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 = 80 olan bir NPN transistör, VCC = 18 V’tan gerilim bölücüyle kutuplanmıştır: VCC’den baza R₁ = 22 kΩ ve bazdan toprağa R₂ = 10 kΩ. Kolektör direnci RC = 2,7 kΩ ve emetör direnci RE = 1,2 kΩ. VBE = 0,7 V alın ve bölücünün Thévenin eşdeğerini kullanın (baz akımını ihmal etmeyin). Kolektör–emetör gerilimi VCE değerini bulun.
β = 50 olan bir NPN transistör, VCC = 9 V ile kolektörü arasına bağlı 330 Ω değerindeki bir yük direncini anahtarlıyor. Emetör topraklıdır. Baz, 5 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 3 katı olacak şekilde tasarlayın. RB değerini kΩ cinsinden bulun.
Op-amp idealdir ve ±15 V ile beslenir; çıkışı ±13 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 = ±13 V
Vin,max = V
4.Op-amp devreleriZor
İntegral alıcı, ±15 V ile beslenen ideal bir op-amp kullanır; çıkışı ±12 V’ta doyuma ulaşır. t = 0’da sabit bir Vin = −1 V girişi uygulandığında kondansatör yüksüzdür. t = 20 ms anında çıkış gerilimi Vout değerini bulun.
Vin = −1 VR = 1 kΩC = 4,7 µFVsat = ±12 Vt = 20 ms
Vout = V
5.RC ve RL geçici rejimOrta
Bobin 3 A’lik sabit bir akım taşıyor. t = 0’da anahtar devreyi R üzerinden kapatır ve kaynak çıkarılır, böylece bobin akımı R üzerinden azalır. t = 1 ms anında R üzerindeki gerilim vR değerini bulun.
i(0) = 3 AR = 20 ΩL = 10 mHt = 1 ms
vR = V
6.RC ve RL geçici rejimZor
Anahtar t = 0’da kapanmadan hemen önce kondansatörde gösterilen polaritede 8 V vardır. t = 100 ms anında kondansatör gerilimi vC değerini bulun.
Vs = 5 VR = 3,3 kΩC = 47 µFvC(0) = 8 Vt = 100 ms
vC = V
7.Seri ve paralel dirençlerOrta
R2 üzerinden geçen IR2 akımını bulun.
V1 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 ΩR4 = 5 Ω
IR2 = A
8.Seri ve paralel dirençlerZor
V1 kaynağının gördüğü eşdeğer direnç Req değerini bulun.
İdeal bir alçaltıcı dönüştürücü, 500 kHz’te ve L = 22 µH ile 9 V’u 5,4 V’a çeviriyor. Bobin dalgalanma akımının tepeden tepeye değerini (ΔIL) bulun.
Vin = 9 VVo = 5,4 Vf = 500 kHzL = 22 µH
ΔIL = A
10.DC–DC dönüştürücülerZor
Bir alçaltıcı dönüştürücü, 100 kHz’te ve L = 47 µH ile 36 V’u 14,4 V’a çeviriyor. Tepeden tepeye çıkış dalgalanmasını 20 mV ile sınırlayan çıkış kapasitesini (C) bulun.
Bir köprünün dört kolu 250 Ω’dur ve Vs = 2 V’tur. R₂ sensörü ΔR = 0,25 Ω artıyor. Küçük değişim yaklaşımını kullanarak çıkışı (Vab) mV cinsinden bulun.
Vs = 2 VR = 250 ΩΔR = 0,25 Ω
Vab = mV
12.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerlerZor
120 Ω kollu bir köprü 2,5 V ile uyarılıyor ve içinde bitişik kollarda biri çekmede, diğeri basmada iki etkin gerinim ölçer (yarım köprü) bulunuyor. Gerinim ölçer çarpanı 2,12, gerinim 250 µε’dir. Köprü çıkışını (Vo) mV cinsinden bulun.
Vs = 2,5 VGF = 2,12ε = 250 µε
Vo = mV
13.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplarOrta
F = AC + A′C + A′B fonksiyonunu en küçük çarpımlar toplamı biçimine sadeleştirin. Sadeleştirilmiş ifade kaç literal (L) içerir?
F = AC + A′C + A′B
L =
14.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplarZor
Yükselen kenarla tetiklenen bir JK flip-flop Q = 0 ile başlar ve gösterilen girişleri alır. Q’nun 1’den tekrar 0’a döndüğü ilk saat kenarına tıklayın.
Q₀ = 0JK
1saat kenarı 1
2saat kenarı 2
3saat kenarı 3
4saat kenarı 4
5saat kenarı 5
6saat kenarı 6
3Çözeltiler
1.Diyotlar ve transistörler
Cevap: VCE = 3,179 V
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 = 18·10/(22 + 10) = 5,625 V
RTH = 22·10/(22 + 10) = 6,875 kΩ
Baz akımı
Baz çevresinde KGY; emetör akımı (β + 1)·IB’dir.
IB = (5,625 − 0,7)/(6,875 + 81·1,2) = 47,32 µA
Kolektör akımı
IC = 80·47,32 µA = 3,786 mA
IE = 81·47,32 µA = 3,833 mA
Kolektör–emetör gerilimi
VCE = 18 − 3,786·2,7 − 3,833·1,2 = 3,179 V
Cevap
VCE = 3,179 V
2.Diyotlar ve transistörler
Cevap: RB = 2,687 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) = (9 − 0,2)/330 = 26,67 mA
En küçük baz akımı
IB(min) = IC(sat)/β = 26,67/50 = 533,3 µA
Tasarım baz akımı
IB = 3·533,3 µA = 1600 µA
Baz direnci
RB = (5 − 0,7)/IB = 4,3 V/1,6 mA = 2,687 kΩ
Cevap
RB = 2,687 kΩ
3.Op-amp devreleri
Cevap: Vin,max = 6,5 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| = 13/2 = 6,5 V
Cevap
Vin,max = 6,5 V
4.Op-amp devreleri
Cevap: Vout = 4,255 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 akımı ve değişim hızı
kΩ çarpı µF milisaniye verir.
RC = 1 kΩ · 4,7 µF = 4,7 ms
değişim hızı = −Vin/(RC) = −(−1)/4,7 = 0,2128 V/ms
Verilen andaki çıkış
İdeal değer ±Vsat içindedir, bu yüzden integral alıcı henüz kırpılmamıştır.
Vout = −Vin·t/(RC) = −(−1)·20/4,7 = 4,255 V
Cevap
Vout = 4,255 V
5.RC ve RL geçici rejim
Cevap: vR = 8,12 V
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
τ = L/R = 10 mH / 20 Ω = 0,5 ms
Akımın azalması
i(t) = 3·e−1/0,5 = 0,406 A
vR = R·i = 20·0,406 = 8,12 V
Cevap
vR = 8,12 V
6.RC ve RL geçici rejim
Cevap: vC = 6,574 V
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
Kondansatör gerilimi sıçrayamaz; bu yüzden depolanan değerden başlar ve kaynak gerilimine yönelir.
vC(0) = 8 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 47 µF = 155,1 ms
vC(t) = 5 + (8 − 5)·e−t/τ
Verilen andaki gerilim
vC(100) = 5 + (3)·e−100/155,1 = 6,574 V
Cevap
vC = 6,574 V
7.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR2 = 0,375 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 = 5 + 5 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 20·10/(20+10) = 6,667 Ω
Req = R1 + 6,667 = 20 + 6,667 = 26,67 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 30/26,67 = 1,125 A
R₂’den geçen akım
A düğümündeki gerilimi bulmak için R₁ üzerindeki düşümü çıkarın; bu, R₂ üzerindeki gerilimdir.
VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 1,125·20 = 7,5 V
IR2 = VA/R2 = 7,5/20 = 0,375 A
Cevap
IR2 = 0,375 A
8.Seri ve paralel dirençler
Cevap: Req = 26,83 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 = 6 + 8 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 7,241 Ω
R3 + 7,241 = 22,24 Ω
R2 ∥ 22,24 = 1,835 Ω
Req = R1 + 1,835 = 25 + 1,835 = 26,83 Ω
Cevap
Req = 26,83 Ω
9.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: ΔIL = 0,1964 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 = 5,4/9 = 0,6
İletim süresinde bobin gerilimi
S iletimdeyken bobin, Vin ile Vo arasında yer alır.
VL = 9 − 5,4 = 3,6 V
Dalgalanma akımı
ΔIL = VL·D/(L·f) = 3,6·0,6/(22·10⁻⁶·500·10³) = 0,1964 A
Cevap
ΔIL = 0,1964 A
10.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: C = 114,9 µF
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 = 14,4/36 = 0,4
Bobin dalgalanma akımı
ΔIL = (36 − 14,4)·0,4/(47·10⁻⁶·100·10³) = 1,838 A
Kapasitans
C = 1,838/(8·100·10³·20·10⁻³) = 114,9 µF
Cevap
C = 114,9 µF
11.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: Vab = 0,5 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.
Bağıl değişim
ΔR/R = 0,25/250 = 0,001
Doğrusallaştırılmış çıkış
Vab ≈ 2·0,001/4 = 0,5 mV
Cevap
Vab = 0,5 mV
Kesin değer 0,4998 mV’tur; ΔR/R küçük olduğu sürece yaklaşım iyidir.
12.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: Vo = 0,6625 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 = 2,12·250·10⁻⁶ = 0,00053
Köprü çıkışı
Vo = Vs·GF·ε/2 = 2,5·0,00053/2 = 0,6625 mV
Cevap
Vo = 0,6625 mV
13.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplar
Cevap: L = 3
Boole cebiri: ifadeleri sadeleştiren kurallar X + X′ = 1 ve X·X′ = 0, X + X = X, soğurma X + X·Y = X, birleştirme kuralı X·Y + X·Y′ = X, X + X′Y = X + Y ve uzlaşma teoremi XY + X′Z + YZ = XY + X′Z’dir. De Morgan yasaları (X·Y)′ ifadesini X′ + Y′’ye ve (X + Y)′ ifadesini X′·Y′’ye çevirir. Bir Karnaugh haritası bu kuralları grafik olarak uygular: iki komşu hücrelik her grup, XY + XY′ = X kuralının bir kullanımıdır.
İfadenin minterimleri
AC → m(5, 7)
A′C → m(1, 3)
A′B → m(2, 3)
Gruplayın ve okuyun
F = C + A′B
Literalleri sayın
L = 3
Cevap
L = 3
14.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplar
Cevap: saat kenarı 3
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 JK flip-flop: 00 tutar, 01 sıfırlar (Q = 0), 10 kurar (Q = 1), 11 tersler.