Hacettepe Robot Topluluğu

Transkript

1 Hacettepe Robot Topluluğu

2 PIC Assembly Dersleri Ek Ders 1: Temel Elektrik ve Elektronik

3 HUNRobotX - PIC Assembly Dersleri Ek Ders 1: Temel Elektrik ve Elektronik Yazan: Canol Gökel - 4 Haziran 2007 Elektrik, Akım, Gerilim Nedir? Elektriği anlamak için ilk olarak maddenin en küçük birimi olan atomları anlamak gerekir. Atomlar bir çekirdekten ve bir de bu çekirdek etrafında dolanan elektronlardan oluşur. Elektron Çekirdek Elektronlar bir nedenden dolayı bir atomdan başka bir atoma gitmek isteyebilirler. Elektronların bu hareketine "akım" denir. Akım, elektriğin varlığını gösterir. Her elektriksel kavram gibi akımın da bir sembolü vardır ve bu da "I"dır. Akımın birimi amper'dir. 1 Atomlar normalde denge halindedirler. Elektronların bir atomdan kopup başka bir atoma gitmeleri bu dengenin bozulması demektir. Elektron dengesinin bozulması "gerilim" yaratır. Gerilimin diğer bir adı da "voltaj farkı"dır. Elektronların bir tarafta yoğunlaşması elbette elektriksel anlamda bir şeye işaret etmelidir. Bu da voltaj farkı yani gerilimdir. Gerilimin sembolü "V"dir. Volt birimi kullanılarak ifade edilir. 2 Direnç Nedir? Trafikte giderken nasıl karşımıza zorluklar çıkıyorsa (diğer arabalar, yayalar, karşıdan karşıya geçmeye çalışan hayvanlar) elektronlar da bir yerden bir yere giderken çeşitli zorluklarla karşılaşırlar. İşte bu zorluklara "direnç" denir. Direnç elektrik dünyasında resistance kelimesinin ilk harfi olan R ile gösterilir. Birimi ise ohm'dur. 3 Ohm birimi Ω sembolüyle gösterilir. 1 Andre-Marie Ampere'ye ithafen ( ). 2 Alessandro Volta'ya ithafen ( ). 3 Georg Simone Ohm'a ithafen ( ).

4 Ek Ders 1: Temel Elektrik ve Elektronik Doğadaki her maddenin bir direnci vardır. Bu direncin değeri maddeden maddeye değişir. Bazı maddeler çok büyük bir dirence sahip olduklarından "yalıtkan" ismine sahiptirler ve elektronların üzerlerinde hareket etmesine olanak vermezler, bazı maddelerin ise elektrik akımına büyük bir direnç göstermedikleri kabul edilir. Bunlara "iletken" maddeler denir. Gerilim, Akım ve Direnç Arasındaki İlişki Bu üç kavramı ileride çok kullanacağız o yüzden iyi bilmekte yarar var. Şimdi bu 3 kavram arasında bir ilişki var mı diye bir beyin fırtınası yapalım. Akım gerilime ya da gerilim akıma neden olabilir. O halde bu iki kavram arasında bir ilişki olacağı kesindir. Akım arttıkça gerilim artar diyebilir miyiz? Diyebiliriz. Akım, elektronların hareketiydi ve akımın büyümesi demek yer değiştiren elektronların sayısının artması demek. Ne kadar çok elektron yer değiştiriyorsa voltaj farkı da o kadar artacak demektir. O zaman bu iki kavram birbiriyle doğru orantılı olarak bağıntılıdır. V I Şimdi işin içine direnci de katalım. Karşınıza çıkan engeller arttıkça hızlanır mısınız yavaşlar mısınız? Elbette yavaşlarsınız. Aynı şekilde bir maddenin direnci arttıkça elektronların bu madde üzerinde bir yerden bir yere yolculuk etmesi zorlaşacaktır. Yani direnç arttıkça akım azalır. R I Matematiksel olarak şu ana kadar bulduğumuz bu iki bağıntıyı şu şekilde yazabiliriz: V = I R Kısadevre, Açıkdevre Nedir? Eğer bir devrede iki noktanın gerilimleri aynı ise yani aralarında herhangi bir voltaj farkı yoksa bu iki nokta "kısadevre"dir. Kısadevre iki nokta arasındaki direncin 0 olması ile mümkündür. Eğer bir devrede iki noktanın arasındaki direnç değeri sonsuz ise, yani bu iki nokta arasında elektronların hareket etmesi mümkün değilse bu iki nokta arası "açıkdevre"dir. İki nokta arasında açık devre olması bu iki noktanın arasında herhangi bir iletken olmaması ile mümkündür. Örneğin, birazdan bahsedeceğimiz, bir bakır teli ortadan koparırsanız kopan iki nokta arası açıkdevre olmuş olur. Elektriksel Kavramların Kağıt Üzerinde Gösterilmesi ve Diğer Devre Elemanlarına Temel Bir Bakış Elektriksel kavramlarla uğraşırken, onlar üzerinde işlemler yaparken bu kavramları kağıt üzerinde gösterme ihtiyacı duyarız. V, I, R gibi semboller yalnızca hesaplamaları yaparken işimize yararlar

5 HUNRobotX - PIC Assembly Dersleri ancak örneğin bir direnci, bu direnç üzerinde oluşan gerilimi ilk olarak okuyucuya anlatmamız gerekecektir. Bunu devre diagramları çizerek yaparız. Devre diagramlarında da her elektriksel kavramın yine ayrı bir sembolü vardır. Şimdi bu sembolleri görelim. Ayrıca PIC kursu boyunca en sık kullanacağımız diğer devre elemanlarını da bu başlık altında sizlere tanıtacağız. Bakır Tel Bakır tel, direnci çok küçük olan bir iletkendir. İki adet devre elemanını birbirine bağlamak için kullanılır. Direncinin çok küçük olması nedeniyle bu tel üzerinde bir gerilim oluşmadığını kabul ederiz (V = I R formülünde R yerine 0 koyarsanız gerilim de 0 çıkacaktır). Bakır teller devre diagramlarında düz bir çizgi ile gösterilir: Direnç Her maddenin bir direnci olduğundan söz etmiştik. Ancak devremizde herhangi bir madde kullanmak kullanışlı olmayacaktır. Bu yüzden elektronikte özel direnç elemanları kullanılır. Bu dirençlerin değerleri bellidir. Dirençler devre diagramlarında şu şekilde gösterilir: Şimdi üzerinden geçecek akıma karşılık olarak bir direncin üzerinde oluşacak gerilimi bir direnç sembolünün üzerinde gösterelim. I R Gördüğünüz gibi bir devre elemanı üzerinden geçen akımı ok ile gösteririz. Bu, aynı zamanda akımın yönünü gösterir. Burada yeni bir durumla karşı karşıyayız. Bu akımın yönünün bir önemi var mıdır? İki nokta arasındaki voltaj farkından bahsediyoruz, peki bu voltaj hangi noktada daha yüksek hangi noktada daha düşüktür, yukarıdaki şekle göre direncin sağında mı yoksa solunda mı? İlk olarak akımın yönünün elektronların yönünün tersi olarak kabul edildiğini söyleyelim. Yani okumuz sağı gösteriyorsa elektronlar sola doğru hareket ediyorlar demektir. O zaman şunu söyleyebiliriz: Elektron akışı kavramı ile elektrik akımı kavramı farklı kavramlardır. Elektronikte "akım" dendiğinde elektrik akımı anlaşılmalıdır. Daha sonra da "yük" kavramından biraz bahsedelim. Elektronlar ve protonlar aynı zamanda yük

6 Ek Ders 1: Temel Elektrik ve Elektronik olarak adlandırılır ve bu yük, büyüklük olarak elektronlarda negatif, protonlarda pozitiftir. Yüklerin bir özelliği birbirlerini çekmeleri ya da itmeleridir. Şunu unutmayalım: Aynı tür yükler birbirini iterken farklı türden yükler birbirini çeker. Burada türden kastımız bir yükün pozitif ya da negatif olması. Yani 2 tane pozitif yük bir araya getirilmeye çalışıldığında bu yükler birbirini itecektir. Bir pozitif bir de negatif yük bir araya getirildiğinde ise bu yükler birbirini çekecektir. Şimdi yukarıdaki şeklimize geri dönebiliriz. Okumuz sağ tarafı gösterdiğine göre elektronlarımız sola doğru akıyor demektir. Peki elektronların sola akabilmesi için sol tarafın ne tür yük ile yüklenmiş olması gerekir? Elektron negatif olduğuna göre sol taraf pozitif olmalıdır ki elektronları o tarafa çekebilsin. Dediklerimizi toparlayıp şöyle bir kafamızda canlandırırsak, "Bir direnç üzerinde oluşan voltaj farkında, gerilimin yüksek olduğu nokta akımın o dirence girdiği noktadır." diyebiliriz. İşte yukarıdaki şekle o yüzden "+" ve "-" işaretlerini ekleyip bu durumu okuyucuya belirtiriz: I R + V - Gerilim Kaynağı Bir devrede elektronlar durduk yere, kendi kendilerine hareket etmezler. Onları hareket "ettirmemiz" gerekir. Bunu nasıl yapabiliriz? Eğer bir direncin üzerinde bir gerilim oluşturabilirsek o zaman elektronları bu direnç üzerinde hareket ettirebilir yani o direncin üzerinden akım geçmesini sağlayabiliriz. İşte gerilim kaynağı bu işe yarar. Gerilim kaynağının iki ucu vardır ve bu uçları bir direncin iki noktasına bağlandığınızda o iki nokta arasında bir voltaj farkı oluşturur. Bu oluşan gerilimi istediğimiz gibi kullanabiliriz. Örneğin bir lambayı bu gerilimi kullanarak yakabiliriz (lambanın çalışma prensibine girmeyeceğiz). Gerilim kaynağı devre diagramlarında şu şekilde sembolize edilir: + - V Gerilim kaynaklarına; cep telefonlarımızda, mp3 çalarlarımızda kullandığımız pilleri veya evlerimizdeki prizleri örnek verebiliriz.

7 HUNRobotX - PIC Assembly Dersleri Örnek: Şimdiye kadar öğrendiğimiz bilgileri kullandığımız bir örnek çözüp bilgilerimizi pekiştirelim. Aşağıdaki şekilde bir gerilim kaynağı bir dirence bağlanmıştır. Gerilim kaynağı direncin üzerinden bir akım geçmesine neden olacaktır. Biz de bu akımın ilk olarak yönünü ve sonra da değerini bulalım. V = 5V + - R = 1000Ω Gerilim kaynağı; 1000Ω'luk direncin şekle göre üst köşesinin geriliminin, alt köşesindeki gerilime göre 5V daha fazla olmasını sağlayacaktır. Bakır tellerin herhangi bir direncinin olmadığını varsaydığımızdan o teller üzerinde bir gerilim oluşmayacak, tüm gerilim direncin üstüne binecektir. Bu durumda elektronların, gerilimi düşük olan alt köşeden gerilimi yüksek olan üst köşeye doğru akacaklarını ve bu yüzden de elektrik akımının alta doğru olacağını söyleyebiliriz. O halde şeklimize artık akımımızı da ekleyebiliriz: V = 5V + - I R = 1000Ω Peki bu akımımızın değeri kaç amper olacaktır? Bunun için V = I R formülünü kullanacağız: V =I R I= V R I = =5mA Değerlerimizi formülümüzde yerine koyunca akımımızı 5 ma olarak bulduk. 5 ma sayıca küçük gözükebilir belki ancak amper birimi büyük bir birimdir yani 1 A'lik bir akım çok çok büyük bir değer olacağından genellikle bu sayıyı çalışmalarınız sırasında gözlemleyemeyeceksiniz.

8 Ek Ders 1: Temel Elektrik ve Elektronik Düğme (Anahtar) Düğmeler (sıklıkla "buton" ya da "anahtar" da denir), devrenin belirli bir bölümünü kısadevre ya da açıkdevre yapmaya yarayan devre elemanlarıdır. Devre diagramlarında açıkdevre halindeki düğmeler şu şekilde: Kapalı, yani kısadevre halindeki düğmeler ise bildiğimiz bakır tel şeklinde gösterilirler: Ancak bakır tel ile karışmasını önlemek amacıyla genelde açık devre şeklinde çizilip açık mı kapalı mı olduğu bir açıklama ile belirtilir. Evlerimizdeki lambaları açıp kapayan şeyler düğmelere örnek verilebilir. Lambaların sönük durabilmesi için elektriğin onlara ulaşamaması gerekir. Bunu da ancak devrenin belirli bir bölümünü açıkdevre yaparak başarabiliriz. Devremizin açıkdevre olması elektriğin devre üzerindeki dolanımını engelleyecek ve lambaların sönmesini sağlayacaktır. Toprak Yazı boyunca birçok kere voltaj farkından bahsettik. İki nokta arasındaki voltaj farkının farkındayız, peki bu noktaların gerçek voltaj değerleri nedir? Yani dünkü ile bugünkü sıcaklık arasında 3 fark olduğunu bildiğimiz gibi dün 17 bugün ise 14 olduğunu biliyoruz. Peki iki nokta arasındaki voltaj farkını bildiğimiz gibi bu iki noktanın voltajlarını da bilebilir miyiz? Cevap hayır. Voltaj göreceli bir kavramdır ve mutlaka sizin -keyfi olarak- belirleyeceğiniz bir referansa ihtiyaç duyar. Yani nerenin 0 volt olacağına siz kendiniz karar verir daha sonra da buna göre devrede geri kalan voltajları hesaplarsınız. İşte devredeki bir noktayı referans olarak aldığımızı okuyucuya belirtmek için "toprak" kavramını kullanırız. Toprak demek 0 volt demektir. Devredeki bir noktayı toprak olarak kabul etmek o noktanın gerilimini 0 volt kabul etmektir. Bir devredeki toprak noktasını şu sembol ile gösteririz: Bazen toprak, şu şekilde de gösterilir:

9 HUNRobotX - PIC Assembly Dersleri Diyot Diyotlar oldukça ilginç devre elemanlarıdır. Devrelerimizde bu elemanı direk olarak kullanmayacak olsak da bir sonra tanıtacağımız LED devre elemanının temelinde diyotlar bulunduğundan bu elemanın temel çalışma mantığını anlatmak istedik. Diyodun temel çalışma mantığı şudur: Diyotlar bir yönde elektrik akımını geçirebilirlerken, diğer yönde akımın geçmesine izin vermezler. Diyotlar devre diagramlarında şu şekilde gösterilirler: Bu şekle göre konuşacak olursak, semboldeki üçgenin tabanından (yani şekle göre soldan) giren elektrik akımı diyottan (yani sağdan) çıkabilecekken; üçgenin ucundaki dik çizgiden (yani sağdan) girecek olan daha doğrusu girmeye çalışacak olan akım diyot tarafından engellenecektir. LED LED, Light Emiting Diode yani Işık Yayan Diyot isminin ilk harflerinden oluşmuştur. İsminden de anlaşılabileceği gibi diyotun ışık yayan çeşididir. Diyot başlığında da yazmıştık, diyotlar akımı bir yönde geçirirken diğer yönde geçirmez. İşte LED'ler de eğer akım geçiriyorsa ışık yayacak, geçirmiyorsa yaymayacaktır. LED'leri kursumuz boyunca çok kullanacağız. Bu küçük sevimli ışık yayan şeyler sizin de hoşunuza gidecektir. Aslında günlük hayatta da LED'leri sık sık görürüz; örneğin, elektronik bir aleti çalıştırdığımızda genelde aletin çalışıyor olduğunu belirten küçük bir ışık yanacaktır, işte bu ışık LED ile sağlanır. Başka bir örnek optik farelerimizin altından çıkan ışıklardır, yine bu ışıklar da fare içindeki LED'lerden gelmektedir. Biraz uğraşarak LED'lerle video'ların bile oynatılabileceği bütün bir ekran yapmak bile mümkündür (Ankara'da yaşayanlar için Armada'nın yemek yenilen katındaki dev ekranın böyle oluşturulduğunu belirtelim.). LED'leri devre diagramlarında şu şekilde gösteririz:

10 Ek Ders 1: Temel Elektrik ve Elektronik Normal diyot sembolünden tek farkı saçılan ışık demetlerini sembolize etmesi için okların eklenmiş olmasıdır. Transistör Transistör, tarihin akışına etki etmiş çok değerli bir buluştur. 1950'lerde bulunmasının ardından günümüzde milyonlarcasının bilgisayarımızın içindeki işlemcilerin içine sığmasına yetecek kadar küçülmüştür. Transistörler birçok işlev için kullanılsalar da biz "anahtarlama" işlevinden yararlanacağız. Şimdi transistörün devre diagramlarındaki sembolünü bir görelim: Bu sembolün 3 tane bacağa sahip olması dikkatinizi çekmiştir. Çok kaba bir biçimde transistörü kursumuz boyunca nasıl kullanacağımızı size söyleyelim: Transistörlerin özelliği ortadaki bacağa (baz da denir) belirli bir voltaj uyguladığımızda üstteki bacaktan alttaki bacağa elektrik akımına izin vermesidir, yani üst bacak ile alt bacak kısa devre gibi davranır. Eğer o belirli voltajı uygulamaz da ortadaki bacağı direk toprağa bağlayacak olursak o zaman üst bacaktan alt bacağa elektrik akımı olmayacak, o kısım açık devre gibi davranacaktır. Kapasitör, Kristal Bu iki devre elemanı PIC ile devreler oluşturulurken mutlaka kullanılsa da ileri seviye bir devre kurulmadığı sürece ne işe yaradıklarını bilmenize gerek yoktur. Biz de bu kursta sizlere ileri seviye devreler kurdurtmayacağımız için aklınızın da karışmaması adına bu elemanların ne işe yaradıklarını burada anlatmayacağız. Yine de gördüğünüzde tanıyabilmeniz için bu iki elemanın devre diagramlarında nasıl gösterildiklerini verelim: Kapasitör Kristal

11 HUNRobotX - PIC Assembly Dersleri Bağlantılar