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
12 V’luk bir Zener regülatörü 100 Ω üzerinden 15 V’tan besleniyor ve 3300 Ω’luk bir yükü besliyor. Zener akımını IZ bulun.
Vin = 15 VVZ = 12 VR = 100 ΩRL = 3300 Ω
IZ = mA
2.Diyotlar ve transistörlerZor
5,1 V’luk bir Zener regülatörünün 330 Ω’luk bir seri direnci var. Giriş 28 V’a kadar çıkabilir ve yük bağlantısı kesilebilir. Zener’in harcaması gereken en büyük gücü PZ,max bulun.
Vin,max = 28 VVZ = 5,1 VR = 330 Ω
PZ,max = mW
3.Op-amp devreleriOrta
Op-amp idealdir ve ±15 V ile beslenir. Çıkış gerilimi Vout değerini bulun.
Vin = −1,1 VR1 = 22 kΩRf = 100 kΩ
Vout = 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 = 1,4 V girişi uygulandığında kondansatör yüksüzdür. t = 0’dan ne kadar sonra çıkış doyuma ulaşır? t değerini bulun.
Vin = 1,4 VR = 47 kΩC = 0,47 µFVsat = ±12 V
t = ms
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. t = 40 ms anında kondansatör gerilimi vC değerini bulun.
Vs = 12 VR1 = 2,2 kΩR2 = 2,2 kΩC = 22 µFt = 40 ms
vC = V
6.RC ve RL geçici rejimZor
Bir zamanlayıcı, t = 0’da 15 V’luk bir kaynaktan bir direnç üzerinden yüksüz bir kondansatörü doldurmaya başlıyor. Kondansatör gerilimi 9 V’a ulaştığında, başlangıçtan tam 20 ms sonra tetiklemelidir. R = 100 kΩ ile gereken kapasite C değerini bulun.
Vs = 15 VVth = 9 VT = 20 msR = 100 kΩ
C = µF
7.Seri ve paralel dirençlerOrta
Kaynağın verdiği ve R1 üzerinden geçen IR1 akımını bulun.
Bir alçaltıcı dönüştürücü, 15 Ω’luk bir yük için 36 V’u 27 V’a çeviriyor. 40 kHz’te, L = 220 µH ile anahtarlanıyor. Tepe bobin akımını (Imax) bulun.
Vin = 36 VVo = 27 Vf = 40 kHzL = 220 µHR = 15 Ω
Imax = A
10.DC–DC dönüştürücülerZor
İdeal bir eviren alçaltıcı-yükseltici dönüştürücü, 5 Ω’luk bir yük için 500 kHz’te 48 V’u −144 V’a çeviriyor. Sürekli iletim için en küçük endüktansı (Lcrit) bulun.
Vin = 48 VVo = −144 Vf = 500 kHzR = 5 Ω
Lcrit = µH
11.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerlerOrta
100 Ω dirençli bir galvanometre, gösterilen köprünün a ve b uçları arasına bağlanıyor (Vs = 3 V). a’dan b’ye galvanometre akımını (Ig) µA cinsinden bulun.
E = 200 GPa olan bir elemanın üzerindeki bir gerinim ölçer (GF = 2), 10 V ile uyarılan bir çeyrek köprü oluşturuyor. Çıkış 2,5 mV okunuyor. Eksenel gerilmeyi (σ) MPa cinsinden bulun.
Vs = 10 VGF = 2Vo = 2,5 mVE = 200 GPa
σ = MPa
13.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplarOrta
F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 4, 9, 10, 12, 14, 15) fonksiyonunun en küçük çarpımlar toplamı (SOP) biçimini bulmak için Karnaugh haritasını kullanın. Kaç çarpım terimi (N) vardır?
F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 4, 9, 10, 12, 14, 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, 4, 7, 9, 10) + d(2, 5, 8) fonksiyonu için temel asal implikantların sayısını, N, bulun.
F(A, B, C, D) = Σm(1, 4, 7, 9, 10) + d(2, 5, 8)
N =
3Çözeltiler
1.Diyotlar ve transistörler
Cevap: IZ = 26,36 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 = 3/100 = 30 mA
Yük akımı
IL = 12/3300 = 3,636 mA
Zener akımı
IZ = 30 − 3,636 = 26,36 mA
Cevap
IZ = 26,36 mA
2.Diyotlar ve transistörler
Cevap: PZ,max = 353,9 mW
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.
En kötü durum Zener akımı
IZ = 22,9/330 = 69,39 mA
Zener gücü
PZ = 5,1·69,39 = 353,9 mW
Cevap
PZ,max = 353,9 mW
3.Op-amp devreleri
Cevap: Vout = −6,1 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₊ = −1,1 V
I = V₋/R1 = −1,1/22 = −0,05 mA
Çıkış gerilimi
R₁’deki akım Rf’den de geçer.
Vout = V₋ + I·Rf = −1,1 + (−0,05)·100 = −6,1 V
Cevap
Vout = −6,1 V
4.Op-amp devreleri
Cevap: t = 189,3 ms
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 = 47 kΩ · 0,47 µF = 22,09 ms
değişim hızı = −Vin/(RC) = −1,4/22,09 = −0,06338 V/ms
Doyuma kadar süre
|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 12·22,09/1,4 = 189,3 ms
Cevap
t = 189,3 ms
5.RC ve RL geçici rejim
Cevap: vC = 4,851 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.
Kondansatörün gördüğü Thévenin eşdeğeri
Rth’yi bulmak için kaynağı kısa devre edin; kondansatörün yerleşeceği gerilimi bulmak için kondansatörü açık devre yapın.
Rth = R1 ∥ R2 = 2,2·2,2/(2,2 + 2,2) = 1,1 kΩ
vC(∞) = 12·2,2/(2,2 + 2,2) = 6 V
Zaman sabiti
τ = Rth·C = 1,1·22 = 24,2 ms
Şarj eğrisi
vC(t) = 6·(1 − e−40/24,2) = 4,851 V
Cevap
vC = 4,851 V
6.RC ve RL geçici rejim
Cevap: C = 0,2183 µF
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.
Gerekli zaman sabiti
9 = 15·(1 − e−20/τ) → τ = 20/ln(15/(15 − 9))
τ = 20/0,9163 = 21,83 ms
Kapasitans
kΩ çarpı µF milisaniye verir.
C = τ/R = 21,83/100 = 0,2183 µF
Cevap
C = 0,2183 µF
7.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR1 = 1,761 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 = 6 + 8 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 4·14/(4+14) = 3,111 Ω
Req = R1 + 3,111 = 2 + 3,111 = 5,111 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 9/5,111 = 1,761 A
Cevap
IR1 = 1,761 A
8.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR2 = 0,501 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 = 2 + 25 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 3,484 Ω
R3 + 3,484 = 5,484 Ω
R2 ∥ 5,484 = 2,313 Ω
Req = R1 + 2,313 = 15 + 2,313 = 17,31 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 15/17,31 = 0,8664 A
R₂’den geçen akım
A düğümündeki gerilimi bulmak için R₁ üzerindeki düşümü çıkarın; bu, R₂ üzerindeki gerilimdir.
VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 0,8664·15 = 2,004 V
IR2 = VA/R2 = 2,004/4 = 0,501 A
Cevap
IR2 = 0,501 A
9.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: Imax = 2,184 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 = 27/36 = 0,75
Ortalama ve dalgalanma akımı
Io = 27/15 = 1,8 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 9·0,75/(220·10⁻⁶·40·10³) = 0,767 A
Tepe akım
Imax = 1,8 + 0,767/2 = 2,184 A
Cevap
Imax = 2,184 A
10.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: Lcrit = 0,3125 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 = 144/(48 + 144) = 0,75
Sınır koşulu
Ortalama bobin akımını dalgalanma akımının yarısına eşitleyin ve L için çözün.
Lcrit = (1 − D)²·R/(2f)
Kritik endüktans
Lcrit = (1 − 0,75)²·5/(2500·10³) = 0,3125 µH
Cevap
Lcrit = 0,3125 µH
11.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: Ig = 7577 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 = 3·(500/510 − 200/500) = 1,741 V
Thévenin direnci
Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 129,8 Ω
Galvanometre akımı
Ig = 1,741/(129,8 + 100) = 7577 µA
Cevap
Ig = 7577 µA
12.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: σ = 100 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 = 4·0,0025/(10·2) = 0,0005
Gerilme
σ = 200·10³ MPa·0,0005 = 100 MPa
Cevap
σ = 100 MPa
13.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplar
Cevap: N = 5
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.
B′C′D
BC′D′
A′C′D′
ACD′
ABC
En küçük SOP biçimi
F = B′C′D + BC′D′ + A′C′D′ + ACD′ + ABC
N = 5
Cevap
N = 5
Aynı büyüklükte başka bir gruplama da vardır; terim ve literal sayısı aynıdır.
14.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplar
Cevap: N = 2
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.