Dönüştürücüyü (alçaltıcı, yükseltici veya alçaltıcı-yükseltici) ve D görev oranını gerilim oranından belirleyin.
Bobinde volt-saniye dengesini kullanın: bir periyot boyunca ortalama bobin gerilimi sıfırdır.
Anahtar iletimdeyken bobin gerilimini bulun, sonra ΔIL = VL·D/(L·f).
Çıkış dalgalanması için kondansatöre giren ve çıkan yükü bulun; CCM sınırı için ortalama bobin akımını ΔIL/2’ye eşitleyin.
Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Bölücü gerilimleri
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Çıkarılan
Vab = Va − Vb
Denge
R1/R2 = R3/R4
Kayar telli köprü
R/Rx = l/(100 − l)
Thévenin direnci
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Gerinim ölçer çarpanı
ΔR/R = GF·ε
Köprü çıkışı
çeyrek Vs·GF·ε/4, yarım Vs·GF·ε/2, tam Vs·GF·ε
Küçük değişim, tek kol
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Gerilme
σ = E·ε
Yöntem
Köprüyü aynı kaynağa bağlı iki gerilim bölücü olarak ele alın.
Denge için R₁/R₂ = R₃/R₄ yazın ve bilinmeyen direnci çözün.
Dengesiz bir köprüde Va ve Vb’yi bölücülerden bulup çıkarın; çıkışı bir ölçü aleti yüklüyorsa Thévenin eşdeğerini kullanın.
Gerinim ölçerlerde gerinimi ΔR/R = GF·ε’ye çevirin ve çeyrek, yarım veya tam köprü için sırasıyla Vs·GF·ε/4, /2 veya ×1 kullanın.
Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplar
Temel kapılar
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Boole kuralları
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
De Morgan
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Karnaugh haritası sırası
00, 01, 11, 10 (Gray code)
2ᵏ hücrelik grup
k değişken kaybeder
4’ten 1’e çoklayıcı
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Flip-floplar
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Sayıcılar
n bit: 2ⁿ durum; mod-N: 2ⁿ ≥ N olan en küçük n; fçıkış = fclk/N
Dalgacık (ripple) sayıcı
fmax = 1/(n·tpd)
Halka ve Johnson sayıcılar
n ve 2n durum
Yöntem
Bir devre için girişlerden çıkışa doğru her seferinde bir kapı olacak şekilde çalışın ve her telin üzerine değeri yazın ya da ifadesini yazıp doğruluk tablosunu doldurun.
Sadeleştirme için 1’leri (ve fark etmez durumlarını X olarak) Gray kodlu satır ve sütunlara, 00, 01, 11, 10, sahip bir Karnaugh haritasına koyun.
1’leri kenarlardan dolanarak 1, 2, 4, 8 ya da 16 hücrelik olabildiğince az ve olabildiğince büyük gruplarla kapsayın; her grup, sabit kalan değişkenlerden oluşan bir çarpım terimidir. POS biçimi için 0’ları gruplayın.
Flip-floplar ve sayıcılar için girişleri her etkin saat kenarında okuyun, her kenardan sonra durumu yazın ve n bitlik bir sayıcının 2ⁿ durumdan sonra başa sardığını unutmayın.
2Alıştırma soruları
1.Diyotlar ve transistörlerOrta
β = 200 olan bir NPN transistör, VCC = 12 V’tan gerilim bölücüyle kutuplanmıştır: VCC’den baza R₁ = 68 kΩ ve bazdan toprağa R₂ = 12 kΩ. Kolektör direnci RC = 3,3 kΩ ve emetör direnci RE = 1 kΩ. VBE = 0,7 V alın ve bölücünün Thévenin eşdeğerini kullanın (baz akımını ihmal etmeyin). Kolektör akımı IC değerini mA cinsinden bulun.
Bir diyot, 10 Ω ile seri 0,7 V olarak modelleniyor (0,7 V’un üzerinde iletir). 12 V’luk bir kaynağa karşı 1000 Ω’luk bir dirençle seri bağlı. Diyot doğrusunun yük doğrusuyla kesiştiği çalışma akımını ID bulun.
Vs = 12 VR = 1000 ΩV0 = 0,7 Vrd = 10 Ω
ID = mA
3.Op-amp devreleriOrta
Op-amp idealdir ve ±15 V ile beslenir. Çıkış gerilimi Vout değerini bulun.
Toplayıcı yükselteç, ±15 V ile beslenen ideal bir op-amp kullanır. Geri besleme direncinden çıkışa doğru akan If akımını bulun.
V1 = 2 VV2 = −0,8 VR1 = 10 kΩR2 = 22 kΩRf = 10 kΩ
If = mA
5.RC ve RL geçici rejimOrta
Vₛ kaynağı kondansatörü R₁ üzerinden doldurur ve R₂, C’ye paralel bağlıdır. Anahtar t = 0’da kapandığında kondansatör boştur. Anahtar kapandıktan sonra devrenin zaman sabiti τ değerini bulun.
Vs = 10 VR1 = 4,7 kΩR2 = 4,7 kΩC = 68 µF
τ = ms
6.RC ve RL geçici rejimZor
R2 üzerindeki anahtar uzun süredir kapalıdır, bu yüzden bobin akımı sabittir. t = 0’da anahtar açılır. t = 0’dan ne kadar sonra bobin akımı 0,42 A’e ulaşır? t değerini bulun.
Vs = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩL = 47 mH
t = ms
7.Seri ve paralel dirençlerOrta
V1 kaynağının gördüğü eşdeğer direnç Req değerini bulun.
Bir alçaltıcı dönüştürücü, 12 Ω’luk bir yük için 15 V’u 6 V’a çeviriyor. 25 kHz’te, L = 220 µH ile anahtarlanıyor. Tepe bobin akımını (Imax) bulun.
Vin = 15 VVo = 6 Vf = 25 kHzL = 220 µHR = 12 Ω
Imax = A
10.DC–DC dönüştürücülerZor
Bir alçaltıcı dönüştürücü, 100 kHz’te ve L = 10 µH ile 15 V’u 9 V’a çeviriyor. Sürekli iletimde kalabildiği en küçük yük akımını (Io,min) bulun.
Vin = 15 VVo = 9 Vf = 100 kHzL = 10 µH
Io,min = A
11.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerlerOrta
Bir köprünün dört kolu 100 Ω’dur ve Vs = 5 V’tur. R₂ sensörü ΔR = 8 Ω artıyor. Kesin çıkışı (Vab) mV cinsinden bulun.
Vs = 5 VR = 100 ΩΔR = 8 Ω
Vab = mV
12.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerlerZor
E = 210 GPa olan bir elemanın üzerindeki bir gerinim ölçer (GF = 2,05), 2,5 V ile uyarılan bir çeyrek köprü oluşturuyor. Çıkış 1,025 mV okunuyor. Eksenel gerilmeyi (σ) MPa cinsinden bulun.
Vs = 2,5 VGF = 2,05Vo = 1,025 mVE = 210 GPa
σ = MPa
13.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplarOrta
F(A, B, C, D) = Σm(0, 2, 5, 6, 9, 10, 11, 12, 15) fonksiyonunun en küçük toplamlar çarpımı (POS) biçimini bulmak için Karnaugh haritasını kullanın. Kaç toplam terimi (çarpan) (N) vardır?
F(A, B, C, D) = Σm(0, 2, 5, 6, 9, 10, 11, 12, 15)
N =
14.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplarZor
d fark etmez (don’t-care) durumlarını gösterirken F(A, B, C, D) = Σm(1, 3, 6, 8, 9, 11, 12, 13) + d(4, 10) fonksiyonu için temel asal implikantların sayısını, N, bulun.
BJT çalışma noktası: aktif bölgede VBE = 0,7 V, IC = β·IB ve IE = (β + 1)·IB. KGY ile baz çevresinden IB’yi, sonra IC’yi, sonra kolektör–emetör çevresinden VCE’yi bulun. Bazdaki bir gerilim bölücü Thévenin eşdeğeriyle değiştirilir: VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; emetör direnci baz çevresinde (β + 1) kat büyük görünür.
Bölücünün Thévenin eşdeğeri
VTH = 12·12/(68 + 12) = 1,8 V
RTH = 68·12/(68 + 12) = 10,2 kΩ
Baz akımı
Baz çevresinde KGY; emetör akımı (β + 1)·IB’dir.
IB = (1,8 − 0,7)/(10,2 + 201·1) = 5,208 µA
Kolektör akımı
IC = 200·5,208 µA = 1,042 mA
IE = 201·5,208 µA = 1,047 mA
Cevap
IC = 1,042 mA
2.Diyotlar ve transistörler
Cevap: ID = 11,19 mA
LED ve diyot devreleri: doğru yönde öngerilimli bir LED, akım ne olursa olsun yaklaşık olarak VF iletim gerilimini düşürür (kırmızı için yaklaşık 2 V, mavi veya beyaz için 3 V). Seri bir direnç akımı belirler: seri bağlı n LED için R = (Vs − n·VF)/I. Daha kesin bir diyot modeli V = V₀ + I·rd ile çalışma noktası, diyot doğrusunun I = (Vs − V)/R yük doğrusuyla kesiştiği yerdir; yani I = (Vs − V₀)/(R + rd).
İki denklemi birleştirin
12 = 0,7 + I·(1000 + 10)
Çalışma akımı
ID = 11,3/1010 = 11,19 mA
VD = 0,7 + 0,01119·10 = 0,8119 V
Cevap
ID = 11,19 mA
3.Op-amp devreleri
Cevap: Vout = 7,666 V
İdeal op-amp kuralları: negatif geri beslemeyle op-amp çıkışını iki girişi aynı gerilimde olacak şekilde sürer (V₋ = V₊) ve hiçbir girişe akım girmez. Bu iki gerçekle eviren girişte KAY yazmak çıkışı verir.
İdeal op-amp kuralları: negatif geri beslemeyle op-amp çıkışını iki girişi aynı gerilimde olacak şekilde sürer (V₋ = V₊) ve hiçbir girişe akım girmez. Bu iki gerçekle eviren girişte KAY yazmak çıkışı verir.
Giriş akımları
V₋ = 0, bu yüzden her giriş direncinin üzerinde kendi giriş geriliminin tamamı vardır.
I1 = V1/R1 = 2/10 = 0,2 mA
I2 = V2/R2 = −0,8/22 = −0,03636 mA
If = I1 + I2 = 0,1636 mA
Cevap
If = 0,1636 mA
5.RC ve RL geçici rejim
Cevap: τ = 159,8 ms
Birinci derece geçici rejim: tek kondansatörlü veya tek bobinli bir devrede her gerilim ve akım başlangıç değerinden son değerine üstel olarak gider: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC veya τ = L/R ile. Yaklaşık 5τ sonra devre oturur.
Kondansatörün gördüğü Thévenin eşdeğeri
Rth’yi bulmak için kaynağı kısa devre edin; kondansatörün yerleşeceği gerilimi bulmak için kondansatörü açık devre yapın.
Rth = R1 ∥ R2 = 4,7·4,7/(4,7 + 4,7) = 2,35 kΩ
vC(∞) = 10·4,7/(4,7 + 4,7) = 5 V
Zaman sabiti
τ = Rth·C = 2,35·68 = 159,8 ms
Cevap
τ = 159,8 ms
6.RC ve RL geçici rejim
Cevap: t = 1,077 ms
Birinci derece geçici rejim: tek kondansatörlü veya tek bobinli bir devrede her gerilim ve akım başlangıç değerinden son değerine üstel olarak gider: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC veya τ = L/R ile. Yaklaşık 5τ sonra devre oturur.
Başlangıç değeri, son değer, zaman sabiti
t = 0’dan önce kapalı anahtar R₂’yi devre dışı bırakır; sonra R₁ ve R₂ ikisi de devrededir.
i(0) = 12/20 = 0,6 A
i(∞) = 12/(20 + 20) = 0,3 A
τ = L/R = 47/40 = 1,175 ms
i(t) = 0,3 + (0,6 − 0,3)·e−t/τ
Zaman için çözün
e−t/τ = (0,42 − 0,3)/(0,6 − 0,3) = 0,4
t = 1,175·ln(2,5) = 1,077 ms
Cevap
t = 1,077 ms
7.Seri ve paralel dirençler
Cevap: Req = 7 Ω
Seri ve paralel dirençler: seride her dirençten aynı akım geçer ve R = R₁ + R₂ + …. Paralelde her direncin gerilimi aynıdır ve 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Merdiven ağı, tek bir eşdeğer direnç kalana kadar çift çift indirgenir.
Dirençleri en uzak uçtan birleştirin
Kaynağa en uzak uçtan başlayıp ona doğru geri gelin. Aynı akımı taşıyan dirençler seri; aynı iki düğüm arasındaki dirençler paraleldir.
R3 + R4 = 8 + 4 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 6·12/(6+12) = 4 Ω
Req = R1 + 4 = 3 + 4 = 7 Ω
Cevap
Req = 7 Ω
8.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR2 = 0,4824 A
Seri ve paralel dirençler: seride her dirençten aynı akım geçer ve R = R₁ + R₂ + …. Paralelde her direncin gerilimi aynıdır ve 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Merdiven ağı, tek bir eşdeğer direnç kalana kadar çift çift indirgenir.
Dirençleri en uzak uçtan birleştirin
Kaynağa en uzak uçtan başlayıp ona doğru geri gelin. Aynı akımı taşıyan dirençler seri; aynı iki düğüm arasındaki dirençler paraleldir.
R5 + R6 = 10 + 12 = 22 Ω
R4 ∥ 22 = 6,875 Ω
R3 + 6,875 = 16,88 Ω
R2 ∥ 16,88 = 9,153 Ω
Req = R1 + 9,153 = 25 + 9,153 = 34,15 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 36/34,15 = 1,054 A
R₂’den geçen akım
A düğümündeki gerilimi bulmak için R₁ üzerindeki düşümü çıkarın; bu, R₂ üzerindeki gerilimdir.
VA = V1 − IR1·R1 = 36 − 1,054·25 = 9,648 V
IR2 = VA/R2 = 9,648/20 = 0,4824 A
Cevap
IR2 = 0,4824 A
9.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: Imax = 0,8273 A
DC–DC dönüştürücüler: bir S anahtarı, her T = 1/f periyodunun D kesri boyunca iletimdedir. Kalıcı durumda ortalama bobin gerilimi sıfırdır (volt-saniye dengesi); bu, sürekli iletimde ideal dönüştürme oranlarını verir: alçaltıcı (buck) Vo = D·Vin, yükseltici (boost) Vo = Vin/(1 − D), eviren alçaltıcı-yükseltici (buck-boost) |Vo| = Vin·D/(1 − D). İdeal bir dönüştürücü gücü korur: Vin·Iin = Vo·Io. S iletimdeyken bobin akımı ΔIL = VL·D·T/L kadar artar; burada VL, alçaltıcıda Vin − Vo, yükselticide ve alçaltıcı-yükselticide Vin’dir. Çıkış dalgalanması alçaltıcıda ΔVo = ΔIL/(8fC), yükselticide ve alçaltıcı-yükselticide Io·D/(fC)’dir. Ortalama bobin akımı ΔIL/2’ye eşit olduğunda bobin akımı sıfıra tam değiyor (CCM sınırı).
Görev oranı
D = 6/15 = 0,4
Ortalama ve dalgalanma akımı
Io = 6/12 = 0,5 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 9·0,4/(220·10⁻⁶·25·10³) = 0,6545 A
Tepe akım
Imax = 0,5 + 0,6545/2 = 0,8273 A
Cevap
Imax = 0,8273 A
10.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: Io,min = 1,8 A
DC–DC dönüştürücüler: bir S anahtarı, her T = 1/f periyodunun D kesri boyunca iletimdedir. Kalıcı durumda ortalama bobin gerilimi sıfırdır (volt-saniye dengesi); bu, sürekli iletimde ideal dönüştürme oranlarını verir: alçaltıcı (buck) Vo = D·Vin, yükseltici (boost) Vo = Vin/(1 − D), eviren alçaltıcı-yükseltici (buck-boost) |Vo| = Vin·D/(1 − D). İdeal bir dönüştürücü gücü korur: Vin·Iin = Vo·Io. S iletimdeyken bobin akımı ΔIL = VL·D·T/L kadar artar; burada VL, alçaltıcıda Vin − Vo, yükselticide ve alçaltıcı-yükselticide Vin’dir. Çıkış dalgalanması alçaltıcıda ΔVo = ΔIL/(8fC), yükselticide ve alçaltıcı-yükselticide Io·D/(fC)’dir. Ortalama bobin akımı ΔIL/2’ye eşit olduğunda bobin akımı sıfıra tam değiyor (CCM sınırı).
Görev oranı
D = 9/15 = 0,6
Dalgalanma akımı
ΔIL = 9·0,4/(10·10⁻⁶·100·10³) = 3,6 A
Sınır yük akımı
Io,min = ΔIL/2 = 1,8 A
Cevap
Io,min = 1,8 A
Bu akımın altında dönüştürücü süreksiz iletime girer ve Vo, D·Vin değerinin üzerine çıkar.
11.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: Vab = 96,15 mV
Wheatstone köprüsü: iki gerilim bölücü tek bir Vs kaynağını paylaşır. Soldaki R1–R2 bölücüsü Va = Vs·R2/(R1 + R2), sağdaki R3–R4 bölücüsü Vb = Vs·R4/(R3 + R4) verir; çıkış Vab = Va − Vb’dir. Köprü, R1/R2 = R3/R4, yani R1·R4 = R2·R3 olduğunda dengededir (Vab = 0, ölçü aletinden akım geçmez). Çıkıştan bakıldığında köprü, Rth = R1∥R2 + R3∥R4 olan bir Thévenin kaynağıdır.
Düğüm gerilimleri
Va = 5·108/208 = 2,596 V
Vb = 2,5 V
Çıkarılan
Vab = 96,15 mV
Cevap
Vab = 96,15 mV
Vs·ΔR/(4R) = 100 mV doğrusal tahmini % 4 fazladır: çeyrek köprü tam doğrusal değildir.
12.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: σ = 168 MPa
Gerinim ölçerler: bir gerinim ölçer direncini gerinimle değiştirir: ΔR/R = GF·ε; burada GF gerinim ölçer çarpanı olup metal folyo için yaklaşık 2’dir. Tüm kolları R olan bir köprüde tek etkin gerinim ölçer (çeyrek köprü) Vo ≈ Vs·GF·ε/4 verir. Bitişik kollarda zıt gerinimli iki etkin gerinim ölçer (yarım köprü) Vs·GF·ε/2, dört etkin gerinim ölçer (tam köprü) ise Vs·GF·ε verir. Gerilme, Hooke yasasından bulunur: σ = E·ε. Yük hücreleri duyarlılıklarını mV/V olarak belirtir: tam yükte, volt başına uyarma gerilimi için çıkış.
Birim şekil değiştirme
ε = 4·0,001025/(2,5·2,05) = 0,0008
Gerilme
σ = 210·10³ MPa·0,0008 = 168 MPa
Cevap
σ = 168 MPa
13.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplar
Cevap: N = 6
Karnaugh haritaları: hücreler Gray koduyla (00, 01, 11, 10) sıralanır; bu yüzden komşu hücreler, kenarların karşısındakiler dahil, tam olarak tek değişkende farklılaşır. 1’leri 1, 2, 4, 8 ya da 16 hücrelik dikdörtgenler içinde, olabildiğince büyük ve olabildiğince az sayıda gruplayın; her 1 kapsanana kadar. Her grup bir çarpım terimidir: grubun içinde sabit kalan değişkenler. 2ᵏ hücrelik bir grup k değişken kaybeder. Fark etmez durumları (X) grupları büyütmek için kullanılabilir ama kapsanmaları gerekmez. 0’ları gruplamak en küçük POS biçimini verir.
0’ları gruplayın
Her grup 2ᵏ hücrelik bir dikdörtgendir; kenardaki hücreler karşı kenardaki hücrelerin komşusudur.
(A + C′ + D′)
(A + B + D′)
(A + B′ + C + D)
(A′ + B + C + D)
(A′ + B′ + C + D′)
(A′ + B′ + C′ + D)
En küçük POS biçimi
F = (A + C′ + D′)(A + B + D′)(A + B′ + C + D)(A′ + B + C + D)(A′ + B′ + C + D′)(A′ + B′ + C′ + D)
N = 6
Cevap
N = 6
14.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplar
Cevap: N = 3
Karnaugh haritaları: hücreler Gray koduyla (00, 01, 11, 10) sıralanır; bu yüzden komşu hücreler, kenarların karşısındakiler dahil, tam olarak tek değişkende farklılaşır. 1’leri 1, 2, 4, 8 ya da 16 hücrelik dikdörtgenler içinde, olabildiğince büyük ve olabildiğince az sayıda gruplayın; her 1 kapsanana kadar. Her grup bir çarpım terimidir: grubun içinde sabit kalan değişkenler. 2ᵏ hücrelik bir grup k değişken kaybeder. Fark etmez durumları (X) grupları büyütmek için kullanılabilir ama kapsanmaları gerekmez. 0’ları gruplamak en küçük POS biçimini verir.
Asal implikantlar
1’lerden ve X’lerden oluşturulabilen en büyük gruplar.