda göreceğiniz beta değeri sizi şaşırtabilir. Çünkü beta tek bir rakam olarak değil örneğin 100 - 200 olabilir. Siz ortalama bir değer alın. Bulacağınız sonuçlar fazlaca değişmeyecektir. Değerli okuyucularım, buraya kadar anlattıklarımla sizden bir devreyi tasarlamanızı beklemiyorum. Sadece devrenin nasıl çalıştığını anlamanız yeterli sonuçtur.

 

TRANSİSTÖRLÜ YÜKSELTEÇLER

BJT transistörleri anlatmaya başladığımdan beri sadece transistör devresinin DC şartlarda nasıl çalıştığını ve DC gerilim altında transistör üzerinden geçen akım ile transistörün bacaklarına bağlı dirençler üzerinde düşen gerilimleri nasıl oluştuğunu, hesaplandığını anlatmaya çalıştım. DC şartlarda transistörlü devreler genellikle sabit özellik gösterirler. Halbuki transistörler aynı zamanda AC sinyalleri yükseltmek için de kullanılırlar. Bu ay transistörlü bir devrede AC sinyallerin etkilerini nasıl yükseltme yaptığını ve DC ile AC sinyallerin birbirlerinden nasıl ayrıldığını anlatacağım. Aslında transistörün DC olarak nasıl çalıştığını tam olarak kavramış durumda iseniz bundan sonrakiler sizin için çok basit olacaktır. Arkadaşlar transistörlü AC yükselteçler iki gurupta incelenir. Birincisi; transistörlü devreye uygulanan sinyal çok küçükse örneğin 1mV , 0.01mV gibi ise (örneğin, ses frekans ön yükselteçleri yüksek frekans ön yükselteçleri gibi) o zaman transistörlü devre "Küçük Sinyal Yükselteci" olarak incelenir. Küçük Sinyal Yükselteçlerini incelemek için transistörün küçük sinyal modelini göz önüne almak gerekir. Bu kısım amatörün bilmesi gereken noktaları biraz aşmaktadır. Ben size basit ve çok az formüllü anlatacağım. İkincisi ise transistörün büyük sinyal altında çalışması örneğin güç yükselteci olarak çalışmasıdır. AC sinyal altında transistörler özellikle çalışacakları frekansa göre de farklılıklar göstermektedir. Bu konuların bir kısmı amatörlerin bilmesi gereken kısımların çok üzerindedir. Bu sebepten yukarda da söylediğim gibi mümkün olduğunca basit bir anlatım kullanacağım. Tabi hepsini bir seferde değil sırası geldikçe.


Yukarıda emitörü topraklı, bir transistörlü devre görülmektedir. Buradaki kondansatörlerin ne işe yaradıklarını sonra anlayacağız. R1, R2, RC ve RE dirençleri daha önceki konularda anlattığım gibi transitörün bayaslanmasını yani DC olarak istenilen yerde çalışmasını sağlamak içindir. Şimdi devreye AC bir sinyal uygulayalım,



Şimdi geldik işin püf noktasına. Burada iki güç kaynağı (biri AC diğeri DC) birbirine bağlandığında neler oluyor önce buna bakalım. Şimdi biraz matematik. Başlangıçta S anahtarı açık olsun. R1, R2 ve VCC den oluşan devre kısmını sadeleştirelim. Bu durumda ;
VB=VCC x R2 / (R1 + R2) RB= R1 x R2 / R1+ R2
Olmaktadır. Yani B noktasındaki voltaj transistörün beyzineuygulanan bayas voltajıdır. Bir örnek verecek olursak; VCC=12V, R1=100K, R2=10K olursa B noktasındaki voltaj;
VB=12 x 10 / (100 + 10)
VB=1,09V bulunur.
RB= R1 x R2 / R1+ R2
RB=100 x 10 / 100+10
RB=9,09K bulunur.



Şimdi S anahtarını kapatalım. Kondansatör DC gerilimi bildiğiniz gibi geçirmez. AC gerilimi ise geçirir. AC sinyal B noktasında aynen görülecektir. B noktasında aynı zamanda DC gerilimde olduğu için buradaki bileşke voltaj AC ve DC sinyallerin toplamı olacaktır.
VBToplam=VB + Vi Bunu durumu grafik olarak şekillerde görebiliriz.



Grafikten de anlaşılacağı gibi vi AC gerilimi VB DC gerilimini değiştirmektedir. Bildiğimiz gibi beyz akımını VB gerilimi oluşturmaktaydı. Eğer VB gerilimi değişiyorsa IB akımı da buna bağlı olarak IC akımları da değişecektir. Bu değişiklik girişe uygulanan AC sinyalin şekli biçiminde olacaktır.
" Bir kondansatör DC gerilimi hiç geçirmez. AC gerilime ise bir direnç gösterir. Bu dirence AC sinyallerde empedans denir. Devredeki kondansatörlerin empedansı devredeki bağlı oldukları eşdeğer direncin (giriş devreleri için RB eşdeğer direnci, yada RE emitör direnci yada RLyük direnci) en çok 1/10 u kadar olursa kondansatörlerin direnci ihmal edilir. Kondansatörlerin empedansı AC sinyalin frekansına ters orantılı olarak bağlıdır.Kondansatörlerde frekans yükseldikçe empedans azalır. Bir kondansatörün empedansı XC ile gösterilir. Birimi ohm dur.

XC=1/(2 x pi x f (Hz) x C(Farad) )

Sırası gelmişken bobinler DC sinyallere 0 ohm direnç gösterirler. AC sinyallere ise doğru orantılı olarak bağlıdırlar. Bobinlerde frekans yükseldikçe empedans çoğalır. Bir bobinin empedansı XL olarak gösterilir.Birimi ohm dur.

XL=2 x pi x f (Hz) x L(Henri)
Şimdi birinci şeklimizin nasıl AC yükselteç olarak çalıştığını anlatalım. Aşağıdaki şekle dikkat ederseniz CE kondansatörükonulmamış. Aşağıdaki şekil Emitörü Topraklı bir devre birdevredir.



Devremizdeki vi giriş sinyalinin başlangıçta 0V olduğunu ya da uygulanmadığını varsayalım. Bu durumda transistör üzerinden sabit olarak geçen IC akımı kollektörle toprak arasında sabit bir voltaj oluşturacaktır. Bu durumu grafiklerde de görmekteyiz.



VC voltajı sabit yani DC olduğu için C2 kondansatörü tarafından RL üzerine geçmesi engellenmekte ve vo çıkış voltajı da 0V olmaktadır. Şimdi vi giriş sinyalinin devreye uygulandığını düşünelim. Bu durumda vi sinyali yönü ve şiddetine bağlı olaraktransistörün beyzindeki DC gerilimi değiştirecektir. Yani vi sinyali yükselirken VB gerilimi de yükselecek, vi sinyali azalırken de VB gerilimi azalacaktır. VB gerilimindeki değişim vi sinyalinin dalga şeklinin aynısıdır. Bildiğimiz gibi VB gerilimi IB akımını oluşturmaktadır. IB akımı da IC akımını.. Bu durumda IC akımı da vi giriş sinyalinin şeklinde olacaktır. Yani vi giriş gerilimi artarken IB ve IC akımları da artacak, vi giriş gerilimi azalırken IB ve IC akımları da azalacaktır. Tabi ki IC akımı IB akımından daha fazla olacağı için devremizde bir akım kazancı söz konusudur. Acaba vi giriş gerilimi artarken vo çıkış gerilimi de artıyor mu? Hayır, vi giriş gerilimi pozitif yönde yükselirken vo çıkış gerilimi negatif yönde artmaktadır. Bu tip emitörü topraklı (CE common emitter) devrelerde giriş gerilimi ile çıkış gerilimi arasında 180o faz farkı vardır. Çıkış gerilimindeki değişim giriş geriliminden büyük olduğu için bir gerilim kazancı da söz konusudur.

CE kondansatörünün etkisi.
Bu kondansatörün DC şartlarda hiç bir etkisi yoktur. Fakat AC sinyallerde üzerine bağlı bulunduğu RE direncini kısa devre edecektir. Bu direncin AC sinyallerde kısa devre olması, IB akımının bağlı olarak da IC ve IE akımlarının artmasına neden olacaktır.Yani CE kondansatörü olan devrelerde kazanç CE kondansatörü olmayanlardan daha fazladır.


Kısaca özetleyecek olursak, bir transistörün AC yükselteç olarak çalışmasında girişine uygulanan sinyalin VB voltajını buna bağlı olarak IB akımını ve IC akımını değiştirmesinden ibaret olduğunu öğrendik. Ayrıca devredeki kondansatörlerin alternatif akımda kısadevre olarak düşünülmesi gerektiğini öğrendik. Bu kondansatörler AC sinyallerde her zaman kısa devre olmaz. Özellikle filitre devrelerinde farklı düşünmek gerekir.

YÜKSELTEÇLER - 1:

Aslında bu bölüm sadece BJT transistörler ile yapılan yükselteçler olarak düşünmemek gerekir. Bir yükselteci FET, MOSFET yada BJT ile yapmak mümkündür. Henüz FET ve MOSFET konularını hiç anlatmadığım için vereceğim örnekleri sadece BJT ile açıklayacağım. Yükselteçlerin kullanılma amaçları çok farklıdır. Hatta yükselteçleri birazda bayas yöntemlerine göre inceleyeceğimiz bir dizi şeklinde olacak. Daha önceki yazılarımda transistörün çeşitli bağlantı şekillerine göre devrenin çeşitli özellikler aldığını, giriş çıkış empedanslarının nasıl değiştiğini, hangi durumda akım hangi durumda gerilim kazancı
yaptığını anlatmıştım. Yükselteçleri küçük sinyal yükselteçleri ve güç yükselteçleri olarak da ikiye ayırmış ve küçük sinyal yükselteçlerinden biraz bahsetmiştik. Bu bölümlerde çoğunlukla güç yükselteçlerinden birazda ve yeri geldiğinde yükseltecin bayaslanma yöntemine göre küçük sinyal yükselteçlerinden de bahsedeceğim. Güç yükselteçlerinden beklentilerimiz nelerdir? Örneğin bir ses yükselteci olabilir, bir motoru çeviren yükselteç olabilir, bir vericinin güç yükselteci olabilir. Bunların hepsinin özelliklerinin farklı olmasına rağmen tek ortak noktaları küçük bir sinyal ile büyük güç üretmek ortak noktalarıdır.
Güç yükselteçlerinin özellikleri;
Mümkün olduğunca giriş sinyalinin değeri ne olursa olsun çıkışa sabit bir katsayı ile büyüterek aktarmasıdır. Yani doğrusal (LINEAR) olması istenir. Fakat güç yükselteçleri doğrusal değildir (NON-LINEAR). Kendi üzerlerinde güç harcamaları istenmez. Daha doğrusu YÜKSEK VERİMLE çalışmaları istenir. Yani bir güç yükseltecinin çıkışından 100W alsak transistörlerin hiç ısınmaması gibi. Girişteki sinyalin hiç bozulmadan çıkışına aktarılması istenir. Daha iyimser bir değimle en az bozulmayla aktarması istenir.
(Bozulma, burulma= Distortion) Burada 3 tip distorsiyondan söz edebiliriz.
1- Frekans distorsiyonu: Girişteki sinyalin frekansı ne olursa olsun çıkışa aktarılması istenir. Fakat devrede olabilecek kondansatörler buna izin vermez. Ne olursa olsun her yükseltecin mutlaka bir üst frekans sınırı vardır. Direk kuplajlı yükselteçlerde frekans DC den (0Hz) den başlar.
2- Faz distorsiyonu: Devrenin yapılama şekli ve kondansatör, bobin gibi devre elemanlarından oluşur. Devrenin girişine uygulanan sinyalin başlama zamanı ve yönü çıkışta aynı anda görülmüyorsa faz distorsiyonu var demektir. Faz bozulması ses devreleri, RF gibi yerlerde önemsenmez. Fakat TV gibi ekran taramalarının önem kazandığı yerlerde faz distorsiyonu hiç olmamalıdır.
3- NON-LINEAR distorsiyonu: Bu bozulma ikiye ayrılır:
a) Harmonik distorsiyonu: Transistörün doğrusal çalışmaması ve aşırı sinyal girişlerinde çıkışta sinyalin doyum yada kesime uğraması ile olur. Ses yükselteçlerinde ve genlik modülasyonlu devrelerde hiç istenmez. Bazende siyal bilerek harmonik distosiyonuna uğratılır. Bu devreler frekans çoklayıcı devrelerdir. Harmonik ve frekans çoklayıcı devreleri daha sonra anlayacağım.
b) Intermodülasyon distorsiyonu: İki yada daha fazla sinyalin yükselteç içinde karışması ile olur. Bu distorsiyon sonucunda yükselteç çıkışında bu sinyallerin toplamları, farkları ve kendileri görülür.
Güç yükselteçlerini bayas özelliklerine göre sınıflara ayırıyoruz.
Bunlar A SINIFI, B SINIFI, AB, SINIFI ve C SINIFI yükselteçlerdir. Bu sınıflandırmayı tamamen devre içindeki transistörün yada transistörlerin bayaslanmasına göre yapıyoruz.
Hatırlamanız için transistörün aktif bölgede, doyum bölgesinde ve kesim bölgesinde çalıştırılması demek yeterli olacaktır.Yükselteçleri sınıflarına göre anlatmadan önce konumuz Güç Yükselteçleri olduğu için önce güç eşitlikleri konusunu açıklamak istiyorum.

GÜÇ EŞİTLİKLERİ:
Güç yükselteçlerinde bizi ilgilendiren şey güç kaynağından çekilen gücün ne kadarının transistör üzerinde harcandığı ne kadarının yük üzerine aktarıldığıdır. Eğer transistör üzerinde fazla güç harcarsak transistörde fazla ısınacaktır. Sonuçta fazla ısınan her şey gibi transistörde yanar. Transistörün fazla ısınmasını önlemek için, transistör üzerinde oluşan ısıyı hızla üzerinden çekmek gerekir. Bu işi de ısıya havaya kolayca aktaran alüminyum soğutucularla yetmezse ilave olarak soğutucu fanlarla yaparız. Bazı çok özel yükselteçlerde (büyük güçlü radyo vericileri gibi) su suğutmalı sistemler bile kullanılmaktadır.

Güç Verimi:
Güç verimi, bir yükseltecin yük üzerinde harcanan gücün, güç kaynağından çekilen güce oranına denir. Yük üzerinde harcanan güç AC ise AC gücün rms değeri kullanılır. (rms; AC sinyalin DC ye karşılık gelen değeridir.)
%Verim=(PLrms /PDC) x 100
DC giriş gücü, güç kaynağı Vcc ile ortalama akımının (yaklaşık olarak Q noktasındaki Ic akımı) çarpımına eşittir.
Pdc=Pcc= Vcc x Ic
Yük üzerinde harcanan AC güç, çıkış geriliminin rms değeri ile, çıkış akımının rms değerinin çarpımına eşittir. Eğer dalga şeklimiz sinüs ise bunun rms değeri sinyalin tepeden tepeye (peak to peak) değerinin 2\/¯2 bölümüne eşittir. Bu durumda yük üzerinde harcanan AC güç;
Pac=PL(max)= (Vpp x Ipp) / (2\/¯2 x 2\/¯2)
Pac=PL(max)= (Vpp x Ipp) / 8
Formülleri kullanılarak bulur.
Transistörün Maksimum Güç Kaybı:
Transistörlü bir güç yükselteci tasarlanırken o transistörün üzerinde harcanacak güç katalog değerinin üzerinde olmayacak şekilde tasarlanır. Bunun için kullanılan parametreler, katlogtan bulunan maksimum kollektör akımı Icmax, maksimum kollektör gerilimi Vcmax, transistörün güç kaybı Pt değerleridir. Ayrıca transistörün AC yük doğrusu ile DC yük doğrusu arasıda kalan bölgedeki alanda çalıştırılmasına dikkat edilir. Bu alana transistörün güvenli çalışma alanı denir. Transistör üzerindeki güç kaybını çok basit olarak aşağıdaki formülerle de bulabiliriz.
Pt=Ic x Vce

YÜKSELTEÇLER - 2:

Yükselteçleri genel olarak anlatmak çoğu zaman yetersiz kalmaktadır. Hatta genel bir yükseltecin çizimi bile tam olarak fikir vermez. Bunun nedeni yükseltecin türü ses frekans mı, yüksek frekans mı olduğu hem çizimi hem de açıklamasını çok değiştirir. Bende güç yükselteçlerini önce ses sonra yüksek frekans olarak ayırarak anlatacağım. Önce ses frekans yükselteçleri.

A Sınıfı Güç Yükselteçleri:


Yukarıdaki devrenin bayası R1 ve R2 dirençleri tarafından sağlanmaktadır. Devrenin DC kararlılığını sağlamak için RE direnci kullanılmıştır. Devrenin AC kazancını artırmak için CE kondansatörü RE direncine paralel bağlanmıştır. Devrenin RL yük direnci transistörün kollektörüne bir trafo ile bağlanmış olup kollektöre RL' olarak yansır. Kollektöre yansıyan yük empedansının değeri
RL'=(N12 /N22) RL
eşitliği ile verilir.
Transformatör kuplajının bazı avantajları vardır.
1. Transformatör kuplajında yük üzerinde DC akım olmadığından, RL üzerinde DC güç kaybı olmayacaktır. Bu durum özellikle yük bir hoparlör veya servo motor olduğu zaman önemlidir. DC akım çıkış yükünün performansını düşürür.
2. Eğer transformatörün primer direnci (empedansı değil) ihmal edilebilirse kollektör gerilimi Vc, Vcc kaynak gerilimine eşit olur. Böylece bu tür devreleri küçük kaynak gerilimleri ile kullanmak mümkün olur.
3. Transformatör, empedans uygunlaştırması yaptığından alçak empedanslı yüklerin (hoparlör, anten gibi) yüksek empedans olan kollektöre bağlamak mümkün olur. Bunların yanında transformatörün dar bantlı, ağır ve geniş hacimli olduğunu da unutmamak gereklidir. Aşağıdaki şekilde A sınıfı yükseltecin basitleştirilmiş şekli görülmektedir. Bu devrede kollektör besleme gerilimi
Vcc'= Vcc-VE
eşitliği ile verilmiştir. Beyz bayas devresinin eşdeğer voltaj değeri ve direnci
VBB= (R2/(R1 + R2)) x Vcc
RB=R1//R2
olarak verilmiştir.


Toplam kollektör akımı İc, DC (Ic) ve AC (ic) yük akımlarının toplamından oluşur.
İc=Ic + ic
Çıkış trafosunun primer sarımı L bobini ile temsil edilmiştir. Bobin, DC akıma kısa devre etkisi göstereceğinden RL' yük direnci üzerinde DC gerilim düşmesi olmayacaktır. RL'
üzerindeki AC gerilim düşümü
Vo= ic x RL'
değerine eşit olur. Kollektör emitör arasındaki anlık gerilim değeri
Vce= Vcc' + vo =Vcc' + (ic x RL')
Yukarıdaki denklem aşağıdaki şekilde AC yük doğrusunu ifade eder. Q noktasındaki, kollektör - emitör gerilimi Vcc' değerine, kollektör akımı ise Ic değerine eşittir. A sınıfı çalışmada Q noktası yük doğrusu üzerinde her iki tarafa eşit olarak salınacağından, AC kollektör gerilimi Vm=Vcc' , tepe değerine ulaşır ve toplam kollektör geriliminin değişmesi 0 volt ile 2 x Vcc' değeri arasıda olur. Distorsiyon ve non-linear çalışmadan kaçınmak için kollektör gerilimindeki salınımdan daha düşük değerde tutulur.


Vi giriş gerilimi örneğin bir sinüs ise, AC kollektör sinyal akımının ortalama yada DC değeri Sıfır olacaktır. Bu durumda, yalnızca DC kollektör akımı, besleme kaynağında çekilen gücü oluşturacaktır. Bu gücün değeri
Pcc= Pdc= Vcc' x Ic
Bu eşitliğe göre, A sınıfı yükselteçte DC kaynaktan çekilen güç SABİT olup, Vcc' kollektör gerilimi ile DC kolektör akımı Ic değerine bağlıdır. (Ses yükselteçlerinde A sınıfı yükselteçler çok düşük distorsiyonları ile ünlüdür. Bu nedenle A sınıfı güç yükselteçleri biraz pahalıdır.
Bu yükselteçlerin volümü kısık da olsa "hatta en kısık olsa da" iyice açık da olsa hep aynı sıcaklıkta kalır. Bu durum tecrübeyle sabittir.) Yük üzerine beslenen AC güç değeri
PL=Pac=RL' x (Irms)2
olarak belirlenir. Eşitlikteki Irms değeri, trafonun primerindeki AC yük akımıdır. Kollektör beslemesinden çekilen toplam güç, yük üzerine beslenen güç ile, transistörde kollektör kaybı olarak kaybolan gücün toplamına eşittir.
Pcc=PL + Pc
Değeri kollektör kaybını verir. DC çalışma şartlarında (giriş sinyali sıfır iken) PL=0 ve Pcc=Pc=Vcc' x Ic değerindedir. Bu eşitlik, giriş sinyali bulunmadığı zamanda bile, kollektör kaybının maksimum olduğunu gösterir. Yük üzerine beslenen maksimum güç, maksimum kollektör gerilimi (AC) ile maksimum AC kollektör akımının çarpımına eşittir. Buna göre
PL(max) = Vrms(max) x Irms(max)
PL(max)= 0,5 x Vcc' x Ic
değerine eşit olacaktır.
A sınıfı bir yükselteç için maksimum verim
Verim= PL(max)/Pcc
Verim=(0,5 x Vcc' Ic) / (Vcc' x Ic )
Verim= 0,5 yada %50 dir.
Pratikte %50 verime bile erişilemez. Çünkü yük doğrusunun kenarlarında transistör non-linear bölgelerde çalışır ve kabul edilemeyecek bir distorsiyon oluşur. A sınıfı bir yükselteçte yük üzerine beslenecek maksimum güç (sinüs giriş sinyali için)
PL=Pc(max)=0,5 x Vcc' x Ic
olarak verilir.

YÜKSELTEÇLER - 3:

B-Sınıfı Push-Pull Yükselteç

B sınıfı çalışmada transistörlerin her ikisi de kesime (cut-off) bayaslanır. Şimdi düşünelim. Tek transistörlü bir yükselteci kesime bayaslarsak giriş sinyalinin sadece pozitif bölümlerini yükseltecekti. Negatif bölümlerinde ise transistör kesimde kalacaktı. Aslında B-Sınıfı yükselteçlerde transistörlerin her ikisi aynı anda çalışmaz. Giriş sinyalinin pozitif bölümünde biri negatif bölümünde ise diğeri çalışır. Aslında transistörlerin her ikisi de NPN olduğuna göre ikinci transistör nasıl oluyor da negatif bölümde çalışıyor? Çünkü negatif bölüm girişteki trafo yardımı ile pozitif şekle dönüştürülüyor. Aşağıda Transformatör kuplajlı B-Sınıfı bir yükselteç şekli görülmektedir.


Vi giriş sinyali ortası sıfırlı (center tapped) giriş trafosu üzerinden, iki eşdeğer NPN transistör çifti üzerine uygulanmıştır. Ortası sıfırlı giriş trafosu, ters fazlı iki giriş sinyali sağlar. Şekildeki trafonun üzerindeki siyah noktalar trafonun sarım yönünü göstermektedir. Dikkat edilirse trafonun ssekonderinin üst ucu noktalı alt ucu noktasız durumda. Primerinin ise üst ucu noktalı. Bunun anlamı primer de üst uç pozitif olursa sekonder de üst uç pozitif alt uç negatif olacaktır. Primer de üst uç negatif olduğunda sekonder de üst uç negatif alt uç pozitif olacaktır. RL yük direnci güç transistörlerinin kollektörlerine ortası sıfırlı bir çıkış trafosu ile bağlanmıştır. Bu devrelerde trafo kullanılması; distorsiyon, bant genişliği, verim yönünden mahsurludur. Fakat diğer taraftan yük direncinin empedansının kollektör empedansına uydurulmasını sağlamaktadır. Giriş sinyali bulunmadığı zaman (DC çalışma yada sessizlik durumu) her iki transistörün de beyz ve emitör bayaslaması toprak potansiyelinde olacaktır. Bu durumda her iki transistör kesim durumunda kalacaktır. Giriş sinyali pozitife gittiği zaman Q1 transistörü düz bayaslanarak iletime geçecek Q2 transistörü iyice ters bayaslanacağı için kesimde kalacaktır. Q1 transistörü iletime geçtiği zaman çıkış trafosunun üst yarısı üzerinden İc1 akımı akacaktır. Giriş sinyalinin negatif olduğunda Q2 transistörü iletime geçecek, Q1 kesimde kalacaktır. Q2 nin iletime geçmesi ile çıkış trafosunun alt yarısı üzerinden İc2 akımı akacaktır. Böylece giriş sinyalinin pozitif kısımlarında Q1 transistörü, giriş sinyalinin negatif kısımlarında ise Q2 transistörü yükseltme işini yapacaktır. Aşağıdaki şekilde transistörlerin çalışması zamana bağlı grafiklerle de gösterilmiştir.


Şimdi, maksimum kollektör kaybını ve maksimum verimin hangi şartlarda oluştuğunu açıklayacağım. DC çalışma konumunda (Hiç sinyal girişi olmadığı zaman) her iki transistör de kesimde kaldığı için hiçbir kollektör akımı akmayacak, bu durumda da hiçbir kollektör kaybı olmayacaktır. Vi giriş sinyali uygulandığı zaman, Vcc besleme geriliminden çekilen akım yukarıdaki şekli "d" bölümündeki gibi olacaktır. Imax, İc1 ve İc2 kollektör akımlarının tepe değerlerini temsil ettiğine göre, toplam akımın RMS değeri;
Irms=(2 / pi) x Imax
Voltaj kaynağı Vcc tarafından sağlanan güç Pcc;
Pcc=(2 / pi) x Vcc x Im
Pcc = (2 x Vcc2) / (pi x RL')
yazılır. Imax değeri, kollektör akımını temsil eden (ya da primer yük akımı), yük üzerine gönderilen güç;
PL=RL' x Irms2 = 0,5 x RL x Imax2
Q1 ve Q2 transistörlerinin kollektör - emitör arası gerilimler;
Vce1= Vcc - İc1 x RL'
Vce2= Vcc - İc2 x RL'
formülleri ile belirlenir. Çıkış trafosunun primer sargılarının dirençlerini ihmal edilebilir kabul edersek trafonun primer sargılarında ulaşılacak en büyük gerilim değeri Vcc değerine eşit olacaktır. Bu nedenle yük üzerine gönderilecek maksimum güç;
Plmax=0,5 x Vcc2 / RL' = 0,5 x Vcc x Imax
İle bulunur
B-Sınıfı güç yükseltecinin maksimum teori verimi;
Verim= PL/Pcc buradaki değerleri yerine koyup sadeleştirirsek
Verim= 0,785 ya da %78,5
B-Sınıfı güç yükselteci tarafından sağlanacak maksimum çıkış gücü
1. Belirlenen maksimum kollektör akımı
2. Kollektör gerilimi
tarafından sınırlanır.
Bazı durumlarda da transistörün kollektör kaybı tarafından belirlenmektedir. Şimdi bu iki durumu inceleyelim.
Maksimum kollektör-emitör gerilimi Vce(max) ve maksimum kollektör akımı Ic(max) transistör kataloglarında belirtilir. Yukarıdaki devre şemasında Q1 transistörü göz önüne alınırsa iletime geçtiğinde transistörün kollektör akımı ic1 çıkış trafosunun alt yasına -v2 gerilimi emdükler. V1=-v2 olduğundan ve bu gerilim maksimum besleme gerilimine ulaşabildiğinden, kollektör-emitör arası gerilim Vce(max) en az 2 x Vcc değerini alıncaya kadar transistör dayanabilmelidir. Yani transistörlerin Vce(max) değerleri besleme gerilimini
en az iki katı yada daha fazlası olmalıdır. Vce(max) değerini kullanarak yük üzerine gönderilecek maksimum güç değerini veren formül;
PL= Vce(max) x Ic(max) / 4
Bu formül bir güç transistörünün maksimum gerilim ve akım değerlerini aşmadan B-Sınıfı bir yükselteç de vereceği maksimum gücü verir.
İkinci durumda, maksimum çıkış gücü, transistörün maksimum kollektör kaybı ile sınırlıdır. B sınıfı yükselteçte DC çalışma şartlarında ic1 = ic2 = 0 olduğu için her transistörün kollektör kaybı sıfırdır. Bu nedenle maksimum kollektör kaybı girişe sinyal uygulandığı anda meydana gelir. (daha açık olarak B sınıfı yükselteç de girişe sinyal uygulanmadan çıkış transistörlerinden akım akmaz ve ısınmazlar.) Girişe sinyal uygulandığında ani kollektör kaybı;
Pc= Vce x İc
İle tarif edilir.
Q noktası AC yük doğrusu üzerinde Vce = Vcc' x Ic =Q noktasından, Vce = 0, Ic = I noktaları arasında hareket ettikçe, Vce, İc ve Pc değerlerinin ani değerleri de bu çizgi üzerinde noktadan noktaya değişecektir. Pc gücünün maksimum değeri, Ac yük doğrusunun, izin verilen maksimum kollektör kaybı eğrisine teğet olduğu noktada oluşur. Teğet noktası Vce= Vcc / 2 ve Ic= I / 2 değerleri ile belirlenir.


Bu eşitliklerden her transistörün maksimum kollektör kaybının eşit olduğunu ve değerinin;
Pc(max) = (Vcc / 2) x (1 / 2)
Pc(max) = Vcc2 / (4 x RL')
olduğunu hesaplayabiliriz.
Şimdi A-Sınıfı bir yükselteçle B-Sınıfı bir yükselteci çıkışları bakımında karşılaştıracak olursak, sinüs giriş sinyali için B-Sınıfı bir yükselteç A-Sınıfı yükseltece göre iki kat fazla
güç verir.

YÜKSELTEÇLER - 4:
B Sınıfı Yükselteçlerde Crossover Distorsiyon

Aşağıdaki şekilde bir B sınıfı yükseltecin giriş devresi giriş devresinin eşdeğeri görülmektedir.


Buradaki Vs kaynakları örneğin girişe bağlı ortası sıfırlı bir trafodan elde edilen voltajları temsil etmektedir. Rs direçleri transistörlerin giriş dirençlerini temsil etmektedir. Transistörler Germanyum yada Silisyum olabilir. Bir noktaya dikkatinizi çekmek istiyorum. Bu eşdeğer devrede transistörlerin bayaslama devresi kullanılmamıştır. Bu devrenin (giriş devresinin) gerilim-akım V-I karakteristiği aşağıdaki şekildeki gibi olur.



Bu şekle ve devreye baktığımızda transistörlerden beyz akımlarının (Ib1-2) akması için Vs kaynaklarının voltaj değerlerinin germanyum transistörler için 0.2V, silisyum transistörler için 0.6V değerinin üzerine çıkması gerekir. Yani transistörlerden akım akması için girişe uygulanan AC sinyal seviyesi transistörlerin VBE açma voltajının üzerine çıkması gerekmektedir. Bu sorun ortadan kalkmadığı sürece yükselteçte CROSSOVER distorsiyonu oluşacaktır.



Bu distorsiyon yükselteçlerde yüksek çıkış güçlerinde hissedilmez. Ancak çok düşük çıkış seviyelerinde hissedilir. CROSSOVER distorsiyonunu ortadan kaldırma için Q1 ve Q2 transistörlerden geçen akım giriş sinyali sıfırdan farklılaştığı anda başlaması gerekmektedir. Bunu sağlamak için Q1 ve Q2 transistörlerinin VBE voltajı kadar bir voltaj transistörlerin beyz ve emitörleri arasına uygulanır. Bu voltaj aşağıdaki şekilde de görüldüğü gibi transistörle aynı malzemeden yapılmış (transistörler silisyumsa silisyum bir diyot, germanyumsa germanyum bir diyot) diyot ile olabileceği gibi, ayarlı bir direnç yardımı ile de olabilir. Ayarlı bir dirençle sağlanan bayaslama tercih edilir. Çünkü diyodu transistörlerle aynı malzemeden seçsek bile her zaman transistörle diyotdun açma voltajı aynı olmaz. Pratikte ayarlı direnç kullanılır. Bu ayarlı dirençle transistörlerin beyz ve emiterleri arasına bir ön bayas verilerek. 5-10 mA kollektör akımı sağlanır.





Ayrıca devredeki Q1 ve Q2 transistörlerini aynı karakteristiğe göre seçmek gerekir. Farklı karakteristikli transistörler kullanırsak yükseltecimizde bu kezde NON LINEAR distorsiyon oluşur. Transistörler aynı marka ve model de olsa karakteristikleri farklı olacaktır. Transistörleri aynı özellikte seçmek ancak Transistör Curve Meter denilen ölçü aletleri ile yapılır. Bu tür ölçü aletleri de herkezde bulunmaz. Ama en azından herkezde AVO metre vardır. Bu ölçü aletlerinde transistör ölçen bir özellik varsa aynı özelliği yada çok yakın özellik gösterenleri seçmek gerekir.

Tamamlamalı Simetrik Yükselteç:
COMPLEMENTARY SYMMETRIC AMPLIFICATOR

Trafo kuplajlı push-pull yükselteçlerde, transistorlere giriş sinyali sağlamak için bir ara trafosu, çıkış sinyali almak için de bir çıkış trafosu kullanılmaktadır. Buda devrenin büyülüğünü arttırmaktadır. Ayrıca trafonun frekans karakteristiği açısından bazı dezavantajları da vardır. Şimdiki yükseltecimizde trafo kullanılmamaktadır. Aşağıdaki devre Tamamlamalı Simetrik bir yükselteç devresini göstermektedir.


Anlatım kolaylığı için bayaslama devreleri çizilmemiştir. Devreye dikkatlice bakacak olursak (transistörün birini parmağınızla kapatın) iki adet Emiter İzleyici devreden oluşmaktadır. Daha önceki konularımızdan hatırlarsanız Emiter izleyici bir devrenin çıkış empedansı düşük olduğu için düşük empedanslı yükleri örneğin bir hoparlör, DC motor doğrudan kullanılabilir. Bu devrede iki adet besleme kaynağı kullanılmıştır. Gerçekte bu tür yükselteçlerde iki besleme kaynağı olabileceği gibi çıkış yüküne seri olarak ek bir kondansatör bağlanarak tek güç kaynağı ile de kullanılabilir. Devrenin çalışması oldukça basit. Girişe sinüs şeklinde bir giriş sinyali uygulayalım. Bu sinyalin pozitif taraflarında Q1 transistörü, negatif taraflarında Q2 transistörü akım geçirmekte. Transistörlerin emitör akımları yük üzerinden güç kaynaklarının sıfır noktasına dönmektedir. Bu devrenin yük üzerine beslenen çıkış gücü her transistörün maksimum kollektör kaybının 2 katına eşittir. Sinüs sinyaller için maksimum verin push-pull devreninkine eşit olup %78.5 dir. Yukarda ki devre bu haliyle kullanılmaz. Devreye bayas, stabilizasyon, sürücü katı ve uygun geri besleme devresi eklemek gerekmektedir. Aşağıdaki devre gerekli devreleri eklenmiş tek güç kaynaklı bir tamamlamalı simetrik yükselteçtir.



Rl yük empedansı Q2-Q3 tamamlayıcı transistörlerin çıkışına C3 kondansatörü ile bağlanmıştır.R6 ve R7 emitör dirençleri Q2 ve Q3 transistörleri için Isıl Düzenleme yapar.
R1 direnci Q2 ve Q3 emitör dirençleri ortasındaki gerilimi sürücü katının girişine geri-besleme olarak uygulayarak, Q1 transistörünün sıcaklık değişimlerinden etkilenmesini önler.
Q2-Q3 transistörlerinin emitör dirençlerinin ortasındaki gerilim, yaklaşık olarak Vcc geriliminin yarısına eşittir. Crossover Distorsiyonunu önlemek için çıkış transistörleri üzerinden birkaç mA değerinde akım geçecek şekilde bayaslanır. Çıkış transistörleri farklı polariteli olduğu için (biri NPN diğeri PNP) Q2 transistörünün beyzine emitörüne göre pozitif, Q3 transistörünün beyzi emitörüne göre negatif bayas uygulanması gerekmektedir. Bu bayas gerilimleri Q1 transistörünün kollektöründeki R4 direnci tarafından sağlanır.
R1 direncinin yaptığı geri beslemeler nedeniyle devrede simetrik olmayan bir durum oluşur. Bu nedenle R4 direncinin değeri büyük olmalıdır. R4 direncinin yerine ayarlanabilir bir ayarlı direnç kullanılarak çıkış transistörlerinin çalışma noktaları doğru olarak ayarlanır ve çıkış sinyalinde, giriş sinyalinin yüksek olması nedeniyle oluşabilecek kırpılmalar önlenir. Güç kaynağında oluşabilecek değişmeler ve sıcaklıktan olabilecek etkileri ortadan kaldırmak için R4 direncine paralel bir termistör (NTC) bağlanabilir. Devrenin çalışması bir önceki devrenin aynısıdır. Giriş sinyalinin pozitif bölümlerinde Q2 negatif bölümlerinde Q3 transistörleri iletimdedir. Q2 nin iletimde olduğu sürece A noktasındaki gerilim toprak voltajına göre artar, Q3 tranasitörünün iletimde olduğu sürece A noktasındaki gerilim toprağa göre azalır. A noktasıdaki değişimler (AC sinyal) C3 kondansatörü üzerinden yük üzerine aktarılır.

YÜKSELTEÇLER - 5:
RF GÜÇ YÜKSELTEÇLERİ www.diyot.net

Linear (Doğrusal) RF güç yükselteçleri AM ve SSB vericilerin çıkış katı olarak yaygın olarak kullanılır. Aslında genel olarak giriş ve çıkış arasında ki bağlantı bir linear yükselteç tarafından sağlanır.
Linear yükselteç yada doğrusal yükselteç, adından da anlaşılacağı gibi girişine uygulanan sinyalin şeklini, frekansını bozmadan fakat genliğini arttırarak çıkışa aktaran yükselteçlerdir. Bu yüzden, bilgiyi genliğinde taşıyan RF sistemlerinin (AM, SSB gibi) çıkış katı olarak kullanılır.
Linear yükselteçlerler; A sınıfı tek transistörlü, paralel bağlı transistörlü veya AB sınıfı yada B sınıfı push-pull bağlı transistörlerden yapılabilir.
Bildiğiniz gibi A sınıfı yükselteçlerde bir takım bozulmalar (distorsiyonlar) olmuyor. Şüphesiz B sını yada AB sınıfı yükselteçlerin de çalışma bölgelerinin doğrusal kısımlarında da aynı özellik var. Peki, linear yükselteç kullanmazsak ne olur. Şimdi burada kısa bir bilgilendirme yapacağım. Bir yükselteç doğrusal çalışmıyorsa, girişine uygulanan sinyali çıkışta şekli bozuk olarak bize verecektir. Bu dalga şeklinin trigonometrik ifadesini yazmaya kalkarsak (yani dalga şeklini genliği, frekansı gibi şeyleri)
f(t)= a0 + a1Cosw0t + a2Cos2w0t + a3Cos3w0t + a4Cos4w0t +....... anCosnw0t www.diyot.net
Şimdi bu yazıyı okuyan pek çok arkadaş buda ne diyebilir. Hemen açıklayacağım. Aslında basit. Burada bir anımı anlatayım. Yıllar önce telsiz üreten bir firmada teknisyen olarak çalışıyordum. Yaptığımız telsizler lambalı idi. Gelen bir talep doğrultusunda ilk defa transistörlü VHF telsiz imal edecektik. Şirketimizin sahibi, patronumuz ve tasarım mühendisi, devreleri tasarladı. Bende baskı devre tasarımlarını yapıyordum. Devreyi inceledim. Tamam, sanat enstitüsünde öğrettikleri gibi osilatör frekansı düşük, sonra katlanarak yükseltiliyor... Her şey tamam fakat kafama takılmıştı. Bir diyot ve LC den oluşan devrenin giriş ve çıkış frekanları arasında üç kat fark vardı. Nasıl oluyor da diyot frekansı üçe katlıyordu? Anlamadım. Doğruca patronun yanına gittim ve sordum, nasıl oluyor? Şöyle pürosundan derin bir nefes çekti. Biraz düşündü. Yahu, oluyor işte. Senin matematik bilgin bunu anlamaya yetmez, daha sonra anlatırım dedi. Tabi, o sıralar laplace transformu, fourier
serileri gibi şeyleri bilmiyordum. Bilsem de fark etmez di, çünkü bunların anlamlarını da bilmiyordum. Şimdi yukarda ki ifadeyi anlamak için bunları bilmeye gerek var mı? Bilinse iyi olurdu. Bilinmediğini düşünerek size çok basit olarak anlatmaya çalışacağım. İşin özü şu; Kare, üçgen, kesik sinüs, kesik kosinüs gibi (tam sinüs ve kosinüs olmayan dalgaların dışında) dalgalın içinde sonuz sayıda sinüs dalgası vardır. Buradaki sinüs dalgalarının frekansları ana frekans ve tam karlarından oluşur. Şimdi yukarda ki ifadeye bakalım ve açıklayalım.
f(t)= a0 + a1Cosw0t + a2Cos2w0t + a3Cos3w0t + a4Cos4w0t +....... anCosnw0t

f(t)= Sinüs olamayan, periyodik bir dalga sekli, örneğin üsten kesik bir sinüs, kare dalga yada üçgen dalga gibi.
a0= Dalga şeklinin DC bileşeni
w = 2 . pi . f (f ana frekans)
a1Cosw0t= a1, ana frekansın genliği, Cosw0t ise ana frekans.

a2Cos2w0t= a2, ana frekansın ikinci harmoniğinin (ana frekansın iki katı) genliği, Cos2w0t ise ana frekansın ikinci harmoniği (ana frekansın iki katı).

a3Cos3w0t= a3, ana frekansın üçüncü harmoniğinin (ana frekansın üç katı) genliği, Cos3w0t ise ana frekansın üçüncü harmoniği (ana frekansın üç katı).

a4Cos4w0t= a4, ana frekansın dördüncü harmoniğinin genliği, Cos4w0t ise ana frekansın dördüncü harmoniği.
anCosnw0t= an, ana frekansın n inci harmoniğinin genliği,
Cosnw0t ise ana frekansın n inci harmoniği.

Yani, sinüs dalgası dışındaki periyodik dalgalar, frekansları ana frekansın kendisi ve katları olan sinüs dalgalarından oluşur. Bu ne işe yarayacak derseniz, frekans katlama devreleri bu işi yapıyor, önce dalga şekli bozularak harmonikler üretiliyor (bir diyot yada A sınıfı çalışmayan transistörlü bir devre ile). Sonra katlayıcının çıkışına bu harmoniklerden hangisini kullanacaksak sadece onu alan bir LC devresi konuyor. Her halde bu açıklama işe yaramıştır.
Bir yükselteç doğrusal çalışmıyorsa, girişine uygulanan sinyali çıkışta şekli bozuk olarak bize verecektir demiştik. Yukarıdaki açıklamam iyi analiz edilmişse işinde işe yaramayan pek çok bileşkeler olduğunu ve yükseltecin veriminin azalacağı, çıkış sinyalinin seviyesinin düşeceği açıktır.
Genel olarak bu bölümü özetlersek;
Bir RF dalgasındaki bilgi dalganın genliğinde taşınıyorsa Linear yükselteç kullanılır. Bir RF dalgasındaki bilgi dalganın frekansında (FM) taşınıyorsa Linear yükselteç kullanılmayabilir. Dar bantlı bir vericimiz varsa (Mors gibi) ve modülasyon kollektör besleme voltajını değiştirerek yapıyorsak AM için çıkış katı olarak kullanabiliriz. Fakat bu tür bir yükselteci S SB olarak kullanmak mümkün olmaz.

A-Sınıf RF Yükselteci:

Bir RF yükselteç içinde olmazsa olmaz devre parçalarından oluşur.


Buradaki Bayas devresi yükseltecin çalışma sınıfını belirler. Matching (eşleme) devreleri transistörün giriş empedansını girişe bağlanan bir önceki devrenin çıkış empedansına eşlemeye, çıkıştaki matching devresi işe "transistörün çıkış empedansını anten empedansına uydurmaya yarar. Profesyonel devrelerde genellikle giriş ve çıkış empedansları özel bir durum yoksa 50 ohm olarak yapılır. RFC (RF şok) RF e çok yüksek empedans göstererek RF sinyalin besleme ve bayas devrelerinden geçmesine engel olurlar. A sınıfı bir yükselteç en iyi lineariteye ve en düşük distorsiyon oranına sahiptir. Fakat verimi düşüktür. Bunun sebebi ise çalışma sınıfının özelliğinden dolayı girişine bir sinyal uygulanmasa bile bir kollektör akımının akmasıdır. Yukarıdaki devreye besleme voltajı ve giriş sinyali uygulandığında, AC sinyal transistörün kollektöründe besleme voltajının iki katı olarak salınır. Kollektördeki RFC AC sinyalin besleme kaynağı tarafından kısa devre edilmesine engel olur. AC sinyal kollektöre bağlı matching devresi üzerinden antene beslenir.
Transistöreden geçen akım;
Ic= Icq + IoCoswt dir.
Ic= Transistörden geçen herhangi bir andaki kollektör akımı.
Icq= Transistörden geçen kollektör sessizlik (giriş sinyali olmadığında) akımı.
IoCoswt = RF sinyal bileşkesi olan kollektör akımı.
Herhangi bir andaki kollektör gerilimi;
Vc= Vcc - Io RL' Coswt Buradaki RL' kollektör empedansıdır.
Kollektörde harcanan güç bir miktar hesap sonunda
Pd= IcQ Vcc - (Io2 RL') / 2 olarak bulunur.
Bu yükselteçlerde giriş sinyali yokken kollektör üzerinde çok fazla güç harcanır. Yukarıdaki formülün (Io2 RL') / 2 parçası sinüs sinyali uygulandığında oluşan güç harcamasıdır. Formülden de anlaşılacağı gibi giriş sinyali yokken transistör üzerinde harcanan güç artıyor.
Devrenin verimi
n = Io2 /( 2 Io2max) 100%
Buradan en büyük verinin %50 nin altında olduğu anlaşılıyor.
Maksimum çıkış gücü;
Po= (Vcc IcQ) / 2
Girişe birden çok sinyal sinyal uygulandığında (örneğin çift ton uygulandığında) çıkış gücü tek tona göre düşer. Bu nedenle farklı güç formülleri de kullanılır.
Portalama= P.E.P / N
Burada;
Portalama = ortalama çıkış gücü
P.E.P. = Tek ton uygulandığında tepe güç.
N = ton sayısı
BU şekilde transistör üzerinde harcanan güç
Pd = IcQ Vcc - Portalama olarak ifade edilir.
Linear yükselteçlerde kullanılan bayas devreleri çıkış transistörünün gücüne göre tasarlanır. Eğer düşük güç transistörleri kullanılıyorsa aşağıdaki devre yeterli olabilir.


Eğer kullandığımız çıkış transistörü fazla güç verecek ise aşağıdaki devreyi kullanmak daha uygun olacaktır.



Güç transistörlerinin beta değerleri genellikle azdır. Bu nedenle Ib akımları yüksek olabilir. Yukarıdaki devrede bulunan transistör fazla Ib akımlarını karşılamak için kullanılmaktadır.
Her iki devredeki diyot yada diyotlar VB gerilimini sınırlamak için kullanılmaktadır. P1 ayarlı diranci Ib akımını yada IcQ akımını ayarlamak için kullanılmaktadır. RFC ise daha önce de söylediğim gibi girişe uygulanan RF sinyalin bayas devresi üzerinden kısa devre olmasını engellemek için kullanılmaktadır.

A sınıfı RF Yükseltecine Örnek;


Yukarıdaki devreyi açıklarken ses frekans yükselteçlerinden gerek devrede kullanılan malzemeler ve özellikleri bakımından ne kadar farklı olduğunu göreceksiniz. Devrenin girişinde kullanılan C1, C2 ve L1 elemanları girişe bağlanacak olan RF kaynağının çıkış empedansının transistörün giriş empedansına çalışma frekansında uydurmaya yarar. Bu devre kullanılmazsa RF kaynağının empedansı ile transistörün giriş empedansı birbirine uygun olmadığı için devre iyi çalışmayacaktır. Bildiğiniz gibi elektrikte maksimum güç transferi için empedanslar eşit olmalı. Çıkış da yer alan L2, C5 ve C6 kapasiteleri ise transistörün çıkış empedansını anten devresine (anten kablosu ve anten dahil) uydurmaya yarar. RFC ler RF sinyalin besleme gerilimi ve bayas voltajı üzerinden kısa devre olmasını engeller. C3 ve C4 kondansatörleri ise besleme kaynaklarından gelebilecek olan bozucu AC sinyallerin devreye girmesine engel olmak için kullanılmaktadır.
Şimdi devre ile ilgili formülleri ve elemanların nasıl hesaplandığını bir örnekle açıklayalım;
Bu devremiz örneğin 30MHz de 13W güç verecek bir linear yükselteç olarak tasarlanmış olsun. Kullanılan transistörün giriş empedansı (1,7 - j1) olsun.
L1 için ;
Bobinin Q faktörü biraz geniş olması için 7 seçilsin. L1 bobinin
reaktansı ;
XL1= (Q . Rin) + XCin
Burada Rin transistörün giriş direnci olup 1,7 ohm Xcin transistörün giriş empedansının sanal tarafı olup 1 ohm dur.
XL1 = ( 7 . 1,7 ) + 1
XL1 = 12.9 ohm
L1= XL1 / ( 2 . pi . f ) = 12,9 / ( 2 . pi . 3 . 107 )
L1 = 68,4 nH bulunur.
C1 için;
XC1= RL . \/¯ ( Rin . (1 + Q2 ) / RL ) - 1
Değerleri yerine koyarsak
XC1= 41,8 ohm
C1 = 1 / ( w . XC1 )
C1 = 127pF
C2 için;
XC2 = Rin . (1 + Q2) / ( Q - \/¯ (Rin . ( 1 + Q2 ) / RL) -1
XC2 = 13,8 ohm
C2 = 1 / ( w . XC2 )
C2 = 385pF bulunur. www.diyot.net
Bulunan C1, C2 ve L1 değerindeki malzemeleri tam olarak bulmak mümkün değildir. Bu nedenle trimmer kondansatör ve ayarlı bobin kullanmak gereklidir.
Yükseltecin 13W gücünde olacağını söylemiştim. A sınıfı linear yükselteçte en çok %50 verim alınacağına göre transistör üzerinde normal ısıl şartlarda Pdmax 30W harcanacağını düşünelim.
Besleme voltajı 12,5V olduğuna göre sessizlik akımı IcQ;
IcQ = Pdmax / Vcc
IcQ = 30 / 12,5
IcQ = 2,4A
Kollektör yük direnci RL' ;
RL' = ( Vcc -Vsat ) / IcQ
Vsat, transistörün saturasyon voltajı 1,5V kabul edilsin.
RL' = ( 12,5 -1,5 ) / 2,4
RL' = 4,58 ohm bulunur.
Çıkış gücü ise;
Po = ( IcQ2 . RL' ) / 2
Po = ( 5,76 . 4,58 ) / 2
Po = 13,2 W olduğu görülür.
Çıkışa bağlanacak anten empedansımız 50 ohm olduğuna göre aradaki empedans uydurma devresinin 4,58 ohm luk kollektör empedansını 50 ohm luk anten empedansına uydurması gereklidir.
Devremiz eğer fazla harmonik üretse idi ve biz bu harmoniklerin antene gitmesini engellemek istersek o zaman devrenin Q sunun yüksek olmasını isterdik. Yüksek Q harmonikleri ortadan kaldırdığı gibi dar bantlı çıkış almamızı sağlar. Q düşük seçilirse bu kez de geniş bantlı çıkış elde ederiz. Bizim devremiz zaten A sınıfı olduğu için harmonik bileşenleri doğal olarak az. Bu nedenle harmonik endişesi olmadan Q değerini düşük seçebiliriz.
Çıkış devresinin Q su 3 olsun.
Qtoplam= Qgiriş + Qçıkış
Qtoplam = 7 + 3
Qtoplam = 10
XC5 = Qçıkış . Ro
XC5 = 3 . 4,58
XC5 = 13,75 bulunur.
C5 = 1 / ( w . XC5 )
C5 = 386pF
Bulunan C5 değerinden bazı parazitik kapasite değerlerini çıkarmak gereklidir. Daha iyisi C5 i trimmer kondansatör olarak kullanırız.
C6 değeri;
XC6 = RL . \/¯Ro / (RL - Ro)
XC6 = 50 . \/¯4,85 / (50 - 4,85)
XC6 = 15,9 ohm
C6 = 1 / ( w . XC6 )
C6 = 334pF bulunur.
C6 yı da trimmer olarak kullanmak gereklidir.
L2 değeri;
Transistörün çıkış empedansı Xcçıkış, 3.54 ohm olsun.
XL2 = XC5 + Xcçıkış + ( ( Ro . RL ) / XC6 )
XL2 = 13,74 + 3,54 + ( (4,58 . 50 ) / 15,9 )
XL2 = 31,64 ohm
L2 = XL2 / ( 2 . pi . f ) = 31,64 / ( 2 . pi . 3 . 107)
L2 = 149 nH
Şimdide gerilim ve güç kazançlarını hesaplayalım;
AV = ß . RL' / Rin
Yada
AV = ( ft / fwork ) . ( RL' / Rin )
Burada ft transistörün kesim frekansı olup örnek olarak 100MHz alalım.
fwork transistörün çalışma frekansı olup örneğimizde 30MHz idi.
AV = ( 100 / 30 ) . ( 4,58 / 1,7 )
AV = 8,98 gerilim kazancıdır.
Gp = 20 log AV
Gp = 19 dB güç kazancı bulunur.
Burada eksi kalan taraf sadece transistörün soğutucu hesaplamalarıdır.

www.diyot.net