GİRİŞ
Enerji Sistemleri Mühendisliği, Elektrik-Elektronik Mühendisliği ve Makine Mühendisliğinin karma bir yapısından oluşan uygulamalı bir bilim dalıdır. Laboratuvar deneyleri, derslerde verilen teorik bilgilerin fiziksel ortamda nasıl uygulanacağını sistemli bir şekilde ortaya koyar. Bu yüzden Enerji Sistemleri Mühendisliği öğreniminde laboratuvar deneylerinin çok önemli bir yeri vardır.
Şekil 1. Elektrik-Elektronik laboratuvarı cihazları
Elektrik-Elektronik laboratuvarında III. dönemde verilen EMB-207 Temel Elektrik ve IV.
dönemde verilen EMB-208 Temel Elektronik derslerinin uygulamaları yapılacaktır. Elektrik- Elektronik laboratuvarı deneyleri genel olarak iki kısımdan oluşmaktadır:
1. Ele alınan devrenin teorik olarak çözülerek istenen niceliklerin hesaplanması 2. Devrenin board üzerine kurularak hesaplanan niceliklerin ölçülmesi
Yukarıda verilen 1. madde öğrenciler tarafından "ön çalışma" kapsamı içerisinde deneye gelmeden önce yapılıp hazırlanacaktır. Deneyleri bu şekilde gerçekleştiren öğrenciler, derste öğrendikleri analiz metotlarını gerçek devreler üzerinde tekrar etmiş olacaklar. 2. Madde ise deney sırasında uygulamalı olarak gerçekleştirilecektir.
LABORATUVAR KURALLARI
1. Laboratuvarlar programda belirtilen giriş ve çıkış saatlerine uygun olarak yapılır.
Deneylere 5 dakika ve daha fazla süre geç kalan öğrenciler deneye alınmaz.
2. Laboratuvara gelmeden önce öğrencilerin o gün yapacakları deneylere ait deney föyünü dikkatle okumaları ve deneyle ilgili teorik bilgileri çeşitli kaynaklardan öğrenmiş olmaları gerekir.
3. Deney föyünde istenilen “ön çalışma” deneye gelmeden önce öğrenci tarafından tamamlanmalıdır. Ön çalışmayı yapmayan öğrenci deneye alınmaz. Deney föyü olmadan gelen öğrenci deneye alınmaz.
4. Geçerli bir sebepten dolayı deneye katılamayan öğrenciler (durumlarını resmi olarak belgelemek koşuluyla) yarıyıl sonunda belirlenecek olan telafi haftasında bu deneyi yapacaklardır. Birden fazla deneye katılmayan öğrenci ancak bir deneyi telafi edebileceklerinden diğer deneylere girmemiş ve sıfır almış kabul edileceklerdir.
5. Öğrencinin gelmediği deneyden alacağı not sıfırdır.
6. Raporlar, deneyin yapıldığı tarihten bir hafta sonra deney saatinde teslim edilmelidir.
Teslim edilmeyen raporların notu sıfır olarak belirlenecektir.
7. Teslim zamanından daha geç getirilen raporlar değerlendirilmeyecektir.
GENEL BİLGİLER VE UYARILAR
1. Deneyin sorunsuz ilerleyebilmesi için öğrencilerin, deneyi yaptıran Araştırma Görevlilerinin tüm uyarı ve düzenlemelerine harfiyen uyması gerekmektedir.
2. Öğrenciler her masada iki kişi olacak şekilde gruplara ayrılacaktır. Grup arkadaşınızı seçme özgürlüğüne sahipsiniz. Diğer grupları rahatsız etmemek ve daha verimli bir çalışma ortamı sağlamak için laboratuvarda “ALÇAK SESLE” konuşmak zorunludur.
3. Cep telefonu, radyo, mp3 çalar gibi deney ölçümlerini etkileyebilecek veya başkalarını rahatsız edebilecek elektronik aletleri laboratuvar içinde kapalı tutunuz.
4. Çanta, mont vs. gibi eşyalarınızı deney masasının üzerine koymayınız.
5. Deney sırasında genel ahlak ve temizlik kurallarına uyulmaya özen gösterilmelidir. Deney masalarının veya ekipmanların üzerine hiçbir şekilde yazı yazmayınız.
6. Deney masasında yiyecek ve içecek bulundurulmamalıdır.
7. Deney sonunda deney masası toparlanmalı, ilgili elektrik bağlantıları kesilerek, tabureler ve masa düzenli bir biçimde bırakılmalıdır.
8. Devreleri kurarken ve devre üzerinde değişiklik yapılırken (eleman ekleme/çıkarma, bağlantı değiştirme) gerilim kaynağı mutlaka kapalı olmalıdır.
9. Devreye gerilim verilmeden önce yapılan bağlantıların doğruluğu kontrol edilmelidir.
10. Tüm devrelerin besleme ve toprak hatlarının doğru olarak bağlandığından ve besleme gerilimi ile toprak hattı arasında kısa devre oluşmayacağından emin olunmalıdır.
DENEY-1 ELEKTRİK-ELEKTRONİK LABORATUVARI VE CİHAZLARI TANIMA A. DENEYİN AMACI
Laboratuvar araçları hakkında genel bilgi edinmek. Elektrik devrelerindeki akım, gerilim, direnç gibi fiziksel büyüklüklerin ölçülmesi ve bu büyüklüklerin ölçülmesinde kullanılan ölçü aletlerini tanımak. Laboratuvarda uyulması gereken kuralları kavramak.
B. KULLANILACAK ARAÇ VE MALZEMELER 1. DC güç kaynağı 4. Sinyal Jeneratörü 2. El tipi multimetre 5. Protoboard 3. Osiloskop
C. DENEY İLE İLGİLİ ÖN BİLGİ Laboratuvarımız:
Elektronik Laboratuvarımız, 106 m² alana sahip olup 10 deney masasından oluşmakta ve 30 öğrencinin deney yapabilmesine imkan sağlamaktadır. Bu masalardan birinin genel görünümü Şekil 1’de verildiği gibidir.
Şekil 1. Elektrik-Elektronik Laboratuvarındaki bir deney masasının genel görünümü
Şekil 1’den de görüleceği gibi, bir laboratuvar masasında çeşitli cihazlar bulunmaktadır. Bu cihazlar genel olarak üç grup altında toplanabilir:
1. Güç Kaynakları: DC Güç Kaynağı, Sinyal Jeneratörü (AC güç kaynağı). Bu cihazlar laboratuvarda kurulan devrenin elektriksel olarak beslenmesinde kullanılırlar.
2. Ölçü Aletleri: El tipi multimetre, Osiloskop. Bu cihazlar, devrede bulunan herhangi bir eleman üzerindeki akım, gerilim ve direnç ölçümlerini gerçekleştirmek için kullanılırlar.
3. Protoboard: Üzerine devre kurulması için kullanılan bir düzenektir.
*** Laboratuvar çalışmasında önce protoboard üzerine gerekli elemanlar yerleştirilerek devre kurulur, sonra güç kaynağı bağlanarak devreye elektrik verilir. En sonunda da ölçü aletleri kullanılarak gerekli ölçümler yapılır.
DC GÜÇ KAYNAĞI
DC Güç Kaynağı, protoboard üzerine kurulacak devrelere elektrik beslemesi sağlamak amacıyla voltaj kaynağı olarak kullanacağımız cihazdır. Laboratuvarımızda Shanghai MCP Elektronik firmasının MCPSH M10-QR kodlu ürünü yer almaktadır.
1 2
8
7
6 3
5 4
Şekil 2. DC Güç Kaynağı
Laboratuvarımızda bulunan ve Şekil 2’de görülen MCP marka DC güç kaynağı temel olarak sekiz kısımdan oluşmaktadır:
1. I nolu ayarlı güç kaynağı, 2. II nolu ayarlı güç kaynağı,
3. Ayarlı kaynak seçim tuşları (bağımlı ya da bağımsız tuşu), 4. Sabit 5V’luk güç kaynağı ve kaynak çıkışı,
5. Ayarlı dc kaynak çıkışları (mavi negatif, kırmızı pozitif, GND toprak) 6. Çıkış sinyal anahtarı (çıkışı görebilmek için “on” durumda olmalı) 7. Açma Kapama tuşu
8. Dijital Ekran
Cihazımız iki ayarlı, bir sabit olmak üzere toplam üç tane kaynaktan oluşmaktadır. Her kaynağın değişik renklerde (mavi, kırmızı ve sarı) olmak üzere değişik sayıda çıkışları mevcuttur. Bu dönem yapılacak olan deneylerde pozitif olan kırmızı uç ve negatif olan mavi uç kullanılacaktır.
Şekil 2’de görülen DC Güç kaynağının I ve II nolu ayarlı kaynakları aslında birbirinin aynısı olup, her bir kaynak 0-30 V arası istenen değere ayarlanabilir voltaj üretirler. Her iki kaynak, kırmızı uç ile mavi uç arasında ayarlanan değerde potansiyel fark oluşturur. Şimdi, örneğin 8V’luk bir voltaj kaynağına ihtiyaç duyduğumuzu farz edelim. 8V’luk voltajı I veya II nolu ayarlı kaynaktan her hangi birini kullanarak kolayca oluşturabiliriz. Bunun için yapılması gereken adımlar şunlardır:
1. İlk başta Güç Kaynağının 3. kısmı olan ayarlı kaynak seçim tuşları kullanılarak kaynak seçimi yapılmalıdır. Bu kısım iki tuştan ibaret olup, I ve II nolu ayarlı kaynakların değişik bağlanma şekillerini ifade eder:
INDEP: Her iki tuş, basılı değil konumunda ise iki ayarlı kaynak birbirinden bağımsız çalışır. Yani elimizde iki farklı kaynak vardır ve birbirinden bağımsız değerlere ayarlanabilir (örneğin 3V ve 15V gibi).
SERIES: Soldaki tuş basılı konumda, sağdaki tuş basılı değil konumunda ise kaynaklar cihazın içinden birbirine seri bağlanır. Bu durumda ayarlamalar, 'master' olan 2. bölgedeki kaynaktan yapılabilir.
PARALLEL: Her iki tuş, basılı konumda ise iki kaynak birbirine paralel demektir. Bu durumda ayarlamalar, 'master' olan 2. bölgedeki kaynaktan yapılabilir.
2. Daha sonra seçili ayarlı kaynak tarafındaki “CURRENT” yazan akım ayar tuşu ile
“VOLTAGE” yazan voltaj ayar tuşları kullanılmalıdır. İlk durumda herhangi bir ayarlama yapılmadan üzerinde “C.C” yazan lamba kırmızı olarak yanarken, “C.V.” yazan lamba sönük durumdadır. Ekranda ise 0 V görülmelidir.
3. Kırmızı lamba yanıyorken voltaj ayar tuşu ile istenilen voltajı ayarlamak mümkün değildir.
Bu nedenle önce akım ayar tuşu sağa doğru az bir miktar çevrilerek, kırmızı lamba sönüp
“C.V.” lambası yeşil olarak yanıncaya kadar bir miktar akım verilmelidir. Yeşil lamba yandıktan sonra voltaj ayar tuşu ekranda 8 V görülene kadar sağa doğru çevrilir.
4. Ayarlı kaynağın kırmızı çıkışına kırmızı kablo ve mavi çıkışına siyah kablo bağlanarak, kabloların diğer uçları devrede ilgili yere bağlanarak, devre 8 V’luk gerilim ile beslenmiş olur.
Cihazımız bir voltaj kaynağı olduğu için, istenen voltaj değeri ayarlanabilir, ancak üretilen akımın üzerinde herhangi bir kontrol imkânı yoktur. Üretilen voltaj ve devredeki toplam direnç miktarıyla orantılı bir değerde akım üretilir. Bu güç kaynağından çekilebilecek akım miktarı maksimum 3 A’dir.
HATIRLATMA 1:
Eğer “C.C.” lambası yanıyorsa kaynak, istenen gerilimi üretemiyor anlamına gelir. Böyle bir durumda iki sorun olabilir:
1. İlk başta yeterince akım verilmemiştir.
Çözüm: Akım ayar tuşu sağa doğru az bir miktar çevrilerek gerekli akım sağlanır.
2. Akım yeterince verilmiş ancak “C.C.” lambası hala yanıyorsa, muhtemelen devremizde bir kısa devre vardır ve kaynaktan 3A’den fazla akım çekilme durumu vardır.
Çözüm: Güç kaynağı hemen kapatılır ve devredeki kısa devre problemi çözülür. Daha sonra tekrar güç kaynağı açılır.
HATIRLATMA 2:
Ayarlı kaynak seçim tuşlarını ne zaman kullanırım?
Eğer tek bir kaynağa ihtiyacım varsa ve 30 V/3 A yeterliyse, INDEP konumu ile tek bir ayarlı kaynağını kullanabilirim.
Eğer aynı anda iki farklı kaynağa ihtiyacım varsa, INDEP konumunda her iki ayarlı kaynağı bağımsız olarak kullanabilirim.
Değeri 30 V'tan daha fazla bir voltaj kaynağına veya ± 15V gibi simetrik iki voltaj kaynağına ihtiyacım varsa, SERIES konumu işimi görecektir. Bu durumda INDEP konumu yetersiz kalır.
3A'den daha fazla akım çekmek istiyorsam, PARALLEL konumunu kullanmalıyım.
Güç kaynağının 4. kısmı olan sabit voltaj kaynağı yalnızca 5V’luk voltaj üretir. Eğer 5V’luk bir kaynağa ihtiyacınız varsa, ayarlı kaynakları kullanarak 5V’u ayarlamak yerine doğrudan bu kaynağı kullanabilirsiniz.
Böylece, ayarlı kaynaklarda uygulanan adımlar uygulanmadan doğrudan kablolar kaynağın çıkışına bağlanarak 5V elde edilebilir olması bize kolaylık sağlayacaktır.
SİNYAL JENERATÖRÜ
Sinyal Jeneratörü, protoboard üzerine kurulacak devrelere istenilen frekansta ve genlikte sinüs, üçgen, kare ve rampa dalga şekilleri üretmeye yarayan cihazdır. Zamanla değişen (AC) gerilimleri ürettiğinden AC güç kaynağı olarak da düşünülebilir. Laboratuvarımızda GW Instek firmasının Goodwill SFG-1003 kodlu ürünü kullanılmaktadır.
Şekil 3. Sinyal Jeneratörü
Laboratuvarımızda bulunan ve Şekil 3’de görülen GW Instek marka Sinyal Jeneratörü’ne ait temel kısımlar aşağıdaki gibidir:
1. Açma kapama tuşu 2. Dijital Ekran
3. Frekans ayarı (manual)
4. Dalga şekli seçim butonu (üçgen, kare, sinüs, rampa, TTL ve CMOS çıkış) 5. Offset ayarı (DC ekleme)
6. Çıkış sinyali genlik ayarı 7. Sinyal çıkışları
8. Frekans giriş butonu (3 Mhz’e kadar giriş yapılabilir)
9. Çıkış sinyal anahtarı (çıkış alabilmek için “on” konumunda olmalı)
Cihazımız “TTL Output” (sadece kare dalga çıkış veren ve dijital devrelerde kullandığımız) ve “Output 50 Ω” (analog çıkış) olmak üzere iki çeşit sinyal üretebilmektedir. Laboratuvarda
farklı şekillerde, istenilen frekans ve genlikte analog çıkış alabildiğimiz “Output 50 Ω”
çıkışını daha fazla kullanacağız.
Şekil 4. Sinyal Jeneratörü çıkış kablosu
Sinyal Jeneratörü’nün “TTL” ya da “Output 50 Ω” çıkışına solda Şekil 4’te görülen kablo bağlanarak sinyal elde edilir ve protoboard üzerinde kurulan devreye verilir. Kablonun kırmızı ucu pozitif, siyah ucu negatif olarak görülür.
Shift butonuna basılarak frekans girişi yapılabilir, sinyal jeneratörü üstünde shift basılı iken 8, 9 ve 0 rakamları kullanılarak sırasıyla Mhz, Khz ve Hz seçimleri aktif edilebilir. Daha sonra yine rakamlar ve nokta kullanılarak istenilen frekans yazılabilir. 3 nolu manual frekans ayar butonu ise bize ince ayar yapmamızı sağlamaktadır, örneğin 53 Hz’lik bir sinyali ayarlarken bu butondan faydalanabiliriz.
Eğer sinüs bir sinyal alınacak ve bu sinyale DC bir gerilim eklenecekse bunu “offset”
butonunu kullanarak elde edebiliriz.
EL TİPİ MULTİMETRE
Multimetre (multi-çok, çoklu, metre-ölçüm), isminden de anlaşılacağı üzere elektriksel olarak çok çeşitli ölçümler yapabilen cihazlardır. Bir multimetre ile akım, voltaj, direnç, kapasite, vb.
gibi çok çeşitli elektriksel niceliklerin ölçümleri mümkündür.
İki çeşit multimetre vardır:
• El tipi multimetre
• Masa tipi multimetre
El tipi multimetreler taşınabilir olduklarından kullanımı en çok tercih edilen multimetrelerdir.
Laboratuarımızda, Şekil 5’te görüldüğü gibi GW Instek firmasının GDM-357 ürün kodlu dijital el tipi multimetreler mevcuttur.
1
2
3
4
Bu multimetrede işaretlenmiş kısımlar:
1. Açma/kapama tuşu 2. Ekran 3. Kademe tuşu 4. Çıkış uçları
Kademe tuşu multimetrenin en önemli işlevsel kısmıdır. Kademe tuşu dairesel bir şekilde hareket ederek, istenilen niceliğin seçimini sağlar. Bu nicelikler içinde en çok kullanılanları;
V :DC Voltaj V:AC Voltaj mV: mili Voltaj A: Akım (Amper) mA: Akım (miliamper) μA: Akım (mikroamper) Hz: AC Voltaj frekansı Ω: Direnç
mV, mA gibi seçenekler hem AC hem de DC ölçümlerde kullanılabilmekte olup ölçü aletinin ekranına bakarak, hangi modda olunduğu kolayca anlaşılabilir.
Multimetreyi ölçüm yapılacak devre elemanına bağlamak için ara eleman olarak “prob”
denilen kablolar çıkış uçlarına bağlanır. Bunun için cihazın dört tane çıkışı vardır. Ölçüm yaparken, siyah prob her zaman, “COM” çıkışına bağlanmalı, kırmızı prob ise ne ölçülmek isteniyorsa ona bağlanmalıdır: yani, amper düzeyinde akım ölçümü yapılacağı zaman amper düzeyindeki ölçümler için “10A”çıkışına; miliamper düzeyinde akım ölçümü yapılacağı zaman “mA” çıkışına bağlanmalıdır; direnç, gerilim veya kapasite ölçüleceği zaman ise “V”
çıkışına bağlanmalıdır.
HATIRLATMA 3: Multimetrelerde her ölçüm öncesi dikkat edilmesi gereken bir “üçlü kontrol kuralı” vardır:
Önce kademe tuşu ile uygun nicelik seçilir. Sonra, doğru niceliğin seçilip seçilmediği ekrandan kontrol edilir.
Sonunda, probların doğru çıkışa bağlanıp bağlanmadığına bakılır. Burada özellikle probların doğru çıkışa bağlanıp bağlanmadığı çok önemlidir. Örneğin, akım kademesi seçilip problar yanlışlıkla voltaj çıkışlarına bağlanırsa, bu durumda multimetrenin sigortası atabilir. Özellikle ardı ardına yapılan sürekli ve karışık nicelik ölçümlerinde, probların yerinin düzeltilmesi sıkça unutulmaktadır. Bu nedenle her ölçüm öncesi üçlü kontrol kuralını uygulamak olmazsa olmaz önceliğimizdir.
OSİLOSKOP
Osiloskop; DC ve AC her türlü sinyalin genliğini ve frekansını ölçebildiğimiz aynı zamanda dalga formunu da görüntüleyebildiğimiz ölçüm cihazıdır. Laboratuvarımızda Şekil 6’da görüldüğü üzere GW-Instek firmasının üretmiş olduğu Goodwill GDS 1052-U kodlu ürünü kullanmaktayız.
Osiloskop zamana bağlı olarak gerilimi (V/t) okumaya yarayan ve kullanımı basit bir cihazdır.
Burada zaman (t) X-ekseninde yer almakta olup, gerilim(V) Y-ekseninde yer almaktadır.
Osiloskop ekranını incelediğimizde yatayda 10, düşeyde 8 eşit kareden oluştuğunu ve genellikle bu karelerin her birinin 1 cm uzunluğunda olduğunu görebiliriz.
Osiloskopta 2 farklı kanal bulunmakta olup, aynı anda ikisini de görebilme şansımız vardır.
öylece bir devrenin giriş ve çıkışını aynı anda gözlemleyebilmekteyiz. Sinyal çıkışlarını
“CH1” ve “CH2” yazan yerlere problarımızı bağlayarak elde edebiliriz. Osiloskopu kalibre etmek için ise “EXT TRIG” çıkışını kullanırız. Probumuzu “EXT TRIG” çıkışına takıp kırmızı ucu da şekil 7’deki gibi tepeden tepeye 2V kare dalga görebileceğimiz kalibrasyon çıkışına bağlarsak şekil 7’deki gibi sinyal elde ederiz.
Şekil 7’de volts/div 0.5 V olarak ayarlanmıştır. Eğer volts/div ayarını değiştirerek ekranda gördüğümüz şekil değişir fakat sonuç etkilenmez. Örneğin, volts/div 0.5 V iken Y eksenindeki boy 4 kare olduğundan gerilim 2 V’tu. Eğer volts/div 1 V olarak ayarlanırsa Y eksenindeki sinyali toplam 2 karede görebileceğiz. Volts/div sekmesindeki değer Y eksenindeki her kareye düşen miktarı göstermektedir.
Şekil 7. Osiloskop EXT TRIG çıkışı ile kalibrasyon
Time/div ayarı, X ekseninde görüntülediğimiz zamanı ve dolayısıyla frekansı etkilemektedir.Burada ekrandaki şekli X-Pos ve Y-Pos butonlarını kullanarak sağa sola veya aşağı yukarı hareket ettirme imkânımız vardır. Böylece görüntümüz simetrik olur ve osiloskopu tam anlamıyla kalibre etmiş oluruz. Osiloskopu kalibre ettikten sonra devre analizlerinde rahatlıkla kullanabiliriz. Devreye bağlar bağlamaz “Autoset” tuşuna basarsak
bize sinyali otomatik olarak ekranda verir, daha sonra bu sinyali daha net görmek istiyorsak volts/div ve time/div ayarlarını kullanarak optimizasyon yaparız. Eğer sinyalin frekansı çok yüksekse ve sinyal görmemizi zorlaştıracak şekilde hızlı olarak ekranda hareket ediyorsa
“Run/Stop” butonu ile sinyali durdurup analiz edebiliriz.
Osiloskopta ayarlamak istediğimiz sinyal hangi kanala bağlı ise ayarları o kanalda yapmalıyız.Sarı renkli CH1 ve mavi renkli CH2 ile kanal seçimlerini aktif ya da deaktif edebiliriz.
Osiloskopta ekranda “AC Coupling” seçersek sinyalin sadece AC bileşenini görüntüler ve DC bileşenleri elemiş oluruz, “DC Coupling” seçersek sinyalin gerçek halini yani hem AC hem de DC bileşenlerini görüntüleriz; “GND” seçeneğinde ise sinyalden bağımsız olarak toprağı görüntüleyebiliriz – bu seçenek osiloskopun kalibre olup olmadığını da bize gösterir burada işaretçimiz sıfır çizgisinde olmalıdır.
Osiloskopta “X-Y modu” seçmeniz durumunda CH1 ve CH2 kanallarına bağladığınız sinyallerin birbirlerine göre davranış karakteristiğini çıkarabilir ve inceleyebilirsiniz – özellikte çıkış/giriş karakteristiğini merak ettiğimizde başvurabileceğimiz bir seçenektir.
Osiloskop ekranının hemen sağında fonksiyon tuşları mevcut olup burada sinyalin tersini alabilir, yükseliş zamanı, max./min. değerlerini, frekansını ve rms değerini hesaplatabilirsiniz.
PROTOBOARD
Protoboard, laboratuvar ortamında kolay devre kurmak amacıyla kullanılan bir elemandır.
Şekil 8’de görülen protoboard üzerinde, dirençlerin bacaklarının yerleştirilmesi için oluşturulmuş çok sayıda nokta şeklinde yuva mevcuttur. Protoboard üzerindeki her bir yuvaya yalnızca bir direnç bacağı bağlanır. Bu yuvalar birbirlerinden tamamen bağımsız olmayıp, kendi aralarında gruplar halinde -protoboardın iç kısmında- kısa devre edilmişlerdir.
Yuvaların birbirinden bağımsız olmayıp bu şekilde bağlantı kurulmasının en önemli avantajı, iki veya daha fazla direncin uçlarını birbirine bağlamada sağladığı kolaylıktır.
Şekil 8. Protoboard
Protoboard’ı Nasıl Kullanmalıyım?
Protoboard kullanılırken dikkat edilmesi gereken en önemli nokta, direncin uçlarını aynı bağlantı üzerine getirmemektir. Eğer getirilirse, direnç kısa devre edilmiş ve sanki protoboarda hiç bağlanmamış gibi olur. O halde direncin uçlarını farklı bağlantılar üzerine yerleştirmek en doğru kullanım şekli olacaktır.
Şekil 9. Protoboard üzerindeki direnç bağlantıları
HATIRLATMA 4: Herhangi bir devre elemanının uçları düz bir telin uçlarına bağlanırsa, eleman kısa devre olur ve hiçbir elektriksel özellik sergilemez.
HATIRLATMA 5: Protoboard üzerinde devre kurarken, elemanları kağıt üzerindeki devre düzenine göre yerleştirmek çok önemlidir. Bu, bize ileride devreye tekrar baktığımızda veya bir başkası devremize baktığında elemanların yerini bulmakta kolaylık sağlayacaktır. Özellikle karmaşık devrelerde bu yerleşim düzeninin önemi çok büyüktür. Eğer bu düzen verilmezse devredeki arızaların tespitinde zorluklar yaşanması büyük olasılıktır.
Örnek: Aşağıdaki devreyi protoboard üzerine kurunuz.
Protoboard üzerine devre kurulurken yukarıdaki açıklamalara uygun olarak, dirençler şemada verilen aynı düzende protoboard üzerine yerleştirilir (yani yatay direnç yatay bir şekilde ve dikey direnç dikey bir şekilde). Yerleştirme işlemi sırasında da dirençlerin kısa devre edilmemesine özen gösterilir.
EN TEMEL ELEKTRONİK DEVRE ELEMANI: DİRENÇ (RESISTOR)
Direnç, elektronikte en sık kullanılan devre elemanıdır. Direncin en önemli özelliği –adından da anlaşılacağı üzere- üzerinden akan akıma karşı koyması ve üzerinde bir miktar güç harcamasıdır. Şekil 10’da değişik özelliklerde üretilmiş dört tane direnç görülmektedir.
“Düşük wattlı direnç” olarak adlandırılan şekildeki ilk üç direnç, en çok kullanılan direnç çeşitlerindendir. Direncin boyutu ile üzerinde harcadığı güç miktarı birbiri ile doğru orantılıdır. Düşük wattlı dirençler genellikle çeyrek wattlık (0.25W), yarım wattlık (0.5W) ve bir wattlık (1W) direnç şeklinde sınıflandırılırlar. Şekil 10’daki üç dirençten ortadaki çeyrek wattlık, soldaki yarım wattlık ve sağdaki ise bir wattlık dirençlerdir. Bu değerler, bir direncin üzerinde harcanabilecek maksimum güç değerini gösterir. Bu değerin üstünde güç harcanmaya kalkışılırsa, direnç elemanı kor halini alıp yanar ve kullanılamaz hale gelir.
Şekilde en sağdaki dördüncü direnç ise boyutundan da anlaşılacağı üzere “yüksek wattlı direnç” veya kısaca “wattlı direnç” olarak adlandırılır. Düşük wattlı dirençlerin watt değeri boyutlarından anlaşılırken, wattlı dirençlerin watt değeri doğrudan üzerinde yazar.
Şekil 10. Çeşitli direnç elemanları
Bir direncin watt değeri, aslında onun direnç değerini ifade etmez. Bir direncin esas değeri, yani akıma karşı koyma kabiliyeti ohm (Ω) ile ifade edilir. Bir direncin değerini öğrenmek için iki yol vardır: 1. Direnci Ω kademesinde multimetre ile ölçerek, 2. Üzerinde bulunan renk kodlarından faydalanarak.
1. Multimetre ile Direnç Ölçümü:
Multimetrenin yukarıda anlatılan genel kullanım özelliklerini hatırlayarak, bir direnci multimetre ile nasıl ölçeceğimize bakalım: Bunun için önce multimetreyi ohmmetre olarak ayarlamamız lazımdır. Bunun için önce multimetrenin ortasında bulunan kademe tuşunu “Ω”
kademesine ayarlarız (bu durumda ekranın kenarında Ω işareti görülmelidir), daha sonra elimizdeki iki probdan siyah olanını COM çıkışına, kırmızı olanı ise “V” çıkışına bağlarız.
Artık multimetre, direnç ölçümü için hazır hale gelmiştir (Şekil 11).
Şekil 11. Direnç ölçümü için hazır hale getirilmiş bir multimetre
Şimdi direncin değerini ölçebiliriz. Bunun için kırmızı probun boştaki diğer ucu direncin herhangi bir bacağına, siyah probun boştaki diğer ucu ise direncin diğer bacağına bağlanır (Şekil 12). Böylece multimetre, direnç ölçümü için elemana paralel bağlanmış olur.
Şekil 12. Ohmmetrenin Dirence Paralel Olarak Bağlanması
Ekranda okunulan değer, direncin Ω cinsinden değeridir (Şekil 13). Bazı dirençlerin değeri çok büyük olabilir. Bu durumda ekranın kenarında “kilo (k)”, “mega (M)” gibi harfler görünecektir.
Şekil 13. Multimetre ile direnç ölçümü
2. Renk Kodları ile Direnç Değerinin Belirlenmesi:
Bir direncin değerini belirlemenin en kolay yolu, üzerinde bulunan ve “renk bandı” olarak adlandırılan renkli şeritleri göz önüne almaktır (Şekil 14).
Tablo 1. Direnç renk kodları
DENEY 2: OHM KANUNU 2.1. DENEYİN AMACI
Bu deneyde, Ohm kanunu işlenecektir. Seri ve paralel devrelere ohm kanunu uygulanıp, teorik sonuçlarla deney sonuçlarını karşılaştıracağız ve doğrulamasını yapacağız.
2.2. TEORİK BİLGİ
Ohm Kanunu, gerilim, akım ve direnç arasındaki matematiksel ilişkiyi belirler. Bu bağıntıya göre kapalı bir devrede akım gerilimle doğru orantılı, dirençle ters orantılıdır. Tek dirençten oluşan bir devrenin şeması Şekil 1’de gösterilmiştir.
OHM KANUNU
I U
= R
Şekil 1.1. Devre Şeması
2.2.1 Seri Devreler
Seri devrelerde akım eşdeğer direnç ile ters orantılıdır. Üç dirençli bir seri devrenin şeması şekilde gösterilmiştir. Seri devrelerde eşdeğer direnç;
1 2 3
eşd
R =R +R +R
bağıntısıyla bulunur.
V
1V
2V
3V
I I
1I
2Şekil 2.2. Seri Devre
Seri devrelerde her direnç üzerinden aynı akım geçer. Devreye uygulanan toplam gerilim ise her bir direncin üzerindeki gerilimin toplamına eşittir. Bu yüzden seri devrelere “gerilim bölücü devre” de denir. Akım;
eşd
I U
= R
olur ve her direncin üzerinden geçen akım birbirine eşittir.
1 2 3
R R R
I = I = I =I
Toplam gerilim ise her bir direncin üzerindeki gerilimin toplamına eşittir.
1 2 3
R R R
U =U +U +U
Her bir direncin üzerindeki gerilim ise,
1 1 1
R R
U =I ×R ,
U
R2= I
R2× R
2,3 3 3
R R
U = I ×R olarak hesaplanır.
2.2.2 Paralel Devreler
Paralel devrelerde ana koldan geçen akım eşdeğer dirençle ters orantılıdır ve ana koldan geçen akım her direncin üzerinden geçen akımların toplamına eşittir. Dirençler üzerindeki gerilim ise birbirine eşittir. Bu yüzden paralel devrelere “akım bölücü devre” de denir. Üç dirençli paralel bir devrenin şeması şekil 2.3’de gösterilmiştir. Paralel dirençlerin eşdeğer direnci;
1 2 3
1 1 1 1
Reşd = R + R + R bağıntısıyla bulunur.
R
1R
2R
3I
1I
2I
3V
I
Şekil 2.3 Paralel Devre
Bu devreden geçen ana akım;
eşd
I U
=R olarak bulunur.
Her bir koldaki akım ise,
Olarak bulunur. Ayrıca ana koldaki akım,
olur.
Dirençlerin üzerindeki gerilimler ise birbirine eşittir.
2.3. ÖN ÇALIŞMA
2.3.1. Şekil 2.1’deki devrede R direnci üzerindeki akımı hesaplayınız. Tablo 1’deki ilgili yerleri doldurunuz. (Gerilim değeri sırasıyla 0, 2, 4, 6, 8 12 volt iken direnç değeri 100 Ω, 150 Ω, 330 Ω için hesaplayınız.)
2.3.2. Şekil 2.2’deki devrede ana akımı ve her direncin üzerindeki akım ve gerilim değerlerini hesaplayınız(U = 12, 8, 4 V) (R1= 5 kΩ R2= 2.2 kΩ R3=3.3 kΩ). Tablo 2’yi doldurunuz.
2.3.3. Şekil 2.3’de sırasıyla 12 V, 8 V ve 4 V için ana akımı ve her direncin üzerindeki gerilimi ve üzerinden geçen akımı hesaplayınız ve Tablo 3’ü doldurunuz.( R1= 5 kΩ R2= 2.2 kΩ R3=3.3 kΩ).
2.4. İŞLEM BASAMAKLARI
2.4.1. Deneyde Kullanılacak Malzemeler
Direnç : 100 Ω, 150 Ω, 330 Ω, 5 kΩ, 2.2 kΩ, 3.3 kΩ Standart Laboratuvar Ekipmanları:
Osiloskop, DC Güç Kaynağı, Sinyal Jeneratörü, Dijital Multimetre, Protoboard
2.4.2. Şekil 2.1’deki devreyi kurunuz. Sırasıyla 100, 150 ve 330 Ω’luk dirençleri yerleştiriniz akım değerlerini ölçünüz ve tabloya yerleştiriniz. Akım-gerilim karakteristiğini çiziniz.
1 1
1 R R
I U
= R 2
2
2 R R
I U
= R 3
3
3 R R
I U
= R
1 2 3
R R R
I = I + I + I
1 2 3
R R R
U =U =U =U
2.4.2. Şekil 2.2’deki devreyi kurunuz. Devreye sırasıyla 12 V, 8 V ve 4 V uygulayınız. Her direncin üzerindeki gerilimi ve üzerinden geçen akımı ölçünüz. R1= 5 kΩ R2= 2.2 kΩ R3=3.3 kΩ
2.4.3. Şekil 2.3’deki devreyi kurunuz. Devreye sırasıyla 12 V, 8 V ve 4 V uygulayınız. Her direncin üzerindeki gerilimi ve üzerinden geçen akımı ölçünüz. R1= 5 kΩ R2= 2.2 kΩ R3=3.3 kΩ
2.5. SONUÇ
2.5.1. Ampermetre ve voltmetre devreleri için ön çalışmada bulmuş olduğunuz ve deneyde elde ettiğiniz direnç değerleri için % cinsinden hata hesaplarını yapınız.
2.5.2. Hesaplanan ve ölçülen değerlerin aynı çıkmama nedenlerini yazınız.
2.5.3. Ohmmetre devresindeki skala lineer midir, sebebini basitçe açıklayınız.
DENEY 3 DC DEVRELERİN ANALİZİ, KİRCHOFF’UN GERİLİM ve AKIM YASASI
3.1 DENEYİN AMACI
Deneyin amacı, DC devrelerde farklı elemanların nasıl davrandığını laboratuvar ortamında incelemek ve DC devrelerde çevre ve düğüm yöntemlerini kullanarak Kirchoff’un akımlar ve gerilimler yasasını incelemektir.
3.2. TEORİK BİLGİ
3.2.1. Çevre Akımlar Metodu
Elektrik devrelerinin çözümünde kullanılan en basit ve en kolay yöntemlerden biri çevre akımları yöntemidir. Bu yöntemde devrenin her bir gözü için bir çevre akımı seçilir.
Gözlerden seçilen çevre akımlarına göre Kirchoff’un gerilimler denklemi, her bir göz için yazılır. Göz adedi kadar bilinmeyen çevre akımı ve denklemi bulunur. Denklem çözülerek her bir gözün çevre akımı hesaplanır. Çevre akımlarından da kol akımları kolaylıkla bulunabilir.
Şekil 3.1. Kirchoff’un gerilimler ve akımlar yasası için kullanılacak eşdeğer devre
Çevre 1: −𝑉𝑉𝑠𝑠+ 𝑉𝑉1+ 𝑉𝑉2+ 𝑉𝑉5= 0 (1)
Çevre 2: −𝑉𝑉2+ 𝑉𝑉3+ 𝑉𝑉4= 0 (2)
3.2.2 Düğüm Gerilimleri Metodu
Düğüm gerilimleri metodu temelde, temel düğümlere bir gerilim atanarak ve her düğüm için Kirchoff’un akım kanunun yazılmasını temel alan bir yöntemdir. Bu yöntemle bütün temel düğümlerdeki gerilimler hesaplanır. Bu değerler devrenin diğer noktaları için bir referans özelliği taşır. Bu değerler vasıtasıyla devrenin herhangi bir noktasından geçen akımı veya herhangi iki nokta arasındaki gerilimi hesap etmek mümkündür.
Şekil 3.1’ deki devreye düğüm gerilimleri yasasını uygularsak;
Düğüm a: −𝐼𝐼𝑠𝑠+ 𝐼𝐼1 = 0 (3)
Düğüm b: −𝐼𝐼1+ 𝐼𝐼2+ 𝐼𝐼3= 0 (4)
Düğüm c: −𝐼𝐼3+ 𝐼𝐼4= 0 (5)
Düğüm d: −𝐼𝐼2− 𝐼𝐼4+ 𝐼𝐼5 = 0 (6)
3.3 Ön Çalışma
3.3.1. Şekil 3.2.’da gösterilen devre için,
A ve B düğümlerinin gerilimlerini hesaplayınız.
Devredeki dal akımları I1, I2, I3, I4, I5’i, bağımsız gerilim kaynaklarının değerlerini ve önceki adımda bulduğunuz düğüm gerilimlerini kullanarak hesaplayınız.
Bağımsız gerilim kaynaklarının gücünü bulunuz ve ne kadar güç sağladıklarını veya harcadıklarını hesaplayınız.
Şekil 3.2. Ön Çalışma Devresi 1
3.3.1. Şekil 3.3.’de gösterilen devre için,
Çevre Akımları IA, IB, IC’yi hesaplayınız.
Devredeki dal akımları I1, I2, I3, I4, I5’i, bağımsız gerilim kaynaklarının değerlerini ve önceki adımda bulduğunuz çevre akımlarını kullanarak hesaplayınız.
Bağımsız gerilim kaynaklarının gücünü bulunuz ve ne kadar güç sağladıklarını veya harcadıklarını hesaplayınız.
Şekil 3.3. Ön Çalışma Devresi 2
3.4 İşlem Basamakları
3.4.1. Deneyde Kullanılacak Malzemeler
Direnç : 2.7kΩ, 5.6 kΩ, 12 kΩ, 22 kΩ
Standart Laboratuvar Ekipmanları: Osiloskop, DC Güç Kaynağı, Sinyal Jeneratörü, Dijital Multimetre, Protoboard
3.4.2. Şekil 3.2’de verilen devreyi kurunuz ve devre elemanlarının değerlerini ön çalışmada verilen değerlere ayarlayınız. A ve B düğümlerinin gerilimlerini ve I1, I2, I3, I4, I5 akımlarını ölçünüz. Tablo 3.1’i tamamlayınız.
Tablo 3.1. Düğüm Gerilimi Devre Parametreleri
Veri Ö𝐧𝐧 Ç𝐚𝐚𝐚𝐚ış𝐦𝐦𝐚𝐚 𝐃𝐃𝐃𝐃𝐧𝐧𝐃𝐃𝐃𝐃
VA
VB
I1
I2
I3
I4
I5
3.4.3. Şekil 3.3’de verilen devreyi kurunuz ve devre elemanlarının değerlerini ön çalışmada verilen değerlere ayarlayınız. I1, I2, I3, I4, I5 dal akımlarını ve IA, IB, IC çevre akımlarını ölçünüz. Tablo 3.2’yi tamamlayınız.
Tablo 3.2. Çevre Akımı Devre Parametreleri
Veri Ö𝐧𝐧 Ç𝐚𝐚𝐚𝐚ış𝐦𝐦𝐚𝐚 𝐃𝐃𝐃𝐃𝐧𝐧𝐃𝐃𝐃𝐃
IA
IB
IC
I1
I2
I3
I4
I5
3.5. SONUÇ
3.5.1. Teorik ve deneysel sonuçları karşılaştırınız. Eğer farklılık varsa nedenlerini açıklayınız.
3.5.2. Bu deneyden neler öğrendiniz?
DENEY 4:
A. THEVENİN TEOREMİ 1. DENEYİN AMACI
Deneyin amacı, Thevenin Teoreminin öğrenilmesi ve laboratuvar ortamında test edilerek sonuçlarının analiz edilmesidir.
2. TEORİK BİLGİ
2.1. Kaynak Dönüşümleri
Thevenin ve Norton teoremlerini kullanarak devre analizi yapmak için öncelikle kaynak dönüşümlerinin nasıl yapıldığının bilinmesi gerekmektedir. Kaynak bağımlı veya bağımsız oluşuna göre dönüşüm şu şekilde yapılır:
Şekil 3.1. Bağımsız Kaynak dönüşümü
Şekil 3.2. Bağımlı Kaynak Dönüşümü
3.2. Thevenin Teoremi ( Leon Thevenin 1857-1926 )
Çok sayıda elemanı bulunan herhangi bir devrenin bir elemanın veya sadece bir kısmının incelenmesi gerektiğinde, tüm devreyi göz önüne almak yerine, incelenecek eleman yada devre parçasını bütün olan devreden ayırıp geriye kalan devre parçasını bir kaynak ve buna
seri bağlı bir empedans ile temsil etmek suretiyle, inceleme basite indirgenebilir. Bu işlemde kullanılan teoreme Thevenin teoremi denir ve elde edilen eşdeğer devreye Thevenin eşdeğer devresi adı verilir.
Şekil 3.3. Elektrik Devresi
Eşdeğer devre oluşturulurken ilgili eleman veya devre parçası ( şekilde RL ) devreden çıkarılır, geriye kalan kısmın açık devre gerilimi Thevenin Eşdeğer Gerilimi olarak adlandırılır.
Şekil 3.4. Thevenin Eşdeğer Geriliminin Hesaplanması
𝑉𝑉𝑎𝑎𝑎𝑎 = 𝑉𝑉𝑡𝑡ℎ
Daha sonra devredeki bütün kaynaklar söndürülerek Thevenin eşdeğer direnci bulunur.
Kaynaklar söndürülürken gerilim kaynaklarının kısa devre, akım kaynaklarının açık devre yapılmasına dikkat edilmedir.
Şekil 3.5. Thevenin Eşdeğer Direncinin Hesaplanması
𝑅𝑅𝑒𝑒ş= 𝑅𝑅𝑡𝑡ℎ
Bir gerilim kaynağı ve ona seri bağlı bir empedanstan oluşan aşağıdaki şekil 3.6'da görünen eşdeğer devre, Şekil 3.3'deki devrenin Thevenin eşdeğer devresi olarak adlandırılır.
Şekil 3.6. Thevenin Eşdeğer Devresi
3. ÖN ÇALIŞMA
3.1. Aşağıdaki devreler için;
RL direncinin uçları arasına bakıldığında Vth , Rth değerlerini bularak Thevenin eşdeğer devresini çiziniz. RL üzerindeki gerilim ve akım değerlerini hesaplayarak aşağıdaki tablolarda yerine yazınız.
RL=8.65 Ω
Şekil 3.7
𝐑𝐑𝐋𝐋 = 𝟏𝟏 𝐊𝐊Ω
Şekil 3.8
4. İŞLEM BASAMAKLARI
4.1 Deneyde Kullanılacak Malzemeler
Direnç : 1 kΩ, 2.2 kΩ, 3.3 kΩ, 4.7 kΩ, 5,6 kΩ
Standart Laboratuvar Ekipmanları: DC Güç Kaynağı, Dijital Multimetre, Protoboard
4.2. Laboratuvar ekipmanlarını kullanarak Şekil 3.7'deki devreyi kurunuz ve dijital multimetre ile RL üzerindeki akım ve gerilim değerlerini ölçünüz. Sonuçları aşağıdaki tablo 3.1'e kaydediniz.
4.3. Laboratuvar ekipmanlarını kullanarak Şekil 3.8'deki devreyi kurunuz ve dijital multimetre ile RL üzerindeki akım ve gerilim değerlerini ölçünüz. Sonuçları aşağıdaki tablo 3.2'ye kaydediniz.
Tablo 3.1. Şekil 3.7 deki Devre için değerler
Vth Rh iL VL
Thevenin Teoremi ile bulunan değer
Deneyde
Ölçülen X X
Tablo 3.2. Şekil 3.8 deki Devre için değerler
Vth Rh iL VL
Thevenin Teoremi ile bulunan değer
Deneyde
Ölçülen X X
5. SONUÇ
5.1. Ön hazırlık sorularında bulduğunuz akım ve gerilim değerleriyle, deneyde ölçtüğünüz değerleri karşılaştırınız. Eğer fark var ise sebebini belirtiniz ?
5.2 Deneyde ölçtüğünüz değerler ile Thevenin Teoreminin doğrulandığını gösteriniz.
5.3 Bu deneyden neler öğrendiniz?
B. NORTON TEOREMİ 1. DENEYİN AMACI
Deneyin amacı, Norton Teoreminin öğrenilmesi ve laboratuvar ortamında test edilerek sonuçlarının analiz edilmesidir.
2. TEORİK BİLGİ
2.1. Kaynak Dönüşümleri
Thevenin ve Norton teoremlerini kullanarak devre analizi yapmak için öncelikle kaynak dönüşümlerinin nasıl yapıldığının bilinmesi gerekmektedir. Kaynak bağımlı veya bağımsız oluşuna göre dönüşüm şu şekilde yapılır:
Şekil 4.1. Bağımsız Kaynak dönüşümü
Şekil 4.2. Bağımlı Kaynak Dönüşümü
2.2. Norton Teoremi ( Edward Lawry Norton 1898-1983)
Devre çözümünde kolaylık sağlayan bu teoremle iki nokta arasındaki karışık devre, çok basit olan eş değer akım devresine dönüştürülür. Çok sayıda devre elemanı barındıran bir devrenin bir elemanının ya da bir kısmının incelenmesinde, devrenin tamının incelenmesi yerine o elemanı devreden çıkarıp, devrenin geri kalanını bir kaynak ve bir empedans ile
gösterebileceğimizi ve bu şekilde devre analiz yöntemine Thevenin Yöntemi denildiğini bir önceki deneyde öğrenmiştik. Eğer eşdeğer devremiz bir akıma kaynağından ve ona paralel bağlı bir empedanstan oluşursa buna da Norton eşdeğer devresi ve bu yönteme de Norton yöntemi denir.
Daha basit bir ifade ile; Thevenin eşdeğer devresine "kaynak dönüşümü" uygularsak elde edeceğimiz devre Norton Eşdeğer Devresi olacaktır. Bu nedenle Norton yöntemi ile devre analizi yaparken, Thevenin yöntemi ile devre analizinde izlediğimiz adımları izlememiz gerekmektedir.
Şekil 4.3. Elektrik Devresi
Eşdeğer devre oluşturulurken ilgili eleman veya devre parçası ( şekilde RL ) devreden çıkarılır, geriye kalan kısmın kısa devre akımı Norton Eşdeğer akımı olarak adlandırılır.
Şekil 4.4. Norton Eşdeğer Akımının Hesaplanması
Daha sonra devredeki bütün kaynaklar söndürülerek Norton eşdeğer direnci bulunur.
Kaynaklar söndürülürken gerilim kaynaklarının kısa devre, akım kaynaklarının açık devre yapılmasına dikkat edilmedir.
Şekil 4.5. Norton Eşdeğer Direncinin Hesaplanması
𝑅𝑅𝑒𝑒ş= 𝑅𝑅𝑁𝑁
Bir akım kaynağı ve ona paralel bağlı bir empedanstan oluşan aşağıdaki Şekil 4.6'da görünen eşdeğer devre, Şekil 4.3'deki devrenin Norton eşdeğer devresi olarak adlandırılır.
Şekil 4.6. Norton Eşdeğer Devresi
3. ÖN ÇALIŞMA
3.1. Aşağıdaki devreler için;
a) RLdirencinin uçları arasındaki bakıldığında IN , RNdeğerlerini bularak Norton eşdeğer devresini çiziniz. RLüzerindeki gerilim ve akım değerlerini hesaplayarak aşağıdaki tablolarda yerine yazınız.
b) Aynı devreleri P-Spice kullanarak kurunuz ve RL üzerindeki gerilim ve akım değerlerini ölçerek aşağıdaki tablolarda yerine yazınız.
𝑹𝑹𝑳𝑳 = 𝟐𝟐 Ω
Şekil 4.7
𝑹𝑹𝑳𝑳 = 𝟐𝟐 Ω
Şekil 4.8
𝑹𝑹𝑳𝑳 = 𝟏𝟏𝟏𝟏 Ω
Şekil 4.9
4. İŞLEM BASAMAKLARI
4.1. Deneyde Kullanılacak Malzemeler
4.2. Laboratuvar ekipmanlarını kullanarak Şekil 4.7'deki devreyi kurunuz ve dijital multimetre ile RL üzerindeki akım ve gerilim değerlerini ölçünüz. Sonuçları aşağıdaki tablo 6.1'e kaydediniz.
4.3. Laboratuvar ekipmanlarını kullanarak Şekil 4.8'deki devreyi kurunuz ve dijital multimetre ile RL üzerindeki akım ve gerilim değerlerini ölçünüz. Sonuçları aşağıdaki tablo 4.2'ye kaydediniz.
Direnç : 10 Ω, 100 Ω, 220 Ω, 330 Ω, 470 Ω Standart Laboratuvar Ekipmanları:
DC Güç Kaynağı, Dijital Multimetre, Protoboard
4.4. Laboratuvar ekipmanlarını kullanarak Şekil 4.9'daki devreyi kurunuz ve dijital multimetre ile RL üzerindeki akım ve gerilim değerlerini ölçünüz. Sonuçları aşağıdaki tablo 4.3'e kaydediniz.
Tablo 4.1. Şekil 4.7 deki devre için değerler
IN RN iL VL
Norton Teoremi ile bulunan değer
DENEY X X
Tablo 4.2. Şekil 4.8 deki devre için değerler
IN RN iL VL
Norton Teoremi ile bulunan değer
DENEY X X
Tablo 4.3. Şekil 4.9 deki devre için değerler
IN RN iL VL
Norton Teoremi ile bulunan değer
DENEY X X
5. SONUÇ
5.1 Ön hazırlık sorularında bulduğunuz akım ve gerilim değerleriyle, deneyde ölçtüğünüz değerleri karşılaştırınız. Eğer fark var ise sebebini belirtiniz ?
5.2 Deneyde ölçtüğünüz değerler ile Norton Teoreminin doğrulandığını gösteriniz.
5.3 Bu deneyden neler öğrendiniz?
DENEY 5 : RL,RC ve RLC DEVRELERİNDE DC GEÇİCİ DURUM ANALİZİ
5.1. DENEYİN AMACI
Deneyin amacı, indüktans, kapasitans terimlerinin öğrenilmesi, zaman sabitinin ne olduğunun kavranması, 1. ve 2. dereceden elektrik devrelerinin davranışlarının incelenmesidir.
5.2. TEORİK BİLGİ 5.2.1. Ön Bilgi
Bir devrenin zamana bağlı analizini yapmak için devreye ait denklemler elde edilmeli ve bu denklemler çözümlenmelidir. Bağımsız kaynaklar, dirençler, kapasitanslar ve indüktanslar içeren bir devrenin analizini yaparken elde edilen denklemler, empedansı direnç ve kapasitanstan oluşan RC (resistor- capacitor) devrelerde ve empedansı direnç ve indüktanstan oluşan RL (resistor-inductor) devrelerde 1. dereceden, empedansı direnç, kapasitans ve indüktanstan oluşan RLC (resistor-capacitor-inductor) devrelerinde ise 2. dereceden diferansiyel denklem olarak karşımıza çıkmaktadır.
Elde edeceğimiz diferansiyel denklem;
𝑑𝑑
𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑥𝑥(𝑑𝑑) = 𝐴𝐴𝑥𝑥(𝑑𝑑) + 𝐵𝐵𝐵𝐵(𝑑𝑑) formatında bir denklemdir. Burada e(t) bağımsız kaynaklardır.
Bu denklemin çözümünde keyfi sabitler elde edilecektir. Bu sabitlerin bulunması için devrenin çalışmaya başladığı 𝑑𝑑 = 0 anındaki değerleri olan ilk koşullar kullanılır.
Denklemin Homojen kısmının çözümüne öz çözüm denir. Be(t) teriminin de katkısı eklendiğinde elde edilen çözüm zorlanmış çözüm, ve bu ikisinin toplamı tam çözüm olarak adlandırılır.
Öz çözümün 𝑑𝑑 → ∞ için sıfır olduğu devreler asimptotik kararlı devreler olarak adlandırılır.
Asimptotik kararlı devrelerde devrenin incelenmeye başlanmasından kısa bir süre sonra tam çözüm zorlanmış çözüme yaklaşık olarak eşit olacaktır ( Homojen kısmın etkisi sıfıra yaklaşacaktır ). Geçici çözüm , başlangıçta çok büyük bile olsa, bir süre sonra sıfıra yaklaşacaktır. Kalıcı çözüm devrede kaynaklar olduğu müddetçe devam eden çözümdür.
Şimdi, RL , RC ve RLC devrelerine kare dalga uygulanması halinde geçici çözümlerinin ne olacağına bakalım.
5.2.2 Kapasitans Gerilim-Akım İlişkisi
İ (t)
V(t) C +
- 𝑖𝑖(𝑑𝑑) = 𝐶𝐶𝑑𝑑𝑑𝑑(𝑡𝑡)𝑑𝑑𝑡𝑡
Şekil 8.1. Kapasitans
Buradan gerilim değerini çekersek;
𝑣𝑣(𝑑𝑑) = 1
𝐶𝐶 � 𝑖𝑖(𝑑𝑑)𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑡𝑡
−∞
Devrenin 𝑑𝑑 = 𝑑𝑑0 anında çalışmaya başladığını söylersek ;
� 𝑖𝑖(𝑑𝑑)𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑡𝑡
−∞
= � 𝑖𝑖(𝑑𝑑)𝑑𝑑𝑑𝑑𝑡𝑡0
−∞ + � 𝑖𝑖(𝑑𝑑)𝑑𝑑𝑑𝑑𝑡𝑡
𝑡𝑡0
Sağdaki ilk terime 𝑑𝑑 = −∞ anından 𝑑𝑑 = 𝑑𝑑𝑜𝑜anına kadar kapasitans üzerinde biriken yük 𝑣𝑣(𝑑𝑑0) denir. Öyleyse kapasitans gerilimi;
𝑣𝑣(𝑑𝑑) = 𝑣𝑣(𝑑𝑑0) +1
𝐶𝐶 � 𝑖𝑖𝑡𝑡 (𝑑𝑑)𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑡𝑡0
olur.
5.2.3. İndüktans Gerilim-Akım İlişkisi
İ (t)
V(t) L +
- 𝑣𝑣(𝑑𝑑) = 𝐿𝐿𝑑𝑑𝑑𝑑(𝑡𝑡)𝑑𝑑𝑡𝑡
Şekil 5.2. İndüktans
𝑖𝑖(𝑑𝑑) = 𝑖𝑖(𝑑𝑑0) +1
𝐿𝐿 � 𝑣𝑣𝑡𝑡 (𝑑𝑑)𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑡𝑡0
5.2.4. RC DEVRESİ
Şekil 5.3.a’ daki RC devresine bakalım.
Şekil 5.3.a. RC devresi Şekil 5.3.b. Kare Dalga
Bu devre için durum denklemleri;
𝐵𝐵(𝑑𝑑) = 𝑣𝑣𝑅𝑅(𝑑𝑑) + 𝑣𝑣𝐶𝐶(𝑑𝑑)
yazılır. Direnç ve kapasitans üzerinden aynı akım aktığından dolayı, kapasitans için akım- gerilim ilişkisini göz önünde bulundurarak;
𝑑𝑑
𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑣𝑣𝐶𝐶(𝑑𝑑) = − 1
𝑅𝑅𝐶𝐶 𝑣𝑣𝐶𝐶(𝑑𝑑) + 1 𝑅𝑅𝐶𝐶 𝐵𝐵(𝑑𝑑)
olarak devre denklemini yazarız. Kaynak gerilimi 𝐵𝐵(𝑑𝑑) = 𝐸𝐸 , 𝑑𝑑 < ∆ ve 𝐵𝐵(𝑑𝑑) = 0 , 𝑑𝑑 > ∆ için ayrı ayrı analiz yapılmalıdır.
Diferansiyel denklemin çözümü; 𝐵𝐵(𝑑𝑑) = 𝐸𝐸 için,
𝑣𝑣𝐶𝐶𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇(𝑑𝑑) = 𝑣𝑣𝐶𝐶(0)𝐵𝐵−𝑡𝑡�𝑅𝑅𝐶𝐶+ 𝐸𝐸(1 − 𝐵𝐵−𝑡𝑡�𝑅𝑅𝐶𝐶) ve 𝐵𝐵(𝑑𝑑) = 0 için,
𝑣𝑣𝐶𝐶𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇(𝑑𝑑) = 𝑣𝑣𝐶𝐶(∆)𝐵𝐵−𝑡𝑡�𝑅𝑅𝐶𝐶 şeklindedir.
Buradaki 𝑅𝑅𝐶𝐶 çarpımı zaman sabiti olarak adlandırılır ve 𝜏𝜏 ile gösterilir. Zaman sabiti öz çözümün ne kadar süre geçerli olduğunu belirler. Öz çözümü belirleyen terimler 𝑣𝑣𝐶𝐶(0)𝐵𝐵−𝑡𝑡�𝑅𝑅𝐶𝐶 ve 𝑣𝑣𝐶𝐶(∆)𝐵𝐵−𝑡𝑡�𝑅𝑅𝐶𝐶 dır. 5𝜏𝜏 büyük değerler için 𝐵𝐵−𝑡𝑡 𝜏𝜏� < 0.01 olacağından öz çözümün sıfır olduğu kabul edilir. Aynı şekilde zorlanmış çözüm de 𝐸𝐸(1 − 𝐵𝐵−𝑡𝑡�𝑅𝑅𝐶𝐶) ile ifade edildiğinden 5𝜏𝜏 zaman sonra bu ifade 𝐸𝐸'ye yaklaşır. Bu kapasitenin dolmasıdır. Kaynak olmazsa kapasitans 5𝜏𝜏 zaman sonra boşalacaktır. Kapasitansın dolma ve boşalma grafikleri aşağıdaki gibidir.
Şekil 5.4. Kapasitansın Dolma ve Boşalma grafikleri
Sekil 5.3.a'daki devreye Kirchhoff yasasını uygularsak 𝑣𝑣𝑅𝑅(𝑑𝑑) gerilimini de bulabiliriz.
Aşağıdaki grafiklerde de kaynak, direnç ve kapasitansın gerilim değerlerinin değişimi gözükmektedir.
Şekil 5.5. Kaynak,Direnç ve Kapasitansın Gerilim Değişimleri
5.2.5 RL DEVRESİ
Şekil 5.6'daki devre bir RL devresidir.
Şekil 5.6. RL Devresi
Bu devrenin durum denklemleri;
𝑑𝑑
𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑖𝑖𝐿𝐿(𝑑𝑑) = −𝑅𝑅
𝐿𝐿 𝑖𝑖𝐿𝐿(𝑑𝑑) +1 𝐿𝐿 𝐵𝐵(𝑑𝑑)
şeklinde yazılır. RC devresinde yapılan durum analizleri RL devresi için de geçerlidir. Ancak zaman sabiti 𝜏𝜏 = 𝐿𝐿 𝑅𝑅⁄ dir.
5.2.6. RLC DEVRESİ
Aşağıdaki şekilde bir RLC devresi görülmektedir.
Şekil 5.7. RLC Devresi
Bu devrenin durum denklemleri şu şekildedir:
Bu denklem sisteminin karakteristik denklemi çözümün yapısını belirleyecektir. Bu denklemin karakteristik denklemi aşağıdaki gibidir:
𝑝𝑝2+ 2𝜁𝜁𝑤𝑤0𝑝𝑝 + 𝑤𝑤02 = 0 Burada;
dır. 𝜁𝜁'nın değerine göre denklemin kökleri aşağıdaki 3 halden biri şeklide olacaktır:
a) 𝜁𝜁 > 1 ise 𝑅𝑅 > 2�𝐶𝐶𝐿𝐿 ve kökler reeldir.
b) 𝜁𝜁 = 1 ise 𝑅𝑅 = 2�𝐶𝐶𝐿𝐿ve kökler reel ve eşittir.
c) 𝜁𝜁 < 1 ise 𝑅𝑅 < 2�𝐶𝐶𝐿𝐿ve kökler kompleks eşleniktir.
𝑣𝑣𝐶𝐶(0) = 0 ve 𝑖𝑖𝐿𝐿(0) = 0 için her üç halde 𝑣𝑣𝐶𝐶(𝑑𝑑)' nin zamanla değişimi aşağıda kabaca çizilmiştir.
Şekil 5.8. 𝑣𝑣𝐶𝐶(𝑑𝑑)' nin zamanla değişimi
5.3. ÖN ÇALIŞMA
5.3.1. Bir RC devresi için 𝑅𝑅 = 10 Ω ve 𝐶𝐶 = 20µ𝐹𝐹 için zaman sabiti τ'yu bulunuz ve 𝑖𝑖(𝑑𝑑) = 2cos (5000𝑑𝑑) için 𝑣𝑣𝐶𝐶(𝑑𝑑)′yi bulunuz.
5.3.2. Bir RL devresi için 𝑅𝑅 = 470Ω ve 𝐿𝐿 = 40𝑚𝑚𝑚𝑚 için zaman sabiti τ'yu bulunuz ve 𝑣𝑣𝐿𝐿(𝑑𝑑) = 3sin (300𝑑𝑑) için 𝑖𝑖(𝑑𝑑)′yi bulunuz.
5.3.3. Bir RLC devresi için 𝑅𝑅 = 10Ω , 𝐿𝐿 = 27𝑚𝑚𝑚𝑚 ve 𝐶𝐶 = 380µ𝐹𝐹 değerleri için 𝐸𝐸 = 110𝑉𝑉 ve 𝑓𝑓 = 50 𝑚𝑚𝐻𝐻 iken indüktans akımı 𝑖𝑖𝐿𝐿(𝑑𝑑) ve kapasitans gerilimi 𝑣𝑣𝐶𝐶(𝑑𝑑) yi bulunuz.
5.4. İŞLEM BASAMAKLARI
5.4.1. Aşağıdaki şekildeki devreyi 100 Ω ve 1 µF ile kurunuz.
Devrenin girişine 0-5 V kare dalga uygulayınız. Kare dalga osilatörünün frekansını değiştirerek kapasitans geriliminin değişimini gözlemleyiniz. Tam dolma, tam boşalma durumu frekansını belirleyiniz. Hesap ile bu değeri doğrulayınız. Kare dalga osilatörün periyodunu T = 10RC , T= RC ve T = RC/10 alarak, direnç ve kapasitans gerilimlerini osiloskopta gördüğünüz şekilde çiziniz, tepe değerlerini kaydediniz.
5.4.2. Kare dalga osilatörün genliğini yarıya düşürerek 5.4.1'deki ölçümleri tekrarlayınız ve sonuçları yorumlayınız.
5.4.3. Aşağıdaki şekildeki devreyi 600 Ω ve 60 mH ile kurunuz.
Devrenin girişine 0-5 V kare dalga uygulayınız. Kare dalga osilatörünün frekansını değiştirerek direnç geriliminin değişimini gözlemleyiniz. Tam dolma, tam boşalma durumu frekansını belirleyiniz. Hesap ile bu değeri doğrulayınız. Kare dalga osilatörün periyodunu T=10L/R , T=L/R ve T=L/10R alarak, direnç ve kapasitans gerilimlerini osiloskopta gördüğünüz şekilde çiziniz, tepe değerlerini kaydediniz.
5.4.4. Aşağıdaki şekildeki devreyi 1 µF ve 60 mH ile kurunuz.
Devrenin girişine 100 Hz frekansında 0-5 V bir kare dalga uygulayınız. Ölçme düzeneğinde, 𝑅𝑅 = 0.2�𝐿𝐿𝐶𝐶 𝑅𝑅 = 2�𝐿𝐿𝐶𝐶 ve 𝑅𝑅 = 20�𝐿𝐿𝐶𝐶 alarak, her bir hal için osiloskopta gördüğünüz dalga şekillerini çiziniz ve sonuçları yorumlayınız. 𝑅𝑅 = 20�𝐿𝐿𝐶𝐶 için kapasitansın değerini değiştiriniz ve bu değişimin dalga şeklini nasıl etkilediğini belirtiniz.
5.5. SONUÇ
5.5.1. Bu deneyden neler öğrendiniz?
DENEY 6 : DİYOT KARAKTERİSTİKLERİ 6.1. DENEYİN AMACI
Bu deneyde diyotların akım-gerilim karakteristiği incelenecektir. Bir ölçü aleti ile (volt-ohm metre) diyodun ölçülmesi ve kontrol edilmesi (anot ve katot terminallerinin saptanması).
Osiloskop kullanılarak farklı çeşitlerdeki diyodun akım-gerilim karakteristiğinin gözlenmesi.
6.2. TEORİK BİLGİ 6.2.1. pn Jonksiyon Diyot
Diyot bir yönde akımı diğer yöne göre daha iyi ileten, yarı iletken bir malzemedir. Diyot terminalleri arasındaki potansiyel fark, diyodun iletime geçip geçmeyeceğini belirler. Eğer anot katoda göre daha pozitif ise, diyot akımı iletecektir ve bu durumda diyot doğru kutuplanmış demektir. Eğer katod anoda göre daha pozitif ise diyot çok küçük bir sızıntı akımının geçmesine izin verecektir ve bu durumda diyot ters kutuplanmış demektir.
Şekil 6.1. Diyot devre sembolü
Doğru-kutuplamada, tipik bir Silikon diyot üzerinde düşen gerilim yaklaşık 0.7 V’tur (Germanyum için ise gerilim düşümü 0.3 V’tur). Bu eşik gerilimi diyot karakteristik eğrisi üzerinde büküm olarak adlandırılır. Çünkü bu bölgede diyot üzerinde düşen gerilimle diyottan geçen akım değişmektedir. Bu eşik gerilim değerinin aşıldığı durumda iletim akımı “Id” akar.
Bu eşik geriliminden daha düşük değerlerde, diyot sadece küçük bir akımın geçmesine izin verir. Diyodun ters kutuplanması halinde idealde diyotun akım iletmemesi gerekmektedir fakat çok küçük bir sızıntı akımı akar bu akıma “Is” ters satürasyon akımı denir.
Diyot akım-gerilim ilişkisi aşağıdaki denklem ile modellenmektedir.
/ 1
D T
V nV
D S
I =I e − Bu denklemde;
IS : Ters satürasyon akımı VD : Diyota uygulanan gerilim
n : İdealden uzaklaşma faktörü VT : Termal voltaj ( T kT
V = q ) (oda sıcaklığında 26 mV civarıdır)
Şekil 6.2. Diyot akım-gerilim karakteristiği
6.2.2. Zener Diyot
Zener diyot jonksiyon diyodun özel bir tipidir. Zener diyot, doğru yönde bağlandığı zaman normal bir diyot gibi çalışır; ters yönde bağlandığı zaman ise kırılma (zener) gerilimine kadar iletime geçmez ama kırılma geriliminden sonra çığ etkisi şeklinde akım geçirir, yani zener belirli bir gerilimden sonra iletime geçer. Ters gerilim kalkınca, zener diyot da normal haline döner. Devrelerde, ters yönde çalışacak şekilde kullanılır. Şekil 6.3’te zener diyodun devre sembolü ve akım-gerilim karakteristiği verilmiştir.
Şekil 6.3. Zener diyot devre sembolü ve akım-gerilim karakteristiği
6.2.3. Işık Yayan Diyot (LED)
Işık yayan diyot (LED) yarı-iletken, diyot temelli, ışık yayan bir elektronik devre elemanıdır.
LED’ler elektrik enerjisini optik enerjiye dönüştürürler. LED, P-N jonksiyonlu bir yarıiletken olup iletim yönünde kutuplandığı takdirde ışık yayacak şekilde tasarlanmıştır. Bu ışık;
kırmızı, yeşil, sarı, ya da kızıl ötesi gibi çeşitli, renklerde olabilir. Normal diyot da olduğu gibi LED’lerde de küçük değerde bir eşik gerilimi vardır. Bu eşik gerilimi aşıldığında jonksiyonun direnci düşer ve akım iletmeye başlar. LED’lerin devrelerde kullanımında bu akım bir dirençle sınırlandırılmalıdır. LED’in yaydığı ışık miktarı üzerinden geçen akıma bağlıdır.
LED devre sembolü ve akım-gerilim karakteristiği Şekil 6.4’te verilmiştir.
Şekil 6.4. LED devre sembolü ve akım-gerilim karakteristiği
6.2.4. Diyotların Test Edilmesi
Bir diyodun sağlam olup olmadığı veya terminalleri tanımlanamayan diyodun terminallerini tanımlamak için bir ohmmetre kullanılabilir. Ayrıca sayısal (digital) multimetrelerin çoğunda diyot test konumu da bulunmaktadır.
Diyodu test etmek için ölçü aleti ohmmetre modunda iken pozitif ucu (genellikle kırmızı kablolu ucu) diyodun anoduna; negatif ucu (genellikle siyah kablolu ucu) diyodun katoduna bağlanırsa diyot düz besleme durumunda bulunuyor demektir. Bu durumda diyodun direnci oldukça küçük olmalıdır, pratik olarak sıfır direnç görülmektedir. Eğer ohmmetrenin pozitif ucu diyodun katoduna, negatif ucu anoduna bağlanırsa, diyot ters besleme durumundadır ve ohmmetre çok büyük direnç göstermelidir. Pratik olarak bu değerin sonsuz olması gerekir.
Eğer bir ohmmetrenin uçları diyota her iki türde bağlandığında ohmmetre her iki yönde de çok büyük direnç veya çok küçük direnç gösteriyorsa bu diyot görev yapmıyor demektir.
Şekil 6.5. Diyotların test edilerek terminallerinin belirlenmesi
Sayısal (digital) multimetrelerde diyot test kademesi kullanılarak diyot test edilebilmektedir.
Bu kademede yapılan ölçümde görünen değer direnç yerine diyodun ileri geçirimde üzerinde düşen gerilimin değeridir. Diyodun üzerinden küçük bir akım geçirilir ve iki ölçüm ucu arasındaki gerilim farkı ekranda gösterilir. Şekil 6.6’da “Diyot test” kademesinde yapılan bir ölçümde diyodun ileri geçirimde 0,548 Volt düşürdüğünü görüyoruz.
Şekil 6.6. Multimetre test kademesi kullanılarak diyotun test edilmesi
6.2.5. Diyotların i-v Karakteristiğinin Elde Edilmesi
Diyodun i-v karakteristiğini elde edebilmek için Şekil 6.7’deki devre oluşturularak X ve Y ile ifade edilen uçlara osiloskop bağlanarak ölçümle analiz edilir.
Şekil 6.7. Diyodun i-v karakteristiğinin elde edileceği örnek devre
