Temel transistör devreleri: Transistörlü anahtar

[taydin]

Temel transistör devreleri serisinin ilk mesajı ile başlıyorum. Transistör devreleri arasında en temel devre, transistörlü anahtardır. Bu devrede bir NPN veya PNP transistör, kollektöre bağlı olan bir yükü çalıştırıp durdurmak için kullanılır.

NPN transistörlü bir anahtar

PNP transistörlü bir anahtar

 

[taydin]

NPN ve PNP transistörlü devredeki tek fark, çalışma voltajlarının yönünün farklı olmasıdır. NPN transistörün kollektörü ve bazı, emiterine göre pozitif olmalıdır, PNP transistörde ise negatif olmalıdır.

Bu iki devrede de, kollektördeki yükü, transistörün bazından akım geçirerek veya geçirmeyerek kontrol ediyoruz. Bazdan uygun seviyede akım geçerse yük çalışacak, akım geçmezse de çalışmayacak.

 

[taydin]

Bu tip bir transistör anahtarını baza bağlı olan bir akım kaynağı ile değil de, büyük çoğunlukla bir gerilim kaynağı ile kontrol etmek isteriz. Örneğin 5V ile çalışan bir dijital devrede, eğer bir çıkış lojik 1 ise yükün çalışmasını, lojik 0 ise de yükün çalışmamasını isteriz. Böyle bir gerilim kaynağını da direkt olarak transistörün bazına bağlayamayız, çünkü böyle yaparsak, bazdan aşırı miktarda akım geçebilir ve transistörü yakabilir. O yüzden, gerilim kaynağına seri olarak bir direnç koyarız ve bu direnç de, bazdan geçen akımı belli bir değer ile sınırlandırır.

Yani transistörlü anahtarda, transistörün kendisi, kollektöründeki yük, ve bazındaki direnç vardır. Yük zaten belli, onunla ilgili yapılması gereken bir seçim yok. Ama hangi transistörü kullanacağız, baz direnci ne olacak belli değil. İşte şimdi bunları nasıl seçeceğimizi göreceğiz.

 

[taydin]

Transistörü, yükün çalışma gerilimi ve çalışma akımına göre seçeceğiz.

Bizim yukarıdaki örnek devrede V_CC 5V, geçebilecek maksimum akım da 100 mA. Bu yük için, maksimum kollektör-emitter gerilimi 5V un üsünde olan bir transistör seçeceğiz. Burada en az %50 gibi bir güvenlik marjı bırakmak da gerekir, örneğin maksimum V_CE değeri 7.5V ve üstü olan bir transistör seçebiliriz.

Ayrıca transistörün 100 mA kollektör akımına da dayanabilecek şekilde seçilmesi gerekir. Burada da değerlendirilmesi gereken iki konu var:

1) Aynen voltajda olduğu gibi, akımda da en az %50 gibi bir güvenlik marjı bırakacağız.

2) Transistörün datasheet'inde verilen maksimum kollektör akımı I_C transistörün uygun bir şekilde soğutulduğunu varsayarak verilmiştir. Eğer transistöre soğutucu bağlı değilse, o transistörden güvenli bir şekilde geçirilebilecek akım çok daha azdır (onda biri gibi düşünün).

2N2222A transistörü hem 5V'un oldukça üzerinde olan voltajlara dayanıklı, hem de 800 mA'e kadar kollektör akımı taşıyabiliyor. Ayrıca datasheet'ten, bu transistörü soğutmazsak, en fazla 500 mW güç tüketebileceğini belirtiyor. Bizim devrede transistör ON olduğunda, üzerinde 0.2V luk satürasyon voltajı olacak ve içinden de 0.1A akım geçecek. Harcanan güç 20 mW, dolayısıyla transistörün aşırı ısınmak tehlikesi de yok. Bunun dışında, 2N2222A yaygın olarak bulunabilen bir transistör, O halde 2N2222A yı seçiyoruz.

 

[taydin]

Baz direncini seçerken de, öyle bir direnç seçeceğiz ki, transistörün bazından geçen akım, transistörü tam olarak satürasyona sokacak. Yani transistör maksimum seviyede iletime geçsin istiyoruz. Şimdi burada ilk akla gelen, transistörün kollektör akımı ile baz akımı arasındaki ilişkiyi ifade eden h_FE (transistörün kazancı) değerine göre gereken baz akımını hesaplamak ve baz giriş voltajı da bilindiğine göre direnç hesaplamak diye düşünülebilir.

Ama bu metot istenen sonucu vermeyecektir, çünkü:

1) Transistörlerin h_FE değerleri çok değişkendir ve 50 - 300 gibi çok geniş aralıkta değişir. İki tane 2N2222A varsa elinizde, birisinın betası 80, diğerininki 150 olabilir. Bir transistör için yapılan hesap diğeri için tutmaz.

2) h_FE değeri, sıcaklığa göre, frekansa göre, ve V_CE (kollektör-emitter voltajı) ye göre de değişir. Çok düşük V_CE değerlerinde h_FE de çok düşüktür. Biz de zaten transistörü satürasyonda çalıştırdığımıza göre, V_CE çok düşük olacak (tipik olarak 0.2V).

O yüzden baz direncini hesaplarken, 25 gibi oldukça yüksek marjlı bir h_FE varsayımı yapacağız. Aslında 2N2222A nın beta değeri tipik olarak 200 gibidir, ama biz 25 seçerek satürasyonun gerçekleşeceğinden emin olmak istiyoruz.

I_C = 100 mA
I_B = I_C / 25 = 4 mA

Transistör iletime geçtiği zaman, baz-emitter arasında 0.7V gibi sabit bir voltaj olur. Bu, baz-emitter deki diyodun ileri voltajıdır. Bunu da hesaba katarak baz direncini hesaplayalım:

V_B = 5V - 0.7V
R_B = V_B / I_B = 1.075 kΩ

 

[taydin]

Evet baz direncinin değerini de 1.075 kΩ olarak hesapladık, şimdi devrenin DC çalışma noktasının simulasyonunu yapalım ve sonucu görelim. Kollektör akımı beklendiği üzere 100 mA gibi (aradaki fark, V_CE satürasyon voltajı olan 0.2V tan kaynaklanıyor), baz akımı da 3.82 mA

 

[taydin]

Transistörlü anahtar devresi, en temel, en basit transistörlü devre de olsa, uygulama alanına göre, yüke göre ve çalışma frekansına göre dikkat edilmesi gereken bir sürü ayrıntı vardır. Bizim burada yaptığımız devre, rezistif bir yükü, nispeten düşük hızlarda (birkaç MHz) anahtarlıyoruz.

Eğer yük endüktif ise, yükün enerjisi kesilirken oluşacak olan ve değeri binlerce voltu bulabilen ters EMK voltajına karşı tedbir almamız lazım. Bunun içinde endüktif yüke paralel olarak, uygun hıza ve akım kapasitesine sahip bir clamping diyodu koymamız lazım.

Eğer frekans çok yüksek ise (yüzlerce MHz), transistörü, o frekanslarda anahtarlama yapabilecek şekilde seçmemiz lazım. Ayrıca yüksek frekans devre tasarımının getirdiği birçok ilave zorluk ve musibet ile baş etmemiz lazım.

 

[yesilu]

bu konuda hep merak ettiğim şey; yükümüzü emitör tarafına ve kollektör tarafına bağlamamızda ne gibi farklar olur, sakıncaları var mı? high side low side diye bahsedilen şey bu mudur?

 

[taydin]

Anahtar uygulamalarında transistörün TAM OLARAK satürasyona gitmesi istenir. Ama eğer yük emitter'e bağlı ise tam satürasyon elde edilemiyor, çünkü tam satüre olması için baz voltajının, yük voltajından her zaman 0.7V fazla olması gerekiyor.

Yükün emitter'de olduğu transistör devresine "emitter follower" deniyor ve bunların kullanım amacı zayıf bir giriş sinyalinin sürme kapasitesini artırmak (buffering), yani lineer modda kullanılıyor.

 

[DonKişot]

çünkü tam satüre olması için baz voltajının, yük voltajından her zaman 0.7V fazla olması gerekiyor.

Ama yük voltajı da sabit birşey değil ki. Akım arttıkça o da değişiyor. Böyle olunca 0.7V fazlasını nasıl vereceğiz?

 

[taydin]

Ama yük voltajı da sabit birşey değil ki. Akım arttıkça o da değişiyor. Böyle olunca 0.7V fazlasını nasıl vereceğiz?

Aynen. Yükü emitter'e bağladığın anda, o yük direnci negatif geri besleme yapıyor. Sen baz voltajına 1V eklersen, emitter voltajı da 1V artıyor Yani sen baza 0 - 5 V arası ne verirsen ver, emitter'deki yük üzerinde onun kabaca 0.7V eksiğini göreceksin, ama transistör hiçbir zaman satüre olmayacak. Bu emitter takipçisi devresinde satürasyon elde etmenin tek yolu, baza 5.7V vermek. Baz voltajı V_CC yi aştığı için bizim emitter takipçisi artık takibi bırakır, negatif geri besleme ortadan kalkar ve transistör tam satüre olur.

 

[taydin]

Emitter takipçisi, yukarıdaki devrelerde olduğu gibi 5V ile sürünce olan durum. Transistör tam satüre değil, yük akımı olması gereken değerden az.

 

[taydin]

Emitter takipçisi, bu sefer 5.7V ile sürüyoruz. Transistör artık tam satürasyona girdi ve yükten beklenen akım geçiyor. Ama bu şekilde bir anahtarlama devresinin, V_CC den daha yüksek voltajla sürülmesi olağan birşey değil. Neredeyse her zaman, kontrol voltajı, yük voltajından azdır. Mesela 100V ile çalışan bir yükü, ilk mesajdaki devre ile rahatlıkla 5V luk dijital bir çıkış ile süreriz (tabi böyle yüksek voltaj farklarında oraya bir optokuplör atarız ama o ayrı bir konu). Ama 100V luk bir yükü emiter takipçisi ile sürmek için en az 100.7V luk voltaj bulmamız lazım.

 

[DonKişot]

Peki basit tek transistörlü, zenerli bir regülatör devresinde yük emiter'de bulunuyor. Oldukça yüksek akım geçebiliyor. Bunun mantığı nedir?

 

[taydin]

O bahsettiğin devrede transistör anahtarlama elemanı olarak kullanılmıyor. Satürasyon meydana gelmiyor ve gelmesi de istenmiyor zaten. O devrede transistör lineer modda kullanılıyor.

Tek bir zenerin akım verebilme kapasitesi kısıtlıdır, o yüzden orada ne yapıyoruz? Bir emitter takipçisi kullanıp zenerin akım verme kapasitesini artırıyoruz. Yük üzerindeki voltajın sağladığı negatif geri besleme ile de regülasyon yapıyoruz.

 

[Öğretmen27]

Hocam çok basit birer yük bağlayarak gösterseniz size zahmet?
Aşağıda vermil olmudugum devrede rolenin collektorune bağlanmıs. Emiterine seri bağlansaydı ne fark olurdu? Bana göre fark yoktu.

 

[taydin]

Hocam çok basit birer yük bağlayarak gösterseniz size zahmet?
Aşağıda vermil olmudugum devrede rolenin collektorune bağlanmıs. Emiterine seri bağlansaydı ne fark olurdu? Bana göre fark yoktu.

Yukarıda var o örnek, yükü emitter'e bağladım.

Diyelim o röleyi emitter'e bağladın. Eğer o rölenin çekmesi için bobine 24V vermek gerekiyorsa, o zaman senin de baza 24.7V vermen lazım ki röle çeksin. 5V ile kesinlikle o röle çekmez.

 

[Öğretmen27]

Yukarıda var o örnek, yükü emitter'e bağladım.

Diyelim o röleyi emitter'e bağladın. Eğer o rölenin çekmesi için bobine 24V vermek gerekiyorsa, o zaman senin de baza 24.7V vermen lazım ki röle çeksin. 5V ile kesinlikle o röle çekmez.

Mosfet de mi ayni hocam?

 

[taydin]

Benzer ama MOSFET'te önemli farklar var. MOSFET'ler de p kanal n kanal olayı var. Ama MOSFET'ler voltaj kontrollüdür, akım değil.

Onunla ilgili de simulasyonlar yapacağım inş

 

[DonKişot]

bd139 gibi güç transistörlerinde yapılan hesap nasıl değişiyor? yoksa aynı mıdır?