DENEY 4 PUT Karakteristikleri DENEYİN AMACI 1. 2. 3. PUT karakteristiklerini ve yapısını öğrenmek. PUT’un çalışmasını ve iki transistörlü eşdeğer devresini öğrenmek. PUT karakteristiklerini ölçmek. 4. Temel PUT uygulama devreleri ve bu devrelerin ölçümlerini yapmak. GİRİŞ Programlanabilir Unijonksiyon Transistör (PUT) Şekil 4-1’de gösterildiği gibi dört katlı bir PNPN yarı iletken elemandır. Şekilden, ismindeki benzerliğe rağmen PUT’un gerçek yapısının UJT’den tamamen farklı olduğunu görebiliriz. Şekil 4-1 PUT Yapısı. (a) Devre Sembolü Ve PNPN Dizilişi, (b) İki Transistörlü Eşdeğer Devre. Şekil 4-1(a)’daki iki transistörlü PUT eşdeğer devresinin birer adet PNP ve NPN transistörlerden oluştuğunu görebiliriz. Bu yapıda PNP transistörün emetörü anot (A), NPN transistörün kollektörü kapı (G: gate), ve NPN transistörün emetörü katot (K) olur. Kapı, anota yakın olduğundan, bazen anot kapısı olarak adlandırılır. PUT’un yapısı SCR’ye benzerdir. Bu iki eleman arasındaki birincil fark kapılar arasındaki farktır. SCR’nin kapısı NPN transistörün bazı (P tipi), PUT’un kapısı is N tipi bir yarı iletkendir. Dolayısıyla PUT, N-kapılı SCR yada Tümleşik SCR (Complementary SCR: CSCR) olarak adlandırılır. PUT’un kapısında çok yüksek tetikleme hassasiyeti vardır. PUT’un gerilim ve akım sınıfı SCR’nin akım ve gerilim sınıfından daha küçüktür. Genellikle bir tetikleme darbesi üreteci yada düşük güçlü bir anahtar olarak kullanılır. 4-1 PUT Karakteristikleri ve Parametreleri PUT karakteristikleri, Şekil 4-2’de gösterildiği gibi, UJT’ye çok benzerdir. Eşdeğer bir UJT’ye göre PUT’un bir avantajı η parametresinin harici elemanlar tarafından kontrol edilebilmesidir. Şekil 4-2 PUT Anot Karakteristikleri Şekil 4-2’ye bakınız. VA = 0 ‘da PUT kesimdedir ve sadece IGA0 ters kaçak akımı akar. VA artarken IA negatiften sıfıra doğru yükselir. IA sıfıra ulaştığındaki VA değeri VS olarak adlandırılır. VS gerçekte UJT için tanımlanan ηVBB değeridir. Burada η değeri devre tasarımcıları tarafından programlanabilir. VA VP’ye (P noktası) ulaştığında, IA, IP’den IV’ye doğru yükselir ve VA, VP’den VV’ye doğru azalır, böylece PUT negatif direnç bölgesinde P ve V noktaları arasında çalışır. Negatif direnç bölgesi kararsız bölge olarak da adlandırılır. V noktasının sağında kalan bölge kararlı bölge yada ON konumu olarak adlandırılır. PUT, UJT’de olduğu gibi, kararsız konumda kalamaz; yani ON yada OFF konumundan birine geçer. Karakteristik eğrisinde gösterildiği gibi, parametreler PUT’un çalışmasını anlamada önemli anahtarlardır. Her bir parametrenin tanımını altta verdik: 1. IGA0 : Kapı-anot kaçak akımı kapı ve anot arasında akan küçük bir ters akımdır. Bu akım, Şekil 4-3’te gösterildiği gibi açık devre edilmiş katot ve ters kutuplanmış A-G jonksiyon koşullarında ölçülmüştür. IGA0 değeri tipik olarak TA = 25oC’de ve VS = 10V’de 1µA’dır. IGA0 değeri sıcaklıktaki her 10oC artışta yaklaşık iki katına çıkar. Şekil 4-3 IGA0 Ölçümü 4-2 2. IP : Tepe akımı PUT’u ateşlemek için gerekli minimum akımdır. Şekil 4-4’teki PUT gevşemeli osilatör devresinde RT şarj direncinden akan akım IP’den daha büyük olmalıdır, böylece PUT iletime geçer. IP değeri PUT teknik özelliklerinde belirtilen çok önemli bir parametredir. IP değeri RG’nin büyüklüğü ve sıcaklık ile değişir. RG değerinin yada sıcaklığın daha büyük olması durumunda IP küçülür. VS = R1 V, R1 + R 2 RG = R1R 2 R1 + R 2 Şekil 4-4 Temel PUT Gevşemeli Osilatör 3. VP : IA=IP iken anot ve katot arasındaki gerilim, tepe gerilimdir. VP değeri daima VS’den daha büyüktür. Şekil 4-5 VP ve VT Ölçümleri 4. VT : Ofset gerilimi VP ve VS değerleri arasındaki gerilim farkıdır. Şekil 4-5’te gösterildiği gibi, VT şu denklemle verilir: VT = VP − VS ≈ VBE ( ON ) + IP RG …………………………………………….(4-1) 1 + β1 Burada VBE(ON) değeri, PNP transistörün iletimdeki VBE değerine karşılık gelir. VBE(ON) ve IP ‘nin sıcaklık değişimlerine çok duyarlı olmasından dolayı VT de sıcaklığa duyarlıdır. 25oC’de VT tipik olarak 0.5V’dir. VT ‘nin sıcaklık katsayısı –2.5mV / oC. 4-3 5. IV : Çukur noktası akımı, PUT doyma bölgesine girmeden önceki IA değeridir. Şekil 4-4’teki PUT gevşemeli osilatörün çalışmasında, RT üzerinden akan akım IV’den daha küçük olmalıdır. Dolayısıyla IA, IP ile IV aralığında olmalıdır. Şekil 4-6 VV Ölçümü 6. VV : Tepe noktası gerilimi, IA = IV iken anot ile katot arasındaki gerilimdir. Şekil 4-6’da gösterildiği gibi, VV değeri alttaki eşitlikle ifade edilebilir. VV = VBE(sat-PNP) + VCE(sat-NPN) ……………………………………………….(4-2) Yani iki transistörün doyma gerilimlerinin toplamıdır. VV değeri 1V’den daha küçüktür. 7. VF : İleri gerilim (Forward voltage) PUT doymada çalışırken anot ve katot arasındaki gerilimdir. IF = 50mA iken VF değeri tipik olarak 1.2V’dir. Şekil 4-7 İleri Devrilme Gerilimi Ölçümü Devresi 4-4 Anot ve katot kısa devre edilirse yada Şekil 4-7’de gösterildiği gibi aralarına küçük değerli bir direnç takılırsa, PUT kesim bölgesinde çalışır. Bu durumda, belirli bir ileri gerilim (pozitif A’ya, negatif K’ya bağlanacak şekilde) ,VAK , PUT’u iletime geçirecektir. Bu gerilim sınıfı ileri devrilme gerilimi olarak tanımlanır. VAK’nın kutuplarının değiştirilmesi durumunda OFF konumu SCR’ye benzerdir. Şekil 4-8’deki devreye bakın. VGK değeri uygulanırsa ve VGK > VAK ise, PNP transistörün B-E jonksiyonu ters kutuplanır, dolayısıyla transistörler kesime giderler. Dolayısıyla PUT OFF durumda çalışır. Şekil 4-8 PUT Çalışmasının İllüstrasyonu Şekil 4-9 PUT Karakteristiği VAK > VGK + VT ise, PNP transistörün B-E jonksiyonu ileri kutuplanır, ve transistörler iletime geçerler. Dolayısıyla PUT ON durumda çalışır. A ile K arasındaki direnç çok küçüktür, dolayısıyla VAK gerilim düşümü Şekil 4-9’da gösterildiği gibi küçüktür. 4-5 PUT Kapı Devresinden Etkilenen Parametreler 1. IP :2N6027 ve 2N6028 PUT’ların IP&RG eğrileri Şekil 4-10’da gösterilmiştir. Tepe akımı IP’nin RG değeri ile ters orantılı olduğu eğriden görülebilir. Şekil 4-10 IP&RG Eğrileri 2. IV : PUT iletim durumundayken, IG = VG / RG kapı akımı kapıdan akar. Şekil 4-11’den çukur akımı IV’nin kapı akımı IG ile doğru orantılı olduğunu görebiliriz. 3. VP : PUT kapısının kutuplaması için genellikle temel bir gerilim bölücü devre kullanılır. Şekil 4-12’de gösterildiği gibi, R2 üzerindeki gerilim düşümü, Thevenin eşdeğer gerilimi VG, gerilim bölücü kuralı ile belirlenir. VG = VBB x R2 / (R1 + R2) Burada UJT için tanımlandığı gibi η = R2 / (R1 + R2), ve VG ≅ VP’dir. Şekil 4-11 IV & IG eğrileri 4-6 Şekil 4-12 Temel Kutuplama Devresi Ve Kapı Devresi İçin Thevenin Eşdeğeri Yukarıda anlatılan bu üç parametre PUT gevşemeli osilatör tasarımında çok önemlidirler ve tasarımcılar tarafından programlanabilirler. PUT ve UJT’nin Karşılaştırması PUT ve UJT’nin karakteristiklerinin benzer olmasına rağmen, PUT’un farklılığı η, RBB, IP, ve IV gibi PUT parametrelerinin kontrol edilebilirliğinden dolayı tasarım ve uygulamada UJT’den daha esnek olmasıdır. Şimdi Şekil 4-13’te gösterilen gevşemeli osilatör devrelerini inceleyerek Tablo 4-1’de PUT ve UJT karakteristiklerinin karşılaştırmasını özetleyeceğiz. Şekil 4-13 PUT ve UJT Gevşemeli Osilatörler 4-7 Tablo 4-1 PUT & UJT karşılaştırması Karakteristikler PUT (Şekil 4-13a) UJT (Şekil 4-13b) VS Kapı-katot gerilimi VS = VBBxR1 / (R1 + R2) RG Kapı-katot direnci RG = R1R2 / (R1 + R2) RBB Baz arası direnci RBB = R1 + R2 Programlanabilir RBB = 4K~10K Değiştirilemez η Doğal devrilme oranı η= R1 / (R1 + R2) η = 0.45~0.8 Değiştirilemez IP Tepe akımı Programlanabilir, IP = 2µA Tipik, değiştirilemez IV Çukur akımı Programlanabilir, 2mA’dan IV = 10mA küçük olabilir. Tipik, değiştirilemez Doyma gerilimi VAK(sat) =1.2V Tipik, IA = 50mA’da VEB1(sat) = 3V Tipik, IE = 50mA’da VO Darbe çıkış gerilimi VO = 10V Tipik VO = 6V Tipik tr Darbe yükselme zamanı tr = 40ns Tipik tr = 200ns Tipik Frekans aralığı 0.003Hz ~ 80KHz 0.03Hz ~ 500KHz 0.5µA’dan küçük olabilir Tablo 4-1’den, PUT’un tepe ve çukur akımlarının UJT’nin değerlerinden daha küçük olduğunu görebiliriz. Dolayısıyla, PUT gevşemeli osilatörün osilasyon frekansı kademesi, UJT osilatörün değerinden daha küçüktür. Frekans aralıklarını genişletmek için, Şekil 4-14’te gösterildiği gibi IP’yi azaltacak ve IV’yi arttıracak bazı teknikler kullanılabilir. (a) (b) (c) (d) Şekil 4-14 (a) düşük IP ve IV, (b) düşük IP ve oldukça yüksek IV, (c) düşük IP ve ortalama IV, (d) düşük IV ve ortalama IP 4-8 Şekil 4-14(a)’da RG için yüksek değerli direnç kullanılması, IP ve IG akımlarının RG ile ters orantılı oluşundan dolayı, IP ve IG akımlarını küçülmesine neden olur. Şekil 4-14(b)’deki transistör, PUT iletimdeyken IAK akımını şöntlemek için kullanılmıştır. Böylece oldukça yüksek IV elde edilmiştir. Şekil 4-14(a) ve (b)’de diyot ve PUT iletimde değildir. Yüksek RG direnci IP’nin küçük olmasına neden olur. PUT iletimdeyken, diyot ileri yönde kutuplanmıştır ve düşük bir RG direnci gösterir. Düşük RG direnci yüksek IV akımına neden olur. PUT’un Ohmmetre ile test edilmesi Analog multimetrede bulunan ohmmetre PUT’un durumunu kontrol etmek ve uçlarını tespit etmek için kullanılabilir. Burada, pilinin negatif ucu ohmmetrenin + ucuna (normalde kırmızı) ve pilinin pozitif ucu ohmmetrenin – ucuna (normalde siyah) içerden bağlı bir ohmmetre kullanıyoruz. 1. Multimetrenin kademe seçicisini R kademsine getirin. Kırmızı ucu PUT’un kapısına (G: gate) ve siyah ucu anota (A) bağlayın. Düşük bir direnç değeri okunmalıdır. Probların yerini değiştirmek sonsuz direnç görünmesine neden olur. 2. G ve K arasındaki direnç kutuplamadan bağımsız olarak daima sonsuzdur. 3. G açık devre iken, siyah ucu anota (A) ve kırmızı ucu katota (K) bağlayın, düşük bir değer sıklıkla okunacaktır. Bunun sebebi kapının çok yüksek tetikleme duyarlılığıdır. Eğer sonsuz değer okunuyorsa, kapıya (G) elinizle dokunmanız düşük direnç okunmasına neden olacaktır. Kutuplamanın yönü değiştirildiğinde, sonsuz değer okunur. Put’un İki Transistörle İfade Edilmesi Şekil 4-15 PUT’a Karşılık Gelen İki Transistörlü Model Şekil 4-15’te gösterildiği gibi bağlanan iki silikon tümleşik transistör PUT’u ifade edebilir. D2 diyotu ters gerilim sınıfını arttırmak için kullanılmıştır. VR kapı tetikleme duyarlılığını ayarlamak için kullanılır. VR değerinin büyüklüğü IP ve IV değerlerini belirler. VR yükseldikçe IP ve IV küçülür. 4-9 Deney Devresinin Açıklaması Şekil 4-16 Modül KL-53002’deki deney devresini gösterir. Bu devrede PUT , iki transistörlü eşdeğer devresi, CDS, RTH, ve LED sürücüsü vardır. Şekil 4-16 Deney Devresi Devrenin besleme gerilimi 12VAC’den alınır, ve D1 yarım dalga doğrultucusu ile dalgalı dc gerilime V+ dönüştürülür. PUT’un kapı gerilimi VG, VR3 ve R9’dan oluşan gerilim bölücü tarafından belirlenir ve şu şekilde yazılır: VG = (R9 x V+) / (VR3 + R9) VR3’ü ayarlayarak VG değerini değiştirebilirsiniz. Anot gerilimi VA, R4, R5, ve VR1’den oluşan gerilim bölücü tarafından belirlenir ve şöyle ifade edilir: VA = ((VR1 + R5) x V+) / (VR1 + R5 + R4) VA değeri VR1 ayarlanarak kontrol edilebilir. Güç uygulandığında VA<VG ise PUT kesimdedir, dolayısıyla Q3 ve LED OFF durumundadırlar. VA>VG + 0.5V olacak şekilde VR1 ayarlanarak, PUT iletime geçirilir ve R8’de bir gerilim darbesi görünür. Böylece Q3 ve LED ON durumuna geçerler. Her pozitif yarım dalgada PUT iletimde iken, VG değerini düşürmek için VR3 ayarlansa bile UJT iletimde kalmaya devam eder. IAK < IH ise UJT kesime gider. Q1 ve Q2 transistörleri PUT’un iki transistörlü eşdeğer devresini oluştururlar. Bu devre gerçek bir PUT’un çalışmasını canlandırmak için kullanılmıştır. Q3 transistörü bir LED sürücü olarak davranır ve Q3’ün baz işareti R8 üzerindeki tetikleme işaretinden gelir. 4-10 R4 ile bir CDS değiştirilerek ışıkla kontrol edilen anahtar elde edilir. CDS ışığa duyarlı bir elemandır ve ortamın ışık yoğunluğu ile ters orantılıdır. VA değeri, R3, CDS, VR1, ve R5’ten oluşan gerilim bölücü ile belirlenir. Düşük ışıklı bir ortamda CDS’nin direnci çok yükseleceğinden PUT’u iletime geçirecek VA değeri çok küçük kalır. Yüksek ışıklı bir ortamda CDS’nin direnci düşeceğinden, VA PUT’u ateşleyecek gerilim değerine ulaşır ve LED yanar. Bu devre temel bir sokak lambası kontrol devresidir. Aynı şekilde, R4 ile bir RTH termistör değiştirilerek yangın alarm devresi elde edilir. RTH negatif sıcaklık katsayılı (NTC: Negatif Temperature Coefficient) termistördür. NTC’nin direnci ortam sıcaklığı ile ters orantılıdır. Diğer bir deyişle, sıcaklığın artması NTC termistörün direncinin azalmasına, sıcaklığın düşmesi NTC termistörün direncinin artmasına neden olur. Devrenin çalışması yukarıda anlatılan CDS ışıkla kontrol edilen devre ile aynıdır. KULLANILACAK ELEMANLAR KL-51001 Güç Kaynağı Ünitesi KL-53002 Modülü Dual-Trace Osiloskop Analog Multimetre DENEYİN YAPILIŞI 1. Şekil 4-16’ya bakarak, KL-51001 Güç Kaynağı Ünitesinin AC12V çıkışını KL-53002 Modülüne bağlayın. A. PUT Karakteristiklerinin Ölçümü 2. VR1 ve VR3’ü saat yönünün tersi yönde sonuna kadar çevirin. 3. Bağlantı fişlerini 1, 4, 6, 7, ve 10 numaralara takın. Multimetrenin kademe seçicisini DCV kademesine getirin. Kapı (G) ile toprak (GND) arasındaki gerilimi ölçün ve kaydedin (kırmızı prob G ucuna ve siyah uç GND’ye bağlanır). VG = __________________V 4. VG = 2V olacak şekilde VR3’ü ayarlayın. 5. LED _________________(yanık yada sönük). PUT _________________ durumunda çalışıyor. Multimetreyi kullanarak, R8 üzerindeki DC gerilimi ölçün ve kaydedin. VR8 = __________________V 4-11 6. Multimetreyi kullanarak, anot-toprak arası gerilimi ölçün ve kaydedin. VA = __________________V 7. VR1’i sağa doğru (saat yönünde) yavaşça çevirerek, gerilim değeri bir tepe değere ulaşıp ardından aniden bir çukur değere düşene kadar VA’daki değişimi gözlemleyin. Tepe ve çukur değerlerini kaydedin. Tepe ve çukur değerleri sırasıyla PUT’un tepe ve çukur gerilimleridir. VP = __________________V VV = __________________V 8. LED _________________ (yanık yada sönük). PUT _________________ durumunda çalışıyor. 9. Multimetreyi kullanarak, R8 üzerindeki gerilimi ölçün ve kaydedin. VR8 = __________________ V. 10. VG = 3V olacak şekilde VR3’ü sola doğru (saat yönünün tersine) çevirin. Bu anda LED __________________ (yanık yada sönük). VA = __________________ V. PUT __________________ durumundadır. 11. LED yanana kadar VR1’i sağa doğru çevirin. VP ve VV değerlerini ölçün ve kaydedin. VP = __________________ V. VV = __________________ V. 12. 7. ve 11. Adımlardaki VP ve VV değerlerini karşılaştırın. Uyuşuyorlar mı? __________________________________________________ VP ve VV değerleri değişken mi? _____________________________________ 13. Dual-trace osiloskopu X-Y moduna getirin. GND’yi PUT’un anotuna (A), CH1 girişini R6’nın diğer ucuna, ve CH2 girişini katota (K) bağlayın. Osiloskopta VAK & IAK eğrisini gözlemleyin ve Tablo 4-2’ye çizin. Tablo 4-2 4-12 14. VR1’i çevirerek VAK & IAK eğrisindeki değişimi gözlemleyin ve kaydedin. ________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 15. VR3’ü çevirerek VAK & IAK eğrisindeki değişimi gözlemleyin ve kaydedin. ________________________________________________________________ ____________________________________________________________ B. PUT Sıcaklık Kontrol Devresinin Yapılması ve Ölçümleri 16. Bağlantı fişini 4 numaradan çıkarıp 3 numaraya takın. 17. VG = 2V olacak şekilde VR3’ü ayarlayın. 18. VR1’i yavaşça çevirin ve LED yanmak üzere iken durun. VA gerilimini ölçün ve kaydedin. VA = __________________ V. 19. RTH termistöre sıcak bir havya yaklaştırın. VA’daki değişimi ölçün ve kaydedin. ________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 20. RTH’ı ısıtmaya devam edin. PUT ve LED’in durumlarını gözlemleyin ve kaydedin. ________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 21. Havyayı RTH’den uzaklaştırın. PUT’un durumundaki değişimi gözlemleyin ve kaydedin. ________________________________________________________________ ____________________________________________________________ C. PUT Işık Kontrollü Devrenin Yapılması ve Ölçümleri 22. Bağlantı fişini 3 numaradan çıkarın ve 2 numaraya takın. CDS penceresini elinizle kapatın. 23. 17. Ve 18. Adımları tekrar edin. VA = __________________ V. 24. Işık seviyesini arttırmak için elinizi CDS penceresinden uzaklaştırın. PUT ve LED durumlarını gözlemleyin ve kaydedin. ________________________________________________________________ ____________________________________________________________ 4-13 D. İki transistörlü PUT devresinin karakteristiklerinin ölçümü 25. Bağlantı fişlerini 1, 4, 5, 8, ve 9 numaralara takın. 2’den 13. Adıma kadar olan adımları tekrar edin ve karakteristik eğrisini Tablo 4-3’e çizin. Tablo 4-2 ve Tablo 4-3’teki eğrileri karşılaştırın, uyuşuyorlar mı? ________________________________________________________________ ____________________________________________________________ Tablo 4-3 SONUÇ Üçüncü adımda ölçülen VG değeri 4.9V civarında olmalıdır. VG > VA olduğundan, PUT ve LED OFF durumundadır. VR1 direnci arttıkça ölçülen VA değeri de artar. VA , VP = 2.5V değerine ulaşınca PUT iletime geçer ve R8 üzerindeki 0.5V’lik bir gerilim düşümü LED’i yakar. Ölçülen VV değeri 0.9V civarındadır. VG = 3V iken VG > VV olduğundan PUT kesimdedir. PUT’u iletime geçirmek için VA değeri VR1 ayarlanarak 3.5V’ye çıkarılmalıdır. Bu durumda, ölçülen VV değeri 1V civarında olmalıdır. Bu deneyde PUT’u kesimden iletime geçirecek koşulun VA > (VG + 0.5V) olduğunu görülmüştür. 4-14