EEM214 Elektronik I: Zener ve Diyot Küçük Sinyal Ön Çalışma Ekleri

EEM214 laboratuvarı için hazırlanmış Zener ve diyot küçük sinyal ön çalışmaları, fotoğraflanmış ve taranmış sayfalardan metne aktarıldı. Öğrenci adları ve numaraları çıkarıldı; kaynak görüntüler ve indirme dosyası paylaşılmıyor. Küçük sinyal çalışmasının arşivdeki tarihi 23 Mart 2014'tür.

Zener ön çalışması

İki fotoğraftaki aynı hesap birlikte aktarılmıştır. Kaynak açıklama, Zener diyodun ters yönde belirli bir eşik sonrasında akım geçirmesi ile sıradan diyodun ters yönde kullanılmamasını karşılaştırır; sıradan diyodun ters iletimde yanacağını söyler.

Not: Sıradan diyotta da ters kırılma oluşabilir. Kalıcı hasar akım ve güç sınırlarına bağlıdır; “her ters akımda yanar” ifadesi genel bir fizik kuralı değildir.

Devrede V_s kaynağı R_s üzerinden çıkışa bağlıdır; Zener ile yük R_L çıkışa paraleldir. Kaynaktaki hesaplar:

• r_z = ΔV_z/ΔI_z = 20 Ω.
• r_z I_zk = 20 Ω × 0,2 mA = 4 mV; kaynak bunu V_z olarak adlandırır.
• 10 V − 0,5 kΩ × 5 mA = 7,5 V karşılaştırmasıyla Zenerin iletimde olduğu ve V_out = 6,8 V yazılır.
• “V_s + 1” için 8,5 V ve V_out = 6,8 V; “V_s − 1” için 6,5 V ve Zenerin iletimde olmadığı belirtilir.
• R_L = 2 kΩ, V_in = 6,5 V ve Zener kesimdeyken V_out = [R_L/(R_s + R_L)]V_in = (2/2,5) × 6,5 V.
• R_L = 0,5 kΩ için V_out = [0,5/(0,5 + 0,5)]V_in; V_in = 10 V ile 5 V bulunur.

Not: 4 mV, verilen dinamik dirençle hesaplanan gerilim değişimidir; Zenerin nominal 6,8 V gerilimi değildir. 2 kΩ yüklü ve 6,5 V girişli durumda bölücü sonucu 5,2 V'tur. Kaynaktaki “V_s ± 1” satırları 7,5 V merkezli değerlerdir; 10 V kaynağın doğrudan ±1 V değişimiyle karıştırılmamalıdır. Yüklü regülasyon sınırında Zener akımı da kontrol edilmelidir.

Diyodun DC çalışma noktası

D1N4148 diyodu +5 V kaynağına 1 kΩ üzerinden, alt ucu R üzerinden toprağa bağlıdır. Giriş üst uca ve çıkış alt uçtaki 1 kΩ yüke 10 µF kondansatörlerle kuplajlanmıştır. Giriş v_i(t) = V_m cos(ωt) olarak yazılır.

Kaynak modelde eşik V_γ = 0,6 V, seri direnç r = 20 Ω ve idealite katsayısı n = 2'dir. DC'de kondansatörler açık devredir:

I_DQ = (5 − 0,6)/(1 kΩ + R + 20 Ω).

Kaynak eğride çalışma noktası ile doğrusallaştırma gösterilir. AC için besleme toprağa alınır, kuplaj kondansatörleri kısa devre sayılır ve diyot r_d ile değiştirilir.

Küçük sinyal direnci ve gerilim aktarımı

r_d = nV_T/I_DQ, V_T = 25 mV:

• 894 µA için r_d ≈ 56 Ω.
• 77,1 µA için r_d ≈ 650 Ω.

Çıkış yükü R_eq = R || 1 kΩ ve A_V = V_o/V_in = R_eq/(R_eq + r_d).

Not: 800/(800 + 56) ≈ 0,935 olduğundan ilk satırdaki 0,92 sonucu aritmetik olarak uyuşmaz. İkinci oran yaklaşık 0,601'dir. Kaynak, DC'de kullandığı 20 Ω seri direnci AC'de r_d'ye ayrıca eklememiştir; sonuçlar bu kabulle aktarılmıştır.

Kaynak küçük sinyal sınırını v_d ≪ nV_T = 50 mV olarak yazar.

Not: Bu eşitsizlik diyot üzerindeki AC gerilim içindir; giriş kaynağı genliğiyle aynı olmak zorunda değildir.

0,7 aktarım oranı için direnç tasarımı

Tasarım koşulları 0,67 < A_V < 0,73 ve I_DQ < 3 mA'dir. Çözüm, bu aşamada 20 Ω'u ihmal ederek I_DQ ≈ 4,4 V/(1 kΩ + R) kullanır. Akım koşulundan R > 466 Ω bulunur.

Dirençler kΩ ile ifade edildiğinde r_d ≈ 0,0113(1 + R), R_eq = R/(1 + R) ve hedef:

0,7 = R_eq/(R_eq + r_d).

Kaynak cebirinde 7r_d = 3R_eq, ardından yaklaşık 8R² − 284R + 8 = 0 yazılır. Kökler yaklaşık 35,4 kΩ ve 28 Ω'dur; akım sınırı nedeniyle küçük kök elenir. İlk deneme satırında 27 kΩ da yazılıdır, nihai çözümde kullanılmaz.

35,4 kΩ için kaynak denetimi:

• R_eq ≈ 0,972 kΩ.
• r_d ≈ 0,411 kΩ.
• A_V ≈ 0,972/(0,972 + 0,411) = 0,702.

Standart 33 kΩ ile R_eq ≈ 0,970 kΩ, r_d ≈ 0,384 kΩ ve A_V ≈ 0,716 yazılır; 33 kΩ'un kullanılabileceği sonucuna varılır.

Not: Yuvarlatılmamış nV_T = 50 mV ve 4,4 V ile büyük kök yaklaşık 35,69 kΩ'dur; 35,4 kΩ ara katsayıların yuvarlatılmasından doğar. 33 kΩ için aynı model yaklaşık 0,715 verir ve istenen aralıktadır. I_DQ ≈ 0,129 mA ile 3 mA sınırı da sağlanır.