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
4 kırmızı LED’ler (her birinin iletim gerilimi 2 V), bir dirençle seri olarak 12 V’luk bir kaynağa bağlı. Akımı 15 mA yapan direnci R bulun.
Vs = 12 VVF = 2 Vn = 4I = 15 mA
R = Ω
2.Diyotlar ve transistörlerZor
β = 50 olan bir NPN transistör, VCC = 9 V ile kolektörü arasına bağlı 220 Ω değerindeki bir yük direncini anahtarlıyor. Emetör topraklıdır. Baz, 5 V’luk bir lojik çıkıştan RB = 3,3 kΩ baz direnci üzerinden sürülüyor. VBE = 0,7 V ve VCE(sat) = 0,2 V alın. Giriş yüksekteyken kolektör akımı IC değerini mA cinsinden bulun. Önce transistörün doyumda olup olmadığına karar verin.
Bu evirmeyen yükseltecin gerilim kazancını 8 yapan geri besleme direnci Rf değerini seçin.
R1 = 22 kΩAv = 8
Rf = kΩ
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. Toplam gerilim kazancı Av = Vout/Vin değerini bulun.
R1 = 1 kΩRf1 = 4,7 kΩR2 = 22 kΩRf2 = 47 kΩ
Av =
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 = 200 ms anında kondansatör gerilimi vC değerini bulun.
Vs = 9 VR1 = 2,2 kΩR2 = 6,8 kΩC = 220 µFt = 200 ms
vC = V
6.RC ve RL geçici rejimZor
Anahtar uzun süredir kapalıdır, bu yüzden devre kararlı hâldedir. t = 0’da anahtar açılır. t = 200 ms anında R2 üzerinden geçen i2 akımını bulun.
Vs = 12 VR1 = 6,8 kΩR2 = 2,2 kΩC = 47 µFt = 200 ms
i2 = mA
7.Seri ve paralel dirençlerOrta
Kaynağın verdiği ve R1 üzerinden geçen IR1 akımını bulun.
Bir alçaltıcı dönüştürücü, 2 Ω’luk bir yük için 24 V’u 6 V’a çeviriyor. 500 kHz’te, L = 47 µH ile anahtarlanıyor. Tepe bobin akımını (Imax) bulun.
Vin = 24 VVo = 6 Vf = 500 kHzL = 47 µHR = 2 Ω
Imax = A
10.DC–DC dönüştürücülerZor
İdeal bir alçaltıcı dönüştürücü, 5 Ω’luk bir yük için 200 kHz’te 24 V’u 16,8 V’a çeviriyor. Sürekli iletim için en küçük endüktansı (Lcrit) bulun.
Vin = 24 VVo = 16,8 Vf = 200 kHzR = 5 Ω
Lcrit = µH
11.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerlerOrta
Gösterilen köprünün a ve b çıkış uçlarından görülen Thévenin direncini (Rth) bulun.
Vs = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 800 ΩR3 = 80 ΩR4 = 100 Ω
Rth = Ω
12.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerlerZor
Gerinim ölçer çarpanı 2 olan 1000 Ω’luk bir gerinim ölçer çelik bir çubuğa yapıştırılmıştır. Yük altında direnci 0,8 Ω artıyor. Gerinimi (ε) mikrogerinim (µε) cinsinden bulun.
R = 1000 ΩGF = 2ΔR = 0,8 Ω
ε = µε
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 = 0, I₁ = C, I₂ = C, I₃ = C′’e bağlanmıştır. A, B ve C girişlerinin 8 birleşiminden kaçında F = 1 olur? N değerini bulun.
I₀ = 0I₁ = CI₂ = CI₃ = C′
N =
14.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplarZor
Bir mod-12 sayıcı en az sayıda flip-flopla kurulmuştur. Olası durumlardan kaçı, U, hiç kullanılmaz?
N = 12
U =
3Çözeltiler
1.Diyotlar ve transistörler
Cevap: R = 266,7 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 = 12 − 4·2 = 4 V
Direnç
R = 4/0,015 = 266,7 Ω
Cevap
R = 266,7 Ω
Direnç 60 mW harcar.
2.Diyotlar ve transistörler
Cevap: IC = 40 mA
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.
Baz akımı
IB = (5 − 0,7)/3,3 kΩ = 1303 µA
Doyumda mı, aktif mi?
β·IB, IC(sat)’tan büyüktür, bu yüzden transistör doyuma girer.
β·IB = 65,15 mA
IC(sat) = (9 − 0,2)/220 = 40 mA
Kolektör akımı
IC = IC(sat) = 40 mA
Cevap
IC = 40 mA
Transistör doyumdadır.
3.Op-amp devreleri
Cevap: Rf = 154 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 = (8 − 1)·22 = 154 kΩ
Cevap
Rf = 154 kΩ
4.Op-amp devreleri
Cevap: Av = −14,74
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 + 47/22 = 3,136
Toplam kazanç
Av = A1·A2 = −4,7·3,136 = −14,74
Cevap
Av = −14,74
5.RC ve RL geçici rejim
Cevap: vC = 2,865 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 = 2,2·6,8/(2,2 + 6,8) = 1,662 kΩ
vC(∞) = 9·6,8/(2,2 + 6,8) = 6,8 V
Zaman sabiti
τ = Rth·C = 1,662·220 = 365,7 ms
Şarj eğrisi
vC(t) = 6,8·(1 − e−200/365,7) = 2,865 V
Cevap
vC = 2,865 V
6.RC ve RL geçici rejim
Cevap: i2 = 0,1927 mA
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) = 12·2,2/(6,8 + 2,2) = 2,933 V
Anahtar açıldıktan sonraki zaman sabiti
τ = R2·C = 2,2·47 = 103,4 ms
Boşalma
vC(t) = 2,933·e−200/103,4 = 0,424 V
i2 = vC/R2 = 0,424/2,2 = 0,1927 mA
Cevap
i2 = 0,1927 mA
7.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR1 = 1,565 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 = 10 + 12 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 2·22/(2+22) = 1,833 Ω
Req = R1 + 1,833 = 2 + 1,833 = 3,833 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 6/3,833 = 1,565 A
Cevap
IR1 = 1,565 A
8.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR2 = 0,1076 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 = 6 + 25 = 31 Ω
R4 ∥ 31 = 2,735 Ω
R3 + 2,735 = 8,735 Ω
R2 ∥ 8,735 = 5,52 Ω
Req = R1 + 5,52 = 15 + 5,52 = 20,52 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 6/20,52 = 0,2924 A
R₂’den geçen akım
A düğümündeki gerilimi bulmak için R₁ üzerindeki düşümü çıkarın; bu, R₂ üzerindeki gerilimdir.
VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,2924·15 = 1,614 V
IR2 = VA/R2 = 1,614/15 = 0,1076 A
Cevap
IR2 = 0,1076 A
9.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: Imax = 3,096 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 = 6/24 = 0,25
Ortalama ve dalgalanma akımı
Io = 6/2 = 3 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 18·0,25/(47·10⁻⁶·500·10³) = 0,1915 A
Tepe akım
Imax = 3 + 0,1915/2 = 3,096 A
Cevap
Imax = 3,096 A
10.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: Lcrit = 3,75 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 = 16,8/24 = 0,7
Sınır koşulu
Ortalama bobin akımını dalgalanma akımının yarısına eşitleyin ve L için çözün.
Lcrit = (1 − D)·R/(2f)
Kritik endüktans
Lcrit = (1 − 0,7)·5/(2200·10³) = 3,75 µH
Cevap
Lcrit = 3,75 µH
11.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: Rth = 63,96 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 = 20·800/820 = 19,51 Ω
R₃∥R₄ = 80·100/180 = 44,44 Ω
Thévenin direnci
Rth = 63,96 Ω
Cevap
Rth = 63,96 Ω
12.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: ε = 400 µε
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 = 0,8/1000 = 0,0008
Birim şekil değiştirme
ε = 0,0008/2 = 0,0004 = 400 µε
Cevap
ε = 400 µε
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′BC + AB′C + ABC′
F = 1 olan satırlar
ABC = 011, 101, 110
N = 3
Cevap
N = 3
14.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplar
Cevap: U = 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.