Elektronik 1 · Elektronik Temelleri

#02 Diyot devre analizi — ileri, ters ve seri bağlantı

Diyotun durumunu seç, eşdeğerini kur ve KVL–Ohm zinciriyle iki temel devreyi çöz.

Soru

8 volt kaynak, ileri kutuplanmış silisyum diyot ve 2,2 kiloohm dirençten oluşan seri devre; diyot gerilimi ile direnç akımının referans yönleri gösteriliyor. — Örnek 1'in ileri polarma durumu: silisyum diyot iletim varsayımıyla çözülür.

Sabit gerilimli diyot modeliyle iki devreyi çözün. Birinci devrede 8 V kaynak, silisyum diyot ve 2,2 kΩ direnç seri bağlıdır: kaynak her iki yöndeyken I_R, V_R ve V_D değerlerini bulun. İkinci devrede 12 V kaynak, ileri kutuplanmış bir silisyum ve bir germanyum diyot ile 5,6 kΩ direnç seri bağlıdır: V_O ve I_R değerlerini bulun. İşaret referansı V_D = V_A − V_K'dir.

Yazılı çözüm ve anlatım dökümü(çözümün tamamını gösterir)

Aşağıda defterde yazılan bütün satırlar ve bunlara eşlik eden sesli anlatımın tam metni bulunur.

1. Çözüm yöntemi
Sıra: yön → durum → eşdeğer → KVL → Ohm
1) A ve K uçlarını, V_D = V_A − V_K referansını belirle
2) ON: Si ≈ 0,7 V; Ge ≈ 0,3 V
3) OFF: açık devre, I_D = 0
4) Sonucun ilk durum varsayımıyla uyumunu denetle
Sesli anlatım metni
Diyotlu bir devreyi çözerken doğrudan sıfır virgül yedi volt yazmak yerine beş aşamalı bir sıra izleyelim. Önce sembolde anot ve katodu, ardından V D eşittir V A eksi V K gerilim referansını belirleriz. Kaynak yönüne bakarak diyotun iletimde mi, kesimde mi olduğunu varsayarız. İletimdeki silisyum diyotu yaklaşık sıfır virgül yedi voltluk, germanyum diyotu sıfır virgül üç voltluk bir düşümle değiştiririz. Kesimdeki diyot ise açık devredir ve kol akımı sıfırdır. Sonra çevreye Kirchhoff gerilim yasasını, dirence Ohm yasasını uygularız. En son bulduğumuz akım veya gerilim işaretinin başlangıçtaki durum varsayımını doğrulayıp doğrulamadığını kontrol ederiz.
2. Örnek 1 — ileri
Kaynağın üst ucu anodu pozitif yaptığı için silisyum diyot ileri kutupludur.
E = 8 V, R = 2,2 kΩ, silisyum diyot
Kaynağın + ucu → anot (A)
V_A > V_K → ileri polarma
Varsayım: diyot ON, V_D ≈ 0,7 V
Sesli anlatım metni
Birinci örnekte sekiz voltluk kaynak, silisyum diyot ve iki virgül iki kiloohm direnç tek bir çevre oluşturuyor. Diyotun anodu solda, katodu semboldeki dik çizginin bulunduğu sağ tarafta. Kaynağın üst ucu pozitif olduğu için anot, direnç üzerinden kaynağın eksi ucuna bağlı katoda göre daha pozitif olmaya zorlanıyor. Bu nedenle diyot ileri kutupludur. Sabit gerilim modelinde diyotu iletimde kabul edip üzerine artı anotta, eksi katotta olacak biçimde yaklaşık sıfır virgül yedi volt yazarız. Şimdi bu eşdeğer üzerinden çevre denklemini kurabiliriz.
3. İleri çözüm
KVL: 8 = V_D + V_R
V_R = 8 − 0,7 = 7,3 V
I_R = V_R / R = 7,3 / 2,2k
I_R = 3,32 mA
I_R > 0 → ON varsayımı doğrulandı ✓
Sesli anlatım metni
Çevreyi akım yönünde dolaştığımızda kaynak yükselişi, diyot ve direnç düşümlerine eşittir. Yani sekiz eşittir V D artı V R. V D'yi sıfır virgül yedi volt aldığımız için direnç gerilimi sekiz eksi sıfır virgül yediden yedi virgül üç volttur. Ohm yasasıyla direnç akımı, yedi virgül üç volt bölü iki virgül iki kiloohm olur. Sonuç yaklaşık üç virgül otuz iki miliamperdir. Akım, diyot için seçtiğimiz anottan katoda doğru pozitif çıktı. Böylece iletim varsayımı kendi sonucuyla doğrulanmış olur. Tek ileri silisyum diyotlu bu çevre için kısa formül I eşittir E eksi sıfır virgül yedi, bölü R biçiminde de yazılabilir.
4. Kaynak ters çevrilirse
Kaynak ters çevrilince diyot kesime gider ve seri kol açık devre olur.
Aynı devre, yalnız kaynak yönü ters
Anot kaynak nedeniyle negatif, katot direnç üzerinden 0 V
V_A < V_K → ters polarma
Diyot OFF → açık devre
I_R = 0 ve V_R = I_R R = 0
Sesli anlatım metni
Şimdi yalnız sekiz voltluk kaynağın yönünü ters çevirelim; diyotun ve direncin bağlantısı değişmiyor. Kaynağın üst ucu artık alt ucuna göre sekiz volt daha negatiftir ve bu uç doğrudan diyot anoduna bağlıdır. Katot tarafı ise direnç üzerinden referans düğümüne ulaşır. Böylece anot katottan daha negatif olur ve diyot ters kutuplanır. Sabit gerilim modelinde ters kutuplu diyotu açık devreyle değiştiririz. Kapalı bir akım yolu kalmadığından I R sıfırdır. Dirençten akım geçmediği için Ohm yasası V R eşittir I R çarpı R de sıfır volt verir. Kaynağın gerilimi dirençte değil, kesimdeki diyot üzerinde kalır.
5. Ters gerilim işareti
Referans: V_D = V_A − V_K
V_K = 0 V (çünkü V_R = 0)
V_A = −8 V
V_D = −8 − 0 = −8 V
Ters gerilim büyüklüğü: |V_D| = 8 V
Sesli anlatım metni
Burada işaret konusunda dikkatli olmalıyız. İlk derste V D'yi V A eksi V K olarak tanımladık. Referans düğümünü kaynağın alt ucu seçersek, akım sıfır olduğu için direnç üzerindeki gerilim de sıfırdır; dolayısıyla katot sıfır volttadır. Ters çevrilmiş kaynağın üst ucu, yani anot ise eksi sekiz volttadır. Bu tanıma göre V D, eksi sekiz eksi sıfırdan eksi sekiz volttur. Diyotun taşıdığı ters gerilimin büyüklüğü sorulursa sekiz volt deriz. Bazı çözümler büyüklüğü doğrudan artı sekiz volt diye yazar; bu ancak ters gerilim büyüklüğü olarak okunmalıdır. İşaretli V D sonucu eksi sekiz volttur.
6. Örnek 2 — iki diyot
İki diyot da ileri yönde: silisyum 0,7 V, germanyum 0,3 V alınır.
E = 12 V, R = 5,6 kΩ
Si ON → V_F,Si ≈ 0,7 V
Ge ON → V_F,Ge ≈ 0,3 V
ΣV_F = 0,7 + 0,3 = 1,0 V
Arananlar: V_O ve I_R
Sesli anlatım metni
İkinci örnekte on iki voltluk kaynak, bir silisyum diyot, bir germanyum diyot ve beş virgül altı kiloohm direnç seri bağlıdır. İki diyodun da anodu solda, katodu sağda ve kaynak onları ileri yönde sürüyor. Bu yüzden ikisini de iletimde varsayıyoruz. Silisyum diyot için sıfır virgül yedi volt, germanyum diyot için sıfır virgül üç volt düşüm kullanılır. Seri elemanlarda aynı akım aktığı için diyot düşümlerini toplarız: toplam bir virgül sıfır volttur. Aradığımız V O, direnç üzerindeki gerilim; I R ise bütün seri çevreden geçen aynı akımdır. Kaynak geriliminden önce toplam diyot düşümünü ayıracağız.
7. Seri çözüm
Toplam 1,0 V diyot düşümünden sonra dirence 11 V kalır.
KVL: 12 = 0,7 + 0,3 + V_O
V_O = 12 − 1,0 = 11 V
I_R = V_O / R = 11 / 5,6k
I_R = 1,96 mA
Genel: I = (E − ΣV_F) / R
Sesli anlatım metni
Kirchhoff gerilim yasası bu çevre için on iki eşittir sıfır virgül yedi artı sıfır virgül üç artı V O biçimindedir. Toplam diyot düşümü bir volt olduğundan direnç üzerinde on bir volt kalır. Ohm yasasıyla I R eşittir on bir volt bölü beş virgül altı kiloohm; sonuç yaklaşık bir virgül doksan altı miliamperdir. Bulduğumuz akım pozitif olduğu için iki diyodun iletim varsayımı geçerlidir. Aynı yönlü birden fazla iletimdeki diyot bulunan seri bir çevrede genel yöntem, kaynak geriliminden bütün ileri düşümlerin toplamını çıkarmak ve kalan gerilimi dirence bölmektir. Elbette kaynak, bu toplam düşümü aşacak yönde ve büyüklükte olmalıdır.
8. Özet ve kontrol
İleri diyot: ON → sabit V_F düşümü
Ters diyot: OFF → I = 0, açık devre
Seri ON diyotlar: düşümleri topla
İşaretli V_D ile |V_ters| büyüklüğünü ayır
Sonraki ders: yarım dalga doğrultma
Sesli anlatım metni
İki örnekten çıkaracağımız yöntem nettir. İleri kutuplu diyotu uygun sabit gerilim düşümüyle, ters kutuplu diyotu açık devreyle değiştiririz. Açık devrede akım sıfır olduğu için seri direnç gerilimi de sıfırdır. Birden fazla iletimdeki diyot seri ise düşümlerini önce toplarız, sonra kalan gerilime Ohm yasasını uygularız. En yaygın üç hata; ters diyota da sıfır virgül yedi volt yazmak, açık devrede direnç üzerinde kaynak gerilimi var sanmak ve V D'nin işaret referansını ters gerilim büyüklüğüyle karıştırmaktır. Her çözümün sonunda akım yönünü ve diyot durumunu yeniden denetleyin. Sonraki derste aynı ileri ve ters davranışın alternatif gerilim altında yarım dalga doğrultmayı nasıl oluşturduğunu göreceğiz.