· EEM312
EEM312 Sayısal Elektronik: D3 Diyot Deneyi Raporları ve SPICE ile Diyot Benzetimi (2011–2017)
EEM312 – Sayısal Elektronik · 20.04.2011 · 16.10.2026
Bu yazı, Başkent Üniversitesi EEM312 Sayısal Elektronik laboratuvarının diyot deneyleri için yazılmış raporları bir araya getiriyor: donanım deneyi D3: Diyot karakteristiği ve modelleri için iki rapor (2011 ve 2014) ile aynı konunun SPICE yazılım deneyi için 2014 tarihli bir ön çalışma, bir rapor ve 2017 tarihli bir benzetim çalışması. Hepsi arkadaşların çalışmaları; kişisel bilgiler çıkarıldı. Donanım föyü ve ön bilgisi (C_j formülü, t_rr = t_s + t_t) EEM312 donanım deney föyleri yazısında. Kişisel bilgileri kapatılmış raporlar, 2017 çalışmasının SPICE ağ listeleri ve ekran görüntüleri yazının sonundaki ZIP'te.
Donanım deneyi (D3)
1. İleri gerilim
Diyot ölçüm devresine (D1N4001, R1 = 100 Ω) ±10 V, 1 kHz üçgen dalga uygulanmış:
- Rapor A (2011): diyotun ileri gerilimi V_ON ≈ 0.6 V.
- Rapor B (2014): çıkış gerilimi V_out = 3.54 V (giriş ±10 V, 1 kHz).
2. Akım–gerilim ölçümü
| Diyot gerilimi | A (2011) | B (2014) |
|---|---|---|
| −5 V | 0 | 0.09 mA |
| 0.5 V | 0.26 mA | 0.31 mA |
| 0.55 V | 0.605 mA | 0.44 mA |
| 0.6 V | 1.146 mA | 0.76 mA |
| 0.65 V | 4.513 mA | 0.97 mA |
| 0.7 V | 13.301 mA | 1.74 mA |
| 0.75 V | 47.02 mA | 1.83 mA |
| 0.8 V | ölçülmedi | 2.15 mA |
A raporu 0.8 V'u diyot yanmasın diye ölçmemiş; 0.6 V ile 0.65 V arasındaki yaklaşık dört katlık akım artışını V_ON ≈ 0.6 V'un doğrulaması olarak yorumluyor. A'daki eğri üstel diyot karakteristiğine uyuyor.
Not: B raporundaki değerler 0.5–0.8 V arasında neredeyse doğrusal artıyor ve −5 V'ta 0.09 mA ters akım görünüyor; silisyum bir diyot için beklenen üstel davranışa uymuyor (ters akım nA mertebesinde olmalı). Ölçümde seri direnç ya da ampermetre kademesi etkisi olabilir; rapor yine de "grafik beklenen I-V eğrisine uyuyor" diyor.
3. Geri toparlama süresi
Girişe 0–5 V kare dalga uygulanıp t_rr ölçülmüş:
| Frekans | A: t_rr | B: t_rr |
|---|---|---|
| 5 kHz | 20 µs | 14.40 µs |
| 10 kHz | 19 µs | 14.40 µs |
| 20 kHz | 17 µs | 13.90 µs |
| 40 kHz | 12.1 µs | 12.40 µs |
| 100 kHz | 5.2 µs | 4.6 µs |
| 200 kHz | 2.5 µs | 2.2 µs |
| 500 kHz | 1 µs | 1 µs |
| 1 MHz | 0.53 µs | 440 ns |
İki raporda da frekans arttıkça ölçülen t_rr azalıyor. B raporu 40 kHz'ten sonra toparlanmanın tam gözlenemediğini, çünkü eklem sığasının boşalamadan diyotun yeniden iletime geçtiğini yazıyor; R1'in görevini de bu sığada biriken yükün boşalmasını sağlamak olarak açıklıyor. A raporu sonuçların veri kitabına benzediğini ama koşullar farklı olduğu için aynı olmadığını, R1 büyütülürse sürenin uzayacağını (τ = RC) söylüyor.
Not: Yüksek frekansta ölçülen sürenin yarım periyotla sınırlanması (1 MHz'te yarım periyot 0.5 µs) "azalma"nın büyük kısmını açıklıyor; yani bu frekanslarda ölçülen değer diyotun gerçek t_rr'si değil, dalganın kendisi. 1N4001 gibi genel amaçlı bir doğrultucu diyotta t_rr µs mertebesindedir.
4. Eklem sığası C_j
Föydeki Şekil 4 devresinde (R2 = 10 kΩ) diyot akımı R2 üzerindeki gerilimden (I_D = V_R/R2) bulunmuş. A raporu C_j'yi C_j(V_R) = C_j0/(1 + V_R/V_j)^m formülüyle, veri kâğıdındaki C_j0 = 2 pF ve m = 0.33 ile hesaplamış.
| V_dc ofset | Frekans | A: V_D | A: V_R | A: I_D | A: C_j | B: V_D | B: I_D | B: C_j |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2 V | 10 kHz | 1.95 V | 30 mV | 3.02 mA | 2.09 pF | 2.45 V | 0.011 mA | 3.02E−14 |
| 3 V | 20 kHz | 3.16 V | 11.11 mV | 1.01 mA | 2.03 pF | 3.20 V | 0.011 mA | 1.67E−13 |
| 5 V | 40 kHz | 5.17 V | 0.07 mV | 0.007 mA | 2 pF | 4.9 V | 0.010 mA | 1.21E−13 |
| 8 V | 100 kHz | 7.99 V | 0.12 mV | 0.010 mA | 2 pF | 7.52 V | 0.012 mA | 1.22E−13 |
| 10 V | 200 kHz | 9.36 V | 0.15 mV | 0.016 mA | 2 pF | 9.12 V | 0.012 mA | 1.22E−13 |
Raporların yorumu: R2 diyot üzerindeki gerilimi doğrudan belirler; R2 büyüdükçe diyot gerilimi ve buna bağlı olarak C_j azalır.
Not: A raporunda I_D = V_R/R2 ile 30 mV/10 kΩ = 3 µA, 11.11 mV/10 kΩ ≈ 1.1 µA eder; tablodaki "mA" birimleri µA olmalı. Ayrıca ters kutuplamada C_j, C_j0'dan büyük olamaz; ters gerilim arttıkça azalmalıdır. Örneğin V_R ≈ 1.95 V, V_j = 0.75 V için C_j ≈ 2 pF/(1 + 2.6)^0.33 ≈ 1.3 pF çıkar; tablodaki 2.09 pF ve sabit 2 pF değerleri formülle uyuşmuyor. B raporundaki C_j değerlerinin (F cinsinden) nasıl hesaplandığı raporda belirtilmemiş.
SPICE ile diyot benzetimi
Ön çalışma (B, 2014)
SPICE'ta diyot tanımı DXXXXXXX N+ N- MNAME <AREA> <OFF> <IC=VD> <TEMP=T> biçimindedir: N+ ve N− bağlantı düğümleri, MNAME model adı, AREA alan çarpanı, OFF ise DC analiz için isteğe bağlı başlangıç koşuludur. D1N4148'in I-V eğrisi için hazırlanan ağ listesi:
*D1N4148 Diyot Akım - Voltaj Grafiği
.model D1N4148 D(IS=5.84n N=1.94 RS=.7017 XTI=3 EG=1.11 CJO=.95p
+ M=.55 VJ=.75 FC=.5 BV=100 IBV=100u TT=11.07n)
VIN 1 0 DC 5
R1 2 0 10K
D1 1 2 D1N4148
.CONTROL
DC VIN -300 200 0.1
PLOT -VIN#branch vs V(1)-V(2)
.ENDC
.ENDRapor (C, 2014)
- Ters kırılma: Föydeki devrenin benzetiminde ters kırılma gerilimi yaklaşık −100.3 V okunmuş; bu, modeldeki BV = 100 parametresine karşılık geliyor. BV = 50 yapılınca kırılma 50 V civarına kaymış; böylece BV'nin ters kırılma gerilimi parametresi olduğu gösterilmiş. Rapor, modeldeki parametrelerin diyotun statik ve dinamik davranışını tam tanımlamaya yetmediğini de ekliyor.
- Geri toparlama: 0–5 V kare dalgada ölçülen t_rr:
| Frekans | t_rr (R = 10 kΩ) | t_rr (R = 1 kΩ) |
|---|---|---|
| 1 kHz | 0.070 µs | 0.042 µs |
| 50 kHz | 0.065 µs | 0.039 µs |
| 100 kHz | 0.063 µs | 0.033 µs |
Frekansın t_rr'ye etkisi çok küçük, direnç 10 kΩ'dan 1 kΩ'a inince süre yaklaşık yarıya iniyor.
- Diyotlu devre (soru 4): Kare dalga uygulanan iki diyotlu devrede diyotlar doğrultucu/kırpıcı olarak çalışıyor, negatif kısım kırpılıyor, kondansatör süzgeç görevi görüyor. Rapor ayrıca Schottky diyotları tanıtıyor: çok yüksek frekansta çalışabilen, düşük gürültülü, iletim gerilimi 0.15–0.45 V olan (normal diyotlarda 0.7 V civarı) ve bu yüzden düşük gerilimli güç kaynaklarında verimi artıran diyotlar.
2017 benzetim çalışması
2017 tarihli çalışmada (Soru 3) aynı D1N4148 modeliyle 0–5 V darbe girişte R1 = 1 kΩ ve 10 kΩ için geri toparlama incelenmiş:
.MODEL D1N4148 D(IS=5.84n N=1.94 RS=.7017 XTI=3 EG=1.11 CJO=.95p
+ M=.55 VJ=.75 FC=.5 BV=100 IBV=100u TT=11.07n)
D1 1 2 D1N4148
R1 2 0 1K
Vin 1 0 PULSE (0 5 0NS 2NS 2NS 1ms 0.01ms)
.control
tran 1ns 0.1ms
plot V(2)
.endc
.end| Frekans | t_rr (R1 = 1 kΩ) | t_rr (R1 = 10 kΩ) |
|---|---|---|
| 1 kHz | 425 ns | 210 ns |
| 50 kHz | 420 ns | 220 ns |
| 100 kHz | 450 ns | 210 ns |
Yorum: direnç arttıkça I = V_in/R1 akımı azalıyor, çıkış 5 V'a daha çok yaklaşıyor ve toparlanma süresi değişiyor; frekansın etkisi yine küçük. Soru 4'te ise iki diyot (D1 toprağa, D2 5 V'a) ve 5 nF kondansatörlü kırpıcı devreye ±10 V kare dalga uygulanmış; çıkış yaklaşık −0.7 V ile 5.7 V arasında kırpılıyor.
Not: 2014 raporu (C) R = 10 kΩ'da t_rr'yi 1 kΩ'dakinden uzun, 2017 çalışması ise kısa buluyor. Darbe girişte ileri akım I_F ≈ 5 V/R olduğundan küçük R'de depolanan yük (Q = τ_T·I_F) ve dolayısıyla depolama süresi artar; 2017 çalışmasındaki eğilim bu açıdan beklenene uygun.
Ek: p-n eklemi üzerine el yazısı notlar
Klasörde 2014 tarihli, fotoğraflanmış iki defter sayfası var (fotoğraflar yayınlanmadı, metne aktarıldı). Notların özeti:
- Kıtlık bölgesinde taşıyıcılar tarafından oluşturulan akım difüzyon akımı I_D ve sürüklenme (drift) akımı I_S olarak ikiye ayrılır; V_D = 0 iken I_D = I_S, denge.
- Ters kutuplama (reverse): p tarafı kaynağın − ucuna, n tarafı + ucuna bağlanır. Elektronlar n'den, boşluklar p'den uzaklaşır; kıtlık bölgesi büyür, eşik gerilimi büyür, akımın akması zorlaşır. I = I_S − I_D; dışarıdan akan akım çok küçük doyma akımıdır.
- İleri kutuplama (forward): p tarafı + uca bağlanır; kıtlık bölgesi daralır, diyot yüksek akım taşıyabilir, I_D dış devre tarafından beslenir. I = I_D − I_S. Elektronlar ve boşluklar eklem bölgesinde birleşir.
- Akım kaynağıyla beslenen eklemde bağlanan yük ne olursa olsun akım sabit kalır; gerilim kaynağıyla beslenen eklemde ise uçlardaki gerilim sabit tutulur.