2. TEMEL ELEKTRONİK TANITIMI

2.1 AMAÇ

Bu yazıda amaç; pratik ağırlıklı bir bakış açısıyla temel elektronik bilgisi ve kültürünü yalın şekilde anlatmak, gömülü sistemler için genel geçer olarak kullanılabilecek bir donanım altyapısı oluşturmaktır. Özellikle gömülü sistemlerle ilgilenen ancak donanım bilgisi olmayan kimseler de bu yazıdan faydalanabilir. Bu yazıdaki bilgiler devre tasarımı yapmanızı sağlamaz, ancak yapılan tasarımları anlamanıza yardımcı olur. Bu kısım zaman içerisinde sürekli olarak büyüyecek ve güncellenecektir. Bu sebeple ileride bir içerik listesi de eklenecektir.

2.2 ELEKTRİKSEL GÜÇ KAYNAKLARI

Zaman uzayında ele alındığında iki çeşit elektriksel işaret bulunmaktadır. Alternatif işaret ve doğru işaret. Hemen herkes günlük hayatta bu kavramları Alternatif Akım (AC) ve Doğru Akım (DC) formatında duymuştur. Özünde akım, elektron hareketiyle, elektronların hareketinin tersi yönde oluşan bir olaydır. Bu olayın oluşabilmesi için elektronları hareket ettirecek bir kuvvet gereklidir. Bu kuvvet ise potansiyel fark ya da gerilim olarak adlandırılır.Neticede eğer potansiyel farkın uygulandığı cisim bir direnç ise, direncin uçlarındaki potansiyel fark ile direncin üzerinden akan akım aynı cinstedir, yalnızca direnç oranında ölçeklenmiştir. Yani direnç üzerinde alternatif gerilim uygularsanız alternatif akım elde edersiniz. Doğru gerilim uygularsanız, doğru akım elde edersiniz. Bu nedenle aksi belirtilmediği sürece şimdilik alternatif akım dendiğinde aklınıza alternatif gerilim kaynağı gelmesinde bir sakınca bulunmamaktadır. Akım da gerilim de birer çeşit işarettir. Gerilimin birimi Volt(V), akımın birimi Amper(A)’dir.

Alternatif gerilim kaynağına örnek olarak evlerdeki prizler verilebilir. Doğru gerilim kaynaklarına örnek olarak ise bataryalar/piller verilebilir.

Alternatif işaretten başlayalım. Alternatif işaret, değeri zamanla periyodik olarak değişen ve bir periyot boyunca ortalaması sıfır olan işarettir. Aksi belirtilmediği sürece işaretin şekli sinüsoidal’dir. Buna göre alternatif işaret iki parametre ile tarif edilebilir: genlik ve frekans. Genlik işaretin uçtan uca büyüklüğüdür. Frekans ise, işaretin tekrarlanma süresinin çarpmaya göre tersidir. Ortalaması sıfır olmasına rağmen alternatif gerilim, bir efektif değere sahiptir. Bu değer genlik değerinin  (1/√2) katı kadardır. Evlerimizde prizlerdeki işaret alternatif işarettir. Prizlerdeki gerilimin efektif değeri 220V, genlik değeri 310V, frekansı ise 50Hz olmaktadır. Akımın pozitif ya da negatif olması yalnızca akımın yönünü belirler. Buradan anlaşıldığı üzere alternatif akım sürekli yön değiştirmektedir. Bu nedenle adına alternating (salınan) akım denilmiştir.

Doğru akım idealde zamanla değişmez. Pratikte bu bir pil için konuşursak asla bitmeyen, gerilimi hiç düşmeyen bir pile tekabül ediyor 🙂 Esasında doğru akım, periyodik olmayan, yönü zamanla değişmeyen akımdır. Yani aslında zamanla biraz azalmasında tanımsal açıdan bir problem yoktur. Malumunuz pilin bir pozitif(+) ucu bir de negatif(-) ucu vardır ve bu ikisinin arasındaki potansiyel fark, pile bir yük(direnç) bağlandığında akıma dönüşür. Pilin negatif ucu genelde sıfır volt referansı olarak alınır. Piller farklı gerilim değerlerinde olabilir. Çok kullanılan piller 1.5V, 9V, 12V seviyelerindeki pillerdir. Pillerin bir yük kapasitesi vardır. Bu da zaman içerisinde akıtabilecekleri maksimum akımı sınırlar. Bu nedenle Ohm kanununa göre 9V’luk bir alkaline pile 0.01 Ohm’luk direnç bağlayıp 900A akım çekebileceğinizi ummayın.  Çoğunlukla 9V’luk pillerin azami akımı 500mA olmaktadır. Ancak pilleri paralel bağlayarak akımı artırmak (gerilim sabit kalır), seri bağlayarak da gerilimi artırmak (akım sabit kalır) mümkündür.

!!! Paralel bağlanacak pillerin gerilimleri aynı olmalıdır yoksa piller birbirini bitirir/bozulur.

Gerilim, fark ölçeğinde bir büyüklüktür. Yani bir referanstan ne kadar fazla olduğu anlamlıdır. Örneğin bir pilin bir ucunda toprağa göre 1010V diğer ucunda ise toprağa göre 1015V varsa o pil aslında 5V’luk bir pildir çünkü potansiyel farkı 1015-1000 = 5V olmaktadır. Akım ve gerilim arasındaki en temel ilişki Maxwell denklemlerinden gelir. Bir takım idealleştirmeler neticesinde ise Ohm kanununa ulaşılır.

Ohm kanunu:

V= I.R

Yani R direncine sahip bir maddenin iki ucuna V potansiyel farkı uygulanırsa bu maddenin üzerinden I kadar akım akar. Örneğin 12 V’luk bir pilin iki ucu 10 Ohm’luk bir dirence bağlanırsa bu direncin üzerinden 1.2 A akım akar.

Çoğunlukla basit elektronik devreler doğru akım ile çalışır. Hatta prize takılan elektronik devrelerde bile çoğunlukla önce işaret doğru işarete çevirilir, ardından devre yine bu doğru akım/gerilim kaynağı ile beslenir/sürülür.

2.3 DEVRE

Bir devre, elektrik akımın üzerinden akabileceği kapalı bir çevrimi ifade eder. Örneğin kumandaya ya da oyuncak arabaya taktığınız pilin, cihazı çalıştırabilmesi için pilin iki ucu arasında kesintisiz bir hat olması gerekmektedir. Bu da kapalı devreyi yani kısaca devreyi ifade eder. Eğer bu hat bir şekilde kesilirse, yani kapalı çevrim oluşmuyorsa bu, açık devre olarak adlandırılır. Açık devre, sonsuz direnci temsil eder. Bu nedenle açık devrede akım oluşmaz. (R/(sonsuz) = sıfır) Bu nedenle bir pil, bir cihaza (kapalı devreye) takılmadığında idealde bitmez. Çünkü akan akım sıfır kabul edilir.

Gerçekte havanın iyonize olması sebebiyle çok çok küçük bir miktar sızıntı akımı oluşur. Bu da pili çok yavaşça bitirir. Yine zamanla pildeki kimyasalların  özelliğini bitirmesiyle de pil çok çok küçük miktarda azalır. Ancak bunlar ihmal edilecek kadar azdır.

Kısa devre: Bir kaynağın (+) ve  (-) uçları, yeterli bir direnç olmaksızın doğrudan bir araya gelirse kısa devre oluşur. Bu durumun oluşmamasına dikkat edilmelidir. Kısa devre hem güç kaynağının hem de devrenin diğer elemanlarının bozulmasına yol açabilir. 

Elektrik akımının elektronların hareketiyle oluştuğunu belirtmiştik. Elektronlar her zaman en düşük dirençle toprağa yani devrenin referansına varmayı isterler. Bunun sebebi oldukça basittir. Kendilerini engelleyen kuvvet olan direncin az olduğu yerden daha çok elektronun geçmesi akla son derece yatkındır.  Eğer devrede bir kısa devre var ise, elektronlar o yolu tercih edecek ve diğer kısımlardan akım akmayacaktır.

Devreye switch yani anahtar koymak devreye bir direnç eklemez. Switch kapalı olduğuna açık devre oluşturur. Kapatıldığında ise kısa devre oluşturur. Dolayısıyla bir kaynağa yalnızca switch bağlanmaz. Devre üzerindeki seri hatta en azından bir direnç elemanı bulunmak zorundadır.

Bir DC motor, bir DC gerilim kaynağına bağlandığında motor üzerinden akım akmaya başlar ve motor döner.

Buradan motorun bir çeşit iç direnç barındırdığı sonucuna varılabilir. Motorun elektriksel modeli bundan daha karmaşık bir yapıdadır ancak şimdilik basit düşünmekten bir zarar gelmeyecektir.

Bir motorun genel geçer matematiksel modeli bir yana dursun, motorlar çeşit çeşittir ve farklı fiziksel/elektriksel özelliklere sahiptir. Resimde gördüğünüz motor, 6V’luk bir motordur ve bu 6V’luk bir potansiyel farkın motoru hareket ettirmek için yeterli olduğunu anlatmaktadır.

2.3.1 SERİ BAĞLANTI ve PARALEL BAĞLANTI

İki şeyi birbirine bağlamanın iki yolu vardır ve bu yollar seri ve paralel bağlantı olarak adlandırılır. Örneğin karşılıklı el ele tutuşan iki sevgili birbirine paralel bağlıdır. Halaydaki kişiler ise birbirine seri bağlıdır. Aynı bağlantı mantalitesi devre elemanları için de aynen geçerlidir. Ancak bu bağlantılar neticesinde elemanların davranışları iyi bilinmelidir. Besleme kaynakları seri bağlandığında ve paralel bağlandığında neler olduğunu anlatmıştık. Bir devrede bir seri kol üzerinden akan akım tüm elemanlar için aynıdır. Paralel kolların ise iki ucu arasındaki potansiyel fark aynıdır. Bu bilgiler ölçüm ve hata bulmak için çok önemlidir. Her bir elamanın seri ve paralel bağlantıda nasıl davranış gösterdiğine ilerideki bölümde değineceğiz. Öyleyse yeri gelmişken devre elemanlarına geçelim.

2.3.2 TEMEL DEVRE ELEMANLARI

 

Temel anlamda devre tasarımı yapabilmek ya da mevcut devrelerin işlevlerini anlayabilmek için temel devre elemanları hakkında fikir sahibi olmak gerekmektedir. Bu temel devre elemanları çok basit modellere sahip olsalar da bir çok elektronik devrenin temelini oluştururlar. Bu devre elemanlarının işlevlerini ve davranışlarını öğrendiğinizde önemli miktarda yol katetmiş olacaksınız. Bu elemanları sırayla kısaca işleyeceğiz.

2.3.2.1 DİRENÇ

Adından da anlaşılabileceği üzere direnç devrede, potansiyel fark altındaki elektronların hareketine yani akımına karşı duran, onu azaltan elemandır. Devrede sembolik olarak testere dişi şeklinde çizgilerle ifade edilir. Bir örneği Resim 2.3.2.1.1’de görebilirsiniz.

Direncin üzerindeki renkler direncin değeri ve hata marjı hakkında bilgi vermektedir. Bir direncin değeri Ohm ve katları cinsinden ifade edilir. Örneğin Resim 2.3.2.1.1’deki direnç 47000 Ohm değerinde olduğundan 47K Ohm olarak belirtilmiştir.

Dirençler için bir diğer önemli parametre ise direncin dayanabileceği azami güçtür. Güç, gerilim ile akımın çarpımı ile ifade edilebilmektedir. Buna göre:

P=V.I= I.R.I = I²R [Watt]

Tıpkı Resim 2.3.2.1.1’deki gibi, düşük güçlü devrelerde kullanılan dirençler 0.25 Watt’lık yani çeyrek Watt’lık bir azami güce dayanabilmektedir. Bu değer düşük güçlü devreler için yeterlidir. Gömülü sistemlerdeki uygulamaların çok büyük bir kısmında bu tip dirençler yeterli olmaktadır.

Direncin değerini soldan sağa doğru (sağda altın rengi ya da gümüş rengi kalacak şekilde) okuyabilirsiniz. İlk iki renk direnç değerini ifade ederken, üçüncü değer 10^(çarpan) değerini ifade eder. Dördüncüsü yani altın renkli olan ise direncin toleransını yani hata yüzdesini ifade eder. Hata yüzdesi %5 olan 2K Ohm’luk bir direnç ölçüldüğünde 1.9K ile 2.1K arası bir değer görülebilir.1K Ohm = 1,000 Ohm olmaktadır, benzer şekilde 1M ohm 1,000,000 Ohm olmaktadır. Direnç renk kodları ile ilgili tablo Resim 2.3.2.1.2’de yer almaktadır.

Ya da bu hesapları el ile yapmak yerine direnç renk kod hesaplayıcı herhangi bir program kullanmak mümkündür. Bu tür programların bir örneğine ve renk kodlarıyla ilgili daha fazla bilgiye buradan ulaşabilirsiniz.

Farklı direnç çeşitleri de bulunmaktadır. Örneğin direnç değeri mekanik olarak ayarlanabilen potansiyometre, ya da direnç değeri sıcaklıkla değişen PTC, NTC gibi elemanlar bulunmaktadır.

2.3.2.2 KONDANSATÖR / KAPASİTÖR

Kondansatör, iki ucuna yeterli bir potansiyel fark uygulandığında  elektriksel yükü depolar. Daha kondansatörü besleyen gerilim kaldırıldığında, kondansatör bağlı olduğu kapalı devreyi üzerinde biriktirdiği yük ile bir süre besler. Kondansatör’ün yani devredeki kapasite elemanının asıl davranışını anlamak için esasen onun matematiksel modeline bakmak gerekir. Ancak yazı dizisinin bu kısmı, fikir verme amacı güddüğünden bu yazıda matematiksel detaylara inilmeyecektir.

Kapasite değeri Farad cinsinden ölçülür. Ancak ölçek olarak Farad çok büyük bir değerdir. Bu sebeple kapasite değeri genelde picoFarad(pF), nanoFarad (nF), microFarad(uF), ya da miliFarad(mF) olarak ölçülür. Bu büyüklükler metrik sistem cinsinden ifadelerdir ve metrik birim tablosu aşağıdaki gibidir ulaşabilirsiniz.

Birim	Sembol	Çarpan
tera	T	1000000000000
giga	G	1000000000
mega	M	1000000
kilo	k	1000
hecto	h	100
deca	da	10
(none)	(none)	1
deci	d	0.1
centi	c	0.01
milli	m	0.001
micro	μ	0.000001
nano	n	0.000000001
pico	p	0.000000000001

Farklı farklı kondansatör çeşitleri bulunabilmektedir. Ancak en çok kullanılan kondansatör çeşitleri seramik (kutupsuz) ve elektrolitik (kutuplu) kondansatörlerdir. Seramik kondansatörler minik bir bonibondan çıkan iki tel şeklindedir. Elektrolitik kondansatörler ise silindirik bir tüpün içinden çıkan iki tel şeklindedir. Bu iki elemanın kutuplu/kutupsuz oluşundan dolayı devredeki sembolü de farklıdır. Söz konusu kapasiteler ve sembolleri Resim 2.3.2.2.1’de yer almaktadır.

Elektrolitik kapasiteler polarizedir, yani (-) uçları toprak referansına bağlanmalıdır. Bu aslında şunu ifade etmektedir, elektrolitik kapasitelerin (+) ucundaki potansiyel dark (-) ucundaki potansiyel farktan küçük olmamalıdır. Aksi durumda eleman beklendiği gibi çalışmaz ya da bozulabilir. Seramik kapasitelerin ise hangi yönde bağlandığının bir önemi yoktur. Bu durum elemanların sembollerine de yansımıştır.

Kondansatörler devreye seri bağlandıklarında DC işaretleri geçirmezler. Yani DC işaretler için sonsuz bir direnç elemanı gibi, yani açık devre gibi davranırlar. Kapasite, üzerine uygulanan gerilimin değiştiği durumda bu gerilim değişimine karşı durur ve üzerindeki yükü ters istikamette akım olarak basar. Bu da aslında bir nevi filtre davranışıdır. Kapasite bi devrede paralel bağlandığında, paralelindeki kolu ani gerilim değişimlerinden korur. Ani bir gerilim değişimi olduğunda kapasite üzerinden bu artışın sebep olduğu yük boşaltılır ve artış yumuşatılır. Bu sebeple kapasiteler genelde gerilimi filtrelemek amacıyla, temel devrelerde kullanılır. Kapasitenin alternatif işaret davranışı ise daha sonra işlenecektir. Çoğu tasarımda AC işaret söz konusu olmamaktadır.

2.3.2.3 DİYOT

Diyotlar, elektrik akımının tek bir yönden geçmesine izin veren kutuplu elemanlardır. Elektrik akımının yanlış yöne gitmesinin engellenmek istendiği uygulamalar için oldukça kullanışlıdır.

Diyot üzerine doğru yönde yeterli bir potansiyel fark uygulandığında (genelde > 0.7V) diyot üzerinden akım akmaya başlar. Ancak unutmamak gerekir ki diyot işlevini yerine getirirken bir miktar güç tüketir ve yapısı gereği üzerinde sabit bir gerilim oluştuğundan gerilim düşümüne yol açar. Örneğin 5V’luk bir pile seri olarak bir diyot ve bir direnç bağlanırsa, diyot üzerinde 0.7V gerilim düşümü olacağından direnç üzerindeki gerilim 4.3V olacaktır. Bu bilgi diğer diyot çeşitleri için de geçerlidir yalnız diyotun çeşidine göre eşik gerilimi (örnekte 0.7V idi) değişmektedir. LED’de bir diyot çeşididir. (Light Emmiting Diode)

Örnek diyod resmini ve devre şemasını Resim 2.3.2.3.1’de bulabilirsiniz.

 

Diyot’un sonuda görünen gri halka, diyotun (-) referasa bağlanması gereken ucunu ifade etmektedir. Bu pine katot denir. Diğer pin ise (+) referansa bağlanacak olan anot’tur.

Bir diyotun kodu, genelde üzerinde yazılı olarak bulunmaktadır. Bu kodu üreticinin web sayfasında arayarak diyot ile ilgili parametrelere ulaşmak mümkündür. Örnek bir diyot olarak 1N4001’i inceleyebilirsiniz.

Önceden de belirttiğimiz üzere LED de bir diyot çeşididir. Ancak led üzerine yeterli gerilim uygulandığında LED ışık saçmaktadır. Farklı renkte ışık saçan LED’ler bulunabilmektedir. Yine farklı ışık şiddetleri sağlayan LED’ler de bulunmaktadır. LED

2.3.2.4 Transistör

Transistörler günümüz elektroniğinin en temel yapı taşı durumundadır. Bunun sebebi transistör’ün anahtarlama ya da kuvvetlendirme elemanı olarak kullanılabilmesidir. Bu yazıda bipolar jonksiyonlu transistör (BJT) bahsedilecektir.

Bir transistör baz(base) pinine uygulanan küçük miktardaki elektrik akımını alıp kuvvetlendirerek daha büyük bir akımı kolektör(collector) ve emetör (emitter) uçları arasından geçiren bir elemandır. Bu şekilde transistör bir nevi akım musluğu gibi çalışır. Baz ucu musluk gibidir ve baz ucundan ne kadar fazla akım geçirirseniz, kolektör-emetör arası direnç o kadar düşer ve buna bağlı olarak kolektör-emetör hattından o denli fazla akım geçer. Resim 2.3.2.4.1’de transistörleri ve devredeki sembollerini görebilirsiniz.

İki çeşit BJT transistör bulunmaktadır; bunlar NPN ve PNP’dir. Bu transistörler kolektör ve emetör arasındaki polarite bakımından zıt polaritededir. Transistörlere detaylı olarak ileride değinilecektir. Ancak temel anlamda bazdan akım basarak anahtarlamak için NPN, akım çekerek anahtarlama yapnak için PNP kullanılır. NPN’de elektrik akımı kolektörden emetöre doğru akar.PNP’de ise elektrik akımı emetörden kolektöre doğru akar.

 

Transistör, çalışabilmek için bir güce ihtiyaç duyar ve neticesinde girişindeki işareti kuvvetlendirir.Bu sebeple transistör bir aktif devre elemanı olarak adlandırılır.

Transistör seçilirken baz akımı, maximum CE (Collector-Emitter) akımı, maksimum güç gibi bir çok parametre incelenir. Bu parametreler spesifik olarak ürünün datasheet’inde yer almaktadır. Örnek bir datasheet olarak BC548’i inceleyebilirsiniz.

2.3.2.5 Entegre Devreler (Integrated Circuits – ICs)

Bir entegre devre, bir çok eleman ile küçük bir alanda gerçeklenen ve özel bir fonksiyonu gerçekleştiren elemandır. Bu tür elemanlar bir fonksiyonu gerçekleştiren devrelerin bir blok olarak küçük paketlere yerleştirilmesi amacı ile yapılır ve genelde içeriğinde transistör, diyot, direnç gibi elemanlar içerir.

Entegre devreler, görece basit yapılardan başlamak üzere, çok kompleks yapılara kadar uzanan bir aileyi tanımlar. Örneğin LM555 entegresi basit bir bir entegredir ve kare dalga üretmek için kullanılır. Öteyandan STM32F403 entegresi bir mikrodenetleyicidir ve oldukça kompleks işlevler barındırır.

Tıpkı transistörlerde olduğu gibi, entegreleri de kullanabilmek için datahseet’leri okumak gerekmektedir. Datahseet’lerde entegrenin fonksiyonu ve karakteristiklerinin yanı sıra her bir pinin de işlevleri detaylıca açıklanmaktadır. Çoğu entegrenin datasheet’inde örnek bir kullanım şeması da verilmektedir. Bu sayede gerçekleştirilmek istnen işlevin referans tasarımı aynen kullanılabilmekte ve tasarım hızı çok artmaktadır. 555 entegresinin resmi Resim 2.3.2.5.1’de yer almaktadır.

3. Basit Bir Devre

Çok basit bir devre ile şu ana kadar gördüğümüz temel elemanların bir kaçını kullanarak tasarım yapalım. Bu basit devrenin şeması ve breadboard üzerinde gerçeklenmiş hali Resim 3.1 ve 3.2’de yer almaktadır.

 

Şematiği incelediğimizde 1K Ohm’luk çeyrek watt’lık bir direncin, bir kırmızı LED’in, bir anahtarın (switch), 9V’luk bir pile seri şekilde bağlandığını görürüz. Devre gerçeklendiğinde anahtar yardımı ile LED’i açık kapatmak mümkün olmaktadır.

Devrenin açık olduğu durumda LED’in üzerinden 8-9 mA akım geçmesi istenmiştir. Bu sebeple LED üzerindeki gerilim düşümü de hesaplandığında Ohm kanununa göre devrenin akım gerilim ilişkisi aşağıdaki gibi olur.

V = I.R

VBatt – VLed = I . R

9V – 1V = 8mA. R

R = 1000 Ohm

Breadboard bağlantı şekli bilmeyenler için karışık gelebilir. Breadboard kullanımı için sizi Mertcan Cibooğlu’nun hazırladığı SUNUM’a yönlendiriyorum.

NOT: Bu yazıda Instructables içeriklerinden yararlanılmıştır.