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
5,1 V’luk bir Zener regülatörü 330 Ω üzerinden 12 V’tan besleniyor ve 2200 Ω’luk bir yükü besliyor. Zener akımını IZ bulun.
Vin = 12 VVZ = 5,1 VR = 330 ΩRL = 2200 Ω
IZ = mA
2.Diyotlar ve transistörlerZor
β = 200 olan bir NPN transistör, VCC = 24 V ile kolektörü arasına bağlı 330 Ω değerindeki bir yük direncini anahtarlıyor. Emetör topraklıdır. Baz, 3,3 V’luk bir lojik çıkıştan RB baz direnci üzerinden sürülüyor. VBE = 0,7 V ve VCE(sat) = 0,2 V alın. Güvenilir anahtarlama için baz akımını doyum için gereken en küçük değerin 4 katı olacak şekilde tasarlayın. RB değerini kΩ cinsinden bulun.
Op-amp idealdir ve ±15 V ile beslenir; çıkışı ±14 V’ta doyuma ulaşır. Eviren yükselteç sinüs dalgasıyla sürülüyor. Çıkışın kırpılmadığı en büyük giriş genliği Vin,max (tepe değeri) değerini bulun.
R1 = 1 kΩRf = 2 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
4.Op-amp devreleriZor
Toplayıcı yükselteç, ±15 V ile beslenen ideal bir op-amp kullanır. Çıkış gerilimi Vout değerini bulun.
Anahtar t = 0’da kapanmadan önce bobinden akım geçmez. t = 40 ms anında bobinde depolanan enerji W değerini mJ cinsinden bulun.
Vs = 5 VR = 5 ΩL = 220 mHt = 40 ms
W = mJ
6.RC ve RL geçici rejimZor
R2 üzerindeki anahtar uzun süredir açıktır, bu yüzden bobin akımı sabittir. t = 0’da anahtar kapanır ve R2 direncini kısa devre eder. t = 0’dan ne kadar sonra bobin akımı 2,55 A’e ulaşır? t değerini bulun.
Vs = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 5 ΩL = 47 mH
t = ms
7.Seri ve paralel dirençlerOrta
V1 kaynağının gördüğü eşdeğer direnç Req değerini bulun.
V1 = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 ΩR4 = 6 Ω
Req = Ω
8.Seri ve paralel dirençlerZor
V1 kaynağının gördüğü eşdeğer direnç Req değerini bulun.
İdeal bir yükseltici dönüştürücü, 15 Ω’luk bir yük için 15 V’u 60 V’a çeviriyor. Ortalama bobin akımını (IL) bulun.
Vin = 15 VVo = 60 VR = 15 Ω
IL = A
10.DC–DC dönüştürücülerZor
İdeal bir alçaltıcı dönüştürücü, 4 Ω’luk bir yük için 20 kHz’te 12 V’u 6 V’a çeviriyor. Sürekli iletim için en küçük endüktansı (Lcrit) bulun.
Vin = 12 VVo = 6 Vf = 20 kHzR = 4 Ω
Lcrit = µH
11.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerlerOrta
Bir köprünün dört kolu 400 Ω’dur ve Vs = 9 V’tur. R₂ sensörü ΔR = 20 Ω artıyor. Kesin çıkışı (Vab) mV cinsinden bulun.
Vs = 9 VR = 400 ΩΔR = 20 Ω
Vab = mV
12.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerlerZor
Bir yük hücresinin (gerinim ölçerlerden oluşan tam köprü) anma yükü 100 kg’da anma çıkışı 3 mV/V’tur. 5 V ile uyarılıyor. 25 kg’lık yük altındaki çıkışını (Vo) bulun.
3 mV/VFrated = 100 kgVs = 5 VF = 25 kg
Vo = mV
13.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplarOrta
F(A, B, C) = Σm(2, 4, 5, 7) fonksiyonunun en küçük çarpımlar toplamı (SOP) biçimini bulmak için Karnaugh haritasını kullanın. Toplamda kaç literal (L) içerir (üzerinde işaret olan bir değişken bir literal sayılır)?
F(A, B, C) = Σm(2, 4, 5, 7)
L =
14.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplarZor
8 bitlik bir dalgacık (ripple, eşzamansız) sayıcı, her biri 5 ns yayılım gecikmeli flip-floplarla kurulmuştur. Tüm çıkışlar bir sonraki saat kenarından önce oturmuş olmalıdır. En yüksek saat frekansını, fmax, bulun.
n = 8tpd = 5 ns
fmax = MHz
3Çözeltiler
1.Diyotlar ve transistörler
Cevap: IZ = 18,59 mA
Zener regülatörü: ters öngerilimli bir Zener diyot, akımı en küçük IZ,min değerinin üzerinde kaldığı sürece VZ gerilimini tutar. R seri direnci, giriş ile çıkış arasındaki farkı alır: IR = (Vin − VZ)/R. Bu akım yük, IL = VZ/RL, ile Zener arasında bölünür: IZ = IR − IL. En kötü durumlara göre tasarlayın: en büyük yükte en düşük giriş yine de IZ,min bırakmalı, yüksüz durumda en yüksek giriş ise en büyük Zener gücünü PZ = VZ·IZ verir.
Direnç akımı
IR = 6,9/330 = 20,91 mA
Yük akımı
IL = 5,1/2200 = 2,318 mA
Zener akımı
IZ = 20,91 − 2,318 = 18,59 mA
Cevap
IZ = 18,59 mA
2.Diyotlar ve transistörler
Cevap: RB = 1,803 kΩ
Anahtar olarak BJT: bir yükü tamamen açmak için transistör doyuma sürülür; doyumda VCE = VCE(sat) olur ve kolektör akımını yük belirler: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. Doyum için en az IB = IC(sat)/β gerekir. Baz akımı daha küçükse transistör aktif kalır ve IC = β·IB olur.
Doyumdaki kolektör akımı
IC(sat) = (24 − 0,2)/330 = 72,12 mA
En küçük baz akımı
IB(min) = IC(sat)/β = 72,12/200 = 360,6 µA
Tasarım baz akımı
IB = 4·360,6 µA = 1442 µA
Baz direnci
RB = (3,3 − 0,7)/IB = 2,6 V/1,442 mA = 1,803 kΩ
Cevap
RB = 1,803 kΩ
3.Op-amp devreleri
Cevap: Vin,max = 7 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.
Kazanç
|Av| = Rf/R1 = 2/1 = 2
Kırpılmadan önceki en büyük giriş
Vin,max = Vsat/|Av| = 14/2 = 7 V
Cevap
Vin,max = 7 V
4.Op-amp devreleri
Cevap: Vout = −4,682 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.
Giriş akımları
V₋ = 0, bu yüzden her giriş direncinin üzerinde kendi giriş geriliminin tamamı vardır.
I1 = V1/R1 = 1,5/100 = 0,015 mA
I2 = V2/R2 = 0,7/22 = 0,03182 mA
If = I1 + I2 = 0,04682 mA
Çıkış gerilimi
Vout = −Rf·If = −100·0,04682 = −4,682 V
Cevap
Vout = −4,682 V
5.RC ve RL geçici rejim
Cevap: W = 39,22 mJ
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.
Zaman sabiti ve son akım
Anahtar kapandıktan uzun süre sonra bobin kısa devre gibi davranır; bu yüzden son akımı yalnızca R belirler.
τ = L/R = 220 mH / 5 Ω = 44 ms
i(∞) = Vs/R = 5/5 = 1 A
Verilen andaki akım
i(t) = 1·(1 − e−40/44) = 0,5971 A
Depolanan enerji
W = ½·L·i² = ½·220·0,5971² = 39,22 mJ
Cevap
W = 39,22 mJ
6.RC ve RL geçici rejim
Cevap: t = 11,32 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 iki direnç de devrededir; sonra kapalı anahtar R₂’yi devre dışı bırakır.
i(0) = 15/(5 + 5) = 1,5 A
i(∞) = 15/5 = 3 A
τ = L/R = 47/5 = 9,4 ms
i(t) = 3 + (1,5 − 3)·e−t/τ
Zaman için çözün
e−t/τ = (2,55 − 3)/(1,5 − 3) = 0,3
t = 9,4·ln(3,333) = 11,32 ms
Cevap
t = 11,32 ms
7.Seri ve paralel dirençler
Cevap: Req = 4,933 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 = 5 + 6 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 4·11/(4+11) = 2,933 Ω
Req = R1 + 2,933 = 2 + 2,933 = 4,933 Ω
Cevap
Req = 4,933 Ω
8.Seri ve paralel dirençler
Cevap: Req = 27,32 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.
R5 + R6 = 2 + 2 = 4 Ω
R4 ∥ 4 = 3,529 Ω
R3 + 3,529 = 5,529 Ω
R2 ∥ 5,529 = 2,321 Ω
Req = R1 + 2,321 = 25 + 2,321 = 27,32 Ω
Cevap
Req = 27,32 Ω
9.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: IL = 16 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 = 1 − 15/60 = 0,75
Yük akımı
Io = 60/15 = 4 A
Bobin akımı
IL = Io/(1 − D) = 4/0,25 = 16 A
Cevap
IL = 16 A
10.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: Lcrit = 50 µH
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 = 6/12 = 0,5
Sınır koşulu
Ortalama bobin akımını dalgalanma akımının yarısına eşitleyin ve L için çözün.
Lcrit = (1 − D)·R/(2f)
Kritik endüktans
Lcrit = (1 − 0,5)·4/(220·10³) = 50 µH
Cevap
Lcrit = 50 µH
11.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: Vab = 109,8 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 = 9·420/820 = 4,61 V
Vb = 4,5 V
Çıkarılan
Vab = 109,8 mV
Cevap
Vab = 109,8 mV
Vs·ΔR/(4R) = 112,5 mV doğrusal tahmini % 2,5 fazladır: çeyrek köprü tam doğrusal değildir.
12.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: Vo = 3,75 mV
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.
Tam ölçek çıkışı
3·5 = 15 mV
Bu yükteki çıkış
Vo = 15·25/100 = 3,75 mV
Cevap
Vo = 3,75 mV
13.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplar
Cevap: L = 7
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.
1’leri gruplayın
Her grup 2ᵏ hücrelik bir dikdörtgendir; kenardaki hücreler karşı kenardaki hücrelerin komşusudur.
AC
AB′
A′BC′
En küçük SOP biçimi
F = AC + AB′ + A′BC′
L = 7
Cevap
L = 7
14.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplar
Cevap: fmax = 25 MHz
Flip-floplar ve sayıcılar: bir flip-flop yalnızca saatin etkin kenarında değişir. D girişini kopyalar (Q⁺ = D); T, T = 1 iken tersler; JK, 00 için tutar, 01 için sıfırlar, 10 için kurar, 11 için tersler. n bitlik bir ikilik sayıcının 2ⁿ durumu vardır ve 2ⁿ modunda sayar; mod-N sayıcı 0, 1, …, N − 1 sayıp 0’a döner ve 2ⁿ ≥ N olan en küçük n kadar flip-flop gerektirir. Bir dalgacık (ripple) sayıcının her aşaması frekansı yarıya indirir; bu yüzden mod-N sayıcının son çıkışı fclk/N ile çalışır. n flip-flopluk bir Johnson sayıcının 2n durumu, bir halka sayıcının n durumu vardır.