EEM0108 Elektrik-Elektronik Mühendisliğinde Malzeme Aktif ve Pasif Devre Elemanları mfkuluozturk@beu.edu.tr
MALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASI ÖZELLİKLERİNE GÖRE Elektriksel Özellikler Manyetik Özellikler Fiziksel Özellikler * Direnç, Özdirenç, İletkenlik * Ferromanyetik, Diamanyetik... * Sıcaklık, Nem * İletken, Yalıtkan, Yarıiletken * Manyetik anahtarlama * Basınç, Zor-Zorlanma * Dielektrik, Kapasite * Magnetler * Kutu, Pano, İzolatör * İndüktif * Transformatör ve bobinler * Temel ölçüm ve el aletleri KULLANIM ALANLARINA GÖRE Elektronik Devre Elemanları ve Malzemeler * Aktif ve Pasif devre elemanları * Sensörler Elektrik Üretimi, İletimi, Dağıtımı ve Tekniği * Enerji Üretim bileşenleri (güneş paneli, trübin vs.) * Enerji iletimi (iletkenler, direkler vs.) Temel Cihaz, Alet ve Ekipmanlar * Ölçüm Cihazları (multimetre, osiloskop vs.) * Kutu, izolatör vs. * Güç kaynakları, Alıcı-Vericiler * Enerji dağıtımı (trafolar, panolar) * El aletleri * Çevre Birimler * Elektrik makinaları, PLC ler * Kablo ve konnektörler
TEMEL DEVRE ELEMANLARI 1. Aktif Devre Elemanları (diyot, transistör, opamp) 2. Pasif Devre Elemanları (direnç, kapasitör, indüktör, kristal) AKTİF DEVRE ELEMANLARI Aktif devre elemanları belli koşullarda akım geçiren yarıiletken devre elemanlarıdır. Bu malzemelerin çalışma şekillerinin anlaşılabilmesi için yarıiletken malzemeler hakkında bazı temel bilgilerin bilinmesi gerekmektedir. Yarıiletkenler, normal şartlarda yalıtkan özelliği gösteren ancak gerilim, ısı, ışık, basınç gibi etkiler sonucu iletime geçen malzemelerdir. Yük taşıyıcısına göre n-tipi (elektron) ve p-tipi (hole-deşik) olmak üzere iki sınıfa ayrılır. Katkısız yarıiletken n-tipi yarıiletken p-tipi yarıiletken
İletken, yalıtkan ve yarıiletken bant diyagramları
Diyot yapısı, karakteristiği ve çalışması
Diyot çeşitleri Diyotlar, tek yönlü akım geçiren devre elemanlarıdır. Elektronik devrelerde akım yönü belirlemede, kırpıcı devrelerde, doğrultucu devrelerde kullanılırlar.
Transistörler Transistörler, elektronik devrelerde anahtarlama veya yükseltme amaçlı kullanılırlar. Ayrıca lojik devrelerin de temelinde diyot ve transistörler olduğundan bu amaçla kullanılan entegrelerin iç yapılarında da bulunurlar.
Transistörler
Entegre Devreler (IR-Integrated Circuits)
Entegre Devreler (IC-Integrated Circuits)
Dirençler Bir devrede akımı sınırlayan devre elemanlarıdır. Farklı tiplerde ve farklı amaçlarla kullanılmak üzere üretilmiş dirençler mevcuttur. R = ρ L A ρ = 1 σ = E J
S o K a K T a S a Y a M a M G i B i i y a h a h v e u r n c u a r ı e ş i l a v i o r r i e y a z 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ı r m ı z ı
Dirençler Elektrik ve elektronikte kullanılan bütün iletken veya devre elemanlarının direnç, özdirenç veya iletkenlik gibi bilgilerinin bilinmesi önem taşımaktadır. Malzeme Cinsi Özdirenç Öziletkenlik Isı Direnç Katsayısı [.mm 2 /m] [m/.mm 2 ] [1/ o C.10-3 ] Gümüş 0,0165 61 3,8 Bakır (Yer altı Kablosu için) 0,0172 58 3,93 Bakır (Hava Hattı için) 0,0176 56 3,83 Altın 0,023 44 3,8-4 Alüminyum 0,0282 35 4,03 Tungsten (Volfram) 0,055 18 4 Platin 0,1-0,11 10-9,1 3-3,8 Kalay 0,12 8,3 4,2-4,63 Çelik Tel 0,17 6 5,2 Krom Nikel CN20 0,97 1,03 0,44 (%20 Ni, %25 Cr, %55 Fe) Krom Nikel CN80 1,12 0,89 0,14 (%80 Ni, %20 Cr, %0-3 Fe) Bizmut 1,2 0,83 4,2 Çinko 0,0606 16,5 4,7 Nikel 0,08-0,11 13-9 3,7-6 Demir 0,1-0,15 10-7 4,5-6 Pirinç 0,064 16 1,5 (%60 Cu+%40 Zn) Pirinç 0,084 11,9 1,5 (%70 Cu+%30 Zn) Manganin 0,43 2,3 0,001 Konstantan 0,5 2-0,03 20 o C için Değişik İletken Malzemelerin Özelikleri Özdirencin sıcaklığa bağlı değişimi Yarıiletkenlerde sıcaklığa bağlı değişim
Karbon Dirençler Karbon karışımı veya karbon direnç, toz halindeki karbon ve reçinenin ısıtılarak eritilmesi yolu ile elde edilir. Karışımdaki karbon oranı direncin değerini belirler. Büyüklüklerine göre ¼, ½, 1, 2, 3 watt / 1Ω dan 22 MΩ a kadar değerlerde üretilirler. Üzerindeki çizgilerden değerleri belirtir. SMD (Surface Montage Device)(Yüzey Montaj) Direnç Çok az yer gerektirdiği ve devre üstünde de delik gerektirmediği için devre tasarlarken kullanılır. 0201, 0402, 0604, 0805, 1206 ve 2010 gibi kılıf çeşitleri vardır. Üstündeki sayılar direnç değerini belirtir. Genellikle 3 veya 4 haneli rakam taşır. İlk haneler rakamı, son hane çarpanı, R harfi ise virgülü belirtir. Örneğin 3300 = 330 10^0 = 330Ω, 201 = 20 10^1 = 200Ω, 3R3 = 3.3Ω) Potansiyometre (Ayarlı Direnç) Direnç değeri isteğe bağlı değiştirilebilen dirençlerdir. Kılıfının üstünde en yüksek değeri yazar ve sıfır ile maksimum değer arasında bir istenilen değere ayarlanabilir. Dijital Potansiyometre Bu dirençler kullanıldıkları devrelerde mekanik olarak değil de software üzerinden değeri değiştirilebilen dirençlerdir. Örneğin 8 bit 10 k lık bir dijital potansiyometrede direnç değeri 10*10^3/2^8=39 ohm luk adımlarla değişir.
Ortam Koşullarına Göre Değişen Dirençler a) Termistörler (NTC-PTC) Ortam sıcaklığına göre direnç değerleri değişir. Positive Temperature Coefficient (PTC) sıcaklık artınca, Negative Temperature Coefficient (NTC) sıcaklık azalınca dirençleri yükselen dirençlerdir. Foto Direnç (LDR) LDR, Light Dependent Resistor kelimelerinin baş harflerinden oluşan bir kısaltmadır. Bu elemanların yapısında yarı iletken madde olarak kadmiyum sülfat (CdSO4) kullanılmaktadır. Aydınlık ortamlarda direnci 10 Ω a kadar düşer. Karanlık ortamda direnci 200MΩ a kadar çıkar. Işığa bağlı olarak direncinin değişmesi özelliği sayesinde sensör olarak kullanılabilir.
Direnç Bağlantı Tipleri ve Eşdeğer Direnç Paralel Bağlantı: Seri Bağlantı:
RENKLER Sarı Mavi Turuncu Gümüş 4 6 x 10 3 ± %10 Kahverengi Kırmızı Sarı Gümüş 1 2 x 10 4 ± %10 Gri Yeşil Siyah Altın 8 5 x 10 0 ± %5 Mavi Mor Kahverengi Altın 6 7 x 10 1 ± %5 Beyaz Sarı Kırmızı Gümüş 9 4 x 10 2 ± %10 Kırmızı Kırmızı Kırmızı Altın 2 2 x 10 2 ± %5 R (kω) 46 ± 4,6 120 ± 12 0,085 ± 0,00425 0,67 ± 0,0335 9,4 ± 0,94 2,2 ± 0,11
ÖRNEK: Şekilde verilen devrede A ve B uçları arasındaki eşdeğer direnç değerini hesaplayınız. 2k2 + 3k3 = 5k5 A 2k2 3k3 1k B 10k 4k7 1 = 1 R eş1 5k5 + 1 4k7 R eş = 2k5 2k2 1 = 1 R eş2 1k + 1 2k2 R eş = 0,68 k R eş = 2k5 + 10k + 0, 68k = 13, 18 k
Kondansatör Nedir? Kondansatör yada diğer ismiyle kapasitör, elektrik enerjisini elektrik alan olarak depolayan iki uçlu bir devre elemanıdır. Temelde iki adet iletken plakanın arasına yalıtkan bir madde koyulması ile elde edilir. Yalıtkan kısım boş olabileceği gibi dielektrik özelliğe sahip bir maddeden de oluşabilir (örneğin kağıt, cam, plastik, seramik, mika vs). Devrede ve denklemlerde C harfi ile gösterilir ve birimi Farad (F) dır. Kondansatör Çeşitleri Seramik kapasitör: Şekillerinden dolayı aynı zamanda mercimek kapasitör ismiyle de anılırlar. Ses ve RF devrelerinde tercih edilir. Pikofaraddan 0.1 mikrofarada kadar kapasitelere sahiplerdir. Ucuz ve güvenilir olmalarından dolayı en sık tercih edilen tipteki kapasitörler arasında yer alırlar. Elektrolit kapasitör: Polarize tipte (kutuplu) kapasitörlerdir. Yüksek kapasite değerlerini sağlayabilirler (çoğunlukla 1µF ve üzeri). Silindirik yapıdadırlar. Sıklıkla güç kaynağı devreleri ve ses devrelerinde ayırma (decoupling) gibi düşük frekans işlerinde kullanılırlar. SMD (Surface Mount Device devre kartının yüzeyine lehimlenen) tipte veya through-hole (devre kartındaki deliklere lehimlenecek şekilde) tipte çeşitleri mevcuttur. Tantal kapasitör: Tıpkı elektrolit kondansatörler gibi tantal kapasitörler de kutuplu yapıdadır. Boyutlarına oranla yüksek kapasite değerleri sunabilirler. Tantal kapasitörlerin ters gerilime toleransları çok düşüktür, yüksek dalgalanma akımları ve gerilimlerine maruz kaldıklarında veya yüksek stres altında patlayabilirler. Bu kapasitörler de SMD ve standart tipte üretilebilirler. Mika kapasitör: Günümüzde çok fazla kullanılmasa da, yüksek stabiliteye sahip olmaları ve yüksek frekansta çalışabilmeleri sebebiyle boyut kısıtı olmayan RF devrelerinde kullanılırlar. Maksimum 1000pF civarında kapasiteye sahiptirler. Trimer kapasitör: Kapasite değeri bir tornavida aracılığıyla değiştirilebilen tipteki kapasitörlerdir. Genellikle ekipmanların kalibrasyonu için kullanılırlar. Hassasiyet ve toleransları oldukça düşük olduğundan genellikle son kullanıcı ürünlerinde tercih edilmezler. Çoğunlukla en düşük 0.5 10pF ve en yüksek 1 120pF arasında değişebilen kapasiteye sahip tipleri mevcuttur. Süper kapasitör: Süper kapasitörler (ultra kapasitör ismiyle de anılır), 12kF (=12.000 Farad) gibi çok yüksek kapasite değerlerine sahip olabilen kapasitörlerdir. Tipik bir elektrolitik kapasitörün birim hacimde depoladığı enerjinin yaklaşık 10 ile 100 katı kadarını depolarlar. Bu yüksek kapasiteyi elde etmek için klasik olarak kullanılan dielektrik malzeme yerine ikili mekanizmaya sahiptirler. Bunlardan birisi elektrostatik, diğeri de elektrokimyasal prensip ile çalışır. Süper kapasitörler şarj edilebilir bataryaların yerini alması için tasarlanmıştır. Elektrikli araçlarda rejeneratif frenleme ile üretilen enerjiyi depolamada kullanılırlar.
Kondansatör d C = ε 0 A d C = Q V e 0 τ =R.C
Kapasitör Bağlantı Tipleri ve Eşdeğer Direnç Paralel Bağlantı: i i 1 i 2 i 3 i n C eş = C 1 + C 2 + C 3 + + C n V C1 C2 C3 Cn Seri Bağlantı: C1 C2 C3 Cn i V 1 C eş = 1 C 1 + 1 C 2 + 1 C 3 + + 1 C n
ÖRNEK: Şekildeki devrenin eşdeğer kapasitans değerini hesaplayınız. 1 = 1 C eş 10 μf + 1 5 μf C eş = 3,33 μf A 1 uf 10 uf 5 uf B 5 uf 5 uf 2 uf 1 uf + 2 uf = 3 uf 2 uf 3,33 uf + 2 uf = 5,33 uf 1 C eş = 1 5 μf + 1 3 μf + 1 5 μf + 1 5, 33 μf C eş = 1, 08 μf
İndüktörler İndüktörler genel olarak iletken bir telin sargı biçimine getirilmesi ile elde edilir. İndüktörler üzerine sarıldıkları çekirdeğin türüne göre sınıflandırılırlar. Hava çekirdekli veya manyetik olmayan malzemeye sarılı indüktörler genel olarak radyolarda televizyonlarda ve filtre devrelerinde kullanılır. Demir çekirdekli indüktörler güç devrelerinde ve filtre devrelerinde kullanılır. Ferrit çekirdekli indüktörler ise yüksek frekans uygulamalarında tercih edilir. L = μ 0 N 2 A l L = μ 0 N 2 A 2πr
İndüktörler Seri Bağlama: L1 L2 L3 Ln L eş = L 1 + L 2 + L 3 + + L n Paralel Bağlama: L1 L2 L3 Ln 1 L eş = 1 L 1 + 1 L 2 + 1 L 3 + + 1 L n