Transcript Temel Elektrik Elektronik 8.hafta sunuları…

SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ
TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ
ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ
TEMEL ELEKTRİK- ELEKTRONİK
1
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
YARI İLETKEN MADDELER
Yarıiletkenlerin yapımında en çok kullanılan maddeler silisyum ve germanyumdur.
Plajdaki kum bir silisyum maddedir ve germanyum ise baca kurumundan temin edilir.
Bu yüzden bu maddeler her yerde görülebilir. Bununla birlikte bu maddeler
olağanüstü derecelere kadar saflaştırılmalıdır. Bu maddeler saflaştırıldığı zaman tuz
ve şeker gibi kristal bir yapıya sahip olurlar. Bu maddeleri meydana getiren atomlar
birbirlerine pencere şeklinde birleşir atomlar içindeki elektronların hareket etmesi
önlenir. Bunun anlamı saf silisyum ve germanyum iyi yalıtkandır. Saflaştırmadan
2
sonra katkı maddesi eklenir. Bu katkılar kafes içerisine uygulanır. Fakat boş olan
elektronla ilişkiye girerek elektronların hareket ettirilmesi sağlayarak elektron akımı
meydana gelir. Burada fazla miktarda negatif yüklü elektron bulunduğundan dolayı
bu maddelere N tipi yarı iletken adı verilir.
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
YARI İLETKEN MADDELER
N- tipi ve P tipi Yarıiletkenler
Yarıiletken maddeler akımı iyi iletmezler ve kendi saf durumları içinde daha az
değerlidir. Bu nedenle iletim bandında çok sınırlı serbest elektrona ve valans
bandından da çok sınırlı oyuğa sahiptir. Saf silisyum veya germanyum
maddelerin iletkenliğini arttırmak için ve elektronik devre elemanları içerisinde
daha faydalı yapmak için serbest elektronlarını ve oyuklarını arttırarak yeniden
3
düzenleme yapılaması zorunluluktur. Bu işlemde saf maddelere katkı maddesi
ekleme yapılabilir.
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
YARI İLETKEN MADDELER
İki tip katkılı yarıiletken madde vardır. Bunlar; n-tipi ve p-tipi maddelerdir. Bu
iki madde de bütün elektronik devre elemanlarının temelini oluşturmaktadır.
Saf
yarıiletken
maddeye
katkı
maddesi
eklemekle
silisyumun
ve
germanyumun iletkenliği kesin bir şekilde arttırılabilir veya kontrol edilebilir.
4
Bu katkı maddesi ekleme işlemi elektron ve oyuk gibi akım taşıyıcıların
sayısını arttırır.
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
YARI İLETKEN MADDELER
N-tipi Yarıiletken
Saf silisyumun iletim bandındaki elektronlarının sayısını arttırmak için son
yörüngesinde 5 elektron bulunan Arsenik (As), Fosfor (P) ve Antimon (Sb) gibi
atomlar eklenir. Bu atomlar aynı zamanda fazladan elektron sağladıkları için verici
atom olarak bilinir.
Diğer slayttaki şekilde 5 adet valans elektrona sahip olan antimon (Sb) yanındaki dört
silisyum atomuyla kovalent bağ oluşturmaktadır. Antimon atomunun 4 valans elektronu
5
silisyum atomlarıyla kovalent bağ oluşturmak için kullanılır. Ancak 1 tane elektron
artar. Bu artan elektron herhangi bir atoma eklenmediği için serbest elektron olarak
iletim bandına geçer. Bu şekilde silisyum yada germanyum atomuna katkı atomları
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
eklemek suretiyle serbest elektronların sayısı kontrol edilebilir.
YARI İLETKEN MADDELER
6
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
YARI İLETKEN MADDELER
Katkı maddesi eklenmiş silisyum ve germanyumdaki akım taşıyıcıların çoğu
elektron olduğu için n-tipi yarıiletken madde olarak adlandırılır (n harfi
elektronların sahip olduğu negatif yükten dolayıdır). N-tipi maddede akım
taşıyıcı olan elektronlar çoğunluk taşıyıcılar olarak adlandırılır. N-tipi maddede
çoğunluk taşıyıcılar elektronlar olmasına rağmen yine de çok az sayıda oyuk
bulunmaktadır. Bu oyuklar 5 valans elektronlu katkı maddesi eklenince oluşan
7
oyuklar değil önceden var olan oyuklardır. N-tipi maddede bulunan bu oyuklara
azınlık taşıyıcılar denir.
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
YARI İLETKEN MADDELER
P-Tipi Yarıiletken
Saf silisyum iletim bandındaki oyukların sayısını arttırmak için son
yörüngesinde üç elektron olan Alüminyum (Al), Boron (B) ve Galyum (Ga)
gibi atomlar eklenir. Bu atomlar aynı zamanda yarıiletkenin kristal yapısı
içerisinde bir boşluk bıraktığı için alıcı atomlar olarak da bilinir. Bir önceki
slayttaki (b) şeklinde 3 tane valans elektronuna sahip olan boron (B) yanındaki 4
8
silisyum atomuyla kovalent bağ oluşturmaktadır. Boron atomunun 3 valans
elektronu silisyum atomuyla kovalent bağ oluşturur. Ancak tam olarak bir
kovalent bağ kurabilmek için 4 tane elektrona ihtiyaç vardır. 4 elektronunun
yerine bir oyuk gelir.
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
YARI İLETKEN MADDELER
Böylelikle her 3 valans elektronlu bir atom eklendiğinde bir oyuk oluşur. Bu
şekilde silisyum ve germanyum atomuna 3 valans elektronlu katkı atomları
eklemek suretiyle oyukların sayısı kontrol edilebilir.
Katkı maddesi eklenmiş silisyum ve germanyumunda akım taşıyıcılarının çoğu
oyuklar olduğu için p-tipi yarı iletken madde olarak adlandırılırlar (p harfi
elektronun sahip olduğu pozitif yükten gelmektedir). P-tipi maddede akım taşıyıcı
olan oyuklar çoğunluk taşıyıcılar olarak adlandırılır. P-tipi maddede çoğunluk
9
taşıyıcılar oyuklar olmasına rağmen yine de çok az sayıda elektron bulunmaktadır.
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
YARI İLETKEN MADDELER
Bu serbest elektronlar 3 valans elektronlu katkı maddesi eklenince oluşan
elektronlar değil, sıcaklığın etkisiyle elektron-oyuk çiftlerinden önceden oluşan
elektronlardır. P-tipi maddede bulunan bu elektronlara azınlık taşıyıcılar
denir.
P-N Birleşimi
Eğer bir silisyum parçası alınır ve onun yarısına 3 valans elektronlu katkı
10
maddesi eklenir daha sonra diğer yarısına da 5 valans elektronlu katkı maddesi
eklenirse iki parça arasındaki sınıra pn birleşimi denir. Bu sınır bir yarıiletken
diyodun p-tipi maddesi ile n-tipi maddesinin birleşimiyle oluşur.
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
YARI İLETKEN MADDELER
PN birleşiminde herhangi bir elektron hareketi yoktur yani bu bölge dengededir. PN
birleşimine PN birleşim diyodu ismi de verilir. Diyotun en önemli özelliği, DC polarmada
sadece tek yönde akım geçirmesidir. Elektronikte polarma, bir elektronik devrenin
çalışması için gerekli DC gerilim üzerine uygulanması anlamına gelmektedir. Bir diyot
için iki türlü polarma vardır. Bunlar doğru polarma ve ters polarmadır.
11
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
DİYOTLAR
Diyotların iki ucu arasında farklılık vardır. Bu bakımından elektronik karta
yerleştirilirken doğru yönde takılmalıdır. Çünkü elektrik akımı diyotlar içinden
akarken sadece bir yönde akacaktır. Diyotlar iki bağlantı ucuna sahiptir. Biri anot
diğeri de katoddur. Diyotlar genellikle katot ucu aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi
bazı işaretlerle işaretlenir. Diyot sembolündeki okun yönü doğru polarmadaki akım
yönünü gösterir.
12
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
DİYOTLAR
Diyotlarda genellikle katodun bittiği nokta diğer slayttaki şekilde de görüldüğü gibi
işaretlerle
işaretlenir.
Onlar
genellikle
bir
tip
numara
ile
işaretlenir.
Diyot
karakteristiklerinin ayrıntıları tip numaralarına göre kataloglardan bulunarak öğrenilebilir.
Eğer ohm metre ile direnç ölçme biliniyor ise o zaman diyotun sağlamlık testini
yapmakta mümkündür. Bir yönde düşük direnç gösterirken diğer yönde çok yüksek
direnç gösterecektir. Diyotların uygulamada kullanılan zener diyot, LED diyot ve
varikap diyot gibi değişik çeşitleri vardır. Diyot çeşitlerinin sembolleri aşağıdaki şekilde
görülmektedir.
13
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
DİYOTLAR
DOĞRU ve TERS POLARMA
Sol taraftaki şekilde ters polarmalı diyot görülmektedir. Burada katoda pozitif
gerilim ve anoda negatif gerilim uygulanmaktadır (Lamba yoluyla). Bu durumda
hiçbir akım geçmez. Sağ taraftaki şekilde ise doğru polarmalı diyot görülmektedir.
Bu durumda diyodun anoduna pozitif gerilim, katoduna ise negatif gerilim
gelmektedir. Bunun sonucunda ise katoddan anoda doğru akım akacaktır.
14
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
DİYOTLAR
Örnek 1: Aşağıda verilen devrelerde hangi lambalar ışık vermektedir.
15
Çözüm: (a) şeklindeki devrede LP1, LP2 ve LP3 lambaları ışık vermektedir.
(b) şeklindeki devrede LP3 ve LP4 lambaları ışık vermektedir.
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
DİYOTLAR
Diyot Gerilimleri
• Bir diyotu doğru yönde polarlamak için anot gerilimi katot geriliminden daha pozitif
olmalıdır.
• Bir diyotu ters polarlamak için anot gerilimi katot geriliminden daha az pozitif
olmalıdır.
• İletimdeki bir diyot eğer silisyum diyot üzerine 0.7 V, eğer germanyum diyot ise 0.3
V gerilim düşecektir.
16
Yandaki şekilde diyotlara uygulanan
gerilimler yukarıdaki diyotları doğru
polarma ederken aşağıdaki diyotları
ters polarma eder.
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
DİYOTLAR
Diyotun Karakteristik Eğrisi
Aşağıdaki devrede diyot üzerine sıfırdan başlayıp bataryanın maksimum
değerine kadar doğru polarma uygulayabiliriz. Gerilim değeri ve buna
karşılık gelen akım değeri ölçü aletlerinde kaydedilir. Eğer bu değerler
aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
17
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
DİYOTLAR
Diğer slayttaki şekle dikkat edilirse voltaj değeri artmasına karşın akım değeri,
voltaj değeri belli bir değere gelene kadar 0 değerindedir. Gerilimin bu değerinden
sonra akım değeri hızlı bir şekilde artmaya başlayacaktır. Bu gerilim silisyum için
0.7 V germanyum için ise 0.3 V değerindedir. Eğer bataryanın uçları ters çevrilirse
tekrar akıma karşılık bir gerilim grafiği çizilir ve şekil b’deki üçüncü bölgedeki eğri
çizilir. Bu durumda ters polarmadaki gerilim arttırılır ve gerilimin belli bir değerine
kadar akım değerinde hiçbir değişiklik olmaz. Ters polarma geriliminin beli bir
18
değerinde (zener bölgesi) akım değeri ters yönde aniden yüksek bir değere ulaşır. Bu
değer diyodun bozulma değeri veya zener bölgesidir. Diyodun bu özelliğinden
dolayı diyotların bir çeşidi olan zener diyotlar yapılmıştır.
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
DİYOTLAR
PRATİK DİYOT MODELİ:
Gerçeğe daha yakın olan bu diyot yaklaşım modelinde eşik gerilimi de bulunmaktadır.
Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi diyot doğru polarma yapıldığı zaman bu durum kapalı bir
anahtar veya ona seri bağlı olan küçük bir batarya ile temsil edilir. Bu bataryanın değeri eşik
gerilimine (Silisyum için 𝑉𝐵 = 0.7𝑉 ) eşittir. Bataryanın pozitif ucu diyodun anot
tarafındadır. Unutulmamalıdır ki dışarıdan doğru polarma uygulanmadığı sürece diyot
uçlarında gerilim ölçülmez. Diyodun iletime geçebilmesi için uygulanan doğru polarma
geriliminin eşik gerilimini aşması gerekmektedir.
19
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
DİYOTLAR
Diğer slayttaki b şeklinde de görüldüğü gibi ters polarma altındaki diyot açık
bir anahtar ile temsil edilmektedir. Bu yönüyle ideal diyot modeli ile aynıdır.
Çünkü eşik gerilimi ters polarma gerilimini etkilemez. (c) şeklinde ise diyodun
V-I grafiği görülmektedir.
DİYOT AKIMININ HESAPLANMASI:
20
Diğer slayttaki örnekte seri bağlı bir diyodun basit bir şekilde diyot akımının
diğer bilinmeyen değişkenlerin hesaplandığını gösteren bir örnek verilmiştir.
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
DİYOTLAR
Örnek: Aşağıdaki şekilde seri diyot bağlantısında 𝑉𝐷 , 𝑉𝑅 ve 𝐼𝐷 değerlerini
bulunuz? Aynı değerleri diyodu ters çevirerek tekrar bulunuz?
21
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
DİYOTLAR
ÇÖZÜM
𝑽𝑫 = 𝟎. 𝟕𝑽
𝑽𝑹 = 𝑽 − 𝑽𝑫 = 𝟔𝑽 − 𝟎. 𝟕𝑽 = 𝟓. 𝟑𝑽
𝑽𝑹 𝟓. 𝟑𝑽
𝑰𝑫 = 𝑰𝑹 =
=
= 𝟓. 𝟑 𝒎𝑨
𝑹
𝟏𝑲
22
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
DİYOTLAR
𝑽 − 𝑽𝑫 − 𝑽𝑹 =0
𝑽𝑫 = 𝑽 − 𝑽 𝑹
𝑽𝑫 = 𝑽 − 𝟎
𝑽𝑫 = 𝑽 = 𝟔𝑽
23
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
DİYOTLAR
Not:
Devre bağlantılarında bataryalar bazen aşağıdaki şekil (a)’da ve (c)’deki
gösterilebilir. Bu şekilde gösterimlerin karşılıkları şekil (b)’de ve (d)’de
verilmiştir.
24
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
DİYOTLAR
DİYOT ÇEŞİTLERİ
Elektronik devrelerde genel amaçlı diyotların dışında ayrıca özel amaçlı olarak
değişik diyot türleri kullanılmaktadır. Genel olarak çok kullanılan diyot çeşitleri
zener diyotlar varikap diyotlar, ışık yayan diyotlar (LED’ler) ve foto diyotlardır.
Zener diyotlar gerilim sabitlemek amacıyla, varikap diyotlar gerilim ayarlı
kondansatör olarak, LED’ler doğru polarmada ışık vermesi için ve foto diyotlar
25
ise ışık enerjisi ile ters yönde akımın şiddetini ayarlamak için kullanılmaktadır.
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
DİYOTLAR
ZENER DİYOTLAR:
Zener diyotlar ters polarma altında çalışırlar (diyodun katoduna pozitif gerilim
uygulanır). Ters polarma gerilimi, diyodun katalog değerleri arasında bulunan
ters bozulma gerilimidir.
İki temel uygulaması vardır.
• Üzerinde gerilim, başka bir gerilimle kıyaslanacak ise referans kaynağı olarak
26
kullanılır.
• Güç kaynaklarında voltaj regülatörü olarak kullanılır. Burada yük üzerine
düşen değişken gerilim sabitleştirilir.
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
DİYOTLAR
Voltaj regülatörü olarak kullanıldığı zaman eğer yük üzerindeki gerilim artmaya
başlarsa zener diyot üzerinden büyük akım geçmeye başlayacaktır. Zener diyota
seri bağlı direnç içinden geçen akım artacağından üzerinde düşen gerilimde artar.
Dolayısıyla yük üzerine düşmesi gereken voltaj düşer. Geri kalan zener diyot seri
direnç üzerinde düşecektir. Aynı anda yük üzerindeki voltaj düşmeye başladığı
andan itibaren zener üzerinden akan akım ve seri direnç üzerindeki gerilimde
27
düşüşe geçecektir. Sonuçta yük üzerinde yine sabit bir gerilim düşümü
sağlanacaktır.
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
DİYOTLAR
28
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
DİYOTLAR
IŞIK YAYAN DİYOTLAR
İsminden de anlaşılacağı gibi bu diyotlar doğru polarma aldığında ışık yayarlar.
Kısaca bu diyotlara LED denir. Bu diyotların çalışma prensibi: diyot doğru polarma
aldığı zaman n-tipi maddedeki elektronlar pn birleşim yüzeyinden geçerek p tipi
maddedeki oyuklara yerleşir. İletim bandındaki serbest elektronların enerji
seviyeleri valans bandındaki oyuklardan daha fazladır. Elektronlar oyuklarla
29
birleşirken bu fazla enerji ısı ve ışık şeklinde yayılır. Yarıiletkenin bir katmanı
üzerindeki şeffaf olan geniş bir yüzey görülebilen bir ışık şeklinde olan fotonların
yayılına izin verir. Diğer slayttaki şekilde de görüldüğü gibi bu duruma elektriksel
ışıma denir.
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
DİYOTLAR
30
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
DİYOTLAR
LED’lerde kullanılan yarıiletken maddeler genellikle galyum arsenik (GaAs),
galyum arsenik fosfat (GaAsP) ve galyum fosfattır (GaP). Ayrıca bu birleşimlerin
dışında birleşimler yaygın olmasa da kullanılır. Aşağıdaki tabloda LED’lerin
üretildiği tüm birleşimler ve doğru polarma gerilimleri gösterilmiştir.
31
Renk
Yapıldığı Birleşim
Tipik
Çalışma
Gerilimi
Beyaz
GaN(galyum azot)
4.1 V
Kehribar
AllnGap (alüminyum indiyum galyum fosfor
2.1 V
Kırmızı
GaAsP (galyum arsenik fosfat)
1.8 V
Mavi
GaN (galyum azot)
5V
Turuncu
GaAsP (galyum arsenik fosfat)
2V
Sarı
AllnGaP (alüminyum indiyum galyum fosfor)
2.1 V
Yeşil
GaP (galyum fosfat)
2.2 V
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
DİYOTLAR
Silisyum ve germanyum maddeler LED’lerde tercih edilmezler. Çünkü bu maddeler
esasında sıcaklık üreten maddelerdir. Işık üretimi açısından yetersizdirler. GaAs
LED’ler kızıl ötesi ışık (IR) yayar, GaAsP LED’ler kırmızı, turuncu ve sarı
görülebilen ışık yayar ve GaP LED’ler ise kırmızı ve yeşil görülebilen ışık yayarlar.
Bir LED’in sembolü aşağıdaki şekildedir.
32
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
DİYOTLAR
Aşağıdaki (a) şeklinde gösterildiği gibi LED içinden yeterli akım geçerse LED
bunun karşılığında ışık yayar. (b)’de gösterildiği gibi ışık miktarı direkt olarak
LED’den geçen akım miktarı ile doğru orantılıdır.
33
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
DİYOTLAR
LED’ler gösterge lambası olarak ve okunabilir gösterge (display) olarak ticari
cihazlardan bilimsel cihazlara kadar çok geniş bir alanda kullanılmaktadır. Bir
başka yaygın kullanım alanıda 7 segmentli displaylerdir. Segmentlerin
birleşiminden onlu (decimal) rakamlar meydana gelir. Display deki her segment
34
bir LED’dir. Seçilen segmentlerin doğru polarma almasıyla herhangi bir rakam
yazılmış olur. Artık son yıllarda trafik lambaları da LED’lerden oluşmaktadır.
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI
İlgiyle dinlediğiniz için teşekkürler
Ramazan ŞENOL
Bekir AKSOY
35
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI