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
6,2 V’luk bir Zener regülatörü 470 Ω üzerinden 15 V’tan besleniyor ve 1500 Ω’luk bir yükü besliyor. Zener akımını IZ bulun.
Vin = 15 VVZ = 6,2 VR = 470 ΩRL = 1500 Ω
IZ = mA
2.Diyotlar ve transistörlerZor
5,1 V’luk bir Zener regülatörü bir yüke en çok 40 mA sağlamak zorundadır. Giriş 24 V’a kadar düşebilir ve Zener’in regülasyon yapması için en az 2 mA gerekir. Regülasyonu sürdüren en büyük seri direnci Rmax bulun.
Op-amp idealdir ve ±15 V ile beslenir; çıkışı ±12 V’ta doyuma ulaşır. Evirmeyen yükselteç sinüs dalgasıyla sürülüyor. Çıkışın kırpılmadığı en büyük giriş genliği Vin,max (tepe değeri) değerini bulun.
R1 = 1 kΩRf = 22 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
4.Op-amp devreleriZor
İntegral alıcı, ±15 V ile beslenen ideal bir op-amp kullanır; çıkışı ±13 V’ta doyuma ulaşır. t = 0’da sabit bir Vin = 2,9 V girişi uygulandığında kondansatör yüksüzdür. t = 10 ms anında çıkış gerilimi Vout değerini bulun.
Vₛ kaynağı kondansatörü R₁ üzerinden doldurur ve R₂, C’ye paralel bağlıdır. Anahtar t = 0’da kapandığında kondansatör boştur. t = 30 ms anında kondansatör gerilimi vC değerini bulun.
Vs = 12 VR1 = 3,3 kΩR2 = 4,7 kΩC = 47 µFt = 30 ms
vC = V
6.RC ve RL geçici rejimZor
Anahtar t = 0’da kapanmadan hemen önce kondansatörde gösterilen polaritede 24 V vardır. t = 300 ms anında kondansatör gerilimi vC değerini bulun.
Vs = 5 VR = 2,2 kΩC = 68 µFvC(0) = 24 Vt = 300 ms
vC = V
7.Seri ve paralel dirençlerOrta
R2 üzerinden geçen IR2 akımını bulun.
V1 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 ΩR4 = 3 Ω
IR2 = A
8.Seri ve paralel dirençlerZor
V1 kaynağının gördüğü eşdeğer direnç Req değerini bulun.
Bir alçaltıcı dönüştürücü, 10 Ω’luk bir yük için 24 V’u 18 V’a çeviriyor. 200 kHz’te, L = 22 µH ile anahtarlanıyor. Tepe bobin akımını (Imax) bulun.
Vin = 24 VVo = 18 Vf = 200 kHzL = 22 µHR = 10 Ω
Imax = A
10.DC–DC dönüştürücülerZor
Bir alçaltıcı dönüştürücü, 100 kHz’te ve L = 68 µH ile 36 V’u 18 V’a çeviriyor. Sürekli iletimde kalabildiği en küçük yük akımını (Io,min) bulun.
Vin = 36 VVo = 18 Vf = 100 kHzL = 68 µH
Io,min = A
11.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerlerOrta
Gösterilen köprünün a ve b çıkış uçlarından görülen Thévenin direncini (Rth) bulun.
Vs = 12 VR1 = 500 ΩR2 = 200 ΩR3 = 10 ΩR4 = 40 Ω
Rth = Ω
12.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerlerZor
E = 200 GPa olan bir elemanın üzerindeki bir gerinim ölçer (GF = 2), 10 V ile uyarılan bir çeyrek köprü oluşturuyor. Çıkış 6 mV okunuyor. Eksenel gerilmeyi (σ) MPa cinsinden bulun.
Vs = 10 VGF = 2Vo = 6 mVE = 200 GPa
σ = MPa
13.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplarOrta
F(A, B, C) = Σm(1, 3, 6) fonksiyonunun en küçük toplamlar çarpımı (POS) biçimini bulmak için Karnaugh haritasını kullanın. Kaç toplam terimi (çarpan) (N) vardır?
F(A, B, C) = Σm(1, 3, 6)
N =
14.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplarZor
Bir 4 bitlik ikilik aşağı sayıcı, 10 (ondalık, Q = 1010) değerinden başlar. 37 saat darbesinden sonra hangi sayıyı, Q, (ondalık olarak) gösterir?
Q0 = 1037n = 4
Q =
3Çözeltiler
1.Diyotlar ve transistörler
Cevap: IZ = 14,59 mA
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.
Direnç akımı
IR = 8,8/470 = 18,72 mA
Yük akımı
IL = 6,2/1500 = 4,133 mA
Zener akımı
IZ = 18,72 − 4,133 = 14,59 mA
Cevap
IZ = 14,59 mA
2.Diyotlar ve transistörler
Cevap: Rmax = 450 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 = 40 + 2 = 42 mA
En büyük direnç
Rmax = 18,9/0,042 = 450 Ω
Cevap
Rmax = 450 Ω
3.Op-amp devreleri
Cevap: Vin,max = 0,5217 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 = 1 + Rf/R1 = 1 + 22/1 = 23
Kırpılmadan önceki en büyük giriş
Vin,max = Vsat/|Av| = 12/23 = 0,5217 V
Cevap
Vin,max = 0,5217 V
4.Op-amp devreleri
Cevap: Vout = −2,805 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 akımı ve değişim hızı
kΩ çarpı µF milisaniye verir.
RC = 2,2 kΩ · 4,7 µF = 10,34 ms
değişim hızı = −Vin/(RC) = −2,9/10,34 = −0,2805 V/ms
Verilen andaki çıkış
İdeal değer ±Vsat içindedir, bu yüzden integral alıcı henüz kırpılmamıştır.
Vout = −Vin·t/(RC) = −2,9·10/10,34 = −2,805 V
Cevap
Vout = −2,805 V
5.RC ve RL geçici rejim
Cevap: vC = 1,978 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 = 3,3·4,7/(3,3 + 4,7) = 1,939 kΩ
vC(∞) = 12·4,7/(3,3 + 4,7) = 7,05 V
Zaman sabiti
τ = Rth·C = 1,939·47 = 91,12 ms
Şarj eğrisi
vC(t) = 7,05·(1 − e−30/91,12) = 1,978 V
Cevap
vC = 1,978 V
6.RC ve RL geçici rejim
Cevap: vC = 7,558 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) = 24 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 68 µF = 149,6 ms
vC(t) = 5 + (24 − 5)·e−t/τ
Verilen andaki gerilim
vC(300) = 5 + (19)·e−300/149,6 = 7,558 V
Cevap
vC = 7,558 V
7.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR2 = 1,811 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 = 20 + 3 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 12·23/(12+23) = 7,886 Ω
Req = R1 + 7,886 = 3 + 7,886 = 10,89 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 30/10,89 = 2,756 A
R₂’den geçen akım
A düğümündeki gerilimi bulmak için R₁ üzerindeki düşümü çıkarın; bu, R₂ üzerindeki gerilimdir.
VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 2,756·3 = 21,73 V
IR2 = VA/R2 = 21,73/12 = 1,811 A
Cevap
IR2 = 1,811 A
8.Seri ve paralel dirençler
Cevap: Req = 19,71 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 = 10 + 6 = 16 Ω
R4 ∥ 16 = 6,857 Ω
R3 + 6,857 = 18,86 Ω
R2 ∥ 18,86 = 9,706 Ω
Req = R1 + 9,706 = 10 + 9,706 = 19,71 Ω
Cevap
Req = 19,71 Ω
9.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: Imax = 2,311 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 = 18/24 = 0,75
Ortalama ve dalgalanma akımı
Io = 18/10 = 1,8 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 6·0,75/(22·10⁻⁶·200·10³) = 1,023 A
Tepe akım
Imax = 1,8 + 1,023/2 = 2,311 A
Cevap
Imax = 2,311 A
10.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: Io,min = 0,6618 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 = 18/36 = 0,5
Dalgalanma akımı
ΔIL = 18·0,5/(68·10⁻⁶·100·10³) = 1,324 A
Sınır yük akımı
Io,min = ΔIL/2 = 0,6618 A
Cevap
Io,min = 0,6618 A
Bu akımın altında dönüştürücü süreksiz iletime girer ve Vo, D·Vin değerinin üzerine çıkar.
11.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: Rth = 150,9 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 = 500·200/700 = 142,9 Ω
R₃∥R₄ = 10·40/50 = 8 Ω
Thévenin direnci
Rth = 150,9 Ω
Cevap
Rth = 150,9 Ω
12.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: σ = 240 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 = 4·0,006/(10·2) = 0,0012
Gerilme
σ = 200·10³ MPa·0,0012 = 240 MPa
Cevap
σ = 240 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.
0’ları gruplayın
Her grup 2ᵏ hücrelik bir dikdörtgendir; kenardaki hücreler karşı kenardaki hücrelerin komşusudur.
(B + C)
(A + C)
(A′ + C′)
En küçük POS biçimi
F = (B + C)(A + C)(A′ + C′)
N = 3
Cevap
N = 3
Aynı büyüklükte başka bir gruplama da vardır; terim ve literal sayısı aynıdır.
14.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplar
Cevap: Q = 5
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.