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
2 yeşil LED’ler (her birinin iletim gerilimi 2,2 V), bir dirençle seri olarak 9 V’luk bir kaynağa bağlı. Akımı 25 mA yapan direnci R bulun.
Vs = 9 VVF = 2,2 Vn = 2I = 25 mA
R = Ω
2.Diyotlar ve transistörlerZor
5,1 V’luk bir Zener regülatörü bir yüke en çok 10 mA sağlamak zorundadır. Giriş 15 V’a kadar düşebilir ve Zener’in regülasyon yapması için en az 1 mA gerekir. Regülasyonu sürdüren en büyük seri direnci Rmax bulun.
Bobin 2,5 A’lik sabit bir akım taşıyor. t = 0’da anahtar devreyi R üzerinden kapatır ve kaynak çıkarılır, böylece bobin akımı R üzerinden azalır. t = 20 ms anında i akımını bulun.
i(0) = 2,5 AR = 10 ΩL = 220 mHt = 20 ms
i = A
6.RC ve RL geçici rejimZor
R2 üzerindeki anahtar uzun süredir kapalıdır, bu yüzden bobin akımı sabittir. t = 0’da anahtar açılır. t = 0’dan ne kadar sonra bobin akımı 0,494 A’e ulaşır? t değerini bulun.
Vs = 12 VR1 = 22 ΩR2 = 10 ΩL = 47 mH
t = ms
7.Seri ve paralel dirençlerOrta
Kaynağın verdiği ve R1 üzerinden geçen IR1 akımını bulun.
V1 = 24 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
8.Seri ve paralel dirençlerZor
Kaynağın verdiği ve R1 üzerinden geçen IR1 akımını bulun.
İdeal bir yükseltici dönüştürücü, 12 Ω’luk bir yük için 24 V’u 32 V’a çeviriyor. Ortalama bobin akımını (IL) bulun.
Vin = 24 VVo = 32 VR = 12 Ω
IL = A
10.DC–DC dönüştürücülerZor
İdeal bir alçaltıcı-yükseltici dönüştürücü, 4 Ω’luk bir yük için 50 kHz’te 9 V’u −6 V’a çeviriyor. Çıkış kondansatörü 47 µF’tır. Tepeden tepeye çıkış gerilimi dalgalanmasını (ΔVo) mV cinsinden bulun.
Vin = 9 VVo = −6 Vf = 50 kHzC = 47 µFR = 4 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 = 100 ΩR3 = 100 ΩR4 = 150 Ω
Rth = Ω
12.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerlerZor
E = 200 GPa olan bir elemanın üzerindeki bir gerinim ölçer (GF = 2,1), 10 V ile uyarılan bir çeyrek köprü oluşturuyor. Çıkış 3,15 mV okunuyor. Eksenel gerilmeyi (σ) MPa cinsinden bulun.
Vs = 10 VGF = 2,1Vo = 3,15 mVE = 200 GPa
σ = MPa
13.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplarOrta
F(A, B, C, D) = Σm(3, 7, 10, 12, 13, 15) fonksiyonunun en küçük toplamlar çarpımı (POS) biçimini bulmak için Karnaugh haritasını kullanın. Kaç toplam terimi (çarpan) (N) vardır?
F(A, B, C, D) = Σm(3, 7, 10, 12, 13, 15)
N =
14.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplarZor
Eşzamanlı bir mod-5 sayıcı 0, 1, …, 4 sayar ve sonra 0’a döner. 3 değerinden başlar. 6 saat darbesinden sonra hangi sayıyı, Q, (ondalık olarak) gösterir?
Q0 = 36N = 5
Q =
3Çözeltiler
1.Diyotlar ve transistörler
Cevap: R = 184 Ω
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).
Direnç üzerindeki gerilim
VR = 9 − 2·2,2 = 4,6 V
Direnç
R = 4,6/0,025 = 184 Ω
Cevap
R = 184 Ω
Direnç 115 mW harcar.
2.Diyotlar ve transistörler
Cevap: Rmax = 900 Ω
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 akımı
IR = 10 + 1 = 11 mA
En büyük direnç
Rmax = 9,9/0,011 = 900 Ω
Cevap
Rmax = 900 Ω
3.Op-amp devreleri
Cevap: Vout = −5,4 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₊ = −0,9 V
I = V₋/R1 = −0,9/2 = −0,45 mA
Çıkış gerilimi
R₁’deki akım Rf’den de geçer.
Vout = V₋ + I·Rf = −0,9 + (−0,45)·10 = −5,4 V
Cevap
Vout = −5,4 V
4.Op-amp devreleri
Cevap: Vout = 0,7818 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.
+ girişindeki gerilim
V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1,7·22/(22 + 22) = 0,85 V
İki girişi süperpoze edin
V₂ = 0 iken V₁ bir eviren yükselteç görür. V₁ = 0 iken V₊ evirmeyen kazanç 1 + R₂/R₁ ile yükseltilir.
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 = 220 mH / 10 Ω = 22 ms
Akımın azalması
i(t) = 2,5·e−20/22 = 1,007 A
Cevap
i = 1,007 A
6.RC ve RL geçici rejim
Cevap: t = 0,5278 ms
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
t = 0’dan önce kapalı anahtar R₂’yi devre dışı bırakır; sonra R₁ ve R₂ ikisi de devrededir.
i(0) = 12/22 = 0,5455 A
i(∞) = 12/(22 + 10) = 0,375 A
τ = L/R = 47/32 = 1,469 ms
i(t) = 0,375 + (0,5455 − 0,375)·e−t/τ
Zaman için çözün
e−t/τ = (0,494 − 0,375)/(0,5455 − 0,375) = 0,6981
t = 1,469·ln(1,432) = 0,5278 ms
Cevap
t = 0,5278 ms
7.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR1 = 6,4 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 = 12 + 2 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 2·14/(2+14) = 1,75 Ω
Req = R1 + 1,75 = 2 + 1,75 = 3,75 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 24/3,75 = 6,4 A
Cevap
IR1 = 6,4 A
8.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR1 = 0,3225 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 = 4 + 3 = 7 Ω
R4 ∥ 7 = 5,185 Ω
R3 + 5,185 = 20,19 Ω
R2 ∥ 20,19 = 8,605 Ω
Req = R1 + 8,605 = 10 + 8,605 = 18,61 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 6/18,61 = 0,3225 A
Cevap
IR1 = 0,3225 A
9.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: IL = 3,556 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 − 24/32 = 0,25
Yük akımı
Io = 32/12 = 2,667 A
Bobin akımı
IL = Io/(1 − D) = 2,667/0,75 = 3,556 A
Cevap
IL = 3,556 A
10.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: ΔVo = 255,3 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 = 6/(9 + 6) = 0,4
Yük akımı
Io = 6/4 = 1,5 A
Çıkış dalgalanması
ΔVo = 1,5·0,4/(50·10³·47·10⁻⁶) = 255,3 mV
Cevap
ΔVo = 255,3 mV
11.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: Rth = 93,33 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 = 50·100/150 = 33,33 Ω
R₃∥R₄ = 100·150/250 = 60 Ω
Thévenin direnci
Rth = 93,33 Ω
Cevap
Rth = 93,33 Ω
12.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: σ = 120 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 = 4·0,00315/(10·2,1) = 0,0006
Gerilme
σ = 200·10³ MPa·0,0006 = 120 MPa
Cevap
σ = 120 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.
0’ları gruplayın
Her grup 2ᵏ hücrelik bir dikdörtgendir; kenardaki hücreler karşı kenardaki hücrelerin komşusudur.
(B + C)
(B′ + C′ + D)
(A + D)
(A + C)
(A′ + B + D′)
En küçük POS biçimi
F = (B + C)(B′ + C′ + D)(A + D)(A + C)(A′ + B + D′)
N = 5
Cevap
N = 5
14.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplar
Cevap: Q = 4
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.