JFET 'in Karakteristiği

Drain - Source Karakteristiği:

Bu karakeristik eğri drain akımının (ID), drain - source gerilimine (VDS) göre bir grafiği olduğundan, drain karakteristiği adınıda almaktadır.



VGS=0 Volt için çizilen eğride, VDS arttıkça drain akımının doyum düzeyine kadar arttığı görülmektedir. VGS=0 için bu doyum akımı IDSS olarak adlandırılır. Başka bir ifadeyle IDSS akımı, gate - source eklemi kısa devre olduğunda drain - source arasonda akan akımdır.

Gate source gerilimi VGS= -1V 'a ayarlandığında VDS yükseldikçe akım, doyuma ulaşıncaya kadar artar. Fakat bu seviye VGS = 1V 'dan dolayı kısmen oluşmaya başlayarak boşluk bölgesi, drain-source akımının daha düşük bir düzeyinde tamamıyla oluşur.

Şekil 1.15 (c) de çizilen drain - source karakteristiği çeşitli VGS değerlerini (0,-1,-2..... volt) kapsayan bir eğriler grubudur. Gate terminaline uygulanan ters polarma, gövde de boşluk bölgesi oluşturur. Bu ters gerilimin negatifliği büyüdükçe kanal direnci artar, gövdeden geçen ID akımı küçülür. VGS daha da arttırıldığında, JFET 'ten herhangi bir ID akımı akmaz, ID sıfıra iner, IG sıfır olur ve JFET elemanı tümüyle kapanır.



P-kanallı JFET 'in drain - source karakteristiği Şekil 1.6 'da gösterilmiştir. n-kanallıdan farkı VGS voltajlarının pozitif olmasıdır. Anlatılanlar p-kanallı JFET için de geçerlidir.

JFET 'inTransfer Karakteristiği

JFET elemanının transfer karakteristiği, sabit bir drain - source gerilimi VDS için gate -source VGS geriliminin bir fonksiyonu olarak ID drain akımının grafiğidir.



Şekil 1.7 'de görüldüğü gibi transfer eğride iki önemli noktada IDSSve VP değerleridir. Herhangi bir noktadaki ID akımı şöyle hesaplanabilir:

ID = IDSS [1- ( VGS / VP )2

Transfer karakteristik eğrisinden görüldüğü gibi VGS = 0 'da ID = IDSS ve ID = 0 'da VGS = VP 'dir. VP değerinde, ID akımı akmadığı için JFET tamamıyla kapalıdır. Burada VP aynı zamanda pinch-off değeridir.
Transfer karakteristik eğrisini çıkarmak için çeşitli metodlar vardır;



Şekil 1.8 'de görüldüğü gibi transfer karakteristik eğrisi, VDS değerinin tüm eğrileri kapsadığı bir değerde olmalıdır. Yani, bu transfer eğride eğer VDS = 6 Volt seçilirse; VDS = 6 Volt doğrusunun kestiği tüm noktalar kritik bölgede olması gerekir. Örneğin; VDS = 6 Volt doğrusunun VGS = 0 Volt eğrisini kestiği noktada ID = IDSS = 10mA 'dir. VDS = 6 Volt doğrusunun, VGS = -2 Volt eğrisini kestiği noktada ID = 6 mA 'dir. Bu noktalardan geçen parabol JFET 'in transfer karakteristik eğrisini verir.

Belirli bir JFET elemanlarının çalışmasını tanımlamak için kullanılan parametrelerden birisi IDSS ve VP değerleridir.


solda ki IDSS değerini ölçmek için kullanılan devre gösterilmiştir. Gate terminalinin source ile birleştirilerek şaseye bağlanması VGS voltajının sıfıra ayarlanması demektir. VDD kaynak gerilimi, ampermetrede okunun ID 'nin yükselişi durana kadar arttırılır ve ulaşılan seviye IDSS değeri olarak kabul edilir.
sagdaki devre ise VP değerini bulmak için kullanılan bir devredir. VGS kaynak voltajı, ID akımı sıfıra çok yakın olana kadar sıfırdan daha büyük negatif değerlere doğru ayarlanır. Drain akımının sıfır olmasını sağlayan minimum VGS gerilimi aynı zamanda VP değeridir.

Bu şekilde IDSS ve VP değerleriyle JFET analizlerinde kullanılmak üzere bir transfer eğrisi çizilebilir.

Bu açıklamalardan sonra n-kanallı bir JFET elemanının transfer karakteristiğini, yatay ekseni 0V 'tan VP 'ye uzanan negatif değerleri ve dikey ekseni 0 'dan IDSS 'ye uzanan, ID akımını temsil eden koordinatlar ekseninde çizilebilir. Örneğin VP = -6 Volt ve IDSS =12 mA için bir transfer eğrisi çizelim.

IDSS = 12mA dikey eksende (VGS = 0 Volt)
VP = -6 Volt yatay eksende (ID = 0 mA)

Bu değerleri ID = IDSS [1-(VGS/VP)]2 denkleminde yerine koyarsak yine;

VGS = 0 Volt için, ID = 12 mA [1-(0/VP)]2 = 12 mA

ID = 0 mA için, 0 = 12 mA [1-(VGS/-6V)]2 = -6 Volt



IDSS ve VP gibi iki önemli nokta koordinatlar ekseninde işaretlendikten sonra VGS 'nin çeşitli değerlerinde ID akımı bulunur.

VGS = 0 Volt için


ID = 12 mA idi.

VGS = -1 Volt için


ID = 12 [1-(-1/-6)]2 =8,3 mA

VGS = -2 Volt için


ID = 12 [1-(-2/-6)]2 =5,4 mA

VGS = -3 Volt için


ID = 12 [1-(-3/-6)]2 = 3 mA

VGS = -4 Volt için


ID = 12 [1-(-4/-6)]2 = 1,32 mA

VGS = -5 Volt için


ID = 12 [1-(-5/-6)]2 = 0,36 mA

VGS = -6 Volt için


ID = 12 [1-(-6/-6)]2 = 0 mA



Özet olarak JFET 'in transfer eğrisini çizmek için 0 ile VP arasında iki veya üç gerilim değeri seçilerek bulunabilir. Koordinatlar ekseninde her bir VGS değerine karşılık gelen ID değeri işaretlendikten sonra bu noktalar birleştirilerek transfer eğrisi elde edilir. Doğal olarak VGS 'nin sıfır ile VP arasındaki nokta sayısı daha fazla olursa çizilecek transfer eğrisi, daha çok noktaların birleşiminden meydana geleceği için daha hassastır.

Fetlerin Parametreleri

JFET 'e uygulanan voltajların değiştirilmesiyle, JFET 'in gösterdiği davranışa Parametre denir. Başka bir değişle JFET karakteristiği veya sabitleridir. Üretici firmalar, elemanı tanımlamak ve farklı elemanlar arasında seçim yapabilmek için gerekli olan bilgileri kataloglarda belirtirler.
JFET parametreleri şunlardır:

a) Drain - Source doyma akımı (IDSS): Gate - Source eklemi kısa devre yapıldığında Drain - Source arasından akan akımdır.

b) Gate - Source kapama gerilimi (kritik gerilim, VP): Drain - Source kanalının kapandığı (hiç akım geçirmediği) gerilim değeri VP ile gösterilir. VP değerini ölçebilmek için kullanılan devre Şekil 1.10 'da verilmiştir. Bu parametreye VGS-off 'da denir.

c) Gate - Source kırılma gerilimi (B VGSS): Bu parametre belirli bir akımda drain - source kısa devre iken ölçülür. Uygulamada bu değerin üzerine çıkılması halinde eleman hasar görebilir.

d) Geçiş İletkenliği (gm): JFET 'ler sabit akım elemanı olduğundan drain voltajındaki değişiklikler drain akımında çok fazla bir değişiklik yapmaz, Genelde drain akımı gate voltajı ile kontrol edilir. Bu nedenle JFET 'lerin önemli parametrelerinden biri, drain akım değişimine göre gate voltaj değişimidir. Bu parametre geçirgenlik (transconductance -gm) olarak bilinir.
Geçirgenlik, VD sabit iken drain akım değişiminin, gate - source arası voltaj değişimine oranıdır.

gm = ΔID / ΔVGS (VDS = Sabit)

Geçirgenlik, direncin tersi olduğu için birimi (MHO) veya Siemens 'tir.

gm = (2.IDSS / |VP|) [1-(VGS/VP)]

gm = (2.IDSS / |VP|) √(ID/IDSS)

formülleri ile de JFET 'in geçirgenliği hesaplanabilir.

e) Drain - Source iletim direnci (rds): Bu parametre, belirli bir gate - source gerilimi ve drain akımından ölçülen gerilim drain -source iletim direnci, JFET 'in anahtar olarak kullanılmasında önem taşır. Bu değer, on ila birkaç yüz arasında değişir.

JFET 'in Polarmalandırılması

a) Sabit Polarma



Şekil 1.23 (a) ve (b) 'deki gibi kullanılan JFET devrelerine sabit (fixed) polarmalı devreler adı verilir. Çünkü, gate ve source uçları arasına VGG gibi sabit bir güç kaynağı kullanışmıştır. n-kanallı JFET 'in gate terminaline, VGG 'nin (-) kutbu; p-kanallı JFET 'in gate terminaline ise (+) kutbu irtibatlandırılmalıdır. Dikkat edilmesi gereken başka bir husus, n kanallı JFET 'in drain terminaline VDD güç kaynağının (+) ucu, p-kanallıda ise (-) ucu uygulanmalıdır.



Şekil 1.23 'teki devreler yükselteç olarak kullanılabilir. Yükseltilecek sinyal C kuplaj kondansatörü vasıtasıyla JFET 'in gate 'ine uygulanır. JFET 'in drain ucundan ise sinyal yükseltilmiş olarak alınır. Devrede source terminali, hem giriş hem de çıkış için ortak kullanıldığı için devrenin adı da Source 'u Ortak Yükselteç 'tir. Emiteri ortak yükselteç devresine benzer. Emiteri ortak yükselteçte giriş transistörün beyzine uygulanırken, çıkış kollektörden alınır.

Bu devrelerde gate-source terminalleri VGG güç kaynağı ile ters bayaslanmıştır yani polarmalandırılmıştır. VGG kaynağı JFET 'i öngerilimleyecek VGS gerilimi sağlar. Fakat, VGG kaynağından akım çekilmez.

RG direnci, C kuplaj kondansatörü üzerinden uygulanacak herhangi bir AC sinyalinin RG üzerinde arttırılmasını sağlamak için eklenmiş olup, AC sinyalin RG üzerinde artmasıyla birlikte RG direnci üzerindeki DC gerilim düşümü,

VRG = I.R = 0 Volt olur.

Gate - Source gerilimi (VGS) ise,

VGS = VG - VS = VGG - 0 = VGG olarak bulunur.

Drain akımı;

ID = IDSS [1-(VGS/VP)]2 formülü ile bulunabilir.

Drain akımı, RD direnci üzerinde bir gerilim düşümüne sebep olup, değeri, VRD = ID.RD ile bulunur.
Şekil 1.23 (a) 'daki devrede sadece drain-source kısmını göz önüne alırsak, devre şekli aşağıdaki gibidır



Şekil 1.24 'teki devre çıkış, drain terminalinden alınmış olup Şekil 1.23 'teki devreden herhangi bir farkı yoktur. Devreye tatbik edilen voltaj, elemanların üzerine düşen voltajların toplamına eşit olduğundan;

VDD = ID.RD+VDS 'dir. Burada VDS değeri aynı zamanda çıkış voltajı (Vo) olduğu için;

VDS = VDD-ID.RD formülü bulunur.

Bunun, transistörlerdeki VCE = VCC-IC.RC formülünden de hiç farkı yoktur. Bu formülden drain akımını çekersek;

ID.RD = VDD-VDS

ID = (VDD-VDS)/RD formülü bulunur.

Acaba, JFET devrelerindeki RD drain yük direncinin görevi nedir? (Transistörlü devrelerdeki, RC kollektör yük direnci için de geçerli)

Çıkıştan alınan voltaj, VDS = VDD-ID.RD idi.

RD direnci olmasaydı;

VDS = VDD-ID.RD/0 ; RD=0

VDS = VDD olurdu. Yani, çıkıştan alınan voltaj, daima VDD güç kaynağı değerine eşit olacaktı. Girişte yükseltilmek üzere bir AC sinyal uyguladığımız halde, çıkıştan VDD güç kaynağının değerini görecektik. Dolayısıyla yükselteç devresi, yükselteç gibi çalışmayacak girişine uygulanan sinyalleri yükseltmeyecekti.

b. Gerilim Bölücü Dirençli Polarma

Gerilim bölücü dirençli polarmaya geçmeden önce kendinden (Self) polarmalı devreleri anlatmakta fayda vardır. Self polarmalı devrelerde ikinci bir VGG gibi kaynağa gerek yoktur. Gate-source gerilimini sağlamak için source direnci (RS) kullanılır. RS direnci, transistörlü yükselteçlerde RE direncine benzer. Self polarmalı JFET devresi Şekil 1.25 'te gösterilmiştir. RG gate direnci, RS source direnci, RD ise drain direncidir. Transistörlü yükselteçte;

RG --> RB , RS --> RE , RD --> RC veya RL 'nin karşılığıdır.



Şekil 1.25 'teki devrede devre tek bir kaynaktan beslenmekte olup, bu kaynak VDD 'dir. Bu devrede gate-source üzerinden hiç gate akımı akmayacağından IG = 0 'dır. Bu nedenle kapı gerilimi;

VG = IG.RG = 0.RG = 0 Volt 'tur.

Drain akımı ile source akımı birbirine eşit olduğundan (ID = IS), source ile şase arasındaki gerilim VS, RS direnci üzerindeki gerilim düşümü kadardır. Source 'daki gerilim;

VS = ID.RS olur.

Gate-source gerilimi;

VGS = VG-VS = 0-ID.RS

VG = -ID.RS olur.

Bu özet bilgilerden sonra gerilim bölücü dirençli polarmaya geçebiliriz



Şekil 1.26 'daki devrede, gate gerilimi RG1 ve RG2 gerilim bölücü dirençler tarafından belirlenir. RG1 ve RG2 dirençlerinin bağlandığı noktadaki gerilim aynı zamanda gate gerilimidir. RG1 'den geçen akım RG2 'den de geçer. G noktasındaki VG gate gerilimi;

VG = RG2 / (RG1+RG2).VDD kadardır. Buradaki VDD / (RG1+RG2) aynı zamanda RG1 ve RG2 voltaj bölücü dirençlerden geçen akımdır. Bu akımı RG2 değeri ile çarparsak RG2 direnci üzerine düşen gerilimi buluruz. RG2 üzerindeki gerilim de VG gate voltajına eşit olur. JFET öngerilimi,

VGS = VG-VS = VG-ID.RS olur.

Devrenin drain-source halkası gözönüne alınırsa Şekil 1.27 'deki gibi bir şekil elde edilir.



Şekil 1.27 'deki devrede Kirchhoff 'un gerilimler kanununu uygularsak;

VDD = ID.RD+VDS+ID.RS olur.

Fakat buradaki VDS, JFET 'in drain-source voltajını gösterip, çıkış voltajını göstermez. Çünkü bu devrede çıkış, JFET 'in drain ucu ile şase arasından alınır. Formülü düzenlersek;

VDD = ID (RD+RS) + VDS olur. Drain akımı ise;

ID (RD+RS) = VDD-VDS

ID = (VDD-VDS) / (RD+RS) olarak bulunur.

Bu formüllere göre drain voltajı yani çıkıştan alınan voltaj,

VD = VDD-ID.RD

MOSFET

MOSFET 'lerin Yapısı

JFET 'ler klasik transistörlere göre büyük bir gelişme olmasına rağmen bazı limitleri vardır. JFET 'lerin giriş empedansları klasik transistörlerden daha fazla olduğu için, JFET 'in girişine bağlanan sinyal kaynağından çekilen küçük miktardaki ters beyz gate akımı, sinyal kaynağını yükler. Bu yükleme etkisini azaltmak ve frekans cevabını (respond) geliştirmek için JFET 'lere göre daha fazla gelişmiş başka bir alan etkili transistör yapılmıştır.

Alan etkili transistörün (Fet) geliştirilmiş tipi genellikle Mosfet olarak bilinen metal oksit yarı iletkendir. Mosfet kalimesinin açılımı metal oxide semiconductor field effect transistor 'dür. (Metal oksit yarıiletken alan etkili transistör). Mosfet, ingilizce açılımının baş harfleri bir araya getirilerek oluşturulmuştur.

İzole edilmiş gate özelliğinden dolayı Mosfet 'lerin giriş empedansı son derece yüksek olup (1014) elektrodlar arası iç kapasitansı çok küçüktür. Bundan dolayı Mosfet 'ler normal transistörlerin, frekans sahasının çok daha üstündeki frekanslarda ve yüksek giriş empedanslı yükselteçlere ihtiyaç duyulan devrelerde daha fazla kullanılırlar. Bunun için Mosfet 'ler voltmetre, ohmmetre ve diğer test aletlerinde kullanılırlar. Mosfet 'lerde, JFET 'lere ve klasik transistörlere nazaran gürültü daha az olup, band genişliği daha fazladır.

Mosfet 'lerin bu üstünlüklerine nazaran bazı sakıncaları vardır. Şöyleki; Mosfet yapısındaki ince silikon oksit tabakası, kolaylıkla tahrip olabilir. Mosfet 'e elle dokunulması halinde insan vücudu üzerindeki elektrostatik yük nedeniyle oksit tabakası delinerek, kullanılmayacak şekilde harap olabilir. Bundan dolayı Mosfet 'ler, özel ambalajlarında korunmaya alınmalı, Mosfet 'e dokunmadan önce kullanıcı, üzerindeki elektrostatik yükü topraklayarak boşaltmalıdır. Mosfet 'i devre üzerinde montaj yaparken düşük güçlü havya kullanılmalı ve havya mutlaka topraklanmalıdır.

Mosfetler şu şekilde sınıflandırılır:

a) Azalan (Boşluk şarjlı, depletion tipi) Mosfet
b) Çoğalan (Enhancement) tipi Mosfet

JFET 'lerde olduğu gibi yine kendi aralarında, n-kanallı ve p-kanallı azalan ve çoğalan tip olarak ayrılırlar.



Mosfet sembollerinden görüleceği gibi JFET 'lerden ayıran, Mosfet 'lerde Substrate (SS, Bulk, Altkatman) terminalinin bulunmasıdır.

MOSFET 'in Çalışması

a) Azalan (Boşluk şarjlı, depletion) Tip Mosfet:

Şekil 1.14 'te taban malzeme (gövde) p-tipi madde alınmıştır. Bu p-tipi maddenin uygun yerlerinde N tipi bölgeler oluşturulmuş ve aralarına ince bir kanal yerleştirilmiştir. Bu yapının üstü silikon oksit tabakası ile tamamen kaplanmıştır. Ancak bu tabakanın havadaki sodyumdan etkilenebileceğinden bunun üzeri ikinci tabaka olan silikon nitrat ile kapatılmıştır. N-maddelerinden çıkartılan uçların adı; Drain ve Source uçları, silikon tabakalarından delik açılarak metalik irtibat sağlanmıştır. Drain ve Source uçları, N-tipi bölge ile doğrudan irtibatlı olduğu halde Gate ucu yarıiletkenden yalıtılmış, izole edilmiş haldedir. Burada gate ucuna uygulanan gerilim sıfır volt olduğunda drain ve source uçları arasında belirli bir akım akar. Çünkü, drain ve source birbiriyle irtibatlıdır. Gate terminaline (+) gerilim uygulandığında, N-tipi maddeler arasında mevcut olan kanal genişleyeceğinden D-S arasından geçen akım artar. Gate terminaline (-) gerilim uygulandığında kanal daralarak akım azalır. Şekil 1.14 'de kanal N-tipi maddeden yapıldığı için n-kanallı azalan tip Mosfet 'tir. Kanal p-tipi maddeden de yapılabilir.



D-S arasından geçen akım kanaldan geçer. Gate 'e uygulanan gerilim ile kanaldan geçen akım kontrol edilir. n-kanallı azalan tip Mosfet 'te gate ile source (-), drain (+) polaritedir. Azalan tip Mosfet 'te gate voltajı sıfır iken drain akımı vardır. Gate 'e uygulanan (-) voltajla kanal iletkenliği azalmakta, kanal direnci artmakta dolayısıyla kanaldan geçen akım azalmaktadır. Kanal iletkenliği dolayısıyla akım azaldığı için azalan tip Mosfet olarak adlandırılır.



Çoğalan tip Mosfet 'in azalan tipten farkı iki N-tipi bölgenin arasında kanal olmamasıdır. Burada da Source (S) ve Drain (D) uçları, N-tipi bölgelerle doğrudan temas halinde oldukları halde Gate (G) ucu yarıiletken malzemeden izole edilmiş durumdadır. G ucuna herhangi bir gerilim uygulanmadığı sürece S ve D uçları arasından bir akım akmaz. G ucunun bulunduğu metal parça ile P-tipi gövde bir kondansatör özelliği gösterir. Çünkü, iki iletken bir yalıtkan kondansatörü meydana getirir. G ucuna (+) gerilim uygulandığında, kapasite özelliğinden dolayı P-tipi gövde de iki N-maddenin yanında (-) yükler toplanır. (Şekil 1.16)



Böylece iki N-tipi madde arasında doğal olarak bir kanal oluşur. Bu durmda akım akışı başlar. Gate 'e uygulanan (+) gerilimin arttırılması halinde, iki N-tipi madde arasında oluşan (-) yükler çoğalarak P-tipi gövde içerisinde oluşan bu kanalın genişlemesine sebebiyet verir. Böylece S ve D uçları arasında akan akım, gate 'e uygulanan gerilim ile kontrol edilebilir. Gate ucuna gerilim uygulanmadığı sürece S ve D arasından akım akmaz.

MOSFET 'in Karakteristiği

a) Azalan (Boşluk şarjlı, depletion) Tip Mosfet:










Şekil 1.17 'de azalan tip Mosfet 'lerin devre bağlantıları gösterilmiştir. Bu bağlantıların farkı, devredeki güç kaynaklarının kutuplarıdır.

Şekil 1.18 (a) 'da ise drain karakteristiği, (b) 'de ise transfer karakteristiği gösterilmiştir. ID-VDS (drain) karakteristiğinde, hem pozitif, hem de negatif gate-source (VGS) gerilimi ile çalıştırılmıştır. VGS 'nin negatif değeri arttırıldığı taktirde, belli bir gerilimde artık drain akımı akmaz. Bu gerilime, kapama-kısma-kritik gerilim denir.

Şekil 1.18 (a) 'da nokta nokta olarak çizilen k eğrisine kadar, herbir eğri VP (pinch-off) gerilimine ulaşıncaya kadar drain akımı da artar. Bu değerden sonra, gerilim artışına rağmen akım sabittir.

Transfer karakteristiğinde gösterilen ID = IDSS [1-(VGS/VP)2]
formülü Mosfet 'lerde de geçerlidir.





Şekil 1.19 (a) ve (b) 'de p-kanallı azalan tip Mosfet 'in drain karakteristiği (ID-VDS) ile transfer karakteristiği gösterilmiştir.

b) Çağalan (Enhancement) Tip Mosfet:








Bu tip Mosfet 'lerde kapı-kaynak gerilimi VT eşik gerilim değerini aşıncaya kadar drain akımı akmaz. Bu eşik gerilim değerini aşan pozitif gerilimler, artan bir drain akımına yol açacaktır. Transfer karakteristiğinin denklemi,
ID = k (VGS-VT)2

Bu denklemde k değeri, elemanın yapısına ilişkin bir değer olup tipik olarak 0,3 mA/V2 değerindedir. VGS = 0 Volt durumunda hiç drain akımı akmayacağından IDSS değeri de olmayacaktır.



Şekil 1.22 (a) ve (b) 'de p-kanllaı çoğalan tip Mosfet 'in drain ve transfer karakteristiği gösterilmiştir. Gate ucuna uygulanan negatif gerilim azaltılması halinde drain akımı akmayacaktır. Yine diğer elemanlarda olduğu gibi, belli bir voltaj değerinden sonra, voltajın artmasına reğmen akım artmayacaktır. Bu noktaya saturasyon adı verilir. Kapı-kaynak gerilimi VT eşik gerilimi aşılınca drain akımı akar.

Çoğalan tip Mosfet 'ler daha küçük ölçülerde ve basit yapıda olmasından dolayı, entegre devreler için uygun bir elemanlardır.

MOSFET 'in Parametreleri

JFET parametrelerinde anlatılan, drain-source doyma akımı (IDSS), gate-source kapama gerilimi (VP), geçiş iletkenliği (gm), drain-source iletim direnci (rds) parametreleri Mosfet 'lerde de geçerlidir.
Drain akımını veren formüller;

ID = IDSS [1-(VGS/VP)2]. ve . ID = k (VGS-VT)2 'dir.

JFET 'lerde olduğu gibi, Mosfet 'lerde geçiş iletkenliği:

gm = 2 k (VGS-VT) bağıntısıyla bulunabilir

MOSFET 'in Polarmalandırılması

a. Sabit Polarma

JFET 'lerdeki sabit polarma ile aynıdır. MOSFET 'in substrate ve source uçları birleştirilir ve devre bağlantısı gerçekleştirilir. Bu bağlantı yapıldığı taktirde MOSFET, JFET 'e benzediği için JFET sabit polarma konusunda anlatılanlar burada da geçerlidir.

b. Sıfır Polarma



devre tek kaynaktan beslenen, kendinden polarmalı bir MOSFET ile yapılan tek katlı yükselteç devresidir. Ters polarmalı gate-source üzerinden akım akmayacağı için kapı akımı, IG = 0 'dır. Bu nedenle kapı gerilimi,

VG = IG.RG = 0.RG = 0 olur.

Source direnci üzerine düşen gerilim,

VS = ID.RS olur.

Gate-Source gerilimi ise;

VGS = VG - VS
VGS = 0 - VS

VGS = -ID.RS dir.
c. Gerilim Bölücü Dirençli Polarma

JFET 'lerdeki, gerilim bölücü dirençli polarma ile aynıdır.

Fototransistör ve Fotodiyotlar

Fototransistörler, elektrik akımını ışık ile kontrol eden devre elemanlarıdır. Genel olarak her türlü transistör, ışığı görecek şekilde şeffaf muhafazalara konulsaydı, fototransistör olarak kullanılabilirdi. Ancak fototransistörlerde bazı etki gözönüne alınarak diğre transistörlerden farklı bir tasarım tekniği kullanılmıştır.

Fototransistörün çalışma prensibi, yarıiletkenler üzerindeki ışık etkisinin bir sonucudur. Gerilim tatbik edilmiş bir yarıiletken üzerine uygun dalga boyunda bir ışık düşürüldüğünde + ve - yüklü tanecikler oluşur ve devre üzerinden akarlar. Bu akma miktarı, uygulanan ışık miktarına bağlıdır. Bu şekilde ışık miktarı ile orantılı bir elektrik akımı meydana gelır



Bir fototransistörde + ve - yüklü tanecikler aslında kollektör - beyz sınırı yakınlarında oluşur. Şekil 12 'de görüldüğü gibi NPN tipi bir transistörde ışık etkisi ile oluşan + tanecikler beyzde toplanırlar. Yani ışık etksiyle beyzde oluşan + tanecikler orada kalırlar, kollektörde oluşanlar ise kuvvetli bir manyetik alan etkisiyle beyze doğru çekilirler. Aynı şekilde ışık etkisiyle oluşan - tanecikler (elektronlar) ise kollektörde toplanırlar. Biriken bu + ve - yüklü tanecikler bir noktada birikmek yerine düzgün bir şekilde dağılmak isterler. Bu yüzden + tanecikler (elektronlar) ise kollektörde toplanırlar. Biriken injekte edilirler. Bu ise emiterden beyze doğru elektron injekte edilmesine yol açar. Emiter injeksiyonu beyz injeksiyonuna nazaran çaok daha fazla olduğu için emitere injekte edilen bir + tanecik, beyze çok sayıda elektron injeksiyonuna sebep olur. İşte bu noktada bilinen transistör çalışma şekli oluşur. Emiterden injekte edilen elektronlar beyze geçerek kollektöre doğru çekilirler. Orada ışık etkisiyle oluşan elektronlarla birleşerek ışıkla oluşmuş elektrik akımını meydana getirirler.

Asıl ışık etkili taneciklerin oluşması kollektör beyz bölgesinde meydana geleceğinden dolayı bu bölge ne kadar büyük olursa, ışık etkisinden dolayı oluşacak elektrik akımı da o ölçüde büyük olacaktır. İşte bu yüzden fototransistörlerin beyz alanı, Şekil 13 'de de görüldüğü gibi gelen ışığa geniş bir yüzey teşkil edecek şekilde tasarımlanmaktadır.

Bir fototransistör iki veya üç bacaklı olabilir. Üç bacaklı olanlarda beyz, bir terminal ile dışarıya verilmiştir. Bu tip fototransistörler, normal bipolar transistörler gibi kullanılabilirler. Işık gören pencere kapatılmaz ise normal transistör çalışması ile beraber ışık etkisi de ilave edilmiş olur. İki bacaklı olanlarda ise beyze bağlı bacak kaldırılmıştır. Bu durumda sadece ışık ile çalışma vardır



Fotodiyotlar, ters yönde polarlandıkları zaman üzerlerine düşen ışıkla orantılı olarak kaçak akımları değişen diyotlardır. Bilindiği gibi diyotlar ters yönde (blokaj yönünde) polarlandıklarında µA veya nA seviyesinde kaçak akımlar oluşur. İşte fotodiyotlar, üzerlerine düşen ışık miktarı arttıkça bu kaçak akımların artması prensibine dayanarak yapılmışlardır. Kaçak akımlardaki ışığa bağlı değişim elektronik yükselteç devreleriyle yükseltilerek dedektör olarak kullanılmaktadır.

Mercek Sistemleri



Fototransistör veya fotodiyot (dedektör) ile kullanılacak bir mercek sistemi, dedektörün hassasiyetini büyük ölçüde arttıracaktır. Şekil 14(a) da görüldüğü gibi şiddeti I olan bir nokta kaynağın bir dedektör üzerindeki yoğunluğu,

H = I / d2 'dir. Burada d aradaki mesafedir



kaynak ve dedektör arasına bir mercek yerleştirimesi halindeki durum görülmektedir. Burada kaynaktan merceğe olan d' mesafesinin, d 'ye eşit olduğu varsayılmıştır. Yani d' d dir.

Eğer dedektör alan olarak yuvarlak ise:

PD = PL = H'(rL)2 dir.

PD : Dedektör üzerine düşen ışık akısı.
PL : Mercek üzerine düşen ışık akısı.
H' : Mercekteki akı yoğunluğu.
rL : Mercek yarıçapıdır.

d' d olduğundan,
Dedektör üzerindeki akı yoğunluğu:

HD = PD / AD olup AD = rd2 dir. (AD : Dedektör alanı)

Böylece HD = 1 / d2 (rL / rd)2 olur.

Bu durumda dedektör üzerine mercek ile düşen ışık miktarının mercek yokken düşen miktara oranı,

HD / H = [I/d2(rL/rd)2] / (I/d2) = (rL/rd)2 olur.

Bu formülden da anlaşılacağı gibi eğer mercek yarıçapı dedektör yarıçapından büyük ise, dedektör üzerine düşen ışık miktarı artmaktadır. Mercekteki kayıpları da dikkate alırsak mercekli bir sistemin kazancı R aşağıdaki gibi ifade edilebilir.

R = 0,9 (rL/rd)

Burada dikkat edilecek husus, mercek sisteminin uygun olarak yerleştirilmesidir. Biçimsiz yerleştirilen bir merceğin faydadan çok zararı olmaktadır. Örneğin Şekil 15 'de kendi merceği olan bir fototransistörün önüne diğer bir mercek konulması neticesinde sistemin veriminin bozulması gösterilmiştir.





Bu sistemin verimli olabilmesi için ışınların fototransistöre paralele olarak gelmesi gerekir. Halbuki konan ikinci mercek, paralel gelen ışınların bu niteliğini yok etmektedir. Şekil 16 'da ise verimli bir mercek sistemi gösterilmiştir. 1. mercek gelen ışınları toplamakta, 2. mercek ise bunları paralele ışınlar haline çevirmektedir. Böylece dedektörün yüzey alanı, 1. merceğin yüzey alanına eşdeğer olmaktadır.

Led

Led ismi, ingilizce Light Emitting Diode (Işık Yayan Diyot) kelimelerinin baş harflerinden oluşmaktadır.
Bu ışıklı diyotlar, kullanışlı ve pratik olmalarının yanı sıra oldukça ucuz olmaları nedeniyle indikatör (gösterge) olarak diğer tip lambaların yerini almışlardır. Piyasada çok değişik şekil, ebad, renk ve fiyatta LED bulunduğundan herhangi bir devrede ne tip bir led kullanılabileceği, genellikle bir soru işareti oluşturmaktadır. Burada LED 'ler ile ilgili bazı aydınlatıcı bilgi verilmeye çalışılmıştır. Böylece LED seçiminde kolaylık sağlayacağını umuyoruz.

Işık yayan diyotlar, ilk olarak 1954 yılında bulunmuştur. Galyum Fosfat (GaP) ile yapılmış bir diyotun, iletim yönünde akım geçirildiğinde kırmızı bir ışık yaydığı farkedilmiştir. Böylece bir yarıiletken ışık kaynağı keşfedimiştir, ancak yarıiletkenlerdeki ışık yayımının fiziği pek anlaşılamadığı ve seri üretim için yeterli teknolojik düzeye erişilemediği için led 'ler yakın zamana kadar pek popüler olamamışlardır. Bu sorunların aşılmasıdan sonra ledler inanılmaz bir şekilde kendilerine çok geniş bir uygulama alanı bulmuşlardır.

İlk led 'ler TO-18 transistör kılıfı içerisinde ve uçları şeffaf plastik mercek şeklindeydi. Mevcut ışık rengi sadece kırmızıydı ve verim, yani uygulanan güce karşı elde edilen ışık miktarı son derece yetersizdi.
Zamanla yarıiletkenlerde yayılan ışık ile ilgili teorik bilgiler geliştikçe GaP diyotlarından yayılan kırmızı ışığa, bu yarıiletken madde içerisinde bulunan çinko ve oksijen atomlarının sayesinde oluştuğu anlaşılmıştır. Daha saf GaP maddesiyle yapılan Led 'lerin, bu sefer yeşil bir ışık yaydıkları gözlenmiştir. Daha sonra ise çok çeşitli yarıiletken maddeler denenmiş ve kullanılmıştır. Günümüzde ise en çok kullanılan madde ise Galyum Arsenit Fosfat (GaAsP) 'tır. Bu maddenin avantajı, arsenik ve fosfat oranlarını değiştirmek suretiyle infraruj (infra-red) ile yeşil arasında pek çok renk elde edilebilmesidir.

Günümüzde kullanılan Led 'ler arasında en popüleri, kırmızı olanıdır. Bu tip led 'ler GaAs0,6P0,4 formülü ile yapılmaktadır. Yani As : P oranı 6 : 4 'tür. Kırmızı Led 'ler yapımı en kolay, dolayısıyla en ucuz, bunun yanında da verimi en yüksek olanlarıdır. Yeşil Led 'ler ise verimi en düşük LED çeşididir. Ancak bu dezavantajı insan gözünün yeşile kırmızıdan daha hassas olması nedeniyle ortadan kalkmaktadır.

Herhangi bir uygulama için renk seçimi yaparken bazı hususlara dikkat edilmelidir. Kırmızı, genellikle ikaz devreleri için tercih edilmelidir. Ancak sarı, turuncu ve yeşil Led 'ler, diğer bazı amaçlar için daha estetik olabilmektedir.

Led seçiminde verim önemli bir faktördür. Yeşil ve sarı Led 'lerin verimleri, kırmızı Led 'lere nazaran daha düşüktür. Ancak pille çalışan küçük cihazlar dışında bu durum bir problem teşkil etmemekte, verim düşüklüğü biraz daha fazla güç tatbikiyle ortadan kalkmaktadır. Yeşil bir Led 'den kırmızı Led 'lerdeki kadar ışık elde edebilmek için iki katına yakın LED akımına gereksinim duyulmaktadır. Ancak şebekeden beslenen cihazlar için bu bir sakınca teşkil etmemektedir.

led ler hakkında daha geniş bilgi diyod konusunda da verildi

Led Kılıfları



lk Led 'lerin fiyatlarının yüksek olmalarının bir nedeni de pahalı metal kılıflar kullanılmasıydı. Bu tip Led 'ler, halâ bazı eskeri ve profesyonel cihazlarda kullanılmaktadır. Modern Led 'ler, daha basit ve ucuz olan epoxy-resin kılıflar ile yapılmaktadır. Bu tip Led 'ler Şekil 1 'de görülmektedir.

Diyot eklemleri birer nokta ışık kaynağı olmakla beraber bir Led 'in ışık yayma diyagramı, kılıfın cinsine göre değişmektedir. Örneğin Led 'in kılıfı şeffaf ise, Led bir nokta ışık kaynağı şeklinde ışık yaymaktadır. Bununla ilgili radyasyon diyagramı Şekil 2 'de gösterilmiştir



Görüleceği gibi yayılan ışık, dar bir açı ile yayılmaktadır. Eğer kılıf buzlu (mat) ve renkli ise, o zaman Led 'den yayılan ışık çok daha geniş bir alana yayılmaktadır. Şekil 2 (b). Sabit bir ışık miktarı için şeffaf bir Led 'in parlaklığı, ekseni yönünde bakıldığında renkli bir Led 'e göre daha fazladır. Ancak bakış yönü eksenden kaydırıldıkça şeffaf Led 'lerde parlaklığın çok çabuk olarak düştüğü görülür. Buna mukabil renkli ve mat Led 'lerin ışığı çok daha geniş açılardan görülebilir.
Bir Led 'in kılıfının renkli olması, ışığının rengini değiştiremez. Işığın rengini belirleyen, sadece yarıiletken maddenin cinsidir. Eğer renkli kılıf kullanılacaksa, bu ışığın rengi ile aynı olmalıdır. Aksi halde ışık miktarı önemli ölçüde zayıflamaya uğrar.

Özel Kılıflar



En çok kullanılan Led 'ler dairesel kesitli kılıfı olanlardır. Bunun sebebi, panel montajı için açılması en kolay deliklerin dairesel delikler olmasıdır. Ancak panel lambaları olarak kullanılmalarının yanında VU-metre vb. gibi kullanımlar için çeşitli tipte kılıflar yapılmasına gerek duyulmuş ve bu amaca uygun Led 'ler piyasaya sürülmüştür. Şekil 2 'de kesiti dikdörtgen, tepesi yuvarlatılmış bir Led görülmektedir.



Değişik bir Led tipide, Şekil 3 'de sunulmuştur. Bu tip Led 'ler dikdörtgenler prizması şeklinde olup bilhassa ekranların geri aydınlatması amacıyla kullanılmaktadır. Diğer popüler olmaya başlayan bir Led türü de grup halinde imal edilenlerdir

Led 'lerin Elektriksel Özellikleri

Elektriksel olarak Led 'ler, bilinen normal diyotlar gibi davranırlar. Led 'ler, bir p-n ekleminden meydana geldiklerine göre bunda şaşılacak bir durum yoktur. Ancak normal diyotlardan farklı olarak iletim esnasında üzeinde oluşan gerilim, silisyum diyotlara nazaran daha fazladır. Bu gerilim sabit olmayıp Led çeşidine göre değişmektedir. Kırmızı Led 'ler için 1.6 Volt olan iletim gerilimi, yeşil Led 'lerde 2,4 Volta kadar çıkmaktadır. Bilindiği gibi bu gerilim silisyum diyotlarda 0,65 - 0,70 Volt arasındadır.

Normal diyotlarda olduğu gibi Led 'lerin de iletim dirençleri oldukça düşüktür. Bundan dolayı iletim gerilimleri aşıldıktan sonra çekecekleri akım çok hızlı bir biçimde artar. Bu durum, Led 'ler ile beraber seri olarak akım sınırlayıcı dirençler kullanılması zorunlu kılar. DC çalışma şartları altında gerekli seri direnç değeri, aşağıdaki formülden hesaplanır.

R = US.Uf / I

US : Besleme gerilimi
Uf : Led iletim gerilimi
I : Led akımı

Eğer kullanılacak Led ile ilgili bilgiler mevcut değil ise, genel olarak Led 'lerin 40 mA 'lik iletim akımlarında çalıştıkları bilinmelidir. Aslında bir çok Led çeşidi, bu değerden daha fazlasına dayanabilmektedir. İletim gerilimlerini 2 Volt olarak kabul etmekte pratik bir yöntemdir.

Led 'ler, düşük gerilimli kaynaklarda kullanılacakları zaman maksimum akım sınırlarına yakın değerlerde kullanılmamalıdırlar. Çünkü böyle durumlarda seri direncin değeri küçük olacağından kaynak gerilimindeki en ufak bir değişim, yüksek akım geçmesine sebep olarak Led 'i tahrip edebilir.

Led 'leri devreya bağlarken polaritelerine dikkat edilmelidir. Bunların ters dayanma gerilimleri 4-5 Volt gibi küçük bir değer olduğundan ters bağlanmalırı halinde yanmaları işten bile değildir. Bu yüzden polariteleri bilinmeyen Led 'lerin bacaklarının tespit edilmeleri esnasında dikkatli olunmalıdır. Bu iş için yöntemlerden biriside, 150 ohm 'luk seri bir dirençle beraber 3 Voltluk bir kaynak kullanılmasıdır.

Led 'lerin polariteleri genellikle iki türlü belirtilmektedir. Birinci olarak katot, anoda nazaran daha kısa yapılmaktadır. İkinci olarak ise Led 'in kılıfının katot tarafı düz olarak imal edilmektedir. Bu yöntem, sadece dairesel kesitli Led 'ler için geçerlidir. Şekil 5 'de Led polaritelerinin belirtilme yöntemleri görülmektedir.

Led 'lerin AC Çalışmaları

Led 'ler, AC ile çalışan devrelerdeki ikaz lambalarının bile yerini alabilmektedirler. AC sinyalin bir saykılında iletimde olan Led, ikinci saykılında ters yönde polarlanır ve off durumuna geçer. Bu durumda Led üzerinde oluşan ters yöndeki gerilimin Led 'in ters dayanma geriliminden fazla olması halinde Led tahrip olacağından gerekli önlemler alınmalıdır. Bunun için Led 'e paralel olarak ters yönde normal bir diyot bağlanması kafidir. Şekil 6.a 'da bu bağlantı şekli gösterilmiştir. Negatif yarım saykılında bu diyot iletime geçerek üzerinde oluşacak 0,7 Voltluk iletim gerilimi, Led 'in emniyetle kullanılmasını sağlayacaktır.

Led 'leri korumak için kullanılan diğer bir yöntemde, Led ile seri olarak ters dayanma gerilimi kaynak geriliminden daha büyük olan bir diyot bağlamaktır. Bu durmda Şekil 6.b 'de gösterilmektedir.

İlk metodun avantajı, Led üzerine 0,7 Volttan daha fazla ters gerilim düşememesi nedeniyle Led 'in aşırı ters gerilimden dolayı bir tehlikeye maruz kalmasının söz konusu olmamasıdır. Ancak seri direncin iki misli güç harcaması gerekmektedir.

Her iki durumda da, Led sadece bir saykıl boyunca iletimde kalacağı için averaj Led akımı, hesaplanan direnç değeriyle bulunanın yarısı kadar olacaktır. Bu durumu gözönüne alarak gerekli direnç değeri, aşağıdaki formülden hesaplanabilir.

R = URMS - Uf / 2I

URMS : AC şebeke gerilimi
Uf : Diyot iletim gerilimi
I : İstenen averaj akım değeri

OP-AMP

YAPISI ve ÖZELLİKLERİ

İşlemsel yükselteçler (Operational Amplifiers, kısaca OP-AMP) 196O 'lı yılların sonlarına doğru kullanılmaya başlanmıştır. 741 ve 747 gibi entegre şeklinde üretilirler. Bu entegrelere dışarıdan bağlanan devre elemanları ile geri beslemesi ve dolayısıyla yükselteç devresinin gerilim kazancı kontrol edilebilir. Genel olarak OP-AMP, çok yüksek kazançlı bir DC yükselteçtir. OP-AMP ile hemen hemen yapılamayacak devre yok gibidir.



OP-AMP sembolü gösterilmiştir. Bu sembolde gösterilmeyen bir de besleme voltaj uçları bulunur. Genel olarak bir işlemsel yükseltecin iki giriş, bir çıkış, iki de besleme kaynağı ucu bulunur. Sembolde, (-) işaretli giriş ucu tersleyen (eviren, inverting), (+) işaretli giriş ucu terslemeyen (evirmeyen, noninverting) giriş ucudur. (-) işaretli giriş ucuna sinyal uygulandığında çıkıştan 180° faz farklı bir çıkış sinyali alınır. Giriş sinyali (+) işaretli giriş ucuna uygulandığı zaman da çıkıştan alınan sinyalle girişe uygulanan sinyal arasında faz farkı olmaz. Yani aynı fazda bir çıkış sinyali alınır.

OP-AMP, 5 önemli özelliğe sahiptir. Bunlar;

* Kazancı çok fazladır. (Örneğin, 200.000)
* Giriş empedansı çok yüksektir. 5 MΩ
* Çıkış empedansı sıfıra yakındır.
* Band genişliği fazladır. (1MHz)
* Girişe 0 Volt uygulandığında, çıkıştan yaklaşık 0 Volt elde edilir.

OP-AMP 'ın iki kazancı vardır. Bunlar açık çevrim ve kapalı çevrim kazancıdır. Kapalı çevrim kazancı, devreye harici olarak bağlanan geri besleme direnci ile belirlenir. Açık çevrim kazancı ise OP-AMP 'ın kendi kazancıdır. Yani direnç ile belirlenemeyen kazancıdır. Her ne kadar OP-AMP 'ın kazancı yaklaşık 200.000 gibi bir değerde olmasına rağmen bu kazanç OP-AMP 'a uygulanan besleme voltajına bağlıdır. Örneğin, bir OP-AMP 'ın besleme voltajı ±12 Volt ve girişe 1 Volt yükseltilmek üzere bir giriş sinyali uygulansa, OP-AMP 'ın özelliğine göre çıkıştan bu kazançla orantılı olarak 200.000 Volt alınmaz. Çünkü, besleme voltajı ±12 Volt kullanılmışsa çıkıştan en fazla 12 Volt alınır. Burada, açık çevrim kazancını etkileyen en önemli faktör besleme voltajının değeridir.

OP-AMP 'ın diğer özelliği 5MΩ 'a ulaşan giriş empedansıdır. Giriş empedansının bu kadar büyük olması, bağlı olduğu sinyal kaynağını ve bir önceki devreyi yüklememesi, küçük bir giriş akımı ile kumanda edilmesi gibi üstünlükleri vardır.

OP-AMP 'ın çıkış empedansı idealde sıfır iken pratikte bu değer 100-150Ω arasındadır. OP-AMP 'ın çıkış empedansının küçük olması, çıkış akımını arttırarak kısa devrelerden zarar görmemesini sağlar.

OP-AMP 'ın band genişliği 1MHz civarındadır. OP-AMP 'a uygulanan sinyalin frekansı yükseldikçe kazanç düşer. DC ve DC 'ye yakın sinyallerde OP-AMP 'ın kazancı yaklaşık 200.000 'dir.

OP-AMP 'ın statik çalışmasında yani girişte sinyal yokken çıkışın 0 Volt olması gerekir. Ancak, pratikte giriş uçları arasında, çok küçük de olsa bir offset gerilimi oluşur. Bu küçük gerilim OP-AMP 'ın kazancı ile çarpılarak çıkışa aktarılır. Bu nedenle, OP-AMP entegrelerinde offset sıfırlama uçları vardır.



Yüksek performans gereken yerlerde şekil 2.19 'da görüldüğü gibi harici bağlantılarda OP-AMP 'ın çıkış gerilimi boşta iken sıfır yapılır. 741 entegresinin 1 ve 5 nolu uçlarına bir potansiyometre bağlanarak, orta ucu (-) voltaj kaynağına irtibatlandırılır





Şekil. 2.20 - IC 741 ve IC 747 Entegrelerinin İç Bağlantı Şemaları.

Şekil 2.20 'de görüldüğü gibi 741 entegresinde 1 OP-AMP bulunurken, 747 entegresinde 2 adet OP-AMP vardır

OP-AMP 'ların Beslenmesi



OP-AMP sembolünde +V ve -V uçları, besleme kaynağının bağlandığı uçlardır. Bir OP-AMP 'a, ±5 V, ±12 V, ±15 V, ±18 V gibi besleme voltajı verilebilir. OP-AMP 'ın AC sinyal yükseltmesinde tek güç kaynağı kullanmak yeterlidir. Genellikle OP-AMP 'lar simetrik kaynaktan beslenir.

Şekil 2.21 'de bir OP-AMP 'ın simetrik kaynaktan beslenmesi görülmektedir, örneğin bir OP-AMP devresi olarak 741 entegresi kullanılacaksa, entegrenin 7 nolu ucuna pozitif besleme, 4 nolu ucuna ise negatif besleme uygulanır. Şekil 2.21 'de görülen (+) giriş faz çevirmeyen giriş ucu, (-) giriş faz çeviren giriş ucunu gösterir.