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 = 100 olan bir NPN transistör, VCC = 10 V kaynağından RB = 150 kΩ baz direnciyle kutuplanmıştır. Kolektör direnci RC = 470 Ω ve emetör topraklıdır. VBE = 0,7 V alın ve transistörün aktif bölgede olduğunu varsayın. Kolektör–emetör gerilimi VCE değerini bulun.
VCC = 10 VRB = 150 kΩRC = 470 Ωβ = 100VBE = 0,7 V
VCE = V
2.Diyotlar ve transistörlerZor
β = 200 olan bir NPN transistör, VCC = 5 V ile kolektörü arasına bağlı 220 Ω değerindeki bir yük direncini anahtarlıyor. Emetör topraklıdır. Baz, 3,3 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 4 katı olacak şekilde tasarlayın. RB değerini kΩ cinsinden bulun.
Bu evirmeyen yükseltecin gerilim kazancını 2 yapan geri besleme direnci Rf değerini seçin.
R1 = 4,7 kΩAv = 2
Rf = kΩ
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 = 0,2 V girişi uygulandığında kondansatör yüksüzdür. t = 0’dan ne kadar sonra çıkış doyuma ulaşır? t değerini bulun.
Vin = 0,2 VR = 4,7 kΩC = 4,7 µFVsat = ±12 V
t = ms
5.RC ve RL geçici rejimOrta
Bobin 0,5 A’lik sabit bir akım taşıyor. t = 0’da anahtar devreyi R üzerinden kapatır ve kaynak çıkarılır, böylece bobin akımı R üzerinden azalır. t = 1 ms anında i akımını bulun.
i(0) = 0,5 AR = 47 ΩL = 10 mHt = 1 ms
i = A
6.RC ve RL geçici rejimZor
Anahtar uzun süredir kapalıdır, bu yüzden devre kararlı hâldedir. t = 0’da anahtar açılır. t = 75 ms anında kondansatör gerilimi vC değerini bulun.
Vs = 30 VR1 = 2,2 kΩR2 = 6,8 kΩC = 22 µFt = 75 ms
vC = V
7.Seri ve paralel dirençlerOrta
R2 üzerinden geçen IR2 akımını bulun.
V1 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 ΩR4 = 4 Ω
IR2 = A
8.Seri ve paralel dirençlerZor
Kaynağın verdiği ve R1 üzerinden geçen IR1 akımını bulun.
İdeal bir eviren alçaltıcı-yükseltici dönüştürücü, 25 kHz’te ve L = 330 µH ile 48 V’u −48 V’a çeviriyor. Bobin dalgalanma akımının tepeden tepeye değerini (ΔIL) bulun.
Vin = 48 VVo = −48 Vf = 25 kHzL = 330 µH
ΔIL = A
10.DC–DC dönüştürücülerZor
Bir alçaltıcı dönüştürücü, 500 kHz’te ve L = 220 µH ile 24 V’u 9,6 V’a çeviriyor. Sürekli iletimde kalabildiği en küçük yük akımını (Io,min) bulun.
Vin = 24 VVo = 9,6 Vf = 500 kHzL = 220 µH
Io,min = A
11.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerlerOrta
100 Ω’luk bir gerinim ölçer, dört kolu eşit 100 Ω olan ve 6 V uyarma gerilimi uygulanan bir köprünün bir koludur (R₂). Gerinim ölçerde harcanan gücü (Pg) mW cinsinden bulun. Kendi kendine ısınma, uyarma gerilimini sınırlar.
Vs = 6 VR = 100 Ω
Pg = mW
12.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerlerZor
350 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 2,05, gerinim 250 µε’dir. Köprü çıkışını (Vo) mV cinsinden bulun.
Vs = 5 VGF = 2,05ε = 250 µε
Vo = mV
13.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplarOrta
Bir 4’ten 1’e çoklayıcının seçme girişleri S₁ = A ve S₀ = B, veri girişleri I₀ = C′, I₁ = 0, I₂ = C′, I₃ = C′’e bağlanmıştır. A, B ve C girişlerinin 8 birleşiminden kaçında F = 1 olur? N değerini bulun.
I₀ = C′I₁ = 0I₂ = C′I₃ = C′
N =
14.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplarZor
Bir mod-5 sayıcı 5 farklı durumdan geçmek zorundadır. Gereken en az flip-flop sayısı, n, kaçtır?
N = 5
n =
3Çözeltiler
1.Diyotlar ve transistörler
Cevap: VCE = 7,086 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.
Baz akımı
IB = (VCC − VBE)/RB = (10 − 0,7)/150 kΩ = 62 µA
Kolektör akımı
IC = β·IB = 100·62 µA = 6,2 mA
Kolektör–emetör gerilimi
VCE = 10 − 6,2 mA·0,47 kΩ = 7,086 V
Cevap
VCE = 7,086 V
2.Diyotlar ve transistörler
Cevap: RB = 5,958 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) = (5 − 0,2)/220 = 21,82 mA
En küçük baz akımı
IB(min) = IC(sat)/β = 21,82/200 = 109,1 µA
Tasarım baz akımı
IB = 4·109,1 µA = 436,4 µA
Baz direnci
RB = (3,3 − 0,7)/IB = 2,6 V/0,4364 mA = 5,958 kΩ
Cevap
RB = 5,958 kΩ
3.Op-amp devreleri
Cevap: Rf = 4,7 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 = (2 − 1)·4,7 = 4,7 kΩ
Cevap
Rf = 4,7 kΩ
4.Op-amp devreleri
Cevap: t = 1325 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 = 4,7 kΩ · 4,7 µF = 22,09 ms
değişim hızı = −Vin/(RC) = −0,2/22,09 = −0,009054 V/ms
Doyuma kadar süre
|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 12·22,09/0,2 = 1325 ms
Cevap
t = 1325 ms
5.RC ve RL geçici rejim
Cevap: i = 0,004548 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 = 10 mH / 47 Ω = 0,2128 ms
Akımın azalması
i(t) = 0,5·e−1/0,2128 = 0,004548 A
Cevap
i = 0,004548 A
6.RC ve RL geçici rejim
Cevap: vC = 13,73 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.
Başlangıçtaki kondansatör gerilimi
Kararlı hâlde kondansatör açık devredir, bu yüzden R₁ ve R₂ bir gerilim bölücü oluşturur. Anahtar açıldığında kondansatör gerilimi sıçrayamaz.
vC(0) = 30·6,8/(2,2 + 6,8) = 22,67 V
Anahtar açıldıktan sonraki zaman sabiti
τ = R2·C = 6,8·22 = 149,6 ms
Boşalma
vC(t) = 22,67·e−75/149,6 = 13,73 V
Cevap
vC = 13,73 V
7.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR2 = 1,063 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 = 15 + 4 = 19 Ω
R2 ∥ 19 = 20·19/(20+19) = 9,744 Ω
Req = R1 + 9,744 = 4 + 9,744 = 13,74 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 30/13,74 = 2,183 A
R₂’den geçen akım
A düğümündeki gerilimi bulmak için R₁ üzerindeki düşümü çıkarın; bu, R₂ üzerindeki gerilimdir.
VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 2,183·4 = 21,27 V
IR2 = VA/R2 = 21,27/20 = 1,063 A
Cevap
IR2 = 1,063 A
8.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR1 = 1,926 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 = 5 + 2 = 7 Ω
R4 ∥ 7 = 5,185 Ω
R3 + 5,185 = 20,19 Ω
R2 ∥ 20,19 = 6,687 Ω
Req = R1 + 6,687 = 12 + 6,687 = 18,69 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 36/18,69 = 1,926 A
Cevap
IR1 = 1,926 A
9.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: ΔIL = 2,909 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 = 48/(48 + 48) = 0,5
İletim süresinde bobin gerilimi
S iletimdeyken bobin doğrudan Vin uçlarındadır.
VL = 48 V
Dalgalanma akımı
ΔIL = VL·D/(L·f) = 48·0,5/(330·10⁻⁶·25·10³) = 2,909 A
Cevap
ΔIL = 2,909 A
10.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: Io,min = 0,02618 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 = 9,6/24 = 0,4
Dalgalanma akımı
ΔIL = 9,6·0,6/(220·10⁻⁶·500·10³) = 0,05236 A
Sınır yük akımı
Io,min = ΔIL/2 = 0,02618 A
Cevap
Io,min = 0,02618 A
Bu akımın altında dönüştürücü süreksiz iletime girer ve Vo, D·Vin değerinin üzerine çıkar.
11.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: Pg = 90 mW
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.
Gerinim ölçer uçlarındaki gerilim
V = 6/2 = 3 V
Güç
Pg = 3²/100 = 90 mW
Cevap
Pg = 90 mW
12.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: Vo = 2,563 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 = 2,05·250·10⁻⁶ = 0,0005125
Köprü çıkışı
Vo = Vs·GF·ε = 5·0,0005125 = 2,563 mV
Cevap
Vo = 2,563 mV
13.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplar
Cevap: N = 3
Çoklayıcı (multiplexer): 2ⁿ’den 1’e bir çoklayıcı veri girişlerinden birini çıkışa iletir; ikilik sayı olarak okunan seçme hatları hangisinin seçileceğini belirler. S₁S₀ = AB seçmeli 4’ten 1’e bir MUX için F = A′B′·I₀ + A′B·I₁ + AB′·I₂ + AB·I₃. Veri girişlerini 0, 1, C ya da C′’ye bağlamak MUX’un A, B ve C’nin herhangi bir fonksiyonunu üretmesini sağlar; bu, tek bir yongayla mantık kurmanın yaygın bir yoludur.
Çıkış ifadesi
F = A′B′C′ + AB′C′ + ABC′
F = 1 olan satırlar
ABC = 000, 100, 110
N = 3
Cevap
N = 3
14.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplar
Cevap: n = 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.