Dr Yucel

Zener Diyot ve Karakteristiği

Zener diyot jonksiyon diyodun özel bir tipidir.

Zener Diyodunun Özellikleri:

Doğru polarmalı halde normal bir diyot gibi çalışır
Ters polarmalı halde, belirli bir gerilimden sonra iletime geçer.
Bu gerilime zener dizi gerilimi, veya daha kısa olarak zener gerilimi denir

Ters gerilim kalkınca, zener diyotta normal haline döner.
Devrelerde, ters yönde çalışacak şekilde kullanılır.
Bir zener diyot zener gerilimi ile anılır.
Örn: "30V 'luk zener" denildiğinde, 30V 'luk ters gerilimde çalışmaya başlayan zener diyot demektir.

Silikon yapılıdır.

Zener diyot, ters yön çalışması sırasında oluşacak olan aşırı akımdan dolayı bozulabilir. Bu durumu önlemek için devresine daima seri bir koruyucu direnç bağlanır
Her zaman zener diyodun kataloğunda şu bilgiler bulunur:
Gücü
Ters yön gerilimi(VZ),
Maksimum ters yön akımı(IZM),
Ters yöndeki maksimum kaçak akımı,
Maksimum direnci
Sıcaklık sabiti.
Şu limit değerlerde çalışan zener diyotlar üretilmektedir:
Maksimum zener akımı (IZM): 12A
Zener gerilimi (VZ): 2 - 200V arası
Maksimum gücü: 100Watt
Maksimum ters yön kaçak akımı: 150µA (mikro amper)
Maksimum çalışma sıcaklığı: 175°C.
Çalışma ortamı sıcaklığı arttıkça zener gerilim küçülür.

Dr Yucel

Zener geriliminin ayarı

Zener gerilimin ayarı birleşme yüzeyinin iki tarafında oluşan boşluk bölgesinin (nötr bölge) genişliğinin ayarlanması yoluyla sağlanmaktadır. Bunun içinde çok saf silikon kristal kullanılmakta ve katkı maddesi miktarı değiştirilmektedir. Boşluk bölgesi daraldıkça zener diyot daha küçük ters gerilimde iletime geçmektedir.



Zener gücünün ayarı:

Zener gücü, birleşme yüzeyinin büyüklüğüne ve diyodun üretiminde kullanılan silikonun saflık derecesiyle, katkı maddesinin miktarına bağlıdır. Ayrıca diyot ısındıkça gücüde düşeceğinden, soğutulmasıyla ilgili önlemlerin alınması da gerekir.

Zener Diyodun Kullanım Alanları:

1 - Kırpma Devresinde:
iki zener diyot ters bağlandığında basit ve etkili bir kırpma devresi elde edilir.

Örneğin:
Devre girişine tepe değeri 10V olan bir AC gerilim uygulansın ve kırpma işlemi için, zener gerilimi 5V olan iki Z1, Z2 zener diyodu kullanılsın.



2 - Zener Diyodun Gerilim Regülatörü Olarak Kullanılması:
Zener diyottan, çoğunlukla, DC devrelerdeki gerilim regülasyonu için yararlanılmaktadır. Buradaki regülasyondan amaç, gerilimin belirli bir değerde sabit tutulmasıdır.

Bunun için zener diyot, şekil 3.16 'da görüldüğü gibi, gerilimi sabit tutmak istenen devre veya yük direncine paralel ve ters polarmalı olarak bağlanır.

Diyot uçlarına gelen gerilim, zener değerine ulaştığında diyot iletime geçer ve uçları arasındaki gerilim sabit kalır.

Bunu sağlamak için, şekilde görüldüğü gibi RL 'e paralel bağlı zener diyodun ve seri bağlı bir RS direncinin seçimi gerekir.

Ayrıca, bir de C kondansatörünün paralel bağlanmasında yarar vardır. Bu kondansatör, gerilim dalgalanmalarını ve başka devrelerden gelebilecek parazit gerilimlerini önleyici görev yapar. Değeri, devre geriliminin büyüklüğüne göre, hesaplanır. Şekildeki bir devre için 30V - 1000µF 'lık bir kondansatör uygundur.

Burada birinci derecede önemli olan, RS direnci ile zener diyodun seçimidir

Seri RS direncinin seçimi:
Önce RS direncine karar vermek gerekir;

Kaynak gerilimi: E=V=9V
Yük direnci ve uçları arasındaki gerilim: RL=33 Ohm, VL=6.2V

Bu durumda, zener diyot dikkate alınmadan, VL=6.2V 'u oluşturabilmek için kaç ohm 'luk bir RS direncinin gerektiği hesaplanmalıdır.

E=IL*RS+VL ve IL=VL/RL 'dir.

Birinci formüldeki IL yerine, ikinci formüldeki eşitini yazıp, değerler yerine konulursa :

9=6,2/33*RS+6,2 olur.

Buradan RS çözülürse:
RS=(9-6,2)33/6,2 'den, RS=14.9 = 15 (ohm) olarak bulunur.

RS=15 Ohm 'luk direnç bağlandığında, "E" gerilimi 9V 'ta sabit kaldığı sürece RL yük direnci uçları arasında sürekli olarak 6.2V oluşacaktır.

"E" geriliminin büyümesi halinde, A-B noktaları arasındaki VA-B gerilimi de 6.2V 'u aşacağından, 6.2V 'luk bir ZENER diyot kullanıldığında, RL uçları arasındaki gerilim sabit kalacaktır. Ancak, yalnızca gerilime göre karar vermek yeterli değildir.

Bu durumda nasıl bir zener diyot kullanılmalıdır?

Zener diyodun seçimi:
Zener gerilimi 6.2V olan bir zener diyot RL direncine paralel bağlandığında VL=6.2V 'ta sabit kalır.

Ancak, E giriş geriliminin büyümesi sırasında zener diyottan akacak olan akımın, diyodun dayanabileceği "maksimum ters yön zener akımından" (IZM) büyük olması gerekir. Zener diyot buna göre seçilmelidir.

6.2V 'luk olup ta değişik IZM akımlı olan zener diyotlar vardır.

Örneğin:

Aşağıdaki tabloda, bir firma tarafından üretilen, 6.2V 'luk zenerlere ait IZM akımı ve güç değerleri verilmiştir

Bu zenerler den hangisinin seçileceğine karar vermeden önce yük direncinden geçecek akımı bilmek gerekir:

IL=VL/RL = 6.2/33 = 0.188A = 188mA

E geriliminin büyümesi halinde oluşacak devre akımının 188mA 'in üstündeki miktarı zener diyottan akacaktır.

Örneğin:
E geriliminin ulaştığı maksimum gerilim; E = 12.2V olsun.

Zener diyottan geçecek olan akımın değeri şu olacaktır:
Kirchoff kanununa göre:

12.2 = It*RS+6.2 (It devreden akan toplam akımdır.)

RS = 15 yerine konarak It çözülürse;

It = 1.22-6.2/15 = 6/15 'den It = 0,4A = 400mA olur.

Bu 400mA 'den 188mA 'i RL yük direncinden geçeceğine göre;

Zener diyottan geçecek olan IZ akımı: IZ = 400-188 = 212mA 'dir.

Bu değer, yukarıdaki tabloya göre:

10W 'lık zenerin maksimum akımı olan 1460mA 'den küçük, 1W 'lık zenerin maksimum akımı olan 146mA 'den büyüktür.

Böyle bir durumda 10W 'lık zener kullanılacaktır.

Aslında, 212mA 'lik zener için 1460mA 'lik zener kullanmakta doğru değildir. Daha uygun bir zener seçimi için başka üretici listelerine de bakmak gerekir.

3 - Ölçü Aletlerinin Korunmasında Zener Diyot

Döner çerçeveli ölçü aletlerinin korunmasında, zener diyot paralel bağlanır. Bu halde zener gerilimi, voltmetre skalasının son değerine eşittir. Ölçülen gerilim zener gerilimini aşınca diyot ters yönde iletken hale geçerek ölçü aletinin zarar görmesini engeller. Ayar olanağı sağlamak için birde potansiyometre kullanılabilir

4 - Rölenin Belirli Bir Gerilimde Çalıştırılmasında Zener Diyot

zener diyot, röleye seri ve ters yönde bağlanmıştır. Röle, ancak uygulanan gerilimin, Zener gerilimi ile röle üzerinde oluşacak gerilim düşümü toplamını aşmasından sonra çalışmaktadır.

Tünel Diyot ve Karakteristiği

Tünel diyotlar, özellikle mikro dalga alanında yükselteç ve osilatör olarak yararlanılmak üzere üretilmektedir. Tünel diyoda, esaslarını 1958 'de ilk ortaya koyan Japon Dr. Lee Esaki 'nin adından esinlenerek "Esaki Diyodu" dan denmektedir.

Yapısı:
P-N birleşme yüzeyi çok ince olup, küçük gerilim uygulamalarında bile çok hızlı ve yoğun bir elektron geçişi sağlanmaktadır. Bu nedenledir ki Tünel Diyot, 10.000 MHz 'e kadar ki çok yüksek frekans devrelerinde en çok yükselteç ve osilatör elemanı olarak kullanılır.

tünel diyoda uygulanan gerilim Vt1 değerine gelinceye kadar gerilim büyüdükçe akım da artıyor. Gerilim büyümeye devam edince, akım A noktasındaki It değerinden düşmeye başlıyor. Gerilim büyümeye devam ettikçe, akım B noktasında bir müddet IV değerinde sabit kalıp sonra C noktasına doğru artıyor. C noktası gerilimi Vt2, akımı yine It 'dir. Bu akıma "Tepe değeri akımı" denilmektedir.

Gerilimi, Vt2 değerinden daha fazla arttırmamak gerekir. Aksi halde geçen akım, It tepe değeri akımını aşacağından diyot bozulacaktır.

I = f(V) eğrisinin A-B noktaları arasındaki eğimi negatif olup, -1/R ile ifade edilmekte ve diyodun bu bölgedeki direnci de negatif direnç olmaktadır.
Tünel diyot A-B bölgesinde çalıştırılarak negatif direnç özelliğinden yararlanılır.

Tünel Diyodun Üstünlükleri:

Çok yüksek frekansta çalışabilir.
Güç sarfiyatı çok düşüktür. 1mW 'ı geçmemektedir.

Tünel Diyodun Dezavantajları:

Stabil değildir. Negatif dirençli olması nedeniyle kontrolü zordur.
Arzu edilmeyen işaretlere de kaynaklık yapmaktadır.

Tünel Diyodun Kullanım Alanları:

Yükselteç Olarak Kullanılması:

Tünel diyot, negatif direnci nedeniyle, uygun bir bağlantı devresinde kaynaktan çekilen akımı arttırmakta, dolayısıyla bu akımın harcandığı devredeki gücün yükselmesini sağlamaktadır.

Osilatör Olarak Kullanılması:

Tünel diyotlardan MHz mertebesinde osilatör olarak yararlanılabilmektedir.
Bir tünel diyot ile osilasyon sağlayabilmek için negatif direncinin diğer rezonans elemanlarının pozitif direncinden daha büyük olması gerekir. Tünel diyoda Şekil 3.20 'de görüldüğü gibi seri bir rezonans devresi bağlanabilecektir. Tünel diyodun negatif direnci - R=80 Ohm olsun.
Rezonans devresinin direnci 80 Ohm 'dan küçük ise tünel diyot bu devrenin dengesini bozacağından osilasyon doğacaktır.

Tünel Diyodun Anahtar Olarak Kullanılması:

Tünel diyodun önemli fonksiyonlarından biri de elektronik beyinlerde multivibratörlerde, gecikmeli osilatörlerde, flip-flop devrelerinde ve benzeri elektronik sistemlerde anahtar görevi görmesidir.

Dr Yucel

Işık Yayan Diyot

Işık yayan diyotlar, doğru yönde gerilim uygulandığı zaman ışıyan, diğer bir deyimle elektriksel enerjiyi ışık enerjisi haline dönüştüren özel katkı maddeli PN diyotlardır.

Bu diyotlara, aşağıda yazılmış olduğu gibi, İngilizce adındaki kelimelerin ilk harfleri bir araya getirilerek LED veya SSL denir.

LED: Light Emitting Diode (Işık yayan diyot)
SSL: Sloid State Lamps (Katkı hal lambası)



Işık yayan diyotlar şu özelliklere sahiptir:

Çalışma gerilimi 1.5-2.5V arasındadır. (Kataloğunda belirtilmiştir.)
Çalışma akımı 10-50mA arasındadır. (Kataloğunda belirtilmiştir.)
Uzun ömürlüdür. (ortalama 105 saat)
Darbeye ve titreşime karşı dayanıklıdır.
Kullanılacağı yere göre çubuk şeklinde veya dairesel yapılabilir.
Çalışma zamanı çok kısadır. (nanosaniye)
Diğer diyotlara göre doğru yöndeki direnci çok daha küçüktür.
Işık yayan diyotların gövdeleri tamamen plastikten yapıldığı gibi, ışık çıkan kısmı optik mercek, diğer kısımları metal olarak ta yapılır.
1. Işık Yayma Olayı Nasıl Gerçekleşmektedir
Bilindiği gibi, bir PN diyoda, doğru polarmalı bir besleme kaynağı bağlandığı zaman, N bölgesindeki, gerek serbest haldeki elektronlar, gerekse de kovalan bağlarını koparan elektronlar P bölgesine doğru akın eder.

Yine bilinmektedir ki, elektronları atomdan ayırabilmek için, belirli bir enerji verilmesi gerekmektedir. Bu enerjinin miktarı iletkenlerde daha az, yarı iletkenlerde daha büyük olmaktadır. Ve bir elektron bir atomla birleşirken de aldığı enerjiyi geri vermektedir.

Bu enerji de maddenin yapısına göre ısı ve ışık enerjisi şeklinde etrafa yayılmaktadır.

Bir LED 'in üretimi sırasında kullanılan değişik katkı maddesine göre verdiği ışığın rengi değişmektedir.

Katkı maddesinin cinsine göre şu ışıklar meydana gelır

GaAs (Galliyum Arsenid): Kırmızı ötesi (görülmeyen ışık)
GaAsP (Galliyum Arsenid Fosfat): Kırmızıdan - yeşile kadar (görülür)
GaP (Galliyum Fosfat): Kırmızı (görülür)
GaP (Nitrojenli): Yeşil ve sarı (görülür)
Şekil 3.21(a) ve (b)' de gerilim uygulanan bir LED devresi ve ışık yayan diyodun tabii büyüklükteki resmi verilmiştir.

Diyot kristali, iki parçalı yapıldığında uygulanacak gerilimin büyüklüğüne göre kırmızı, yeşil veya sarı renklerden birini vermektedir.

Işık yayan diyot ısındıkça, ışık yayma özelliği azalmaktadır.
Bu hal etkinlik eğrisi olarak gösterilmiştir. Bazı hallerde fazla ısınmayı önlemek için bir soğutucu üzerine monte edilir.

Ayrıca LED 'in aşırı ısınmasına yol açmamak için kataloğunda belirtilen akımı aşmamak gerekir. Bunun için gösterilmiş olduğu gibi devresine seri olarak bir R direnci konur. Bu direncin büyüklüğü LED 'in dayanma gerilimi ile besleme kaynağı gerilimine göre hesaplanır.

R direnci:

Kirşof kanununa göre: 9=I*R+2 'dir. I=0.05A olup

R=9-2/0.05 = 7/0.05 = 140 Ohm olarak bulunur.

140 Ohm 'luk standart direnç olmadığından en yakın standart üst direnci olan 150 Ohm 'luk direnç kullanılır.

Dr Yucel

2.Led İçindeki Elektrik - Optik Bağıntılar

Akım-Işık şiddeti bağlantısı:
LED diyodunun ışık şiddeti, içinden geçen akım ile doğru orantılı olarak artar.Ancak bu artış akımın belirli bir değerine kadar doğrusaldır. Daha sonra bükülür.
Eğer diyoda verilen akım, eşik değeri adı verilen doğrusallığın bozulduğu noktayı aşarsa diyot aşırı ısınarak bozulur. Bu nedenle diyotlar kullanılırken, firmalarınca verilen karakteristik eğrilerine uygun olarak çalıştırılmalıdır.



Sıcaklık-ışık şiddeti bağıntısı:

Diyot ısındıkça, akım sabit kaldığı halde, verdiği ışık şiddeti Şekil 3.21(d) 'de görüldüğü gibi küçülür.
Bu düşme diyodun cinsine göre şöyle değişir.
GaAs diyotta düşme: Her derece için %0,7
AaAsP diyotta düşme: Her derece için %0,8
GaP diyotta düşme: Her derece için %0,3
Normal çalışma şartlarında bu düşmeler o kadar önemli değildir. Ağır çalışma şartlarında ise soğutucu kullanılır veya bazı yan önlemler alınır.

Güç-zaman bağıntısı:

Işık yayan diyotların gücü zamanla orantılı olarak düşer. Bu güç normal gücünün yarısına düştüğünde diyot artık ömrünü tamamlamıştır.



3. Işık Yayan Diyodun Verimi
Işık yayan diyodun verimi; yayılan ışık enerjisinin, diyoda verilen elektrik enerjisine oranıyla bulunur. Diyoda verilen elektrik enerjisinin hepsi ışık enerjisine dönüşmemektedir. Yani harekete geçirilen elektronların hepsi bir pozitif atom ile birleşmemekte, sağa sola çarparak enerjisini ısı enerjisi halinde kaybetmektedir.

4. Işık Yayan Diyotların Kullanım Alanları
Işık yayan diyotların en yaygın kullanılma alanı, dijital ölçü aletleri, dijital ekranlı bilgisayarlar, hesap makinaları ve yazıcı elektronik sistemlerdir. Bu kullanma şeklinde, çoklu ışık yayan diyotlardan yararlanılmaktadır. Bazı hallerde ışık yayan diyotlardan işaret lambası ve ışık kaynağı olarak da yararlanılır. Optoelektronik kuplör de bir LED uygulamasıdır.

Dr Yucel

Optoelektronik Kuplör

Optoelektronik kuplör veya daha kısa deyimle Opto Kuplör ya da Optik Kuplaj bir ışık yayan diyot (LED) ile bir fotodiyot veya fototransistörden oluşmaktadır. Bunlar aynı gövdeye monte edilmişlerdir. Gövde plastik olup ışık iletimine uygundur.
Işık yayan diyot genellikle Ga As katkı maddeli olup kızıl ötesi ışık vermektedir. Işık yayan diyodun uçları arasına bir gerilim uygulandığında çıkan ışık ışınları fotodiyot veya fototransistörü etkileyerek çalıştırmaktadır. Böylece bir devreye uygulana bir gerilim ile 2. bir devreye kumanda edilmektedir. Aradaki bağlantı, bir takım tellere gerek kalmaksızın ışık yoluyla kurulmaktadır. Bu nedenle, optoelektronik kuplör edı verilmiştir.
Optokuplör bir elektronik röledir.
Optokuplörün mekanik röleye göre şu üstünlükleri vardır:
Mekanik parçaları yoktur.
İki devre arasında büyük izolasyon vardır.
Çalışma hızı çok büyüktür.
Dezavantajları:
Gücü düşüktür.



Opto kuplör dere şeması görüldüğü gibi çizilir. Burada LED 'in doğru polarmalı, fotodiyodun ise ters polarmalı olduğuna dikkat edilmelidir. R1 ve R2 dirençleri koruyucu dirençlerdir