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
5 kırmızı LED’ler (her birinin iletim gerilimi 2 V), bir dirençle seri olarak 24 V’luk bir kaynağa bağlı. Akımı 15 mA yapan direnci R bulun.
Vs = 24 VVF = 2 Vn = 5I = 15 mA
R = Ω
2.Diyotlar ve transistörlerZor
β = 100 olan bir NPN transistör, VCC = 12 V ile kolektörü arasına bağlı 470 Ω değerindeki bir yük direncini anahtarlıyor. Emetör topraklıdır. Baz, 3,3 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.
Bu evirmeyen yükseltecin gerilim kazancını 8 yapan geri besleme direnci Rf değerini seçin.
R1 = 2 kΩAv = 8
Rf = kΩ
4.Op-amp devreleriZor
İntegral alıcı, ±15 V ile beslenen ideal bir op-amp kullanır; çıkışı ±12 V’ta doyuma ulaşır. t = 0’da sabit bir Vin = 2,8 V girişi uygulandığında kondansatör yüksüzdür. t = 500 ms anında çıkış gerilimi Vout değerini bulun.
Anahtar t = 0’da kapanmadan önce bobinden akım geçmez. t = 1 ms anında bobinde depolanan enerji W değerini mJ cinsinden bulun.
Vs = 9 VR = 22 ΩL = 10 mHt = 1 ms
W = mJ
6.RC ve RL geçici rejimZor
R2 üzerindeki anahtar uzun süredir açıktır, bu yüzden bobin akımı sabittir. t = 0’da anahtar kapanır ve R2 direncini kısa devre eder. t = 0’dan ne kadar sonra bobin akımı 0,779 A’e ulaşır? t değerini bulun.
Vs = 20 VR1 = 22 ΩR2 = 20 ΩL = 33 mH
t = ms
7.Seri ve paralel dirençlerOrta
V1 kaynağının gördüğü eşdeğer direnç Req değerini bulun.
V1 = 9 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 ΩR4 = 10 Ω
Req = Ω
8.Seri ve paralel dirençlerZor
Kaynağın verdiği ve R1 üzerinden geçen IR1 akımını bulun.
İdeal bir eviren alçaltıcı-yükseltici dönüştürücü, 250 kHz’te ve L = 47 µH ile 9 V’u −6 V’a çeviriyor. Bobin dalgalanma akımının tepeden tepeye değerini (ΔIL) bulun.
Vin = 9 VVo = −6 Vf = 250 kHzL = 47 µH
ΔIL = A
10.DC–DC dönüştürücülerZor
İdeal bir alçaltıcı dönüştürücü, 12 Ω’luk bir yük için 25 kHz’te 9 V’u 2,7 V’a çeviriyor. Sürekli iletim için en küçük endüktansı (Lcrit) bulun.
Vin = 9 VVo = 2,7 Vf = 25 kHzR = 12 Ω
Lcrit = µH
11.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerlerOrta
Bir köprünün dört kolu 300 Ω’dur ve Vs = 12 V’tur. R₂ sensörü ΔR = 2,4 Ω artıyor. Küçük değişim yaklaşımını kullanarak çıkışı (Vab) mV cinsinden bulun.
Vs = 12 VR = 300 ΩΔR = 2,4 Ω
Vab = mV
12.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerlerZor
Bir çeyrek köprü (tek etkin gerinim ölçer, GF = 2,1) 3 V ile uyarılıyor. Ölçülecek en büyük gerinim 600 µε’dir ve bir analog-sayısal dönüştürücünün girişinde 2,5 V vermelidir. Yükseltici kazancını (G) bulun.
Vs = 3 VGF = 2,1εmax = 600 µεVFS = 2,5 V
G =
13.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplarOrta
F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 4, 7, 9, 10, 11, 14, 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(0, 1, 4, 7, 9, 10, 11, 14, 15)
N =
14.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplarZor
F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 5, 6, 11, 12) + d(3, 14) fonksiyonunun en küçük SOP biçimini bulun; d fark etmez (don’t-care) durumlarını gösterir. Kaç literal (L) içerir?
F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 5, 6, 11, 12) + d(3, 14)
L =
3Çözeltiler
1.Diyotlar ve transistörler
Cevap: R = 933,3 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 = 24 − 5·2 = 14 V
Direnç
R = 14/0,015 = 933,3 Ω
Cevap
R = 933,3 Ω
Direnç 210 mW harcar.
2.Diyotlar ve transistörler
Cevap: RB = 10,36 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)/470 = 25,11 mA
En küçük baz akımı
IB(min) = IC(sat)/β = 25,11/100 = 251,1 µA
Baz direnci
RB = (3,3 − 0,7)/IB = 2,6 V/0,2511 mA = 10,36 kΩ
Cevap
RB = 10,36 kΩ
Daha küçük herhangi bir baz direnci de transistörü doyuma sokar; uygulamada birkaç kat daha küçük bir direnç seçilir.
3.Op-amp devreleri
Cevap: Rf = 14 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)·2 = 14 kΩ
Cevap
Rf = 14 kΩ
4.Op-amp devreleri
Cevap: Vout = −6,364 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 = 100 kΩ · 2,2 µF = 220 ms
değişim hızı = −Vin/(RC) = −2,8/220 = −0,01273 V/ms
Verilen andaki çıkış
İdeal değer ±Vsat içindedir, bu yüzden integral alıcı henüz kırpılmamıştır.
Vout = −Vin·t/(RC) = −2,8·500/220 = −6,364 V
Cevap
Vout = −6,364 V
5.RC ve RL geçici rejim
Cevap: W = 0,6616 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 = 10 mH / 22 Ω = 0,4545 ms
i(∞) = Vs/R = 9/22 = 0,4091 A
Verilen andaki akım
i(t) = 0,4091·(1 − e−1/0,4545) = 0,3638 A
Depolanan enerji
W = ½·L·i² = ½·10·0,3638² = 0,6616 mJ
Cevap
W = 0,6616 mJ
6.RC ve RL geçici rejim
Cevap: t = 1,803 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 iki direnç de devrededir; sonra kapalı anahtar R₂’yi devre dışı bırakır.
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 = 5 + 10 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 20·15/(20+15) = 8,571 Ω
Req = R1 + 8,571 = 5 + 8,571 = 13,57 Ω
Cevap
Req = 13,57 Ω
8.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR1 = 0,9303 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 = 2 + 15 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 6,296 Ω
R3 + 6,296 = 18,3 Ω
R2 ∥ 18,3 = 7,247 Ω
Req = R1 + 7,247 = 25 + 7,247 = 32,25 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 30/32,25 = 0,9303 A
Cevap
IR1 = 0,9303 A
9.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: ΔIL = 0,3064 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/(9 + 6) = 0,4
İletim süresinde bobin gerilimi
S iletimdeyken bobin doğrudan Vin uçlarındadır.
VL = 9 V
Dalgalanma akımı
ΔIL = VL·D/(L·f) = 9·0,4/(47·10⁻⁶·250·10³) = 0,3064 A
Cevap
ΔIL = 0,3064 A
10.DC–DC dönüştürücüler
Cevap: Lcrit = 168 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 = 2,7/9 = 0,3
Sınır koşulu
Ortalama bobin akımını dalgalanma akımının yarısına eşitleyin ve L için çözün.
Lcrit = (1 − D)·R/(2f)
Kritik endüktans
Lcrit = (1 − 0,3)·12/(225·10³) = 168 µH
Cevap
Lcrit = 168 µH
11.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: Vab = 24 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 = 2,4/300 = 0,008
Doğrusallaştırılmış çıkış
Vab ≈ 12·0,008/4 = 24 mV
Cevap
Vab = 24 mV
Kesin değer 23,9 mV’tur; ΔR/R küçük olduğu sürece yaklaşım iyidir.
12.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler
Cevap: G = 2646
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.
Tam ölçekte köprü çıkışı
Vo = 0,945 mV
Kazanç
G = 2,5/0,000945 = 2646
Cevap
G = 2646
13.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplar
Cevap: N = 4
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 + C′ + D)
(A′ + C + D)
(A + B + C′)
En küçük POS biçimi
F = (B′ + C + D′)(A + C′ + D)(A′ + C + D)(A + B + C′)
N = 4
Cevap
N = 4
14.Sayısal mantık: kapılar, K-haritaları ve flip-floplar
Cevap: L = 12
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.
Asal implikantlar
1’lerden ve X’lerden oluşturulabilen en büyük gruplar.