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 680 Ω üzerinden 24 V’tan besleniyor ve 1500 Ω’luk bir yükü besliyor. Zener akımını IZ bulun.
Vin = 24 VVZ = 6,2 VR = 680 ΩRL = 1500 Ω
IZ = mA
2.Diyotlar ve transistörlerZor
β = 200 olan bir NPN transistör, VCC = 12 V ile kolektörü arasına bağlı 1 kΩ değerindeki bir yük direncini anahtarlıyor. Emetör topraklıdır. Baz, 5 V’luk bir lojik çıkıştan RB baz direnci üzerinden sürülüyor. VBE = 0,7 V ve VCE(sat) = 0,2 V alın. Transistörü tam doyuma sürmeye hâlâ yeten en büyük baz direnci RB değerini kΩ cinsinden bulun.
Op-amp idealdir ve ±15 V ile beslenir; çıkışı ±13 V’ta doyuma ulaşır. Evirmeyen yükselteç sinüs dalgasıyla sürülüyor. Çıkışın kırpılmadığı en büyük giriş genliği Vin,max (tepe değeri) değerini bulun.
R1 = 47 kΩRf = 100 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
4.Op-amp devreleriZor
Op-amp idealdir ve ±15 V ile beslenir. Direnç oranları eşleşmiyor. Çıkış gerilimi Vout değerini bulun.
Bobin 3 A’lik sabit bir akım taşıyor. t = 0’da anahtar devreyi R üzerinden kapatır ve kaynak çıkarılır, böylece bobin akımı R üzerinden azalır. t = 5 ms anında R üzerindeki gerilim vR değerini bulun.
i(0) = 3 AR = 15 ΩL = 33 mHt = 5 ms
vR = V
6.RC ve RL geçici rejimZor
Anahtar t = 0’da kapanmadan hemen önce kondansatörde gösterilen polaritede 20 V vardır. vC değerinin 22,4 V’a ulaşması ne kadar sürer? t değerini bulun.
Vs = 24 VR = 1 kΩC = 100 µFvC(0) = 20 V
t = ms
7.Seri ve paralel dirençlerOrta
V1 kaynağının gördüğü eşdeğer direnç Req değerini bulun.
V1 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 ΩR4 = 15 Ω
Req = Ω
8.Seri ve paralel dirençlerZor
V1 kaynağının gördüğü eşdeğer direnç Req değerini bulun.
İdeal bir yükseltici dönüştürücü, 500 kHz’te ve L = 150 µH ile 15 V’u 30 V’a çeviriyor. Bobin dalgalanma akımının tepeden tepeye değerini (ΔIL) bulun.
Vin = 15 VVo = 30 Vf = 500 kHzL = 150 µH
ΔIL = A
10.DC–DC dönüştürücülerZor
İdeal bir yükseltici dönüştürücü, 2 Ω’luk bir yük için 40 kHz’te 15 V’u 30 V’a çeviriyor. Çıkış kondansatörü 47 µF’tır. Tepeden tepeye çıkış gerilimi dalgalanmasını (ΔVo) mV cinsinden bulun.
Vin = 15 VVo = 30 Vf = 40 kHzC = 47 µFR = 2 Ω
ΔVo = mV
11.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerlerOrta
Bir köprünün dört kolu 150 Ω’dur ve Vs = 10 V’tur. R₂ sensörü ΔR = 0,75 Ω artıyor. Küçük değişim yaklaşımını kullanarak çıkışı (Vab) mV cinsinden bulun.
Vs = 10 VR = 150 ΩΔR = 0,75 Ω
Vab = mV
12.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerlerZor
350 Ω kollu bir köprü 10 V ile uyarılıyor ve içinde tek etkin gerinim ölçer (çeyrek köprü) bulunuyor. Gerinim ölçer çarpanı 2, gerinim 500 µε’dir. Köprü çıkışını (Vo) mV cinsinden bulun.
Vs = 10 VGF = 2ε = 500 µε
Vo = mV
13.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplarOrta
F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 13) fonksiyonunun en küçük toplamlar çarpımı (POS) biçimini bulmak için Karnaugh haritasını kullanın. Kaç toplam terimi (çarpan) (N) vardır?
F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 13)
N =
14.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplarZor
4 bitlik bir halka sayıcı Q₃Q₂Q₁Q₀ 1010 değerinden başlar. Her saat kenarında bitler bir yer sağa kayar (Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀) ve Q₃, Q₀’ı alır. 5 saat kenarından sonra durumu, Q = Q₃Q₂Q₁Q₀, ondalık sayı olarak verin.
Q₃Q₂Q₁Q₀ = 10105
Q =
3Çözeltiler
1.Diyotlar ve transistörler
Cevap: IZ = 22,04 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 = 17,8/680 = 26,18 mA
Yük akımı
IL = 6,2/1500 = 4,133 mA
Zener akımı
IZ = 26,18 − 4,133 = 22,04 mA
Cevap
IZ = 22,04 mA
2.Diyotlar ve transistörler
Cevap: RB = 72,88 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) = (12 − 0,2)/1000 = 11,8 mA
En küçük baz akımı
IB(min) = IC(sat)/β = 11,8/200 = 59 µA
Baz direnci
RB = (5 − 0,7)/IB = 4,3 V/0,059 mA = 72,88 kΩ
Cevap
RB = 72,88 kΩ
Daha küçük herhangi bir baz direnci de transistörü doyuma sokar; uygulamada birkaç kat daha küçük bir direnç seçilir.
3.Op-amp devreleri
Cevap: Vin,max = 4,156 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 + 100/47 = 3,128
Kırpılmadan önceki en büyük giriş
Vin,max = Vsat/|Av| = 13/3,128 = 4,156 V
Cevap
Vin,max = 4,156 V
4.Op-amp devreleri
Cevap: Vout = 1,214 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) = 1,6·47/(10 + 47) = 1,319 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 = 33 mH / 15 Ω = 2,2 ms
Akımın azalması
i(t) = 3·e−5/2,2 = 0,3091 A
vR = R·i = 15·0,3091 = 4,636 V
Cevap
vR = 4,636 V
6.RC ve RL geçici rejim
Cevap: t = 91,63 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
Kondansatör gerilimi sıçrayamaz; bu yüzden depolanan değerden başlar ve kaynak gerilimine yönelir.
t = τ·ln((20 − 24)/(22,4 − 24)) = 100·ln(2,5) = 91,63 ms
Cevap
t = 91,63 ms
7.Seri ve paralel dirençler
Cevap: Req = 22,76 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.
R3 + R4 = 20 + 15 = 35 Ω
R2 ∥ 35 = 3·35/(3+35) = 2,763 Ω
Req = R1 + 2,763 = 20 + 2,763 = 22,76 Ω
Cevap
Req = 22,76 Ω
8.Seri ve paralel dirençler
Cevap: Req = 22,6 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 = 30 + 5 = 35 Ω
R4 ∥ 35 = 16,15 Ω
R3 + 16,15 = 36,15 Ω
R2 ∥ 36,15 = 10,6 Ω
Req = R1 + 10,6 = 12 + 10,6 = 22,6 Ω
Cevap
Req = 22,6 Ω
9.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: ΔIL = 0,1 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 − 15/30 = 0,5
İletim süresinde bobin gerilimi
S iletimdeyken bobin doğrudan Vin uçlarındadır.
VL = 15 V
Dalgalanma akımı
ΔIL = VL·D/(L·f) = 15·0,5/(150·10⁻⁶·500·10³) = 0,1 A
Cevap
ΔIL = 0,1 A
10.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: ΔVo = 3989 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 = 1 − 15/30 = 0,5
Yük akımı
Io = 30/2 = 15 A
Çıkış dalgalanması
ΔVo = 15·0,5/(40·10³·47·10⁻⁶) = 3989 mV
Cevap
ΔVo = 3989 mV
11.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: Vab = 12,5 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 = 0,75/150 = 0,005
Doğrusallaştırılmış çıkış
Vab ≈ 10·0,005/4 = 12,5 mV
Cevap
Vab = 12,5 mV
Kesin değer 12,47 mV’tur; ΔR/R küçük olduğu sürece yaklaşım iyidir.
12.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: Vo = 2,5 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 = 2·500·10⁻⁶ = 0,001
Köprü çıkışı
Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 10·0,001/4 = 2,5 mV
Cevap
Vo = 2,5 mV
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 + D)
(A′ + D)
(A′ + C′)
En küçük POS biçimi
F = (B + C + D)(A′ + D)(A′ + C′)
N = 3
Cevap
N = 3
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.