İlk bipolar bağlantı transistörü 1947 yılında Bell Laboratuvarları'nda icat edildi. "Bipolar" terimi, "iki kutuplu" anlamına gelir; bu nedenle bu transistöre bipolar bağlantı transistörü (BJT) adı verilmiştir. Bir BJT, kollektör (C), baz (B) ve yayıcı (E) olmak üzere üç uçlu bir devredir.
Şu anda iki tür bipolar bağlantı kristali bulunmaktadır: NPN ve PNP transistörleri. Bu makalede, PNP transistörünün yapısı, çalışma prensibi ve uygulamaları hakkında bilgi vereceğiz.
PNP transistör nedir?
PNP transistörü, üç katmanlı katkılı yarı iletkenlerden oluşan bir bipolar bağlantı transistörü (BJT) türüdür. Bir PNP transistöründe, ana yük taşıyıcıları deliklerdir ve bunlar yayıcıdan tabana, oradan da toplayıcıya doğru akar. PNP transistörü, elektronik devrelerde anahtar veya amplifikatör olarak yaygın olarak kullanılmaktadır.
PNP Transistörünün Yapısı
Bir PNP transistörünün yapısını açıklamak için aşağıdaki şemaya bakınız:
Bir PNP transistör, P tipi ve N tipi yarı iletken malzemelerin sırayla dizildiği üç katmandan oluşur. Bu üç katmana yayıcı (E), taban (B) ve toplayıcı (C) denir. Katmanlar, bir N tipi katmanı çevreleyen iki P tipi katmandan oluşan sandviç benzeri bir yapıya sahiptir; bu yapıdan dolayı PNP adı verilmiştir.
Bu şemada, yayıcı solda, toplayıcı sağda ve taban ortadadır. Taban çok ince ve hafifçe katkılanmışken, yayıcı ve toplayıcı yoğun şekilde katkılanmıştır. Katmanların katkılanması, aralarında transistörün çalışmasından sorumlu olan birleşim noktaları oluşturur.
PNP transistörünün tabanına bir voltaj uygulandığında, yayıcıdan tabana küçük bir akım akar. Bu akım, toplayıcıdan yayıcıya çok daha büyük bir akımın akmasına neden olur ve bu akım, harici bir devreyi kontrol etmek için kullanılabilir.
PNP Transistör Nasıl Çalışır?
Yukarıda da belirtildiği gibi, transistör, yoksunlaşma katmanlarının yayılması için gerekli olan belirli bir bariyer potansiyeline sahip iki yoksunlaşma katmanından oluşan bir akım kontrol cihazıdır. Silikon transistörün bariyer potansiyeli 25 °C'de 0,7 V iken, germanyum transistörün bariyer potansiyeli 25 °C'de 0,3 V'tur. En yaygın olarak kullanılan transistör türü silikondur, çünkü silikon, oksijenden sonra Dünya'da en bol bulunan elementtir.
Çalışma Prensibi:
PNP transistörün yapısı, kollektör ve yayıcı bölgelerinin p-tipi malzeme ile, taban bölgesinin ise ince bir n-tipi malzeme tabakası ile doped edilmesinden oluşur. Yayıcı bölge, kollektör bölgesine kıyasla yoğun bir şekilde doped edilmiştir. Bu üç bölge, kollektör-taban birleşimi (CB) ve taban-yayıcı birleşimi olmak üzere iki birleşim oluşturur.
Baz-yayıcı birleşimine 0V'dan düşen negatif bir potansiyel VBE uygulandığında, elektronlar ve delikler tükenme bölgesinde birikmeye başlar. Potansiyel 0,7V'nin altına daha da düşürüldüğünde, bariyer gerilimine ulaşılır ve difüzyon meydana gelir. Bu nedenle, elektronlar pozitif kutba doğru akar ve baz akımı (IB) elektron akışının tersi yöndedir. Ayrıca, kollektör terminaline bir voltaj VCE uygulandığında, yayıcıdan kollektöre doğru bir akım akmaya başlar. Bu nedenle, PNP transistörleri hem anahtar hem de amplifikatör görevi görebilir.
Çalışma Alanı ve Çalışma Modu:
- Aktif alan: IC = βxIB – amplifikatör çalışması
- Doygunluk bölgesi: IC = doygunluk akımı – anahtarlama çalışması (tamamen açık)
- Kesme alanı: IC=0—anahtarlama çalışması (tamamen kapalı)
PNP transistörlerinin uygulama örnekleri
1. Anahtar Olarak PNP Transistör
PNP transistörleri devrelerde genellikle anahtar olarak kullanılır. Bu örnekte PSPICE modeli ve PN2907A transistörü kullanıyoruz. Öncelikle, bazda bir akım sınırlayıcı direnç kullanmayı unutmayın. Yüksek baz akımı, BJT'ye zarar verebilir. Aşağıdaki veri sayfasına göre, maksimum sürekli kollektör akımı 600mA'dır ve ilgili kazanç (hFE veya β) veri sayfasında bir test koşulu olarak verilmiştir. İlgili doygunluk gerilimi ve baz akımı da mevcuttur.
Bileşenleri seçme adımları:
1. Yük tarafından çekilen akım olan kollektör akımını bulun. Bu durumda bu değer 200 mA (LED veya yük ile paralel) ve direnç = 60 ohm olacaktır.
2. Transistörü doymuş duruma getirmek için, transistörü tamamen açacak kadar baz akımı çekilmelidir. Baz akımını ve kullanılacak ilgili direnci hesaplayın. Aşağıda PNP transistöründe baz akımı ve baz direncinin hesaplama formülü verilmiştir:
IB=IC/β=-200 mA / 90=-2,2 mA≈-2,5 mA
RB=VBE/IB=-5/-2,5 mA=2000 Ohm≈2,2k Ohm
Tam doygunluk için baz akımı yaklaşık 2,5 mA'dır (ne çok yüksek ne de çok düşük). Aşağıda, anahtar kapalıyken baz için 12 V ve yayıcı için toprak ile aynı olan devre gösterilmiştir.
Teorik olarak anahtar tamamen açıktır, ancak pratikte bir kaçak akım gözlemlenebilir. Bu akım, birimleri pA veya nA olduğu için ihmal edilebilir düzeydedir. Akım kontrolünü daha iyi anlamak için, bir transistör, baz (B) üzerinden geçen akıma göre direnci değişen, kollektör (C) ile yayıcı (E) arasında yer alan bir değişken direnç olarak düşünülebilir.
Başlangıçta, bazdan akım geçmediğinde, CE arasındaki direnç o kadar yüksektir ki, buradan akım geçmez. Baz terminalinde 0,7 V ve üzeri bir potansiyel farkı ortaya çıktığında, BE bağlantısı yayılır ve CB bağlantısının yayılmasına neden olur. Artık yayıcıdan kollektöre akan akım, yayıcıdan baza akan akımla orantılıdır; bu da kazançtır.
Şimdi, baz akımını kontrol ederek çıkış akımını nasıl kontrol edeceğimize bakalım. IC = 100mA sabit tutulduğunda, yük 200mA olmasına rağmen, veri sayfasında karşılık gelen kazanç 100 ile 300 arasındadır ve yukarıdaki aynı formülü kullanarak şunu elde ederiz:
IB=IC/β=-100 mA/250=-0,4 mA
RB=VBE/IB=-5/-0,4 mA=12500 Ohm≈13k Ohm
Gerçek ve hesaplanan değerler arasındaki fark, transistördeki voltaj düşüşünden ve kullanılan dirençli yükten kaynaklanmaktadır. Ayrıca, bazda 12,5 kohm yerine 13 kohm'luk standart direnç değeri kullanılmıştır.
2. Amplifikatör Olarak PNP Transistör
Yükseltme, zayıf bir sinyalin kullanılabilir bir biçime dönüştürülmesidir. Yükseltme süreci, sinyallerin kablosuz olarak iletilmesi, kablosuz olarak alınması, MP3 çalarlar, cep telefonları vb. gibi birçok uygulamada önemli bir adımdır. Transistörler, farklı konfigürasyonlarda güç, gerilim ve akımı yükseltebilir.
Transistör amplifikatör devrelerinde kullanılan bazı konfigürasyonlar şunlardır:
- ortak yayıcı amplifikatörü
- ortak kollektör amplifikatörü
- ortak taban amplifikatörü
Yukarıdaki türler arasında, ortak yayıcı türü en yaygın olarak kullanılan konfigürasyondur. Bu işlem aktif bölgede gerçekleşir; buna bir örnek, tek kademeli ortak yayıcı amplifikatör devresidir. Kararlı bir dc önyükleme noktası ve kararlı bir ac kazancı, amplifikatör tasarımı için önemlidir. Tek bir transistör kullanıldığında, buna tek kademeli amplifikatör adı verilir.
Yukarıda, baz terminaline uygulanan zayıf bir sinyalin, kollektör terminalinde gerçek sinyalin beta katına dönüştürüldüğü tek kademeli bir amplifikatör gösterilmektedir.
PNP Transistörlerinin Amplifikatör Devre Yapıları
Amplifikatör devreleri üç farklı konfigürasyonda bulunur: ortak yayıcı (CE), ortak taban (CB) ve ortak toplayıcı (CC). Bu konfigürasyonlar, sinyalin güçlendirilmesi ve dengelenmesi için farklı kapasitif ve dirençli elemanlar kullanır.
Ortak yayıcı (CE)
CE (ortak yayıcı) konfigürasyonu, bir bağlama kondansatörü (CIN) ve bir çıkış bağlama kondansatörü (COUT) içerir. CIN, giriş sinyalini transistörün tabanına bağlayarak AC sinyallerinin geçişine izin verirken DC sinyallerini yalıtır. COUT ise transistörün çıkış sinyalini yük devresine bağlar ve yalnızca AC sinyalinin geçişine izin verir. CE konfigürasyonu ayrıca, yükseltilmiş sinyal için düşük dirençli bir yol olarak bir baypas kondansatörü kullanır.
CE konfigürasyonunda, R2 ve RE amplifikatörün kararlılığını sağlamak için kullanılırken, R1 ve R2 birlikte bir voltaj bölücü görevi görerek DC önyükleme noktasında kararlılığı garanti eder.
Ortak Taban (CB)
Bir CB amplifikatöründe, giriş sinyali yayıcı terminaline uygulanır ve çıkış sinyali toplayıcı terminalinden alınır. Yayıcı terminali ileri yönde, toplayıcı terminali ise ters yönde önyüklemelidir. CB amplifikatörünün önyükleme koşulları, düşük bir giriş empedansı ve yüksek bir çıkış empedansı sağlar.
Ortak tabanlı amplifikatör devresi aşağıdaki denklemle ifade edilebilir: Av = -gmRc; burada Av voltaj kazancı, gm transkonduktans parametresi ve Rc yük direncidir. Ortak tabanlı amplifikatörün voltaj kazancı birden küçüktür, ancak yüksek akım kazancına ve geniş bant genişliğine sahiptir.
Ortak Toplayıcı (CC)
CC amplifikatörü, çıkış geriliminin giriş gerilimini yakından takip etmesi nedeniyle emiter takipçisi olarak da bilinir. Bir CC amplifikatör devresinde, emiter ucu her zaman baz geriliminden biraz daha düşük bir gerilime ayarlanır; bu değer, silikon transistörler için genellikle 0,6 V civarındadır. Bu, transistörün aktif bölgede kalmasını ve giriş sinyalini yükseltebilmesini sağlar.
CC amplifikatörü, yüksek giriş empedansı ve düşük çıkış empedansına sahiptir; bu özelliği sayesinde empedans uyumu ve gerilim yükseltme uygulamaları için uygundur. Ayrıca yüksek akım kazancı ve yüksek birim kazanç bant genişliği sunar; bu da onu bir amplifikatörün aşamaları arasında sinyalleri tamponlamak için ideal kılar.
