Transistör Nedir?

Elektronik

Transistör Nedir?

1947 yılında icat edilen elektroniğin temel yapı taşı olan transistörler, en büyük telefon şirketi olan Bell kuruluşlarının araştırma laboratuvarlarında, William Shockley başkanlığında, John Bardeen ve Walter Brattain tarafından geliştirilmiştir.

Transistör Nedir?

Transistör veya geçirgeç yan yana birleştirilmiş iki PN diyodundan meydana gelen, girişine uygulanan sinyali yükselterek akım ve gerilim kazancı sağlayan, gerektiği zaman anahtarlama elemanı olarak kullanılan yarı iletken bir elektronik devre elemanıdır. Transistör kelimesi transfer ve rezistans kelimelerinin birleşiminden türemiştir. Transistöt sembolü yan tarafta görülmektedir.

En çok kullanılan çeşitleri BJT transistör ve FET transistörlerdir. BJT transistör akım ile çalışır. FET transistörler gerilimin meydana getirdiği  elektrik alanla çalışırlar. FET transistör günümüzde daha çok tümleşik sayısal devrelerde kullanılır. Transistörler üç bağlantıya sahiptirler. Bunlar bir BJT transitör de Base, Emitter ve Collector iken FET transistörler de ise Gate, Drain ve Source dur.

Transistörün Yapısı ve Çalışması

Transistör imalatı yapılırken kullanılan yarı iletkenlerin, birbirlerine yüzey birleşimli olarak  üretilmektedir. Bu sebeple “Bipolar Jonksiyon Transistör” olarak adlandırılır.

Transistörün Temel Yapısı

Yapısı

BJT transistörler katkılandırılmış P ve N tipi malzeme kullanılarak üretilir. Transistörler NPN veya PNP şeklinde yerleştirilmiş üç yarı iletken maddenin bileşiminden meydana gelir. NPN transistör de 2 adet N tipi yarı iletken madde arasına 1 adet P tipi yarı iletken madde konur. PNP tipi transistörde ise, 2 adet P tipi yarı iletken madde arasına 1 adet N tipi yarı iletken madde konur.

Transistör Nasıl Çalışır?

Bundan dolayı transistör 3 adet tabakaya veya terminale sahiptir. Transistörün her bir terminaline görevlerinden dolayı; Emiter (Emiter), Beyz (Base) ve Kolektör (Collector) denir. Bu terminaller; genelde E, B ve C harfleri ile sembolize edilirler. Beyz kutbu tetiklendiğinde kollektör ve emiter arasında direnç değeri azalır ve akım geçirir duruma gelir. Kollektör ve emiter arasından geçen akımın miktarı beyz kutbuna tatbik edilen akımın miktarına bağlıdır.

Transitörlerin çalışma mantığı, iç yapısında gerçekleşen olaylar kimya derslerinde öğrenilen atomlar arasındaki bağlar ve fizik dersinde öğrenilen elektrik alan prensiplerine dayanır.

Gerek bir anahtar, gerek bir yükseltici, gerekse de bir üreteç görevi yapsın, bütün transistörler elektrik direncinin değişmesine dayalı olarak çalışır. Base akımı veya Gate gerilimi olamadığı zaman Collector ile Emitter arasındaki direnç o kadar yüksektir ki bu iki bağlantı arasında hemen hemen hiçbir akım geçemez.

Fakat Base bağlantısında küçük bir akım(Gate de küçük bir gerilim) aktarıldığı zaman Collector ile Emitter (Drain ile Source) arasındaki dirençte çok büyük azalma olur. Bundan dolayı arasından akım geçebilir. Bu durumda transistör küçük bir akımın veya gerilimin yardımıyla büyük bir akımı kontrol edebilir.

Transistör bir anahtar olarak kullanıldığı zaman, giriş bağlantısına küçük bir akım (FET’ lerde gerilim)verildiği zaman güçlü bir elektrik akımının devresini tamamlamasına izin verir. Bir yükseltici veya bir üreteç olarak kullanıldığında zayıf bir sinyali güçlendirir. Zayıf sinyal küçük bir elektrik akımı veya gerilimi biçiminde girişe (Base-Gate) uygulanır. Bu, Collector’ den Emitter’e büyük bir akımın geçmesine izin verir. Bu durumda güçlü bir sinyal üretilmiş olur.

NPN Transistör ve PNP Transistör Çalışma Prensibi

NPN transistör……..detaylı bilgi için tıklayınız.

Transistörlerin Çalışma Bölgelerine Göre İncelenmesi

Transistörler çalışma bölgelerine göre gruplara ayrılarak incelenebilir. Transistörün çalışma bölgeleri; kesim, doyum ve aktif bölge olarak isimlendirilir. Transistör; kesim ve doyum bölgelerinde bir anahtar görevi yapar.  Özellikle sayısal sistemlerin tasarımında transistörün bu özelliğinden faydalanılır ve anahtar olarak kullanılır.
Transistörün çok yaygın olarak kullanılan bir diğer özelliği ise yükselteç olarak kullanılmasıdır. Yükselteç olarak kullanılacak bir transistör aktif bölgede çalıştırılır. Yükselteç olarak çalıştırılacak bir transistörün PN jonksiyonları uygun şekilde polarmalandırılmalıdır.

NPN ve PNP transistörlerin yükselteç olarak çalıştırılması durumunda; NPN tipi bir transistörde,  beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde, beyz-kolektör jonksiyonu ise ters yönde polarmalanır. Her iki transistorün çalışma prensibi aynıdır. Sadece polarma gerilimi ve akımlarının yönleri terstir.

Transistörün Avantajları;

• Transistörler küçüktür ve az enerji harcarlar.
• Transistörler daha uzun çalışırlar, ömürleri uzundur.
• Transistörler her an çalışmaya hazır  durumdadırlar.
• Çalışma voltajları düşüktür. Pil ile çalışma imkanı vardır.
• Transistörler lambalar gibi cam değildir, kırılmaz.
• Transistör imalatı kolay ve transistör fiyatları daha ucuzdur.

Transistörün Dezavantajları;

• Elektromanyetik palse karşı vakum tüplerinden daha duyarlıdırlar.

Transistör Çeşitleri

Transistör çeşitleri, amaçlarına göre üç gruba ayrılır………..detaylı bilgi için tıklayınız.

Transistörün Kullanım Alanları

Transistörün yapısı bakımdan, yükselgeç  olarak çalışma özelliği olan bir devre elemanıdır. Devrede yaygın olarak kullanım amacı ise devrede anahtarlama yapar. Transistör elektroniğin her alanında kullanılır. Bundan dolayı teknolojinin en değerli elektronik devre elemanlarından biridir. Mikrodalga fırınlar, akıllı tahtalar, cep telefonları, güvenlik sistemleri vb gibi… farklı cihazlarda transistörler kullanılmaktadır.

Transistörlerde Akım ve Gerilim Yönleri 

Transistörlerde akım ve gerilim yönleri verilmiştir.

• I_B: Beyz akımı,
• I_C: Kollektör akımı,
• I_E: Emiter akımı,
• V_BE: Beyz-emiter arasındaki gerilim,
• V_CB: Kollektör-beyz arasındaki gerilim,
• V_CE: Kollektör-emiter arasındaki gerilimi gösterir.

Transistörlerde Akım ve Gerilim Kazancı

Transistörlerde Akım Kazancı

Transistörün yükseltme işlemi doğrudan doğruya çıkış akımı değişmelerinin giriş akımı değişmelerine oranı olan; akım kazancına bağlıdır. Bu işlemde çıkış devresi gerilimi sabittir. Akım kazancı, transistörün bağlantı şekline göre farklı isimler alır.

Kollektör akımının beyz akımına oranı β(Beta)’yı verir. β aynı zamanda transistörün akım kazancı olarak da adlandırılır. Katologlarda hF_E olarak sembolize edilir, birimi yoktur. Akım kazancı 20-200 mA arasında değişir. Kollektör akımın emiter akımına oranlanmasıda α (alfa)’yı verir.

β = hF_E= I_C/I_B

α = I_C/I_E

Örnek: IB akımı 20mA, IC akımı 800mA ise β nedir?

Çözüm: β = hFE= IC/IB

β = hFE= 800 mA/20 mA

β = hFE=40

Örnek: Resimdeki devre için VCE gerilimini hesaplayalım (β=150, VBE=0,7V).

Çözüm

I_B = (V_BB-V_BE)/R_B                 I_B = (5-0,7)/10 kΩ = 0,43 mA

I_C = β . I_B                              I_C = 150 . 0,43 mA = 64,5 mA

V_CE= V_CC-(R_C . I_C)                 V_CE= 10-(100 Ω . 64,5 mA) = 3,55 V

Transistörlerde Gerilim Kazancı

Transistörler yükselteç olarak kullanıldığı zaman gerilim kazancı hesaplanır. Av ile gösterilir. Çıkış geriliminin giriş gerilimine oranı ile bulunur. Resimdeki devre için gerilim kazancı formülleri verilmiştir. Transistörün kollektör emiter arasındaki direnci r’_e ile gösterilir.

Transistörlerde Gerilim Kazancı

Örnek: Resimdeki devre için;

1. Gerilim kazancını hesaplayalım (RC = 1 kΩ, r’e = 50Ω).
2. Giriş gerilimi 100mV ise çıkış gerilimi kaç volttur.

Çözüm

Av = R_C / r’_e

Av = 1 kΩ / 50Ω

Av = 20

V_OUT = V_IN . A_V

V_OUT = 100 mV . 20

V_OUT = 2 volt

Transistörün Kararlı Çalışması

Bir transistörün kararlı bir çalışması için öncelikle karakteristik değerlerine uygun bir devre düzeni kurulmalıdır. Bunun içinde transistör kataloğu değerlerine ve karakteristik eğrilerinde verilen bilgilere uyulmalıdır.

Transistörün kararlı çalışmasını etkileyen faktörler şunlardır:

• Sıcaklık

Aşırı ısınan transistörün çalışma dengesi bozulur, gücü düşer. Daha da çok ısınırsa transistör yanar. Isınan transistörlerde elektron sayısı çok fazla artar. Bu artıştan dolayı belirli giriş değerleri için alınması gereken çıkış değerleri değişir. Bu da transistörün kararlı çalışmasını önler. Aşırı ısınma durumunda ise kristal yapı bozulur. Bu halde transistör  yanabilir. Isınma transistörün kendi çalışmasından dolayı olabilir. Ayrıca sıcak bir ortamda bulunan transistör de aşırı ısınabilir.

• Frekans

Her transistör, her frekansta çalışmaz. Bu durumda transistör kataloğu bilgilerine bakılmalıdır. Örnek olarak: NPN transistörler, PNP transistörlere göre yüksek frekanslarda çalışabilirler. Sebebi de NPN transistörlerde elektrik yükü taşıyıcıları elektronlardır. PNP transistörlerde ise taşıyıcılar pozitif elektrik yükleridir. Elektronlar, pozitif elektrik yüklerine göre çok daha hızlı ve serbest hareket edebilirler. Bundan dolayı  yüksek frekanslar için NPN transistörler daha uygundur.

• Limitsel Karakteristik Değerleri

Her transistörün ayrı çalışma değerleri vardır. Bu çalışma değerlerinden bazıları kesinlikle aşılmamalıdır. Bunlara, “limitsel karakteristik” adı verilir.

Limitsel karakteristik değerleri;

• Maksimum kollektör gerilimi
• Maksimum kollektör akımı
• Maksimum dayanma gücü
• Maksimum kollektör
• Beyz jonksiyon sıcaklığı
• Maksimum çalışma (kesim) frekansı

Limitsel değerler birbirlerine ve de giriş değerlerine bağlıdır. Sıralanan maksimum değerlerin ne olmasının gerektiği transistör kataloglarından ve karakteristik eğrilerinden belirlenir.

• Polarma Yönü

Polarma gerilimini uygulanırkenken ters polarma bağlantısı yapmamalıdır. Özellikle buna dikkat edilmelidir. Böyle bir durumda, transistör çalışmaz. Normalden fazla uygulanacak olan ters polarma gerilimleri jonksiyon diyotlarının delinmesine yani kristal yapının bozulmasına sebep olur.

• Aşırı Toz ve Kirlenme

Transistörleri toza karşı ve özelliklede metalik işlemlerin yapıldığı mekanlarda iyi korunmalıdır. Aşırı toz ve kirlenme elektrotlar arası yalıtkanlığı zayıflatır. Bu da kaçak akımların artmasına sebep olur. Bu da transistörün kararlı çalışmasını engeller. Eğer metal ve karbon (kömür) tozlarıyla karışık bir tozlanma varsa transistör elektrotlarının kısa devre olma olasılığıda vardır.

Transistör tozlu ortamda çalıştırılacak ise bütün elektronik devreleri  toza karşı iyi korunmalıdır. Ara sıra devrenin enerjisi kesilmeli,  yumuşak bir fırça ile aspiratör tozları temizlenmelidir. Tozlar kesinlikle elektrik süpürgesiyle temizlenmemelidir. Çünkü yapışkan tozlar daha da çok yapışır ve kirliliği artırır, buradan kalkan tozlar diğer cihaz ve devrelere konar.Bu durumda başka devrelerin de tozlanmasına sebep olur.

• Nem

Transistörler ve bütün elektronik devreler, neme karşı korunmalıdır. Su buharı, bazı yağ ve boya buharları, elektrotlar arasında kısa devre yapabilir, tozların da yapışıp yoğunlaşmasına sebep olur, cihazların kararlı çalışmasını engeller.

• Sarsıntı

Sarsıntılı ortamda kullanılan cihazlarda, bağlantılar kopabilir. Aşırı sarsıntı, iç gerilmeleri artıracağı için kristal yapı da bozulabilir. Sarsıntılı ortamlarda çalıştırılacak cihazlara transistör firmaları tarafından özel sarsıntı testi uygulanır. Bu gibi çalıştırmalarda, üreticisinden sarsıntı testleri hakkında bilgi alınmalıdır.

• Elektriksel ve Manyetik Alan Etkisi

Hem elektriksel alan hem de manyetik alan serbest elektronların artmasına ve onların yönlerinin sapmasına sebep olur. Bu da kararlı çalışmayı önler. Bu gibi ortamlarda kullanılacak cihazları faraday kafesi ile ve anti manyetik koruyucular ile korumalıdır.

• Işın Etkisi

Lazer, röntgen ışınları ve benzeri çok yüksek frekanslı ışınlar kararlı çalışmayı etkiler. Bu gibi yerlerde kullanılacak cihazlar özel koruma altına alınmalıdır.

• Kötü Lehim (soğuk lehim)

Transistörün ve bütün elektronik devre elemanları çok dikkatli lehimlenmelidir. Soğuk lehim, dışarıdan bakıldığı zaman cihazı lehimliymiş gibi gösterir. Soğuk lehim, elektriksel iletimin iyi olmamasına sebep olacağı için bütün bir sistemin kararlı çalışmasını engeller. Bu tür arızaların tespiti de çok zordur. Ayrıca aşırı ısıtılarak lehim yapılması da devre elemanlarının bozulmasına neden olur. Transistör ve benzeri elektronik devre elemanlarının lehimini yapan kişilerin bu konuda belirli bir lehim pratiği olmalıdır.

Transistör Sağlamlık Kontrolü

• Transistörlerin Analog Avometre ile Sağlamlık Kontrolü

Transistör ölçümü yapılırken analog ölçü aleti (avometre) direnç (X1) kademesine alınır. Problardan bir tanesi ayakta sabit tutulur. Diğer prob ayrı ayrı boştaki diğer iki ayağa temas ettirilir. Sağlam bir transistörde prob bir uçta sabit iken diğer prob her iki ayağa temas ettirildiğinde ölçü aleti değer göstermelidir. Eğer değer okunmuyorsa sabit ucu belirlemek amacıyla, ölçüm ayakları değiştirilir ve işlemler tekrar edilir. Değer gösterdiği andaki sabit uç beyz , yüksek değer okunduğu zaman ayak emiter ve düşük değer görülen ayak ise kollektördür.

Değer okunduğunda beyzdeki uç artı ise transistör PNP, eksi ise NPN tipidir. Bunun nedeni analog   avometrelerde pil uçları ile çıkış uçları farklı polaritede oldukları içindir. Ayrıca sağlam bir transistörde ölçü aleti probları kolektör emiter arasına temas ettirildiği zaman her iki yönde de değer göstermemesi gerekir.

• Transistörlerin Dijital Ölçü Aleti ile Sağlamlık Kontrolü

Dijital ölçü aleti ile transistör ölçümü yapılırken diyot test kademesine alınır. Problardan bir tanesi ayakta sabit tutulur. Diğer prob ayrı ayrı boştaki diğer iki ayağa temas ettirilir. Sağlam bir transistörde prob bir uçta sabit iken diğer prob her iki ayağa temas ettirildiğinde ölçü aleti değer göstermelidir.  Eğer değer okunmuyorsa sabit ucu belirlemek  amacıyla, ölçüm ayakları değiştirilir ve işlemler tekrar edilir. Değer gösterdiği andaki sabit uç beyz, yüksek değer okunduğu zaman ayak emiter ve düşük değer görülen ayak ise kollektördür.

Değer   okunduğunda beyzdeki uç artı ise NPN transistör, eksi ise PNP transistör tipidir. Bunun nedeni dijital avometrelerde pil uçları ile çıkış uçları aynı polaritededir. Aynen analog ölçü aletinde olduğu gibi sağlam bir transistörde ölçü aleti probları kollektör emiter arasına temas ettirildiğinde her iki yönde de değer göstermemesi gerekir.