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 = 150 olan bir NPN transistör, VCC = 12 V’tan gerilim bölücüyle kutuplanmıştır: VCC’den baza R₁ = 33 kΩ ve bazdan toprağa R₂ = 8,2 kΩ. Kolektör direnci RC = 2,2 kΩ ve emetör direnci RE = 1,5 kΩ. VBE = 0,7 V alın ve bölücünün Thévenin eşdeğerini kullanın (baz akımını ihmal etmeyin). Kolektör akımı IC değerini mA cinsinden bulun.
Bir diyot, 20 Ω ile seri 0,6 V olarak modelleniyor (0,6 V’un üzerinde iletir). 3 V’luk bir kaynağa karşı 470 Ω’luk bir dirençle seri bağlı. Diyot doğrusunun yük doğrusuyla kesiştiği çalışma akımını ID bulun.
Vs = 3 VR = 470 ΩV0 = 0,6 Vrd = 20 Ω
ID = mA
3.Op-amp devreleriOrta
Bu evirmeyen yükseltecin gerilim kazancını 5 yapan geri besleme direnci Rf değerini seçin.
R1 = 22 kΩAv = 5
Rf = kΩ
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 = 2 ms anında bobin üzerindeki vL gerilimini bulun.
Vs = 6 VR = 100 ΩL = 150 mHt = 2 ms
vL = V
6.RC ve RL geçici rejimZor
Bir zamanlayıcı, t = 0’da 9 V’luk bir kaynaktan bir direnç üzerinden yüksüz bir kondansatörü doldurmaya başlıyor. Kondansatör gerilimi 7,2 V’a ulaştığında, başlangıçtan tam 50 ms sonra tetiklemelidir. R = 100 kΩ ile gereken kapasite C değerini bulun.
Vs = 9 VVth = 7,2 VT = 50 msR = 100 kΩ
C = µF
7.Seri ve paralel dirençlerOrta
R2 üzerinden geçen IR2 akımını bulun.
V1 = 18 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 ΩR4 = 4 Ω
IR2 = A
8.Seri ve paralel dirençlerZor
V1 kaynağının gördüğü eşdeğer direnç Req değerini bulun.
İdeal bir yükseltici dönüştürücü, 12 Ω’luk bir yük için 48 V’u 120 V’a çeviriyor. Ortalama bobin akımını (IL) bulun.
Vin = 48 VVo = 120 VR = 12 Ω
IL = A
10.DC–DC dönüştürücülerZor
İdeal bir yükseltici dönüştürücü, 4 Ω’luk bir yük için 50 kHz’te 24 V’u 60 V’a çeviriyor. Sürekli iletim için en küçük endüktansı (Lcrit) bulun.
Vin = 24 VVo = 60 Vf = 50 kHzR = 4 Ω
Lcrit = µH
11.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerlerOrta
Bir köprünün dört kolu 250 Ω’dur ve Vs = 6 V’tur. R₂ sensörü ΔR = 20 Ω artıyor. Kesin çıkışı (Vab) mV cinsinden bulun.
Vs = 6 VR = 250 ΩΔR = 20 Ω
Vab = mV
12.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerlerZor
E = 210 GPa olan bir elemanın üzerindeki bir gerinim ölçer (GF = 2,12), 2,5 V ile uyarılan bir çeyrek köprü oluşturuyor. Çıkış 0,331 mV okunuyor. Eksenel gerilmeyi (σ) MPa cinsinden bulun.
Vs = 2,5 VGF = 2,12Vo = 0,331 mVE = 210 GPa
σ = MPa
13.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplarOrta
F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 2, 4, 5, 6, 9, 10, 13) 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, 2, 4, 5, 6, 9, 10, 13)
N =
14.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplarZor
Bir 4 bitlik ikilik aşağı sayıcı, 4 (ondalık, Q = 0100) değerinden başlar. 51 saat darbesinden sonra hangi sayıyı, Q, (ondalık olarak) gösterir?
Q0 = 451n = 4
Q =
3Çözeltiler
1.Diyotlar ve transistörler
Cevap: IC = 1,087 mA
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 = 12·8,2/(33 + 8,2) = 2,388 V
RTH = 33·8,2/(33 + 8,2) = 6,568 kΩ
Baz akımı
Baz çevresinde KGY; emetör akımı (β + 1)·IB’dir.
IB = (2,388 − 0,7)/(6,568 + 151·1,5) = 7,244 µA
Kolektör akımı
IC = 150·7,244 µA = 1,087 mA
IE = 151·7,244 µA = 1,094 mA
Cevap
IC = 1,087 mA
2.Diyotlar ve transistörler
Cevap: ID = 4,898 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
3 = 0,6 + I·(470 + 20)
Çalışma akımı
ID = 2,4/490 = 4,898 mA
VD = 0,6 + 0,004898·20 = 0,698 V
Cevap
ID = 4,898 mA
3.Op-amp devreleri
Cevap: Rf = 88 kΩ
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.
Evirmeyen yükselteç kazancı
V₋ = V₊ = Vin ve R₁’deki akım Rf’den de geçer, bu yüzden Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).
Av = 1 + Rf/R1
Rf = (5 − 1)·22 = 88 kΩ
Cevap
Rf = 88 kΩ
4.Op-amp devreleri
Cevap: Vout = 7,255 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 akımları
V₋ = 0, bu yüzden her giriş direncinin üzerinde kendi giriş geriliminin tamamı vardır.
I1 = V1/R1 = −1,2/47 = −0,02553 mA
I2 = V2/R2 = −1,4/2 = −0,7 mA
If = I1 + I2 = −0,7255 mA
Çıkış gerilimi
Vout = −Rf·If = −10·(−0,7255) = 7,255 V
Cevap
Vout = 7,255 V
5.RC ve RL geçici rejim
Cevap: vL = 1,582 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 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 / 100 Ω = 1,5 ms
i(∞) = Vs/R = 6/100 = 0,06 A
Bobin gerilimi
t = 0’da besleme geriliminin tamamı bobin üzerindedir; sonra sıfıra söner.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 6·e−2/1,5 = 1,582 V
Cevap
vL = 1,582 V
6.RC ve RL geçici rejim
Cevap: C = 0,3107 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
7,2 = 9·(1 − e−50/τ) → τ = 50/ln(9/(9 − 7,2))
τ = 50/1,609 = 31,07 ms
Kapasitans
kΩ çarpı µF milisaniye verir.
C = τ/R = 31,07/100 = 0,3107 µF
Cevap
C = 0,3107 µF
7.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR2 = 2,25 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 = 8 + 4 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Req = R1 + 3 = 3 + 3 = 6 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 18/6 = 3 A
R₂’den geçen akım
A düğümündeki gerilimi bulmak için R₁ üzerindeki düşümü çıkarın; bu, R₂ üzerindeki gerilimdir.
VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 3·3 = 9 V
IR2 = VA/R2 = 9/4 = 2,25 A
Cevap
IR2 = 2,25 A
8.Seri ve paralel dirençler
Cevap: Req = 28,37 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.
R5 + R6 = 15 + 30 = 45 Ω
R4 ∥ 45 = 2,813 Ω
R3 + 2,813 = 5,813 Ω
R2 ∥ 5,813 = 3,367 Ω
Req = R1 + 3,367 = 25 + 3,367 = 28,37 Ω
Cevap
Req = 28,37 Ω
9.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: IL = 25 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 − 48/120 = 0,6
Yük akımı
Io = 120/12 = 10 A
Bobin akımı
IL = Io/(1 − D) = 10/0,4 = 25 A
Cevap
IL = 25 A
10.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: Lcrit = 3,84 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 − 24/60 = 0,6
Sınır koşulu
Ortalama bobin akımını dalgalanma akımının yarısına eşitleyin ve L için çözün.
Lcrit = D(1 − D)²·R/(2f)
Kritik endüktans
Lcrit = 0,6(1 − 0,6)²·4/(250·10³) = 3,84 µH
Cevap
Lcrit = 3,84 µH
11.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: Vab = 115,4 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 = 6·270/520 = 3,115 V
Vb = 3 V
Çıkarılan
Vab = 115,4 mV
Cevap
Vab = 115,4 mV
Vs·ΔR/(4R) = 120 mV doğrusal tahmini % 4 fazladır: çeyrek köprü tam doğrusal değildir.
12.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: σ = 52,46 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 = 4·0,000331/(2,5·2,12) = 0,0002498
Gerilme
σ = 210·10³ MPa·0,0002498 = 52,46 MPa
Cevap
σ = 52,46 MPa
13.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplar
Cevap: N = 3
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.
C′D
B′CD′
A′D′
En küçük SOP biçimi
F = C′D + B′CD′ + A′D′
N = 3
Cevap
N = 3
14.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplar
Cevap: Q = 1
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.