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 = 80 olan bir NPN transistör, VCC = 18 V’tan gerilim bölücüyle kutuplanmıştır: VCC’den baza R₁ = 68 kΩ ve bazdan toprağa R₂ = 12 kΩ. Kolektör direnci RC = 1 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.
3,3 V’luk bir Zener regülatörünün 150 Ω’luk bir seri direnci var. Giriş 24 V’a kadar çıkabilir ve yük bağlantısı kesilebilir. Zener’in harcaması gereken en büyük gücü PZ,max bulun.
Vin,max = 24 VVZ = 3,3 VR = 150 Ω
PZ,max = mW
3.Op-amp devreleriOrta
Op-amp idealdir ve ±15 V ile beslenir; çıkışı ±14 V’ta doyuma ulaşır. Eviren yükselteç sinüs dalgasıyla sürülüyor. Çıkışın kırpılmadığı en büyük giriş genliği Vin,max (tepe değeri) değerini bulun.
R1 = 1 kΩRf = 47 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
4.Op-amp devreleriZor
Toplayıcı yükselteç, ±15 V ile beslenen ideal bir op-amp kullanır. Çıkış gerilimi Vout değerini bulun.
İdeal bir yükseltici dönüştürücü, 15 Ω’luk bir yük için 36 V’u 90 V’a çeviriyor. Ortalama bobin akımını (IL) bulun.
Vin = 36 VVo = 90 VR = 15 Ω
IL = A
10.DC–DC dönüştürücülerZor
İdeal bir alçaltıcı-yükseltici dönüştürücü, 2 Ω’luk bir yük için 50 kHz’te 12 V’u −4 V’a çeviriyor. Çıkış kondansatörü 47 µF’tır. Tepeden tepeye çıkış gerilimi dalgalanmasını (ΔVo) mV cinsinden bulun.
Vin = 12 VVo = −4 Vf = 50 kHzC = 47 µFR = 2 Ω
ΔVo = mV
11.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerlerOrta
Bir köprünün dört kolu 400 Ω’dur ve Vs = 12 V’tur. R₂ sensörü ΔR = 1,6 Ω artıyor. Küçük değişim yaklaşımını kullanarak çıkışı (Vab) mV cinsinden bulun.
Vs = 12 VR = 400 ΩΔR = 1,6 Ω
Vab = mV
12.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerlerZor
E = 210 GPa olan bir elemanın üzerindeki bir gerinim ölçer (GF = 2), 3 V ile uyarılan bir çeyrek köprü oluşturuyor. Çıkış 1,125 mV okunuyor. Eksenel gerilmeyi (σ) MPa cinsinden bulun.
Vs = 3 VGF = 2Vo = 1,125 mVE = 210 GPa
σ = MPa
13.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplarOrta
F = A′B′C′ + A′B + A′B′C fonksiyonunu en küçük çarpımlar toplamı biçimine sadeleştirin. Sadeleştirilmiş ifade kaç literal (L) içerir?
F = A′B′C′ + A′B + A′B′C
L =
14.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplarZor
Eşzamanlı bir onluk (mod-10) sayıcı 0, 1, …, 9 sayar ve sonra 0’a döner. 8 değerinden başlar. 31 saat darbesinden sonra hangi sayıyı, Q, (ondalık olarak) gösterir?
Q0 = 831N = 10
Q =
3Çözeltiler
1.Diyotlar ve transistörler
Cevap: IC = 1,215 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 = 18·12/(68 + 12) = 2,7 V
RTH = 68·12/(68 + 12) = 10,2 kΩ
Baz akımı
Baz çevresinde KGY; emetör akımı (β + 1)·IB’dir.
IB = (2,7 − 0,7)/(10,2 + 81·1,5) = 15,19 µA
Kolektör akımı
IC = 80·15,19 µA = 1,215 mA
IE = 81·15,19 µA = 1,23 mA
Cevap
IC = 1,215 mA
2.Diyotlar ve transistörler
Cevap: PZ,max = 455,4 mW
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 Zener akımı
IZ = 20,7/150 = 138 mA
Zener gücü
PZ = 3,3·138 = 455,4 mW
Cevap
PZ,max = 455,4 mW
3.Op-amp devreleri
Cevap: Vin,max = 0,2979 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 = 47/1 = 47
Kırpılmadan önceki en büyük giriş
Vin,max = Vsat/|Av| = 14/47 = 0,2979 V
Cevap
Vin,max = 0,2979 V
4.Op-amp devreleri
Cevap: Vout = −0,2364 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 = 1,5/100 = 0,015 mA
I2 = V2/R2 = −0,2/47 = −0,004255 mA
If = I1 + I2 = 0,01074 mA
Çıkış gerilimi
Vout = −Rf·If = −22·0,01074 = −0,2364 V
Cevap
Vout = −0,2364 V
5.RC ve RL geçici rejim
Cevap: W = 48,39 mJ
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 = 47 mH / 5 Ω = 9,4 ms
i(∞) = Vs/R = 9/5 = 1,8 A
Verilen andaki akım
i(t) = 1,8·(1 − e−15/9,4) = 1,435 A
Depolanan enerji
W = ½·L·i² = ½·47·1,435² = 48,39 mJ
Cevap
W = 48,39 mJ
6.RC ve RL geçici rejim
Cevap: vC = 16,97 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.
Başlangıç değeri, son değer, zaman sabiti
Kondansatör gerilimi sıçrayamaz; bu yüzden depolanan değerden başlar ve kaynak gerilimine yönelir.
vC(0) = 8 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 22 µF = 72,6 ms
vC(t) = 20 + (8 − 20)·e−t/τ
Verilen andaki gerilim
vC(100) = 20 + (−12)·e−100/72,6 = 16,97 V
Cevap
vC = 16,97 V
7.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR1 = 1,256 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 = 10·19/(10+19) = 6,552 Ω
Req = R1 + 6,552 = 3 + 6,552 = 9,552 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 12/9,552 = 1,256 A
Cevap
IR1 = 1,256 A
8.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR1 = 1,009 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 = 10 + 15 = 25 Ω
R4 ∥ 25 = 4,167 Ω
R3 + 4,167 = 16,17 Ω
R2 ∥ 16,17 = 6,888 Ω
Req = R1 + 6,888 = 5 + 6,888 = 11,89 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 12/11,89 = 1,009 A
Cevap
IR1 = 1,009 A
9.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: IL = 15 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 − 36/90 = 0,6
Yük akımı
Io = 90/15 = 6 A
Bobin akımı
IL = Io/(1 − D) = 6/0,4 = 15 A
Cevap
IL = 15 A
10.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: ΔVo = 212,8 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 = 4/(12 + 4) = 0,25
Yük akımı
Io = 4/2 = 2 A
Çıkış dalgalanması
ΔVo = 2·0,25/(50·10³·47·10⁻⁶) = 212,8 mV
Cevap
ΔVo = 212,8 mV
11.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: Vab = 12 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.
Bağıl değişim
ΔR/R = 1,6/400 = 0,004
Doğrusallaştırılmış çıkış
Vab ≈ 12·0,004/4 = 12 mV
Cevap
Vab = 12 mV
Kesin değer 11,98 mV’tur; ΔR/R küçük olduğu sürece yaklaşım iyidir.
12.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: σ = 157,5 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 = 4·0,001125/(3·2) = 0,00075
Gerilme
σ = 210·10³ MPa·0,00075 = 157,5 MPa
Cevap
σ = 157,5 MPa
13.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplar
Cevap: L = 1
Boole cebiri: ifadeleri sadeleştiren kurallar X + X′ = 1 ve X·X′ = 0, X + X = X, soğurma X + X·Y = X, birleştirme kuralı X·Y + X·Y′ = X, X + X′Y = X + Y ve uzlaşma teoremi XY + X′Z + YZ = XY + X′Z’dir. De Morgan yasaları (X·Y)′ ifadesini X′ + Y′’ye ve (X + Y)′ ifadesini X′·Y′’ye çevirir. Bir Karnaugh haritası bu kuralları grafik olarak uygular: iki komşu hücrelik her grup, XY + XY′ = X kuralının bir kullanımıdır.
İfadenin minterimleri
A′B′C′ → m(0)
A′B → m(2, 3)
A′B′C → m(1)
Gruplayın ve okuyun
F = A′
Literalleri sayın
L = 1
Cevap
L = 1
14.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplar
Cevap: Q = 9
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.