SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ

... konulu sunumlar: "SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ"— Sunum transkripti:

1 SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ
ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ TEMEL ELEKTRİK- ELEKTRONİK TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI

2 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 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

3 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 düzenleme yapılaması zorunluluktur. Bu işlemde saf maddelere katkı maddesi ekleme yapılabilir. TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI

4 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. Bu katkı maddesi ekleme işlemi elektron ve oyuk gibi akım taşıyıcıların sayısını arttırır. TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI

5 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 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 eklemek suretiyle serbest elektronların sayısı kontrol edilebilir. TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI

6 YARI İLETKEN MADDELER TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI

7 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 oyuklar değil önceden var olan oyuklardır. N-tipi maddede bulunan bu oyuklara azınlık taşıyıcılar denir. TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI

8 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 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

9 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 taşıyıcılar oyuklar olmasına rağmen yine de çok az sayıda elektron bulunmaktadır. TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI

10 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 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

11 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. TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI

12 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. TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI

13 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. TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI

14 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. TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI

15 DİYOTLAR Örnek 1: Aşağıda verilen devrelerde hangi lambalar ışık vermektedir. 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

16 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. Yandaki şekilde diyotlara uygulanan gerilimler yukarıdaki diyotları doğru polarma ederken aşağıdaki diyotları ters polarma eder. TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI

17 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. TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI

18 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 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

19 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 𝑉 𝐵 =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. TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI

20 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: 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

21 DİYOTLAR Örnek: Aşağıdaki şekilde seri diyot bağlantısında 𝑉 𝐷 , 𝑉 𝑅 ve 𝐼 𝐷 değerlerini bulunuz? Aynı değerleri diyodu ters çevirerek tekrar bulunuz? TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI

22 DİYOTLAR ÇÖZÜM 𝑽 𝑫 =𝟎.𝟕𝑽 𝑽 𝑹 =𝑽− 𝑽 𝑫 =𝟔𝑽−𝟎.𝟕𝑽=𝟓.𝟑𝑽
𝑰 𝑫 = 𝑰 𝑹 = 𝑽 𝑹 𝑹 = 𝟓.𝟑𝑽 𝟏𝑲 =𝟓.𝟑 𝒎𝑨 TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI

23 DİYOTLAR 𝑽− 𝑽 𝑫 − 𝑽 𝑹 =0 𝑽 𝑫 =𝑽− 𝑽 𝑹 𝑽 𝑫 =𝑽−𝟎 𝑽 𝑫 =𝑽=𝟔𝑽
TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI

24 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. TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI

25 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 ise ışık enerjisi ile ters yönde akımın şiddetini ayarlamak için kullanılmaktadır. TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI

26 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 kullanılır. Güç kaynaklarında voltaj regülatörü olarak kullanılır. Burada yük üzerine düşen değişken gerilim sabitleştirilir. TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI

27 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 düşüşe geçecektir. Sonuçta yük üzerinde yine sabit bir gerilim düşümü sağlanacaktır. TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI

28 DİYOTLAR TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI

29 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 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

30 DİYOTLAR TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI

31 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. 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) 5 V Turuncu 2 V Sarı AllnGaP (alüminyum indiyum galyum fosfor) Yeşil GaP (galyum fosfat) 2.2 V TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI

32 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. TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI

33 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. TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI

34 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 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

35 İlgiyle dinlediğiniz için teşekkürler
Ramazan ŞENOL Bekir AKSOY TEMEL ELEKTRİK – ELEKTRONİK DERS NOTLARI