Temel Elektronik

TEMEL ELEKTRONİK

Elektrik Devresi, Akım ve Gerilim, Direnç Yapısı ve Çeşitleri

Elektrik Devresi

Elektrik devresi, direnç kondansatör, iletim hatları, güç kaynağı ve anahtarlar çeşitli devre elemanlarının bir araya gelerek oluşturduğu devrelere verilen isimdir. Bir elektrik devresi, içinden geçen akımın tam bir döngü yapmasını sağlayan kapalı bir devredir. Eğer bir elektrik devresi aktif bir elektronik eleman içeriyorsa buna elektrik devresi denmektedir. Elektrik akımının yönü, elektronların hareket yönünün tersi yönedir.

Akım ve Gerilim

Gerilim ya da voltaj elektronları maruz kaldıkları elektrostatik alan kuvvetine karşı hareket ettiren kuvvettir. Bir elektrik alanı içindeki iki nokta arasındaki potansiyel fark olarak da tarif edilir. Gerilimin sembolü U veya E harfleridir. Gerilim voltmetre ile ölçülür. Ampermetre – Ohm metre aracılığıyla da değeri Ohm yasası kullanılarak hesaplanabilmektedir. Elektrik akımı iletken bir cismin kesitinden geçen serbest elektron miktarıdır. Başka bir değişle elektrik akımı serbest elektronların iletken madde içinden akmasıdır. Elektrik akım şiddet birimine Amper denir. Bir devreden elektrik akımının akabilmesi için o devrenin Kapalı Devre olması gerekir. Eğer devre açık olursa serbest elektronlar havada geçemeyecekleri için elektrik akımı akmaz. Bu şekilde ki devrelere da Açık Devre denir.

Direnç Yapısı ve Çeşitleri

Direnç Nedir?

Direncin kelime anlamı, bir şeye karşı gösterilen zorluktur. Devre elemanı olan dirençte devrede akıma karşı bir zorluk göstererek akım sınırlaması yapar. Elektrik enerjisi direnç üzerinde ısıya dönüşerek harcanır. Direncin birimi “Ohm” dur. Devreden geçen akımı sınırlayarak belli bir değerde tutmak, devrenin beslenme gerilimini bölüp küçülterek diğer elemanların çalışmasını sağlamak, hassas devre elemanlarının yüksek akımdan zarar görmesini engellemek, yük görevi yapmak ve ısı enerjisi elde etmek gibi amaçlarla kullanılır.

Yapıldıkları Maddeye Göre Direnç Çeşitleri

·         Karbon Karışımlı Dirençler

·         Film Dirençler

·         Tel Sarımlı Dirençler

  Direnç Bağlantı Türleri

·         Paralel Bağlantı

·         Seri Bağlantı

Ohm Kanunu, Kirşof Kanunları, Direnç Bağlantıları

Ohm Kanunu

Ohm kanunu ya da Ohm yasası; 1827 yılında Georg Simon Ohm tarafından bulunmuştur. Elektrik devrelerinde voltaj, akım ce direnç arasında bir bağlantı mevcuttur. Voltaj, akım ve direnç arasında bir bağlantının bulunduğu bu elektrik devresinde iki nokta arası uzunluğuyla ters orantılıdır işte bağlantıyı veren kanuna Ohm kanunu ya da Ohm yasası denir.

Kirşof Kanunları

Kirşof gerilim kanunu ile devreye uygulanan gerilim, dirençler üzerinde düşen gerilimlerin toplamına eşittir. Kirchhoff Yasası seri, paralel ve karmaşık elektrik devrelerinin analizinde kullanılan, elektrik enerjisi ve yükünün korunumuna dayalı, ilk kez 1845 senesinde Gustav Kirchoff tarafından tanımlanan iki eşitliktir. Kirşof kanunu akım ve gerilim durumlarını inceler. Kirşof kanunu Ohm kanunu’ nun tamamlayıcısıdır.

Kirşof Kanunu ikiye ayrılır:

1.       Kirşof Akımlar Kanunu

Kirşof akımlar kanunu ile bu kanun aynı zamanda birinci kanun ve düğüm kanunu olarak da adlandırılır. Bu kanuna göre herhangi bir düğüm noktasına gelen akımların toplamı, çıkan akımların toplamına eşittir.

2.       Kirşof Gerilim Kanunu

İkinci Kirşof kanunu elektrik gerilimi ile ilgili bir kanundur. Devre elemanlarını meydana getiren lamba, havya ve ocakta düşen gerilimleri ölçmek için her birine paralel ayrı ayrı voltmetreler bağlayalım. Uyguladığımız gerilimi ölçmek için her birine paralel bir voltmetre bağlayalım. Devreye gerilim uyguladığımızda elemanlara bağladığımız voltmetrelerin gösterdikleri değerlerin toplamı; uygulanan gerilimi, okuduğumuz voltmetrenin gösterdiği değere eşit olduğu görülür.

Düğüm Gerilimleri Yöntemi

Devre Analizi tekniklerinin en baş konusu olan Düğüm Gerilim Yönteminde dirençlerin üzerinden geçen akımları bulabilir üzerinde harcanan veya kazanılan gücü bulabiliriz. Devre analizi yaparken çok sık kullandığımız düğüm gerilim yönteminde önemli olan düğüm noktalarını iyi belirlemektir. Düğüm noktası 2 veya 2’den daha fazla devre elemanını bağlayan noktadır.

Thevenin ve Norton Teoremleri

Norton Teoremi

Norton Teoremi, elektrik devrelerinin çözümlenmesinin kolaylaştırılması için kullanılan teorem ve yöntemdir. Bu yöntem sayesinde karmaşık elektrik devreler oluşturulan basit eşdeğer üzerinden kolayca çözülebilir. Norton teoremi, benzer bir yöntem olan Thevenin teoreminin uzantısıdır. Teorem 1926 yılında birbirinden bağımsız olarak; Siemens firmasından Hans Ferdinand Amyer(1895 – 1980) ve Bell Laboratuvarları ’dan Edward Lawry Norton(1898 – 1983) tarafından geliştirilmiştir.

Thevenin Teoremi

Thevenin Teoremi, bir elektrik devresinde gerekli dönüşümler yapıldıktan sonra, devre bir gerilim kaynağı ile ona seri bağlı bir direnç ile gösterilmesidir. Elde edilen devreye Thevenin Eşdeğeri denir. Gerilim kaynakları kısa devre, akım kaynakları ise açık devre yapılarak Thevenin eşdeğer direnci bulunur. Burada amaç karmaşık olan devreyi basitleştirmek, devreyi daha kolay değerlendirmektir.

     

Temel Yarı İletken Kavramı, Diyotun Yapısı ve Doğru ve Ters Polarması

Yarı İletken

Yarı iletken üzerine yapılan mekanik işin etkisiyle iletken özelliği kazanabilen, “NŞA”da yalıtkan olan maddelerdir. Normal durumda yalıtkan olan bu maddeler ısı, ışık, manyetik etki ve ya elektriksel gerilim gibi dış etkiler uygulandığında bir miktar değerlik elektronlarını serbest hale geçirerek iletken duruma gelirler. Uygulanan bu dış etki veya etkiler ortadan kaldırıldığında ise yalıtkan duruma geri dönerler. Bu özellik elektronik alanında yoğun olarak kullanılmaları sağlanmıştır.

Diyotun Yapısı

Diyot tek yöne elektrik akımını ileten bir devre elemanıdır. Diyotun P kutbuna " Anot ", N kutbuna da " Katot " adı verilir. Diyot N tipi madde ile P tipi maddenin birleşiminden oluşur. Bu maddeler ilk birleştirildiğinde P tipi maddedeki oyuklarla N tipi maddedeki elektronlar iki maddenin birleşim noktasında buluşarak birbirlerini nötrlerler ve burada " Nötr " bir bölge oluştururlar. Bu nötr bölge, kalan diğer elektron ve oyukların birleşmesine engel olur.

Diyot Çeşitleri

·         Kristal Diyot

·         Zener Diyot

·         Tünel Diyor

·         Işık Yayan Diyot LED

·         Foto Diyot

·         Ayarlanabilir Kapasiteli Diyot

·         Mikrodalga Diyot

·         Gunn Diyot

·         IMPATT Diyot

·         Baritt Diyot

·         Ani Toparlanmalı Diyot

·         Pin Diyot

Diyotlar Başlıca Üç Ana Gruba Ayrılır:

1.       Lamba Diyotlar

Lamba diyotlar en yaygın biçimde redresör ve detektör olarak kullanılmıştır. Sıcak katotlu lamba, civa buharlı ve tungar lambalar bu gruptandır. Sıcak katotlu lamba diyodun iç görünüşü ve çalışma şekli verilmiştir.

2.       Metal Diyotlar

Bakır oksit ve selenyum diyotlar bu gruba girmektedirler. Bakı oksit diyotlar ölçü aletleri ve telekominikasyon devreleri küçük gerilim ve küçük güçle çalışan devrelerde, selenyum diyotlar ise birkaç kilowatt’a kadar çıkan güçlü devrelerde kullanılır.

3.       Yarı İletken Diyotlar

Yarı iletken diyotları, P ve N tipi germanyum veya Silikon yarı iletken kristallerinin bazı işlemler uygulanarak bir araya getirilmesiyle elde edilen diyotlardır. Hem elektrikte hem de elektronikte kullanılmaktadır.

Doğrultucular

Doğrultucu veya redresör, bir ya da daha fazla yarı iletken elemandan oluşan alternatif akımı doğru akıma çevirmek için kullanılan elektriksel bir devredir. AC' yi doğrultmak için tek bir diyot kullanıldığı zaman doğrultucu AC' yi DC' ye çeviren bir diyot olarak tanımlanır.

Doğrultma alternatif akımın (AC) doğru akıma (DC) döndürülmesi işlemidir. Bütün doğrultucular, tek bir diyot ile mümkün olan AC’ yi DC ye dönüştürme işlemini daha verimli yapabilmek için birden fazla diyotun belirli bir şekilde birbirine bağlanmasıyla yapılır. Doğrultma işlemi ÖZEL olarak yarı iletken diyot’ lar üzerinden gerçekleştirilir. Yarı iletken elemanlardan oluşan doğrultucular geliştirilmeden önce vakum tüpleri kullanılırdı.

Kırpıcılar

Elektronik biliminin temel işlevi, elektriksel sinyalleri kontrol etmek ve ihtiyaca göre işlemektir. Pek çok cihaz tasarımında elektriksel bir işareti istenilen seviyede kınamak veya sınırlandırmak gerekebilir. Belirli bir sinyali kırpma veya sınırlama işlemi için genellikle diyotlardan yararlanılır. Kırpıcı devreler, girişine uygulanan işaretin bir kısmını çıkışana aktarıp, diğer bir kısmını ise kırpan devrelerdir. Devrenin çalışmasını kısaca anlatalım. Giriş işaretinin pozitif alternansında diyot doğru yönde polarmalanır. Giriş işaretinin negatif alternansında ise diyot ters yönde polarmalanmıştır. Dolayısıyla kesimdedir.

Transistorler ve Transistor Çeşitleri

Geçirgeç veya transistor girişine uygulanan sinyali yükselterek gerilim ve akım kazancı sağlayan, gerektiğinde anahtarlama elemanı olarak kullanılan yarı iletken bir elektronik devre elemanıdır. BJT çift birleşim yüzeyli transistordur. İki N maddesi, bir P maddesi ya da iki P maddesi, bir N maddesi birleşiminden oluşur. Transistor üç kutuplu bir devre elemanıdır. Devre sembolü üzerinde orta kutup Base, okun olduğu kutup Emitter, diğer kutup Collector olarak adlandırılır. Base akımının şiddetine göre kollektor ve emiter akımları ayarlanır. Bu ayar oranı kazanç faktörüne göre değişir. Transistörler elektronik cihazların temel yapı taşlarındandır. Günlük hayatta kullanılan elektronik cihazlarda birkaç taneden birkaç milyara varan sayıda transistör bulunabilir.  Transistörler yapısal bakımdan, yükselteç olarak çalışma özelliğine sahip bir devre elemanıdır. Daha yaygın kullanım amacı ise devrede anahtarlama yapmaktır. Elektroniğin her alanında kullanılmaktadır. Dolayısı ile teknolojinin en değerli elektronik devre elemanlarından biridir.

Transistör Çeşitleri

·         Yüzey Birleşmeli Transistör

·         Nokta Temaslı Transistör

·         Unjonksiyon Transistör

·         Alan Etkili Transistör

·         Foto Transistör

·         Tetrot Transistör

·         Koaksiyal Transistör

Küçük Sinyal Yükselteçleri

Transistörlü AC yükselteçler iki grupta incelenir. Birincisi; transistörlü devreye uygulanan sinyal çok küçükse örneğin 1mV gibi ise o zaman transistörlü devre “Küçük Sinyal Yükseltici” olarak incelenir. Küçük Sinyal Yükselteçlerini incelemek için transistorun küçük sinyal modelini göz önüne almak gerekir. Bir diğer durum ise; Transistörün büyük sinyal altında çalışması örneğin güç yükselteci olarak çalışmasıdır. AC sinyal altında transistörler özellikle çalışacakları frekansa göre de farklılıklar göstermektedir.

Opamp

Elektronik sistemlerde işlenecek sinyallerin hemen hemen hepsi genliğe sahip yani zayıftır. Bu sistemlerin pek çoğunda yeterli derecede yükseltilmiş elektriksel sinyallere ihtiyaç duyulduğundan, sinyalleri istenilen derecede kuvvetlendirmek için yükselteç yani amplifikatör devreleri kullanılır. Yükselteçler gerilim ya da akım yani sonuç olarak güç kazanmak için kullanılır. Bir yükselteç girişine uygulanan zayıf elektrik sinyallerini, devresindeki aktif devre elemanları yardımı ile çıkışına büyütülmüş olarak aktarır. Bunu yaparken güç kaynağından aldığı enerjiyi kullanır. Bu enerjiyi, giriş sinyali ile aynı özellikte fakat daha güçlü bir çıkış sinyali elde etmek üzere işler. Sonuçta, yükseltecin çıkışından alınan elektriksel sinyalin gücü, girişine uygulanan sinyalin gücünden daha yüksektir.

Opamp Özellikleri

İşlemsel yükselteçlerin temel özellikleri; yüksek giriş direnci, düşük çıkış direnci ve yüksek gerilim kazancıdır. İşlemsel yükselteçler 1940’lı yıllardan beri biliniyor olmalarına rağmen, yükselteçlerin yapımında direnç, kondansatör ve transistör gibi çeşitli devre elemanları gerektiği ve karmaşık içyapıları nedeniyle çok değerli olmadıkça kullanılmamışlardır. Entegre teknolojisinin gelişimi ile işlemsel yükselteçlerin üretimi kolaylaşmış ve kullanımları hızla artmıştır. Günümüzde işlemsel yükselteç denildiği zaman akla tümleşik devreler gelmektedir. İşlemsel yükselteçler BJT, JFET ve ya MOSFET kullanılarak üretilir. Giriş dirençlerinin yüksek olması sebebiyle JFET transistörler yaygın kullanılmaktadır.

Endüstride Kullanılan Yarı İletken Malzemeler

Yarı iletken üzerine yapılan mekanik işin etkisiyle iletken özelliği kazanabilen, ‘NŞA’ da yalıtkan olan maddelerdir. Normal durumda yalıtkan olan bu maddeler ısı, ışık, manyetik etki ve ya elektriksel gerilim gibi dış etkiler uygulandığında bir miktar değerlik elektronlarını serbest hale geçirerek iletken duruma gelirler uygulanan bu dış etki veya etkiler ortadan kaldırıldığında ise yalıtkan duruma geri dönerler. Bu özellik elektronik alanında yoğun olarak kullanılmalarını sağlanmıştır.

Yarı İletken Devre Elemanları

LED

LED güç durumunu göstermekten genel aydınlatmaya kadar neredeyse tüm elektrikli cihazlarda kullanılmaktadır. Sürekli gelişen kapasiteleri ve özellikleri sayesinde sadece elektronik cihazlarda değil geleneksel ampul ve floresan lambaları değiştiren ana ışık kaynağı olarak da ortaya çıkmıştır. Elektriksel olarak, bir LED basitçe, bir p – n bağlantısından oluşan bir diyot içermektedir. P tarafı yani anot, pozitif yüklü çoğunluk taşıyıcıları ve n tarafı yani katod ise negatif yüklü çoğunluk taşıyıcıları içermektedir. P – N bağlantısına iletim yönünde gerilim uygulandığında elektronlar n bölgesinden p bölgesine doğru, deliklerse p bölgesinden n bölgesine doğru hareket eder. Temas bölgesinde elektronlar ve delikler birleşirken enerjilerini foton / ışık enerjisi olarak açığa çıkarırlar. Sonuç olarak LED ışık yaymış olur.

Güneş Pilleri

Güneş pilleri, yarı iletkenlerden yapılır. Yarı iletken özellik gösteren birçok malzeme arasında güneş pili yapmak için en elverişli olanlar; Si, galyum arsenit, kadmiyum, tellür gibi malzemelerdir. Yarı iletken malzemelerin güneş pili olarak kullanılabilmeleri için n ya da p tipi katkılamaları gereklidir. Katkılama, saf yarı iletken eriyik içerisine istenilen katkı maddelerinin kontrollü olarak eklenmesiyle yapılır.