ELE 201L DEVRE ANALİZİ LABORATUVARI Deney 1 Temel Elektronik Ölçümler 1. Hazırlık a. Dersin internet sitesinde yayınlanan Laboratuvar Güvenliği ve cihazlarla ilgili bildirileri okuyunuz. b. Ön-çalışmanız normalde en geç kayıtlı olduğunuz laboratuvar saatinin başında teslim edilmesi gerekir; ancak, bu ilk deneye mahsus olarak EN GEÇ CUMA, 29 MAYIS 2015, SAAT 0830 DA ASİSTANLARA LAB 117 DE TESLİM EDİLMELİDİR. Ön-çalışmanızın okunaklı, çözümlerinizin de muntazam ve tüm hesaplama basamakları gösteriyor olmaları önem arz etmektedir. Laboratuvar deneylerine devam edebilmek için labın başlangıcında ön-çalışma sorularıyla ilgili olarak yapılacak sözlü sınavdan geçerli not (%50) almanız gerekmektedir. BU NEDENLE ÖN-ÇALIŞMA SORULARI LAB SAATİNİZDEN ÖNCE ÇÖZMENİZİ TAVSİYE EDERİM. Sözlü sınavı geçmeyen öğrenciler başka bir zaman düzenlenecek telafi lab saatinde labı yapmak zorundadır. Laba gelmeyerek devamsızlığı olan veya girilmeyen bir laboratuvarı telafi etmeyen öğrenciler laboratuvar dersinden kalacaktır. c. Vaktinde teslim edilmeyen ön-çalışmalara puan verilmeyecektir. d. Soru çözümlerinizi, deney ölçümlerinizi ve notlarınızı renkli mürekkep kalemiyle yapılmalıdır. e. Laboratuvara gelirken Deney 1 Föyünü, cihazlarla ilgili referans bildirileri, ve de bir hesap makinesi getiriniz. 2. Ön-Çalışma Soruları A. Gerilim ve Akım Kaynakları İdeal gerilim ve akım kaynakları Şekil 1 deki simgelerle gösterilmektedir. İdeal bir gerilim kaynağı akımın değerinden bağımsız olarak belirli bir gerilim sağlamaktadır. İdeal bir akım kayanğı ise gerilimin değerinden bağımsız olarak bir akım sağlamaktadır. Gerçek gerilim ve akım kaynaklar ise Şekil 2 de gösterildiği gibi bir iç dirençten enerji kaybetmektedir. Gerilim kaynakların doğrudan birbirlerine paralel bir şekilde, akım kaynakların doğrudan birbirlerine seri bir şekilde bağlanmaları genelde mantıksız ve tehlikeli bir işlemdir. Şimdi bunun sebebini basit bir hesapla göreceğiz. Diyelim ki laboratuvarda çalışırken kazaran +5 V luk ve +15 V luk gerilim kaynakları birbirlerine arada bir tampon direnci koymadan bağladınız. Bu hatalı bağlantı tarzı Şekil 3 de gösterilmektedir. 1
Şekil 1: İdeal Kaynakların Devre Modelleri Şekil 2: Gerçek Kaynakların Devre Modelleri Şekil 3: Gerilim Kaynakların Tehlikeli Bağlantısı 2
Eğer R1 = R2 = 2 ise, R2 den ne kadar akım geçmektedir? Akımın birimini belirtmeyi unutmayınız. I R2 = Bir çok gerilim kaynağı 10 W dan daha fazla güç tüketmeyi kaldıramamaktadır yani, güç 10 W ı aşarsa, cihaz zarar görmektedir. 5 V luk gerilim kaynağında ne kadar güç tüketilmektedir? Birimi belirtmeyi unutmayınız. P 5V = Bu güç seviyesiyle güç kaynağı hasar görecek midir? Cevabınızı işaretleyiniz: EVET HAYIR Şimdi diyelim ki aynı güç kaynakları bir 1 k luk tampon direnci üzerinden bağladık, Şekil 4 de gösterildiği gibi. Bu durumda 5V luk güç kaynağı ne kadar güç tüketmektedir? P 5V = 3
Şekil 4: Gerilim Kaynakların Güvenli Bağlantısı Şimdi güç kaynağı hasar görecek midir? Cevabınızı işaretleyiniz: EVET HAYIR B. Ölçüm Aletleri Gerçek bir akım ölçer (ammeter), ideal bir akım ölçere bağlantılı bir direnç ile beraber modellenebilmektedir. Gerçek bir gerilim ölçer (voltmeter), ideal bir gerilim ölçere bağlantılı bir direnç ile beraber modellenebilmektedir. C. Salınımölçer (Oscilloscope) Ölçümleri Laboratuvarda salınımölçeri etkili kullanmanız açısından XYZ of Oscilloscopes dosyasını okumuş olmanız büyük fayda sağlayacaktır. Bu ön-çalışma sorusunda örnek bir ölçümle sinüsün önemli parametre değerleri hesaplanacak. Diyelim ki salınımölçer ekranında Şekil 5 deki gibi bir sinüs sinyali ölçtük. Dikey yöndeki/doğrultudaki ( vertical sensitivity ) hassasiyetin 5 V/cm ve zaman yönündeki ( sweep rate ) hassasiyetin 0.5 ms/cm olduğunu varsayalım. Sinüsün önemli parametreleri Şekil 5 de gösterilmektedir. Sinüssal sinyallerin genliği kolayca ölçülen belirgin bir değerdir. Tanımı gereği, sinüsün tepeden tepeye genliği (Vtt: peak-to-peak amplitude) her zaman genliğin iki katıdır. Ancak, ölçümlerde sıklıkla RMS (root-mean-square) genlik kullanılmaktadır, çünkü sinüslerde olduğu gibi bir çok sinyalin genliği sabit değil, zamanla değişmektedir. Bir sinyalin RMS genliği bize zaman üzerinden ortalama bir genlik değeri vermektedir. Gerilim ölçerin AC modunda gösterdiği gerilim değeri de sinyalin RMS değeridir. 4
Şekil 5: Sinüsün Genlik ve Dönemlilik Tanımları Matematiksel olarak, bir sinyalin RMS genliği şöyle tanımlanmaktadır: V RMS = 1 T V(t) 2 dt 0 T Dolayısıyla, bir sinüsün RMS genliği V RMS,sinüs = 1 2π 0 2π sin(t) 2 dt dır. RMS tanımını kullanarak, bir sinüsün RMS genliğinin tepeden tepeye genliğin gösteriniz. Yani, bu ilişkiyi kanıtlayın: 2 katı olduğunu V RMS,sinüs = 0.707V tt İspat: 5
Sinüsün dönemliliği ise sinyalin tekrar etmesi için gereken süre olarak tanımlanabilir. Matematiksel olarak, x(t) sinyal dönemli ise x(t) = x(t+t) ve T sinyalin dönemidir. Frekans dönemin tersi olarak tanımlanmaktadır: f = 1 T Frekansın birimi 1/saniye veya Hz dır. Açısal frekansı,, hesaplamak için frekans 2 ile çarpılmaktadır: ω = 2π T Açısal frekansın birimi ise radyan/saniye (rad/s) dır. Radyan açısal bir birim olduğu için alışkın olduğumuz derece birimiyle de ilişkilidir: örneğin: 90 = rad, ve 180 = rad. Şimdi Şekil 6 da verilen salınımölçer ekran görüntüsünü ele alalım. Daha önce verilen salınımölçer hassasiyet değerlerini dikkate alarak sinüsün parametre değerlerini hesaplayınız ve cevaplarınızı verilen tabloda doldurunuz. Şekil 6: Salınımölçer Ekranı Sinüs Ölçümü Parametre Birimler Değeri Genlik Volt Tepeden tepeye genlik Volt RMS genlik Volt Dönem Ms Frekans Hz Açısal Frekans Rad/s 6
D. Kirchoff Yasaları: Gerilim Bölücü Devresi Şekil 7 deki devreyi ele alalım. Şekil 7: Gerilim Bölücü Devre Eğer R = 2 M ise gerilim V0 yi hesaplayınız. V 0 = Şimdi diyelim ki laboratuvarda V0 ı iç direnci 10 M olan bir salınımölçer ile ölçünüz. Bu durumu temsil eden devreyi çiziniz: Gerilim V0 ölçümünüzün ne olmasını beklersiniz? V 0 = 7
Ölçüm hatasının 1% den küçük olması için salınımölçer direncin en büyük değeri ne olmalı? R osc = Salınımölçer direncin 10 M olduğu durumunda ne kadar çok akım ölçülen dirençten geçmektedir? I = 8
E. Devre Tahtası (Breadboard/Protoboard) Bağlantıları Şekil 8 de bir devre tahtası gösterilmektedir. ELE 201 Laboratuvarında bütün devreleriniz buna benzer bir devre tahtası üzerinde kurulacaktır. Devre tahtasında hangi deliklerin birbirlerine bağlı olduğu işaretlenmiştir. Şekil 8: Devre Tahtası Bağlantıları Şekil 8 i referans olarak kullanarak, Şekil 9 de gösterilen devrenin şemasını aşağıda çiziniz. Şeması: Şekil 9: Örnek bir Devre 9
Aşağıda verilen boş devre tahtası üzerinde Şekil 10 deki Wheatstone Köprüsünü kurunuz. Şekil 10. Wheatstone Köprüsü Ön-Çalışma Bölümü Bitmiştir ELE 201 dersine kayıtlı olan tüm öğrenciler ödev niyetine tüm ön-çalışma sorularının çözümlerini yazılı olarak Asistanlara en geç Cuma, 29 Mayıs 2015, saat 0830 a kadar Lab 117 de teslim etmelidir. Eğer ELE 201 Labına kayıtlı değilseniz bu noktada işiniz bitmiştir. Laboratuvara kayıtlı olan öğrenciler bir sonra ki lab vaktinde takiben verilen Lab Deneyleri gerçekleştirmelidir. 10