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 = 120 olan bir NPN transistör, VCC = 18 V’tan gerilim bölücüyle kutuplanmıştır: VCC’den baza R₁ = 47 kΩ ve bazdan toprağa R₂ = 15 kΩ. Kolektör direnci RC = 1 kΩ ve emetör direnci RE = 2,2 kΩ. VBE = 0,7 V alın ve bölücünün Thévenin eşdeğerini kullanın (baz akımını ihmal etmeyin). Kolektör–emetör gerilimi VCE değerini bulun.
Bir diyot, 50 Ω ile seri 0,6 V olarak modelleniyor (0,6 V’un üzerinde iletir). 6 V’luk bir kaynağa karşı 150 Ω’luk bir dirençle seri bağlı. Diyot doğrusunun yük doğrusuyla kesiştiği çalışma akımını ID bulun.
Vs = 6 VR = 150 ΩV0 = 0,6 Vrd = 50 Ω
ID = mA
3.Op-amp devreleriOrta
Op-amp idealdir ve ±15 V ile beslenir; çıkışı ±12 V’ta doyuma ulaşır. Eviren yükselteç sinüs dalgasıyla sürülüyor. Çıkışın kırpılmadığı en büyük giriş genliği Vin,max (tepe değeri) değerini bulun.
R1 = 4,7 kΩRf = 22 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
4.Op-amp devreleriZor
İki ideal op-amp kademesi kaskat bağlanmıştır: bir eviren yükselteç (R1, Rf1) ve ardından bir evirmeyen yükselteç (toprağa R2, geri beslemede Rf2). İkisi de ±15 V ile beslenir. Giriş Vin = 0,9 V’tur. Çıkış gerilimi Vout değerini bulun.
Bobin 1,5 A’lik sabit bir akım taşıyor. t = 0’da anahtar devreyi R üzerinden kapatır ve kaynak çıkarılır, böylece bobin akımı R üzerinden azalır. t = 40 ms anında i akımını bulun.
i(0) = 1,5 AR = 10 ΩL = 150 mHt = 40 ms
i = A
6.RC ve RL geçici rejimZor
Bir zamanlayıcı, t = 0’da 12 V’luk bir kaynaktan bir direnç üzerinden yüksüz bir kondansatörü doldurmaya başlıyor. Kondansatör gerilimi 9,6 V’a ulaştığında, başlangıçtan tam 50 ms sonra tetiklemelidir. C = 1 µF ile gereken direnç R değerini bulun.
Vs = 12 VVth = 9,6 VT = 50 msC = 1 µF
R = kΩ
7.Seri ve paralel dirençlerOrta
V1 kaynağının gördüğü eşdeğer direnç Req değerini bulun.
İdeal bir yükseltici dönüştürücü, 25 kHz’te ve L = 220 µH ile 12 V’u 30 V’a çeviriyor. Bobin dalgalanma akımının tepeden tepeye değerini (ΔIL) bulun.
Vin = 12 VVo = 30 Vf = 25 kHzL = 220 µH
ΔIL = A
10.DC–DC dönüştürücülerZor
İdeal bir yükseltici dönüştürücü, 2 Ω’luk bir yük için 250 kHz’te 12 V’u 40 V’a çeviriyor. Çıkış kondansatörü 10 µF’tır. Tepeden tepeye çıkış gerilimi dalgalanmasını (ΔVo) mV cinsinden bulun.
Vin = 12 VVo = 40 Vf = 250 kHzC = 10 µFR = 2 Ω
ΔVo = mV
11.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerlerOrta
Gösterilen köprünün a ve b çıkış uçlarından görülen Thévenin direncini (Rth) bulun.
Vs = 15 VR1 = 50 ΩR2 = 800 ΩR3 = 20 ΩR4 = 80 Ω
Rth = Ω
12.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerlerZor
E = 110 GPa olan bir elemanın üzerindeki bir gerinim ölçer (GF = 2,05), 10 V ile uyarılan bir çeyrek köprü oluşturuyor. Çıkış 3,844 mV okunuyor. Eksenel gerilmeyi (σ) MPa cinsinden bulun.
Vs = 10 VGF = 2,05Vo = 3,844 mVE = 110 GPa
σ = MPa
13.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplarOrta
Bu Karnaugh haritasında tam bir tane 1’in komşu 1’i yoktur; bu yüzden en küçük SOP biçiminde tek hücrelik bir grup (dört literalli tam bir minterim) olarak kalır. Haritanın kenarları boyunca olan komşular da sayılır. O hücreye tıklayın.
F = Σm(0, 2, 4, 11)
1AB = 00, CD = 00
2AB = 00, CD = 01
3AB = 00, CD = 11
4AB = 00, CD = 10
5AB = 01, CD = 00
6AB = 01, CD = 01
7AB = 01, CD = 11
8AB = 01, CD = 10
9AB = 11, CD = 00
10AB = 11, CD = 01
11AB = 11, CD = 11
12AB = 11, CD = 10
13AB = 10, CD = 00
14AB = 10, CD = 01
15AB = 10, CD = 11
16AB = 10, CD = 10
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
8saat kenarı 8
3Çözeltiler
1.Diyotlar ve transistörler
Cevap: VCE = 12,91 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 = 18·15/(47 + 15) = 4,355 V
RTH = 47·15/(47 + 15) = 11,37 kΩ
Baz akımı
Baz çevresinde KGY; emetör akımı (β + 1)·IB’dir.
IB = (4,355 − 0,7)/(11,37 + 121·2,2) = 13,17 µA
Kolektör akımı
IC = 120·13,17 µA = 1,58 mA
IE = 121·13,17 µA = 1,593 mA
Kolektör–emetör gerilimi
VCE = 18 − 1,58·1 − 1,593·2,2 = 12,91 V
Cevap
VCE = 12,91 V
2.Diyotlar ve transistörler
Cevap: ID = 27 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
6 = 0,6 + I·(150 + 50)
Çalışma akımı
ID = 5,4/200 = 27 mA
VD = 0,6 + 0,027·50 = 1,95 V
Cevap
ID = 27 mA
3.Op-amp devreleri
Cevap: Vin,max = 2,564 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 = 22/4,7 = 4,681
Kırpılmadan önceki en büyük giriş
Vin,max = Vsat/|Av| = 12/4,681 = 2,564 V
Cevap
Vin,max = 2,564 V
4.Op-amp devreleri
Cevap: Vout = −8,46 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.
Her kademenin kazancı
A1 = −Rf1/R1 = −4,7/1 = −4,7
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 4,7/4,7 = 2
Kademe kademe
V1 = −4,7·0,9 = −4,23 V
Vout = 2·(−4,23) = −8,46 V
Cevap
Vout = −8,46 V
5.RC ve RL geçici rejim
Cevap: i = 0,1042 A
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 = 150 mH / 10 Ω = 15 ms
Akımın azalması
i(t) = 1,5·e−40/15 = 0,1042 A
Cevap
i = 0,1042 A
6.RC ve RL geçici rejim
Cevap: R = 31,07 kΩ
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
9,6 = 12·(1 − e−50/τ) → τ = 50/ln(12/(12 − 9,6))
τ = 50/1,609 = 31,07 ms
Direnç
kΩ çarpı µF milisaniye verir.
R = τ/C = 31,07/1 = 31,07 kΩ
Cevap
R = 31,07 kΩ
7.Seri ve paralel dirençler
Cevap: Req = 17,37 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 = 20 + 8 = 28 Ω
R2 ∥ 28 = 10·28/(10+28) = 7,368 Ω
Req = R1 + 7,368 = 10 + 7,368 = 17,37 Ω
Cevap
Req = 17,37 Ω
8.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR2 = 0,1406 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 = 15 + 15 = 30 Ω
R4 ∥ 30 = 12 Ω
R3 + 12 = 27 Ω
R2 ∥ 27 = 14,21 Ω
Req = R1 + 14,21 = 6 + 14,21 = 20,21 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 6/20,21 = 0,2969 A
R₂’den geçen akım
A düğümündeki gerilimi bulmak için R₁ üzerindeki düşümü çıkarın; bu, R₂ üzerindeki gerilimdir.
VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,2969·6 = 4,219 V
IR2 = VA/R2 = 4,219/30 = 0,1406 A
Cevap
IR2 = 0,1406 A
9.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: ΔIL = 1,309 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 − 12/30 = 0,6
İletim süresinde bobin gerilimi
S iletimdeyken bobin doğrudan Vin uçlarındadır.
VL = 12 V
Dalgalanma akımı
ΔIL = VL·D/(L·f) = 12·0,6/(220·10⁻⁶·25·10³) = 1,309 A
Cevap
ΔIL = 1,309 A
10.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: ΔVo = 5600 mV
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 − 12/40 = 0,7
Yük akımı
Io = 40/2 = 20 A
Çıkış dalgalanması
ΔVo = 20·0,7/(250·10³·10·10⁻⁶) = 5600 mV
Cevap
ΔVo = 5600 mV
11.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: Rth = 63,06 Ω
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.
Kaynak kısa devre
R₁∥R₂ = 50·800/850 = 47,06 Ω
R₃∥R₄ = 20·80/100 = 16 Ω
Thévenin direnci
Rth = 63,06 Ω
Cevap
Rth = 63,06 Ω
12.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: σ = 82,51 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 = 4·0,003844/(10·2,05) = 0,00075
Gerilme
σ = 110·10³ MPa·0,00075 = 82,51 MPa
Cevap
σ = 82,51 MPa
13.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplar
Cevap: AB = 10, CD = 11
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.
Her 1’in komşuları
Komşu bir 1’i olan bir 1, iki ya da daha fazla hücrelik bir gruba katılabilir.
m11: m10, m9, m15, m3 → 0
Yalıtılmış 1
m11 = AB′CD → AB = 10, CD = 11
Cevap
AB = 10, CD = 11
14.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplar
Cevap: saat kenarı 8
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.