Adım Adım Donanım
Selam arkadaşlar; Bu ayki yazıma sizlere bir müjde vererek başlamak istiyorum. Geçen sayımızda uzun süredir devam eden ve pasif elemanlar olarak baktığımız direnç ve kondansatör konularını kısa bir yazıyla noktalamıştık. Bu ayki yazımızda ise aktif eleman grubuna giren yarı iletken elemanların tanıtımına başlayacağız. Bunların tarih içindeki gelişiminden yani atalarından biraz bahsettikten sonra hiç vakit kaybetmeden bunun ilk yarı iletken devre elemanı olan diyotlara geçeceğiz. İnsanoğlu tarih boyunca doğada hazır bulunan ya da enerji makinelerinden elde ettiği enerjiyi kendi iş alanına yöneltecek iş makineleri üzerinde çalışmıştır. Örneğin esen rüzgarın çevirdiği bir rüzgar değirmeninin ya da akan suyun çevirdiği basit bir su türbininin milinde oluşan moment (dönme kuvveti) çeşitli dişli çarklar, kayışlar ve kasnaklar yardımıyla iş enerjisine çevrilir ve gerekli yerlerde kullanılır. Sizlerin de bildiği gibi elektronik devreler bu enerji türlerinin en önemlilerinden biri hatta en önemlisi olan elektrik enerjisini kullanır. Bizlerin makine, motor, dinamo dediğimiz üretilen iş enerjisini işe çeviren cihazların tümü mekaniktir yani hareketli iş parçalarına sahiptir. Bu yüzdendir ki çok çalışan ya da büyük kuvvetlere maruz kalan parçaların çalışma ömürleri söz konusudur. Bunlar belirli bir çalışma süresinden sonra görevlerini iyi yerine getiremezler, bulundukları yerlerde iş aksatırlar. İşte bu parçalar belirli aralıklarla değiştirilmelidir, diğer parçaların da sürekli bakımı söz konusudur. Ama bu anlattıklarımdan daha önemli olan bir de verim konusu vardır. Bildiğiniz gibi verim; alınan işin ya da enerjinin, verilen iş ya da enerjiye oranı olarak tanımlanır ve en azın-
Murat Alp Atay'dan yerküremiz üzerindeki tüm cihazlar için verim 1'den küçüktür, 1'e çok yakın olabilir ama asla 1 olmaz. Cihazların hareketli parçaları ne kadar çok olursa verim o kadar düşer, en basitinden bu parçaların bakımı ve yenilenmesi maliyet açısından verim hesabına direkt olarak sokulur. İşte günümüzde elektroniğin bir numaralı ana bilim dalı oluşunun sebebi belli oldu.
Elektronik cihazlarda hareketli parçalar yoktur. Bu parçalar kimya ve difüzyon dallarındaki başarılı çalışmaların bir sonucudur. Tabii ki ben yukarıda elektronik cihazların hareketli parçaları yoktur derken bir pikabın motorunu, bir teybin mekanik aksamını, bir televizyonun tuş takımını ya da bir video mekaniğini cihazın elektronik donanımına dahil tutmadım. Elektronik parçalar hem maliyet, hem verim, hem de seri ve hatasız (ya da çok az hatalı) üretilebilme açısından çok şanslıdır. Parçaların ömrü teoride sonsuzdur, pratikte ise ortalama en az 15-20 yıl ömürleri vardır. Sonra elektronik devreler bir kere yapılır ve biter, bunların bakımı diye bir şey söz konusu değildir. Ama elektronik devrenin beraberce görev yaptığı mekanik bir nöbet arkadaşı varsa tabii ki ona bakım gerekebilir. Yazımın bu noktasında sizlere biraz da gerilim değerini ya da fazı değiştirmeye yarayan elektronik değil de elektrik devrelerinden daha yaygın olarak tanıdığınız transformatörler konusundan bahsetmek istiyorum. Bildiğiniz gibi transformatörler en basit yapısıyla ince saç levhalar üzerine bakır ya da emaye bobin teliyle yapılmış selenoid biçimli sargılardan ibaret elemanlardır. Genellikle primer (birincil) ve sekonder (ikincil) sarım olmak üzere elektriksel olarak birbirinden yalıtılmış iki sarıma sahiptir. Birinci sarımda dolaşan alternatif akımla aynı fazda olan manyetik akı ikincil sarım üzerinde yine aynı fazda ve ikincil sargının sarım sayısıyla orantılı bir gerilim indükler. Böylece birincil sargı ile ikincil sargının sarım sayısıyla orantılı bir gerilim ikinci sargıdan elde edilir. Gördüğünüz gibi hiçbir hareketli parça içermeyen transformatörlerin verimi tamamen şu 3 şartın gerçekleşmesine bağlıdır. 1) Manyetik akı geçirgenliği iyi olan son derece ince ve özel trafo saçlarının kullanılmasına. 2) Dış izolesi iyi ve ohmik direnci son derece düşük olan bobin tellerinin kullanılmasına, 3) Trafo saçlarının dizilimi, sıkılığı ayrıca iyi bir teknikle sıkı ve düzenli sarım yapılmasını içeren montaj kalitesine. Kaliteli üretim için gerekli olan kaliteli işçilik ve kaliteli malzeme kuralları bu eleman için de geçerlidir. Yukarıdaki 3 şartı en iyi şekilde sağlamayı başaran Japonlar, verimleri yüzde 95'ten yüzde 98'e kadar varan trafolar yapmayı başarmıştır. Yeri gelmişken trafoların birkaç dezavantajından da bahsetmeden bu konuyu geçemeyeceğim. Trafoların, özellikle de verimi yüksek olanların birincil ve ikincil sargıları arasındaki oran o kadar sabittir ki birincil sargıya uygulanan gerilimdeki bir değişme ikincil sargıyı da etkiler. Bu oldukça kötü bir durumdur. Örneğin bilgisayarlar gibi çalışma noktaları son derece sabit olan elektronik cihazlar için transformatörlü adaptörler pek uygun değildir. Buna rağmen seri üretim ve rekabet yüzünden maliyeti düşürü-
Pp | a Mn ll
TT İl , TT HU
Mut
| > cü bir unsur olarak görülen transformatörlü adaptörler basit ev bilgisayarlarında kullanılmaktadır. Mesela Commodore 64'ünüzün ağır olan adaptörü transformatörlüdür ve mutlaka başınıza gelmiştir, bu adaptör şebekedeki voltaj dalgalanmalarına son derece duyarlıdır, ufak gerilim dalgalanmalarında dahi bilgisayar kilitlenir (crash). Günümüzde televizyonlar, videolar, gelişmiş bilgisayarlar ve diğerleri 90-260V arasındaki gerilimlerle sorun çıkarmadan çalışacak şekilde yüksek bir teknoloji ile üretilmektedir. Sizler de takdir edersiniz ki böyle bir teknolojide bizim anladığımız türde transformatörlere yer yoktur. Yukarıdaki örneğimizi biraz daha açarsak 220V'a takılmakta olan Commodore 64 adaptörünüz çıkışından 5V ve 9V olmak üzere iki gerilim çıkarmaktadır. Şebeke gerilimimizdeki bir aksaklık sonucu (ki bu sık sık olmaktadır) gerilim 220V'un altına düşerse çıkış gerilimi 4.5V ve 8V gibi bir değere düşer ve bu ripple (dalgalanma) birkaç yüz milisaniyeyi geçerse RAM'lerdeki bilgiler kaybolur ve bilgisayarınız kilitlenir.
Ve işte beklediğiniz konu; 3) Yarı iletkenler: Yazımın başında aktif devre elemanlarının tarihçesinden kısaca bahsedeceğimi belirtmiştim. Aktif devre elemanları keşfedilinceye kadar elektrik enerjisi aydınlatmada, mekanik iş üretiminde, telefon, telgraf gibi basit sinyallerin bir yerden başka bir yere transferinde kullanılıyordu. Hatta alternatif akım bilezikli ya da yarım halka kollektörlü olarak bilinen motor benzeri makinelerle doğrultuluyordu. Derken birgün 1869'da Hittorf katot ışınlarını buldu. Bir katottan çıkan ve elektrik alanı ile hızlandırılan bir elektron demeti söz konusu idi. Bu elektron demeti ancak havası boşaltılmış tüpler içinde yayılabiliyordu. Daha sonra 1906'da Lee de Forest elektron yayan katoda akım şiddetini kontrol eden bir elektron ızgarası yerleştirip şimdiki transistörün atası olan triyot lambasını buldu. Elektroniğin gelişmesi bundan sonra başlamıştır. Lambalı radyolar, telsizler ve televizyonlar yapılmıştır. Lambalar günümüzdeki yarı iletkenler için bir geçiş dönemi teşkil etmekle beraber dezavantajları çok fazlaydı.
Bunlara kısaca değinmek gerekirse; 1) Boyutları büyüktü ve kırılması kolay bir madde olan camdan imal ediliyorlardı, bu ise portatiflik olasılığını ortadan kaldırıyordu. 2) Güç sarfiyatı fazlaydı, eleman üzerinde harcanan gücün büyük bir kısmı ısı enerjisi olarak açığa çıkıyordu. 3) Çalışma gerilimi yüksek olduğu için akü ya da batarya türü cihazlarla çalıştırılması zordu. 4) Bir müddet çalışan lambaların katotları oksitleniyor ve yaydığı elektron miktarı azalıyordu, bu sürenin devamında ise katot tamamen elektron yaymaz hale geliyordu. 5) Yukarıda yazılı dezavantajlar maliyeti çok etkiliyordu. Fakat bütün bu dezavantajların yanında audio (ses frekansı) devrelerinde gösterdiği yüksek performans ve düşük geçiş distorsiyonu karakteristiği sebebiyle günümüzde dahi aranan bir hi-fi ses kalitesine sahip elemanlar yapılabiliyordu. Yarı iletken teknolojisi geliştikten sonra bunların devre elemanı yapmaya uygun olanları aranmaya başlandı. Uzun süre araştırma ve incelemeler sonucu silisyum ve germanyum üzerinde odaklanılıyordu, bu elementlerin teknik verileri eleman yapmaya uygundu. Dış yörüngelerinde 4 valans (serbest) elektron bulunan bu elementlere son yörüngesinde 5 valans elektronu bulunan arsenik, antimuan ya da fosfor gibi bir element atomları difüzyon yoluyla çok az miktarda karıştırılır. Böylece silisyum ya da germanyumun 4 serbest elektronuyla difüzyon elementinin 4 serbest elektronu kristal bir yapı kurar ve difüzyon elementinin açıkta kalan 1 elektronu yapıda taşıyıcı görevi yapar yani elektrik akımını bir uçtan diğer uca taşır. Bu tür yapıya N tipi yarı geçirgen yapı denir. Aynı şekilde son yörüngesinde 4 valans elektronu bulunduran silisyum ya da germanyumun son yörüngesinde 3 valans elektronu bulunan indiyum veya benzeri uygun bir difüzyon elementi ile oluşturduğu kristal yapı sonucu ana elementle difüzyon elementinin 3'er valans elektronu eşleşir. Ana elementin açıkta kalan 1 elektronunun bir bağ daha yapabilmesi için ana element atomunun bir elektron daha alması gerekir. Bu yapı içindeki elektron eksikliği elektron almaya hazır bir kuyu ya da oyuk olarak yorumlanabilir. Bu yapıya da P tipi yapı denir ve elektronlar yapı içinde oyuktan oyuğa aktarılarak iletilir. 3.1.) Diyotlar: Yukarıda anlattığınız N ve P maddelerinin özel yöntemlerle birleştirilmesi sonucu tek yönde akım iletme özelliğine sahip bir diyot yapılmış olunur. Şimdi isterseniz uçlarına gerilim uygulanan bir diyotun akımı nasıl tek (doğru) yönde ilettiğini inceleyelim.
ANOT
*
Şekil-i&
3.1.A) Ters polarizasyon (ters kutuplama):
Şekil-17 Ters polarizasyon
Şekil 17'de görüldüğü üzere diyodun katoduna, anoduna göre pozitif bir gerilim uyguladığımız zaman diyodu ters polarize etmiş oluruz ve oluşan ters gerilim seti diyottan akım geçmesini engeller. N bölgesindeki serbest elektronlar kaynağın pozitif (+) ucuna doğru hareket ederler ve birleşme yüzeyinin N maddesi tarafındaki yüzeyi pozitif yük bakımından zenginleşir. P bölgesindeki oyuklar ise kaynağın negatif (-) ucuna doğru hareket ederler ve birleşme yüzeyinin P maddesi tarafındaki yüzeyi elektron bakımından zenginleşir. Birleşme yüzeyindeki ters gerilim seti elektronların (+), oyukların (-) kutba doğru çekilmesi sonucu uygulanan gerilimle orantılı olarak artar. Diyodun sahip olduğu ters gerilim değeri aşılırsa diyot tahrip olur.
3.1.B) Doğru polarizasyon (iletim yönünden kutuplama): Şekil 18'de görüldüğü üzere diyodun katoduna, anoduna göre daha negatif bir gerilim uyguladığımız zaman diyodu iletim yönünden kutuplaşmış oluruz ve oluşan oyuk-
"elektron konfigürasyonu (organize sistemi)"
Şekil-19 Doğru polarizasyon
diyottan bir akımı akmasını sağlar yani diyottan akım geçer. Not: Ters polarizasyon durumunda da diyottan mikroamper düzeyinde bir akım geçer, eğer hassas bir ölçü aletine sahipseniz bu akımı ölçebilirsiniz. Bildiğiniz gibi elektrik akımının yönü (+)'dan (-)'ye doğru, elektron akımının yönü ise (-)'den (+)'ya doğrudur. Biraz sonra yapacağım açıklamalarda önce bu teoriyi kullanacak sonra da kanıtlayacağım. Elektron akımının bilindiği şekilde (-)'den (+)'ya doğru olduğunu kabul edelim. Gerilim kaynağının negatif ucundan çıkan elektronlar N maddesindeki serbest elektronları ileterek ters gerilim seti olmayan normal bir ortamdan elektronlar kaynağın pozitif ucu tarafından çekilirler. Böylece elektron akımı dolayısıyla elektrik akımı sağlanmış olur. Şimdiye kadar bu teoriyi kullandık, bundan sonra ise kanıtlayacağız. Aslında çoktan kanıtladık bile, doğru polarizasyonda diyodun akım ilettiğini biliyoruz, eğer elektron akımı (+)'dan (-)'ye doğru olsaydı (zaten negatif yüklü olan elektronlar pozitif kutuptan kurtulamazdı) pozitif kutuptan çıkınca P maddesinde kendisini pozitif kutuba geri iten diğer elektronlar ile karşılaşacaktı. Bunu atlatırsa N-P birleşme bölgesindeki elektronlar tarafından geri itilecekti, farzedelim bunu da atlattı, bu elektronların negatif kutba ulaşması imkansızdır çünkü kendisinden defalarca fazla negatif yüke sahip negatif kutup biz ayrı dünyaların elektronlarıyız diyerek büyük bir kuvvetle bu elektronları itecektir.
Evet arkadaşlar bu aylık da bu kadar. Bu ay fazla teoriye kaçtığımın farkında olmakla birlikte sıkılmadığınızı umuyorum. Gelecek sayıya kadar hoşçakalın!