DENEY 1 -­‐ İDEAL DİYOT VE ZENER DİYOT LABORATUAR ÖN ÇALIŞMA DÖKÜMANI 1.1. Diyot C A A: Anot C: Katot Diyot bir yönde akım geçiren, diğer yönde akım geçirmeyen elektronik devre elemanıdır. Diyot PN birleşmesinden meydana gelir. Diyotu oluşturan P tipi maddeye Anot (+), N tipi maddeye ise Katot (-­‐) denir. Diyotlar doğru yönde akım geçirir, ters yönde akım geçirmezler. Diyotun ileri yönde akım geçirmeye başladığı gerilim değerine eşik gerilimi veya açma gerilimi denir.Germanyum diyotlarda eşik gerilimi 0,2-­‐0,3 volt, silisyum diyotlarda ise 0,6-­‐ 0,7 volttur. Diyot üzerindeki çizgili kısım katot diğer uç ise anot ucudur. Eğer VA > VC ise diyotdan akım akar. Bu duruma diyot iletim yönünde kutuplanmıştır. (doğru yönde kutuplanmıştır) denir. İletim yönünde kutuplanan bir diyot akım geçirir. Eğer VA < VC ise diyotdan akım akmaz. Bu duruma diyot ters yönde kutuplanmıştır denir. Ters yönde kutuplanan bir diyotdan akım akmaz. Örnek 1 V=1v Akım akar I > 0 diyot doğru R yönde kutuplanmıştır. Örnek 2 V=1v Akım akmaz I =0 Diyot ters yönde R kutuplanmıştır. Örnek 3 V=1v R Akım akmaz I =0 Diyot ters yönde kutuplanmıştır. Örnek 4 V=1v R Akim akar I >0 Diyot doğru yönde kutuplanmıştır. Örnek 5 V=1v R Akım akmaz I >0 Diyot ters yönde kutuplanmıştır. Notlar: Burada “akım akmaz” ifadesi dikkatle kullanılmalıdır. Gerçek diyotlarda ters yönde çok küçük bir akım akar. Bu akım 10-­‐8A=0.0000001A civarındadır ve sıfır kabul edilir. Pratik olarak akım akmaz denilir. Diyot çeşitleri 1. Kristal diyot 2. Zener diyot 3. Tünel diyot 4. Led diyot 5. Foto diyot 6. Varikap diyot 7. Anahtarlama diyotu 8. Kızılötesi diyotu 9. Schottky diyotları Diyot kullanırken dikkat edilmesi gerekenler: 1. Ters dayanma geriliminin üzerine çıkılmamalıdır. 2. Maksimum taşıma akımından daha fazla akım çekilmemelidir. 1.2. İdeal Diyot Doğru yönde kutuplanmış bir ideal diyot kısa devre gibi davranır. İdeal diyot üzerindeki gerilim düşümü sıfırdır. V=1v R VD=0V VR VR=1V VD V=1v R VR VD=0V VR=1V Ters yönde kutuplanmış bir ideal diyot açık devre gibi davranır. Açık devre yapılarak gerilim hesaplanır. Örnek 6: VD R V=1v VD= -­‐1V VR VR=R I=0V (I=0 dır.) VD V=1v R VR VD= -­‐1V VR=0V Örnek 7: Diyotu ideal diyot kabul ederek devredeki akımları ve gerilimleri hesaplayın. I VD R=100Ω V=10v Çözüm 7: Diyot doğru yönde kutuplanmıştır. Diyot üzerindeki gerilim sıfırdır. Diyot yerine kısa devre kabulü yapıp devreyi çözebiliriz. I R=100Ω V=10v I V=10v I=
R=100Ω 10
= 0.1A = 100mA 100
Örnek 8: Diyotu ideal diyot kabul ederek devredeki akımları ve gerilimleri (I, VAX, VAC) hesaplayın. A C R V=10v X Çözüm 8: Diyot ters yönde kutuplanmıştır. I=0, Diyot açık devre gibi davranır. A C R V=10v X VXA +VAC+10=0 VXA =R I=0 (akım sıfır) 0 +VAC+10=0 è VAC= –10 Örnek 9: I, VAC, VCX değerlerini bulup tabloyu doldurunuz. A C R=1000Ω VD X VD 0 1V 2V 10V -­‐2V -­‐10V I VAC VCX Çözüm 9: a) VD=0, I=0, VCX =0, VAC =0 b) VD=1v, diyot kısa devre. A I C R=1000Ω VD=1v X I V=1v R=1000Ω 1
= 0.001A = 1000
1mA I=
VAC =0, VCX =RxI = 1000Ωx0.001A= 1V c) VD=2v, I =2/1000=0.002A, VAC =0, VCX =R I = 1000Ω 0.002A= 1V, d) VD=10v, I =10/1000=0.01A, VAC =0, VCX =R I = 1000Ω 0.01A= 10V, e) A C R 2v X Diyot açık devre gibi davranır, akım sıfırdır. VCX =R I=0 VAC= –2 f) VD= –10, I=0, VCX = 0, VAC= –10 A C R=1000Ω VD X VD 0 1V 2V 10V -­‐2V -­‐10V I 0 0.001 0.002 0.01 0 0 VAC 0 0 0 0 -­‐2 -­‐10 VCX 0 1 2 10 0 0 Örnek 10: VCX grafiğini çiziniz. ( VD= sin(t) ) A VD C R X Çözüm 10: Eğer VD> 0, diyot iletimde (kısa devre). I =
VD
V
, VCX = R I = R D = VD R
R
Eğer VD< 0, diyot iletimde değil (açık devre). I =0, VCX = R I = 0 VD=sin(t) VD>0 VD>0 VD<0 VD<0 t VCX VCX = VD VCX = VD VCX = 0 VCX = 0 t 1.3. Diyot Devreleri Diyotun özelligi direnç gibi degildir. Yani V=RI şeklinde dogrusal bir bagıntı yoktur. Diyotun akımı ile gerilimi arasindaki bagıntı üstel ifadeler içeren karışık bir yapıdadır. Bu gerçek bagıntıyı kullanmak hesapları zorlaştırır. Bu yüzden basitleştirilmiş diyot bagıntıları kullanılır. Basitleştirilmiş diyot bagıntılarında belli bir oranda hata mevcuttur. En fazla kullanılan basitleştirilmiş yöntemler. 1)ideal diyot varsayımı. 2)Diyotu sabit gerilim düşümüne sahip bir eleman varsayma 3)Diyotu sabit gerilim düşümü ve seri baglı bir dirençten ibaret varsayma. Konunun anlaşilması için ideal diyot ve pratik diyot farklı gösterilmiştir. ≡
ideal Diyot
Sabit gerilim düşümü ≡
0.7V
Sabit gerilim düşümü ve direnç
0.7V
≡
Diyotu Sabit gerilim kaynagi ile modelleme : Diyot yerine ideal diyot ve VD0=0.7V gerilim kaynagi yerleştirilir ve devre çözülür. Sabit gerilim dusumu ≡
0.7V
Diyotdan akım geçtiginden emin isek ideal diyodu kaldırarak devreyi çözeriz. Diyotu basit olarak 0.7V luk bir gerilim kaynagi gibi düşünürüz. VD 0
Örnek 11: Asagıdaki devrede diyot eşdegeri olarak 0.7 V sabit gerilim kaynagi kullanın. Akımı ve gerilimleri hesaplayın. VDD = 1V , VD 0 = 0.7V , RB = 1KΩ, RB
ID
V
DD
Çözüm 11: Diyot yerine 0.7V kaynak yerleştirelim. RB
ID
VDD
V D 0 Çevre denklemini yazalım. − VDD + RB I D + VD 0 = 0 V − VD 0 1 − 0.7
I D = DD
=
RB
1000
I D = 0.0003A = 0.3mA RB direnci üzerindeki gerilim. VRB =RB ID=1000 0.0003=0.3V RB direnci üzerindeki gerilimi çevre denkleminden de çözebiliriz. − VDD + RB I D + VD 0 = 0 -­‐1 +VRB+0.7=0 ==> VRB=0.3 Örnek 12: Aşagidaki devrede diyot eşdegeri olarak 0.7 V sabit gerilim kaynagı kullanın. Akımı ve gerilimleri hesaplayın. VDD = 10V , VD 0 = 0.7V , RB = 1KΩ, RB
ID
VDD
Çözüm 12: Diyot yerine 0.7V kaynak yerleştirelim. RB
VDD
ID
VD 0
Çevre denklemini yazalim. − VDD + RD I D + VD 0 = 0 V − VD 0 10 − 0.7
I D = DD
=
RD
1000
I D = 0.0093A = 0.93mA RB direnci üzerindeki gerilim. VRB =RB ID=1000 0.0093=9.3V Örnek 13: Aşagıdaki devrede diyot eşdegeri olarak 0.7 V sabit gerilim kaynagi kullanın. Aımı ve gerilimleri hesaplayın. VDD = 0.2V , VD 0 = 0.7V , RB = 1KΩ, RB
ID
VDD
Çözüm 13: Diyot yerine 0.7V kaynak yerleştirelim RB
I
D
VDD
VD 0
Çevre denklemini yazalım. − VDD + RD I D + VD 0 = 0 V − VD 0 0.2 − 0.7
I D = DD
=
RD
1000
I D = −0.0005A = −0.5mA Bu akım degeri hatalıdır. Diyotdan ters yönde akım geçtigi varsayılıyor. Diyotdan ters yönde akım geçmez. ID=0. Devre açık devre gibi davranır. ID
VDD
Bu tip devrelerde yanılgıya neden olmamak icin diyot yerine sadece 0.7V luk gerilim kaynagı degil, aynı zamanda ideal diyot da eklenir. örnek 14 : Asagıdaki devrede diyot eşdegeri olarak 0.7 V sabit gerilim kaynagı kullanın. Akımı ve gerilimleri hesaplayın. VD 0 = 0.7V , RB = 1KΩ, Çözüm 14 : RB
Diyot gerilim veya akım üretmez. Bu devreden geçen akım sıfırdır. ID=0 Diyot yerine 0.7V kaynak yerleştirmek anlamsızdır. RB I B
0.7V
-­‐0.7+RB IB=0 IB=0.7/1000=0.0007A=0.7mA şeklinde yapılacak hesap yanlıstır. Örnek 15: Aşagıdaki devrede diyot eşdegeri olarak 0.7V sabit gerilim kaynagı kullanın. Akımı ve gerilimleri hesaplayın. VDD=10V, VD0=0.7V, RB=1KΩ RB
I
D
VDD
Çözüm 15 : Diyot yerine 0.7V kaynak yerleştirelim. RB
I
D
VDD
-­‐ VDD + RB ID -­‐ 0.7=0 -­‐10 + 1000 ID -­‐ 0.7=0 11.7
ID =
= 0.0117 A 1000
Burada yine HATALI bir durum var. Bizim bulduğumuz akım diyota ters yönden girmektedir. O halde buldugumuz akım degeri geçersiz bir çözümdür. Diyot iletimde degildir. Diyot ters yönde kutuplanmıştır. Diyotdan geçen akım sıfırdır. ID=0 Diyot açık devre gibi davranır. Örnek 16 : Asagıdaki devrede diyot eşdegeri olarak 0.7 V sabit gerilim kaynagı kullanın. Akımı ve gerilimleri hesaplayın. VDD=0.2V, VD0=0.7V, RB=1KΩ RB
I
D
VDD
Çözüm 16 : Diyot yerine 0.7V kaynak yerleştirelim. RB
I
D
VDD
-­‐VDD + RB ID + 0.7=0 -­‐0.2 + 1000 ID + 0.7=0 − 0.5
ID =
= −0.0005 A 1000
Burada yine HATALI bir durum var. Bizim buldugumuz akım diyota ters yönden girmektedir. O halde buldugumuz akım degeri geçersiz bir cözümdür. Diyot iletimde degildir. Diyot ters yönde kutuplanmıştır. Diyotdan gecen akim sıfırdırr. ID=0 Diyot açık devre gibi davranır. RB
I
D
VDD
Diyotun uçları arasındaki gerilim. -­‐VDD + RB ID + VD=0 -­‐VDD + RB 0 + VD=0 VD= VDD = 0.2V 2. Zener Diyot Zener diyotlar sabit gerilim diyotlarıdır. Devreye ters olarak bağlandıklarında gerilim regülesi yaparlar. Zener diyot üzerine uygulanan gerilim belli bir değere ulaşana kadar zener diyot yalıtkandır, bu değerden sonra iletken olur. Zener diyotun iletime geçtiği ters gerilim değerine zener gerilimi veya kırılma gerilimi denir. Zener diyotlarda V>Vz olmalıdır. Aksi taktirde gerilim Vz’ye ulaşamazsa zener iletime geçmez. (Vz = Zener Gerilimi) Zener diyotlar regüle devrelerinde kullanılır. Ohmmetre ile yapılan ölçümde bir yönde küçük, diğer yönde yüksek direnç değeri okunarak sağlamlık testi yapılabilir. Örnek 17 : Devredeki Zener diyodun gerilim,akım ve direnç değerleri VZ =6.8V , I Z =5mA, rZ = 20 Ω, ve I ZK =0.2mA,Besleme gerilimi VDD 10V ancak ± 1 V değişme aralığında. RB =0.5K Ω IL
RB I B
v DD
Vo
a) Kaynak nominal gerilimindeyken çıkışı bulunuz. b) v DD deki ± 1 V değişimden kaynaklı çıkıştaki değişimi bulunuz. c) Zenerdiod devrede iken max I L akımını bulunuz. d) Zenerdiod devredeyken RL nin min değerini bulunuz. e) Çıkışa 1KΩ luk direnç bağlanırsa ne olur? f) I L ve I Z akımını çıkışa 2KΩ direnç bağlandığında bulunuz. g) Çıkıştaki değişimi çıkışa 2KΩ direnç bağlandığında bulunuz. h) f) ve g) deki yaklaşık değerleri h) da bulacağınız kesin değerler ile karşılaştırınız. ÇÖZÜM 17 : Zener diodun akım gerilim ilişkisi: VZ = VZ 0 + rZ I Z Buradan: VZ =6.8V at I Z =5mA, rZ = 20 Ω. VZ = VZ 0 + rZ I Z 6.8= VZ 0 +20 Ω 5 10 −3 A ⇒ VZ 0 =6.7V a) v DD =10V iken çıkış değeri sorulmaktadır: Zener diodun eşdeğerini çiziyoruz ve çevre yöntemiyle denklemi oluşturuyoruz. RB I B
IL
Iz
v DD
VZ 0 Vo
rZ
-­‐ v DD + RB I B + VZ 0 + rZ I z =0 I L =0 ise I B = I z -­‐ v DD + RB I B + VZ 0 + rZ I B =0 -­‐10+0.5 I B +6.7+20 10 −3 I B =0 I B =6.346mA ⇒ I z =6.346mA Buna gore çıkış gerilimi: Vo = VZ 0 + rZ I z = 6.7+20 10 −3 6.346=6.83V b) Kaynaktaki değişimden kaynaklanan çıkıştaki değişimi türev ile bulabiliriz: -­‐ VDD + RB I B + VZ 0 + rZ I z =0 Vo = VZ 0 + rZ I z Denklemde I z yi yokedersek V − VZ 0
Vo = VZ 0 + rZ DD
RB + rZ
rZ
VDD
= VZ 0 + VDD -­‐ rZ
RB + rZ
RB + rZ
dV0
Çıkışın kaynağa göre türevini alırsak
dV DD
dV0
rZ
= dV DD RB + rZ
VDD deki küçük değişimler için dV0
ΔV0
=
dV DD ΔVDD
Yazabiliriz. Böylece: ΔV0
rZ
20
= =
=0.0385 ΔVDD RB + rZ 500 + 20
yada ΔV0 = ΔVDD 0.0385 ΔVDD ± 1 V verilmiştir ΔV0 = ± 1 *0.0385= ± 0.0385V=38.5mV c) Zener iletimdeyken maximum I L akımı nedir? v DD en düşük değerinde alınır=10-­‐1=9V Min I Z , I ZK olur. dV0
dV DD
Ve I Z = I ZK ise VZ = VZK ≅ VZ 0 Olur. Bu değerlere gore devreyi yeniden çizelim. IL
RB I B
VDD
I ZK VZK
Çevre yazılırsa: -­‐ VDD + RB I B + VZK =0 -­‐9+0.5 I B +6.7=0 I B =4.6mA Düğüm yazılırsa: I B = I ZK + I L I L = I B -­‐ I ZK =4.6-­‐0.2=4.4mA Bu durumda I L 4.4mA olur. I L nin 4.4mA dan yüksek olması zener akımının 0.2mA den küçük olmasına neden olur.Bu durumda zener açık devre gibi davranır ve çalışmaz. RB VDD
RL d) maximum akımı 4.4mA bulmuştuk: IL
RB I B
V
I ZK DD
RL VZK
VZK 6.7V ve I L =4.4mA buradan V
6.7V
=1.5227KΩ RL = ZK =
I L 4.4mA
e) Çıkışa 1KΩ luk direnç bağlanırsa Zener çalışmayacaktır,yani açık devre gibi davranacaktır.1.5227KΩ değerinden küçük her çıkış direnci için zener OFF olacaktır. Aşağıdaki devreyi inceleyerekte bu durumu görebiliriz: RB I B
IL
Iz
v DD
VZ 0 RL r
Z
Çevre denklemi -­‐ v DD + RB I B + VZ 0 + rZ I z =0 -­‐ VZ 0 -­‐ rZ I z + RL I L =0 Düğüm denklemi I B = I z + I L =0 Değerler yerine koyulursa VZ 0 =9V, RB =0.5KΩ, rZ =20Ω, RL =1KΩ, VZ 0 =6.7V denklemlerden: I B =4.7mA, I z =-­‐2mA, I L =6.7mA değerleri elde edilir. I z <0 olması zenerin çalışmadığını gösterir. f) Eğer RL =2KΩ ise RB I B
IZ
VDD
RL VZ Vo VZ yaklaşık olarak 6.8V Bu varsayımla çıkış denklemi -­‐ VDD + RB I B +6.8=0 9 − 6.8
IB =
=4.4mA 0.5
V
6.8V
Çıkış akımı ise I L = Z =
=3.4mA RL 2 KΩ
Buradan I L + I z = I B ve I z = I B -­‐ I L I z =4.4-­‐3.4=1.2mA g) Çıkışa 2KΩ bağlandığında zener akımı 3.4mA kadar azalacaktır çünkü bu kadar miktar çıkışa gidecektir.Zener voltajı ise rZ *3.4mA kadar azalacaktır ki buda 20Ω*3.4mA=68mV dur. h) Kesin analiz devredeki denklemin çözümüyle bulunabilir. -­‐ v DD + RB I B + VZ 0 + rZ I z =0 -­‐ VZ 0 -­‐ rZ I z + RL I L =0 I B = I z + I L =0 Değerler yerine koyulursa VZ 0 =9V, RB =0.5KΩ, rZ =20Ω, RL =2KΩ, VZ 0 =6.7V ve denklem çözülürse Aşağıdaki değerleri elde ederiz. I B =4.6mA, I z =1.2mA, I L =3.4mA 
Download

DENEY 1 -‐ İDEAL DİYOT VE ZENER DİYOT LABORATUAR ÖN