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
5,6 V’luk bir Zener regülatörü 680 Ω üzerinden 18 V’tan besleniyor ve 1500 Ω’luk bir yükü besliyor. Zener akımını IZ bulun.
Vin = 18 VVZ = 5,6 VR = 680 ΩRL = 1500 Ω
IZ = mA
2.Diyotlar ve transistörlerZor
β = 100 olan bir NPN transistör, VCC = 5 V ile kolektörü arasına bağlı 150 Ω değerindeki bir yük direncini anahtarlıyor. Emetör topraklıdır. Baz, 5 V’luk bir lojik çıkıştan RB = 2,2 kΩ baz direnci üzerinden sürülüyor. VBE = 0,7 V ve VCE(sat) = 0,2 V alın. Giriş yüksekteyken kolektör akımı IC değerini mA cinsinden bulun. Önce transistörün doyumda olup olmadığına karar verin.
Anahtar t = 0’da kapanmadan önce bobinden akım geçmez. Anahtar kapandıktan ne kadar sonra akım son değerinin %80’ine ulaşır? t değerini bulun.
Vs = 6 VR = 47 ΩL = 150 mH
t = ms
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 0,393 A’e ulaşır? t değerini bulun.
Vs = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩL = 220 mH
t = ms
7.Seri ve paralel dirençlerOrta
Kaynağın verdiği ve R1 üzerinden geçen IR1 akımını bulun.
V1 = 12 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 Ω
IR1 = A
8.Seri ve paralel dirençlerZor
Kaynağın verdiği ve R1 üzerinden geçen IR1 akımını bulun.
Bir alçaltıcı dönüştürücü, 25 Ω’luk bir yük için 15 V’u 9 V’a çeviriyor. 500 kHz’te, L = 100 µH ile anahtarlanıyor. Tepe bobin akımını (Imax) bulun.
Vin = 15 VVo = 9 Vf = 500 kHzL = 100 µHR = 25 Ω
Imax = A
10.DC–DC dönüştürücülerZor
İdeal bir yükseltici dönüştürücü, 10 Ω’luk bir yük için 500 kHz’te 48 V’u 96 V’a çeviriyor. Sürekli iletim için en küçük endüktansı (Lcrit) bulun.
Vin = 48 VVo = 96 Vf = 500 kHzR = 10 Ω
Lcrit = µH
11.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerlerOrta
50 Ω dirençli bir galvanometre, gösterilen köprünün a ve b uçları arasına bağlanıyor (Vs = 2 V). a’dan b’ye galvanometre akımını (Ig) µA cinsinden bulun.
1000 Ω kollu bir köprü 5 V ile uyarılıyor ve içinde dört etkin gerinim ölçer, ikisi çekmede ve ikisi basmada (tam köprü) bulunuyor. Gerinim ölçer çarpanı 2, gerinim 400 µε’dir. Köprü çıkışını (Vo) mV cinsinden bulun.
Vs = 5 VGF = 2ε = 400 µε
Vo = mV
13.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplarOrta
F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 4, 12, 13) fonksiyonunun en küçük çarpımlar toplamı (SOP) biçimini bulmak için Karnaugh haritasını kullanın. Kaç çarpım terimi (N) vardır?
F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 4, 12, 13)
N =
14.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplarZor
Yükselen kenarla tetiklenen bir D flip-flop Q = 0 ile başlar ve gösterilen girişleri alır. Q’nun 1’den tekrar 0’a döndüğü ilk saat kenarına tıklayın.
Q₀ = 0D
1saat kenarı 1
2saat kenarı 2
3saat kenarı 3
4saat kenarı 4
5saat kenarı 5
6saat kenarı 6
7saat kenarı 7
3Çözeltiler
1.Diyotlar ve transistörler
Cevap: IZ = 14,5 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 = 12,4/680 = 18,24 mA
Yük akımı
IL = 5,6/1500 = 3,733 mA
Zener akımı
IZ = 18,24 − 3,733 = 14,5 mA
Cevap
IZ = 14,5 mA
2.Diyotlar ve transistörler
Cevap: IC = 32 mA
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.
Baz akımı
IB = (5 − 0,7)/2,2 kΩ = 1955 µA
Doyumda mı, aktif mi?
β·IB, IC(sat)’tan büyüktür, bu yüzden transistör doyuma girer.
β·IB = 195,5 mA
IC(sat) = (5 − 0,2)/150 = 32 mA
Kolektör akımı
IC = IC(sat) = 32 mA
Cevap
IC = 32 mA
Transistör doyumdadır.
3.Op-amp devreleri
Cevap: Vout = −8,55 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.
Eviren giriş girişi izler
V₋ = V₊ = −1,5 V
I = V₋/R1 = −1,5/1 = −1,5 mA
Çıkış gerilimi
R₁’deki akım Rf’den de geçer.
Vout = V₋ + I·Rf = −1,5 + (−1,5)·4,7 = −8,55 V
Cevap
Vout = −8,55 V
4.Op-amp devreleri
Cevap: If = −0,56 mA
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 = −0,5/1 = −0,5 mA
I2 = V2/R2 = −0,6/10 = −0,06 mA
If = I1 + I2 = −0,56 mA
Cevap
If = −0,56 mA
5.RC ve RL geçici rejim
Cevap: t = 5,137 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.
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 = 150 mH / 47 Ω = 3,191 ms
i(∞) = Vs/R = 6/47 = 0,1277 A
Zaman için çözün
0,8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,8)
t = −3,191·ln(0,2) = 5,137 ms
Cevap
t = 5,137 ms
6.RC ve RL geçici rejim
Cevap: t = 7,639 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) = 10/(20 + 15) = 0,2857 A
i(∞) = 10/20 = 0,5 A
τ = L/R = 220/20 = 11 ms
i(t) = 0,5 + (0,2857 − 0,5)·e−t/τ
Zaman için çözün
e−t/τ = (0,393 − 0,5)/(0,2857 − 0,5) = 0,4993
t = 11·ln(2,003) = 7,639 ms
Cevap
t = 7,639 ms
7.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR1 = 1,562 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.
R3 + R4 = 4 + 10 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 5·14/(5+14) = 3,684 Ω
Req = R1 + 3,684 = 4 + 3,684 = 7,684 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 12/7,684 = 1,562 A
Cevap
IR1 = 1,562 A
8.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR1 = 1,272 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 = 6 + 30 = 36 Ω
R4 ∥ 36 = 12,86 Ω
R3 + 12,86 = 16,86 Ω
R2 ∥ 16,86 = 9,147 Ω
Req = R1 + 9,147 = 5 + 9,147 = 14,15 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 18/14,15 = 1,272 A
Cevap
IR1 = 1,272 A
9.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: Imax = 0,396 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
Ortalama ve dalgalanma akımı
Io = 9/25 = 0,36 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 6·0,6/(100·10⁻⁶·500·10³) = 0,072 A
Tepe akım
Imax = 0,36 + 0,072/2 = 0,396 A
Cevap
Imax = 0,396 A
10.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: Lcrit = 1,25 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 = 1 − 48/96 = 0,5
Sınır koşulu
Ortalama bobin akımını dalgalanma akımının yarısına eşitleyin ve L için çözün.
Lcrit = D(1 − D)²·R/(2f)
Kritik endüktans
Lcrit = 0,5(1 − 0,5)²·10/(2500·10³) = 1,25 µH
Cevap
Lcrit = 1,25 µH
11.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: Ig = 13215 µA
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.
Thévenin gerilimi
Vth = 2·(300/340 − 40/540) = 1,617 V
Thévenin direnci
Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 72,33 Ω
Galvanometre akımı
Ig = 1,617/(72,33 + 50) = 13215 µA
Cevap
Ig = 13215 µA
12.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: Vo = 4 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.
Bağıl direnç değişimi
ΔR/R = 2·400·10⁻⁶ = 0,0008
Köprü çıkışı
Vo = Vs·GF·ε = 5·0,0008 = 4 mV
Cevap
Vo = 4 mV
13.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplar
Cevap: N = 4
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.
BC′D′
ABC′
A′B′C′D
A′B′CD′
En küçük SOP biçimi
F = BC′D′ + ABC′ + A′B′C′D + A′B′CD′
N = 4
Cevap
N = 4
14.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplar
Cevap: saat kenarı 7
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.
Her kenardan sonra Q
Bir D flip-flop her yükselen kenarda D’yi kopyalar: Q⁺ = D.