GAZĠOSMANPAġA ÜNĠVERSĠTESĠ

GAZĠOSMANPAġA ÜNĠVERSĠTESĠ Bilimsel AraĢtırma Projeleri Komisyonu Sonuç Raporu Proje No: 2011/52 TEMEL ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK DEVRE SĠSTEMLERĠNĠN KURULMASI Proje Yöneticisi Yrd. Doç. Dr. Levent GÖKREM Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi Mekatronik Mühendisliği Bölümü AraĢtırmacı Yrd. Doç. Dr. Mehmet AKAR Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi Mekatronik Mühendisliği Bölümü Yrd. Doç. Dr. Ahmet FENERCĠOĞLU Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi Mekatronik Mühendisliği Bölümü ġubat/2013

I ÖZET Temel Elektrik-Elektronik Devre Sistemlerinin Kurulması Elektrik Elektronik alanı ülkemizde ve dünyada son yıllarda hızlı bir şekilde değişim ve ilerleme göstermektedir. Mekatronik Mühendisliği eğitiminde bu bilimin temel yapı taşlarından biri olan Elektrik-Elektronik mühendisliğinin temel kavramlarının iyi anlaşılması gerekir. Temel kavramların iyi anlaşılması iyi bir teori eğitiminin yanında iyi bir uygulama eğitimiyle mümkün olmaktadır. Bu bağlamda yapılan alt yapı projesiyle, öğrencilerimiz teorik olarak aldığı elektrik-elektronik eğitiminin uygulamasını yapabileceği sistemlere sahip olmuştur. Kurulan sistem ile temel düzeyde Elektrik-Elektronik deneyleri yapılabilmektedir. Ayrıca sisteme eklenecek yeni elemanlarla orta ve ileri düzey deneyler ve yeni projeler üretebilecek altyapı oluşturulmuştur. Anahtar Kelimeler Elektrik, Elektronik, Deney seti *Bu alt yapı projesi (Proje No: 2011/52) GaziosmanpaĢa Üniversitesi Bilimsel AraĢtırma Komisyonu BaĢkanlığınca desteklenmiģtir.

II ABSTRACT The Establishment of Basic Electrical and Electronic Circuit Systems Electrical and Electronics field in our country and around the world show that change and progress quickly in recent years. This is one of the fundamental building blocks of science education in Mechatronics Engineering Electrical and Electronics engineering, you need to understand the basic concepts. Better understanding of the basic concepts of the theory is a good addition to education, the education of good practice is possible. In this regard, substructure project, the students can practice the theoretical systems that have had training in electrical and electronics. With the established system, a basic level of Electrical and Electronics experiments will have been done. In addition, the new elements will be added to the system experiments and new projects to produce intermediate and advanced infrastructure was created. Keywords Electrical, Electronics, Experimental set

III ÖNSÖZ Gaziosmanpaşa Üniversitesi Bilimsel Araştırma Komisyonunca desteklenen bu çalışma (proje no: 2011/52) bir alt yapı projesi olup, sağlanan destek ile Üniversitemiz Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi Mekatronik Mühendisliği Bölümünde temel seviye Elektrik-Elektronik devre sistemleri kurulmuştur. Oluşturulan sistemi Mekatronik Mühendisliği lisans öğrencileri Elektronik I ve Elektronik II, Ölçme ve Enstrümantasyon derslerinde, yüksek lisans öğrencileri ise Elektronik Ölçme Metodları derslerinde kullanacaktır. Ayrıca öğrenciler geliştirecekleri projelerde mevcut makine teçhizatı kullanarak yeni araştırmalar yapabileceklerdir. Bölümümüze kalıcı ve işlevsel bir laboratuarın oluşması için destek veren GOÜ-BAP komisyon başkanı ve üyelerine, işlemlerin yürütülmesinde desteklerini gördüğüm BAP personeline teşekkürlerimi bildirmek istiyorum. Yrd. Doç. Dr. Levent GÖKREM Şubat, 2013

IV ĠÇĠNDEKĠLER ÖZET... I ABSTRACT... II ÖNSÖZ... III İÇİNDEKİLER... IV ŞEKİLLER LİSTESİ... V GİRİŞ... 1 MATERYAL VE METOD... 3 Örnek Uygulama... 4 SONUÇLAR... 12 KAYNAKÇA... 13

V ġekġller LĠSTESĠ ġekiller Sayfa Şekil 1.Temel Elektrik-Elektronik deney düzeneği... 3 Şekil 2. Elektronik Uygulama Modülü... 4 Şekil 3.Mikrofon Yükselteci... 5 Şekil 4.PNP NPN Transistör... 6 Şekil 5.Transistörde Akımların Gösterilişi 6 Şekil 6. NPN transistörlü ölçüm devresi...7 Şekil 7. Giriş karakteristiği için ölçüm devresi.7 Şekil 8. İletim karakteristiği için ölçüm devresi..7 Şekil 9. Bir yükselteç için ölçüm devresi ortak emiter gösterimi..9 Şekil 10. Bir yükselteç için ölçüm devresi ortak kolektör gösterimi 10 Şekil 11. Yükselteç devresi.11

1 GĠRĠġ Çağdaş dünyanın en göze çarpan unsuru bilim ve teknoloji olarak ortaya çıkmaktadır. Bilim ve teknolojinin vazgeçilmez öğesi ise elektroniktir. Her bilimsel gelişme, içinde elektronik alanında yapılan atılımları barındırmaktadır. Ekonomisi ve teknolojisi gelişen ülkeler daha çok elektronik alanındaki gelişimleri ile bunu başarabilmektedir (Alacacı, 2004). Bilgisayar kontrollü elektromekanik sistemlerin büyük bir kısmı, teknoloji lideri ülkelerde tasarlanmakta ve ülkemize ürün veya teknoloji olarak ithal edilmektedir. Bu durum, özellikle küçük ve orta ölçekli sanayi kuruluşlarının, uluslararası pazardaki rakipleri ile rekabet edebilmelerini gerektirdiğinden özel bir önem taşımaktadır. Bu kuruluşlar için otomasyon hayati önem taşıyan pahalı bir işlemdir. Bunun sebebi ise ödenen paranın büyük bir kısmının sistemin satın alındığı ülkeden yapılan teknoloji transferi için yapılmasıdır ki, bu genellikle % 60 ile % 80 ler civarındadır. Bu durum açıkça göstermektedir ki, özellikle bilgisayar kontrollü elektromekanik sistemler konusunda uygulama becerisine sahip, bu eğitimi verebilen teknik elemanlara, bu tür teknolojik sistemlerin geliştirilmesi ve üretilmesi için acil ihtiyaç bulunmaktadır (Savaşır, 1999; Anonim, 2008). Uluslararası düzeyde bu konuya ne kadar önem verildiği net bir şekilde görülmektedir. Türkiye deki benzeri çalışmaların birkaç üniversite dışında yapılmadığı da göz önüne alınırsa, ülkemiz için durumun ciddi olduğu anlaşılmaktadır. Ülkemizde bu konudaki çalışmalara hız verilmesi, kapsamlarının genişletilmesi, özellikle yetişmiş eleman ihtiyacını karşılamaya yönelik düzenlemelerin yapılması zorunludur. Ülkemizde de otomasyon alanında eğitim verilen mühendislik, teknik eğitim ve meslek yüksek okulu programları giderek yaygınlaşmaktadır (Gören ve Başer, 2008; Erden, 2003). Mekatronik, teknolojik ürün ve tasarımda makine, elektrik-elektronik ve bilgisayar mühendisliklerinin kaynaşmasını ifade eden disiplinler arası bir mühendislik felsefesidir. Çağımızın yeni ve popüler bilimi olarak kabul edilen mekatronik, makine,

2 elektrik-elektronik ve bilgisayar mühendisliğinin evliliğinden doğan; yazılım ve kontrol mühendisliği konularını da aynı çatı altında toplayan disiplinler arası bir kavramdır. Akıllı makineler tasarlamak üzere, tasarım ile süreç ve ürün imalatında, makine mühendisliğinin, elektronik ve bilgisayar ile sıkı kaynaşması olarak da ifade edilebilen mekatroniğin kapsamı, mekanik tasarım ve analiz, robotik sistemler, görüntü işleme, kontrol mühendisliği, yapay sinir ağları ve yapay zekâ ile sanal gerçeklik olarak sıralanabilir. Mekatronik Mühendisliği eğitiminde bu bilimin temel yapı taşlarından biri olan Elektrik-Elektronik mühendisliğinin temel kavramlarının iyi anlaşılması gerekir. Temel kavramların iyi anlaşılması iyi bir teori eğitiminin yanında iyi bir uygulama eğitimiyle mümkün olmaktadır. Bu bağlamda yapılan bu alt yapı projesiyle, öğrencilerimiz teorik olarak aldığı elektrik-elektronik eğitiminin uygulamasını yapabileceği sistemlere ulaşmıştır. Ayrıca fakültemiz bünyesinde kurulmuş olan Elektrik-Elektronik mühendisliği öğrencilerinin de bu imkânlardan faydalanması sağlanacaktır. Yine bu sistemlerle üniversitemiz mühendislik fakültesinde eğitim alacak Mekatronik mühendisliği bölümü öğrencilerinin sayısal elektronik ve mikroişlemciler laboratuar derslerinde önemli bir teçhizat olarak kullanılacaktır. TUBİTAK ve benzeri ulusal ve uluslararası kuruluşlar projelere destek vereceklerinde, projeyi veren kurumun altyapı imkânlarının mevcut olmasını istemektedir. Bu bakımdan yapılacak altyapı projesi ileride hedeflenen projelere altyapı oluşturacaktır.

3 MATERYAL VE METOD Proje kapsamında alınan cihazlar Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi Mekatronik Mühendisliği Bölümü Elektronik ve Ölçme laboratuarına yerleştirilmiştir. Kurulumu gerçekleştirilen deney düzeneği Şekil 1' ve 2' de görülmektedir. ġekil 1.Temel Elektrik-Elektronik devre düzeneği Temel Elektrik-Elektronik Sistemi üç adet modülden oluşmaktadır. İlk modül AC DC güç kaynağı, Sinüs, Üçgen ve Testere dişi sinyalleri üreten 0-20KHz Sinyal jeneratörünün bulunduğu modüldür. İkinci modül ise deney düzeneğinin hazırlanacağı modüldür. Üçüncü modül ise deney düzeneklerini kurmak için gerekli elemanların bulunduğu modüldür.

4 ġekil 2. Elektronik Uygulama Modülü Temel Elektrik-Elektronik Devre Sistemleri ile yapılabilecek deneyler ve uygulamalar şunlardır. 1: Gücün azalması için yarı iletken diyotların seçimi 2: Bir güç kaynağının çıkış gerilimini dengelemek için zener diyot kullanılması 3: LED için gerekli olan seri direnç seçimi 4: Bir mikrofonun çıkış sinyalinin yükseltilmesi 5: Alan etkili bir transistör ile ışık açma ve kapatma Örnek Uygulama 1 Bir Mikrofonun Çıkış Sinyalinin Yükseltilmesi Öğrenilmesi hedeflenenler Bu alıştırmanın bitiminden sonra; Transistor ün yapısını ve çalışmasını öğrenecek, Giriş, iletim ve çıkış karakteristiklerini öğrenecek, Bir transistor ün çalışma noktasını ayarlayabilecek,

5 Bir yükseltme aşaması için AC gerilim kazancı ve AC akım kazancını belirleyebileceksiniz. Problem tanımı; Bir mikrofon sinyali, bir yükseltici kullanımıyla yüksek bir gerilim seviyesi ve yüksek bir çıkış gücüne çevrilir. Çalışma gerilimi 12 V dur. Kolektör emiter jonksiyonu (eklemi) 5 V olmalıdır. BC547 tipi bir transistor ünüz vardır. Bu uygulama için hangi temel transistör gösteriminin en uygun olduğu tespit edilir. Transistör için çalışma noktası ayarlanır. Taslak çizimi ġekil 3.Mikrofon yükselticisi Proje görevleri 1. İki kutuplu transistörlerin yapısını tanımlamak, 2. Transistörlerin çalışmalarına aşikâr olmak, 3. NPN ve PNP transistörler arasındaki farkı araştırmak, 4. Bir NPN transistor ün giriş karakteristik eğrisini kaydetmek, 5. Bir NPN transistor ün iletim karakteristik eğrisini kaydetmek, 6. Bir NPN transistor ün çıkış karakteristik eğrisini kaydetmek, 7. Bir transistor ün ortak emiter gösterimini araştırmak, 8. Bir transistor ün ortak kolektör gösterimini araştırmak, 9. Bir yükseltici devrenin çalışma noktasını ayarlamak, 10. Bir yükseltici devrenin çalışma noktasını stabilize etmektir.

6 İki kutuplu transistörlerin yapısı; İki kutuplu transistörler iki tane P N ekleminden oluşurlar. Farklı katkılı yarıiletkenlerin gösterimleriyle belirlenmiş olan, NPN ve PNP transistör olmak üzere iki tip iki kutuplu transistör vardır. ġekil 4. PNP ve NPN transistör Transistörlerin çalışması; Bir NPN transistor ün karakteristik eğrilerinin kaydı giriş karakteristiği; Transistörlerin elektriksel karakteristikleri, eğriler kullanarak gösterilir. Giriş karakteristiği eğrisi, VCE sabitli V BE beyz emiter geriliminin bir fonksiyonu olarak I B beyz akımını gösterir. ġekil 5. Transistörde Akımların gösterilişi

7 ġekil 6. NPN transistörlü ölçüm devresi ġekil 7. Giriş karakteristiği için ölçüm devresi Bir NPN transistorün karakteristik eğrilerinin kaydı iletim karakteristiği; İletim karakteristiği eğrisi, V CE sabitli I B beyz akımının bir fonksiyonu olarak I C kolektör akımını gösterir. ġekil 8. İletim karakteristiği için ölçüm devresi

8 a) Beyz akımına bağlı olan I C kolektör akımının nasıl değiştiğini belirlemek için, I B beyz akımını ölçüm tablosunda belirlenmiş olan değerlere ayarlamak için potansiyometre kullanınız. b) I B düşük beyz akımının I c kolektör akımı üzerindeki etkilerini tanımlayınız. c) Değerleri ölçümden grafiğe iletiniz. İletim karakteristiği d) DC akım kazancı B ne anlama gelmektedir? Yardım için tablo kitaplarını kontrol ediniz. e) DC akım kazancını hesaplayınız ve o değerleri de tabloya giriniz. f) Veri sayfaları sık sık B = f(i c ) karakteristik eğrisini verir. DC B akım kazancı için karakteristik eğrisini çiziniz. DC akım kazancı B = f(i c )

9 Yükselteç olarak transistör ortak emiter gösterimi; Transistör uygulamalarının önemli bir alanı gerilim ve akım yükseltilmesidir. Üç farklı yükselteç gösterimi mevcuttur; Ortak Emiter Ortak Kollektör Ortak Beyz Yükselteç devresi temel gösterime bağlı olan değişik elektriksel özelliklere sahip olacaktır. a) Devreyi kurunuz. Fonksiyon üretecini belirlenmiş olan değerlere ayarlayınız. ġekil 9. Bir yükselteç için ölçüm devresi ortak emiter gösterimi b) AC gerilim kazancı A v yi, AC akım kazancı A i yi, güç kazancı Ap yi ve V OUT ve V IN arasındaki ф faz açısını bulmanız gerekmektedir. V IN giriş gerilimi ve V OUT çıkış gerilimini göstermek için osiloskop kullanınız. c) Giriş geriliminin V INPP ve çıkış geriliminin V OUTPP tepeden tepeye değerini bulunuz ve AC gerilim kazancı A v yi hesaplayınız. d) Fonksiyon üreteci gerilim değeri V G değerini okuyunuz ve üreteç geriliminin tepeden tepeye değerini hesaplayınız. e) Hesaplanmış olan AC gerilim kazancı A v ve AC akım kazancı A i, güç kazancı A p yi belirlemek için kullanılabilir. f) AC çıkış gerilimi V OUT ve AC giriş gerilimi V IN arasındaki ф faz açısını bulunuz.

10 Yükselteç olarak transistör ortak kolektör gösterimi; a) Devreyi kurunuz. Fonksiyon üretecini belirlenen değerlere ayarlayınız. ġekil 10. Bir yükselteç için ölçüm devresi ortak kolektör gösterimi b) AC gerilim kazancı A v yi, AC akım kazancı A i yi, güç kazancı A p yi ve V OUT ve V IN arasındaki ф faz açısını bulmanız gerekmektedir. V IN giriş gerilimi ve V OUT çıkış gerilimini göstermek için osiloskop kullanınız. c) Giriş geriliminin V INPP ve çıkış geriliminin V OUTPP tepeden tepeye değerini bulunuz ve AC gerilim kazancı A v yi hesaplayınız. d) Fonksiyon üreteci gerilim değeri V G değerini okuyunuz ve üreteç geriliminin tepeden tepeye değerini hesaplayınız. R m ve R dirençleri yardımıyla, AC giriş akımı I INpp ve AC çıkış akımı I OUTpp yi belirleyiniz ve AC akım kazancı A i yi hesaplayınız. e) Hesaplanmış olan AC gerilim kazancı A v ve AC akım kazancı A i, güç kazancı A p yi belirlemek için kullanılabilir. f) AC çıkış gerilimi V OUT ve AC giriş gerilimi V IN arasındaki ф faz açısını bulunuz. g) Hangi temel yükselteç gösterimini kullanacağınıza karar veriniz. Bir neden gösteriniz.

11 Bir yükselteç devresi için çalışma noktasının ayarlanması; Bir transistör AC gerilim yükselteci olarak çalıştırılırsa, çalışma noktası ayarlanmak zorundadır. a) Takribi yalın yükselteç devresine sahipsiniz. ġekil 11. Yükselteç devresi b) Transistor ün bağlı olduğu yerdeki temel gösterimi belirtiniz. c) Çalışma noktasını ayarlamak için devre içerisinde hangi yöntem kullanılıyor? d) Çalışma noktasını ayarlayınız. R 1 ve R 2 direnç değerlerinin hesaplanması için formülü belirtiniz. Çıkış karakteristik eğrisi üzerine çalışma noktasını giriniz ve I B beyz akımını bulunuz. Karakteristik eğrileri yardımıyla B E eklemi arasındaki gerilimi bulunuz. V RE gerilimi çalışma geriliminin %10 una yakın olursa V R2 gerilimini hesaplayınız. I d bölücü akımını bulunuz. Temel gerilim bölücü için direnç değerlerini hesaplayınız. Dirençleri E12 serisinden seçiniz. e) I c kolektör akımı da sınırlandırılmalıdır. R c direnci için istenen değeri hesaplayınız. R c direnç değerinin hesaplanması için formülü belirtiniz. V RE gerilimi çalışma geriliminin %10 una yakın olursa V Rc gerilimini hesaplayınız. R c direnci için değeri hesaplayınız. E12 serisinden bir direnç seçiniz.

12 Bir yükselteç devresi için çalışma noktasının stabilizasyonu; Sıcaklık, transistörün iletimine esas olarak etki eder. Bu yüzden çalışma noktasının stabilizasyonu gereklidir. a) Çalışma noktası stabilizasyonu için iki yol belirtiniz. b) Devrede hangi çalışma noktası stabilizasyonu yöntemi kullanıldı? c) Çalışma noktası stabilizasyonu için hangi dirençler kullanılıyor? d) Çalışma noktasını stabilize ediniz. R E direnci için istenen değeri hesaplayınız. R E direnç değerinin hesaplanması için formülü belirtiniz. R E emiter direnç değerini hesaplayınız ve bu direnç değeri için E12 serisinden bir direnç seçiniz. SONUÇLAR Gerçekleştirilen bu altyapı çalışması ile Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi Mekatronik Mühendisliği Bölümüne Temel Elektrik Elektronik devre sistemleri kurulmuştur. Mekatronik Mühendisliğinin temel yapı taşlarından biri olan Elektrik-Elektronik sistemleri ile bölümümüz öğrencileri yapacakları uygulamalar sayesinde gerekli teorik ve pratik alt yapıyı almış olarak iş dünyasına atılacaklardır. Her bilimsel gelişme, içinde elektronik alanında yapılan atılımları barındırmaktadır. Ekonomisi ve teknolojisi gelişen ülkeler daha çok elektronik alanındaki gelişimleri ile bunu başarabilmektedir. Fakültemizde yeni kurulmuş olan Elektrik-Elektronik Mühendisliği bölümü ilimizin ve bölgemizin ihtiyaç duyduğu elektronik alt yapı eksikliğini gidermede bu sistemlerden faydalanacaktır.

13 KAYNAKÇA Alacacı, 2004. Endüstriyel Okullar İçin Temel Elektronik, Özkan Matbaacılık, 2004, Ankara. Anonim, 2008. TMMOB Makine Mühendisliği Odası İzmir Şubesi Mekatronik Uzmanlık Komisyonu Raporu. Erden, A., 2003. Mekatronik üzerine bir söyleşi, TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası, EMO Dergisi, sayı:419. Savaşır, R., 1999. Türkiye ile AB ülkelerinde küçük ve orta boyutlu işletmeler açısından İstihdam politikaları, Ankara, Kamu-iş yayını. Gören, A., Başer Ö., 2008. İdeal Mekatronik Mühendisliği Eğitimi ve Hidrolik- Pnömatik, 5. Ulusal Hidrolik Pnömatik Kongresi, 307-318.