Temel Elektronik (Bilgisayar Programcılığı)

Temel Elektronik (Bilgisayar Programcılığı)
Temel Elektronik
Atomik örgüde, çekirdekte nötronlar ve protonlar bulunurken elektronlar çekirdek etrafında
bir yörüngede bulunmaktadır. Çekirdekte bulunan protonlar ( + ) yüke sahip iken çekirdek
etrafında bulunan elektronlar ( – ) yüklüdür. Atomların dış yörüngesinde farklı sayıda elektron
bulunmaktadır. Bu elektronlar, belirli enerji düzeylerine sahiptir. Elektronların yörüngelere
dağılımı, atomun elektriksel kararlılığını belirlemektedir. Elektronların her madde içinde
davranışları farklıdır. Bazı maddelerde elektron geçişleri kolay şekilde gerçekleşirken bazı
maddelerde bu geçişler olmamaktadır. Maddeler bu enerji düzeylerine göre sınıflandırılırsa
iletken, yalıtkan ve yarı iletken olarak adlandırılmaktadır.
.
İletken
Elektron akışının kolay gerçekleştiği (elektrik akımının kolayca aktığı) maddelere iletken
denilmektedir. Metallerin büyük bir kısmı iletkendir. Altın, Gümüş, Nikel, Bakır ve Alüminyum
gibi metaller iyi iletken maddelerdir. Akım iletimde maliyet ve performans açısından genellikle
bakır kullanılmaktadır.
Yalıtkan
Elektron akışına izin vermeyen maddelere yalıtkan denilmektedir. Bu tip malzemeler elektrik
akımını iletmezler. Cam, plastik, kâğıt veya mika gibi maddeler yalıtkandır.
Yarı iletken
Elektronlar belirli durumlarda geçişler yapabilmektedir. Yukarıda verilen enerji bant
diyagramında görüldüğü enerji düzeyleri iletken kadar çok yakın olmamakla birlikte yalıtkanlar
kadar büyük bir enerji aralığı bulunmamaktadır. Bundan dolayı belirli şartlar altında akım
Yrd. Doç. Dr. C. Harmanşah
Sayfa 1
Temel Elektronik (Bilgisayar Programcılığı)
akışına izin vermektedirler. Bu tip maddelere yarı-iletken denilmektedir. Silisyum (Si) ve
Germanyum (Ge) bu amaçla elektronik sistemlerde yaygın olarak kullanılan yarı-iletken
maddelerdir.
Elektrik Yükü (Coulomb) ve Gerilim
Elektrik yükü, elektron veya proton fazlalığına göre negatif veya pozitif olacaktır. Elektrik yükü
Q veya q harfi ile gösterilmekte ve 6,25x1018 elektron bir dielektrik malzemede depolanması
sonucu oluşan yük 1 C (Coulomb) dur.
Aynı polariteli yükler ( + +) birbirini itmekte, zıt yükler ( + - ) ise birbiri çekmektedir. Yüklerin
birbirlerini itmesi veya çekmesi iş yapma potansiyeli olarak adlandırılır. Zıt iki yük arasında bir
potansiyel fark bulunmaktadır. Başka bir deyişle yüklü bir madde bir elektrik potansiyeline
sahiptir. Potansiyel değere bağlı olarak bir elektrik alan oluşmaktadır. Bu potansiyel bir
noktadaki yükün başka bir noktadaki yük ile arasındaki fark olarak tanımlanmakta ve volt
(gerilim) olarak ifade edilmektedir. Gerilim V ile gösterilmektedir.
Coulomb başına 1 joule 1 V’ a eşittir. V=W/Q V (Volt)
Akım
Bir iletken ile birleştirilen ve aralarında potansiyel fark bulunan iki nokta arasında bir elektron
akışı oluşur. Bu elektron akışı elektrik akımı olarak adlandırılmaktadır. İletken üzerindeki
elektron akışı potansiyel kaynağın bir ucundan diğerine doğrudur. Elektrik akımı yük akış hızı
olarak tanımlanır. Akım iletkenin herhangi bir noktasından saniyede geçen yük sayısıdır.
İletkenin herhangi bir kesitinden saniyede 6,25x1018 elektron geçiyorsa akım değeri 1 A
(amper) dir.
Elektrik akımı I veya i harfiyle gösterilmektedir.
I = dq/dt
I=Q/t
Elektrik Devresi
Elektrik devresi akım yolu olarak tanımlanmaktadır. Basit anlamda bir elektrik devresi kaynak,
yük ve aralarındaki bağlantı yolundan oluşmaktadır. Böylece kaynak uçlarındaki potansiyel fark
iletken tel üzerinden yüke aktarılmaktadır. Enerji kaynağının bir ucundan çıkan elektrik yükleri,
iletken yol üzerinden kaynağın diğer ucuna ulaşırlar. Yük üzerinde oluşan gerilim düşümü
akım akmasına sebep olacaktır. Elektrik devrelerindeki yük genellikle direnç olarak da ifade
edilmektedir.
Yrd. Doç. Dr. C. Harmanşah
Sayfa 2
Temel Elektronik (Bilgisayar Programcılığı)
Gerilim Kaynağı (Voltage Source): Elektrik akımı akmasını sağlayacak enerji kaynağıdır.
Sigorta (Fuse): devredeki akımının belirli bir değerin üzerine çıkmasına engel olmak amacıyla
kullanılmaktadır. Normal çalışma durumunda kısa devre durumunda olup akım akıtmaktadır.
Devre için hesaplanan akım değerinden fazla akım geçmesini engellemek için kullanılmaktadır.
Devre için hesaplanan değerden daha büyük akım geçerse sigorta teli koparak akım akışı
kesilecektir. Böylece elektrik devresindeki diğer elemanlar korunacaktır.
Yük (Load): Gerilim ile aktarılan enerji harcayan başka bir deyişle elektrik akımını harcayan
devre elemanı yük olarak adlandırılır.
Anahtar (Switch): Akım akışının devre üzerindeki herhangi bir noktada kesilmesi amacıyla
kullanılmaktadır. Elektronik devrelerde manuel anahtarlar yerine otomatik olarak kontrol
edilebilen anahtarlar kullanılmaktadır. Akım akışını gerçekleştiği başka bir deyişle devrenin
çalışması Kapalı Devre denilmektedir.
Open Circuit (Açık Devre): Elektrik devresindeki akım akışının kesilmesi durumunu ifade
etmektedir. Anahtarın açık olması (bu durumda akım akmaz) örnek verilebilir. Anahtar açık
durumda iken iletim yolu kesildiği için akım akmayacaktır. Sigortanın atması durumunda
elektrik devresi açık devre olacaktır.
Yrd. Doç. Dr. C. Harmanşah
Sayfa 3
Temel Elektronik (Bilgisayar Programcılığı)
Short Circuit (Kısa Devre): Elektrik devresinde anahtarın çalışma durumu kısa devre
konumudur. Bu, devreden akım akması için gerekli bir durumdur. Ama aynı şey yük için
söylenemez. Yük uçları arasında kapalı bir devre oluşması durumuna kısa devre denilir. Bu
durumda devreden çok yüksek bir akım geçmektedir. Devreden çok yüksek akım geçmesi
devre elemanları açısından çok risklidir. Bir elektrik devresinde kısa devre oluştuğunda
devrenin diğer taraflarını korumak amacıyla sigorta atar ve devreden yüksek akım geçmesi
engellenir.
İletken: Gerilim kaynağının bir ucundan diğerine kadar akım akması için oluşturulan kesintisiz
bağlantı hattına iletken denilmektedir.
Elektrik devresi için şu noktaları unutmamak gerekir:
Devrede dolaşan akım olup potansiyel fark devrede hareket etmez
Devreden akım akmadan gerilim ölçülebilir ama devreye gerilim uygulamadan akım akmaz.
Doğru Akım DA (Direct Current – DC )
Akım yönü ve şiddeti zamana göre değişmeyen akıma doğru akım denilmektedir. Pil ve Akü
gibi kaynaklar DC akım kaynaklarıdır. Elektronik devrelerin çalıştırılmasında bu akım kaynakları
kullanılmaktadır.
Yrd. Doç. Dr. C. Harmanşah
Sayfa 4
Temel Elektronik (Bilgisayar Programcılığı)
Alternatif Akım AA (Alternative Current – AC)
Akım yönü ve şiddetinin zamana bağlı değişen akıma alternatif akım denilmektedir. Elektrik
şebekelerinde bu tür akım bulunmaktadır. Elektrikli cihazlar AC akım kaynakları ile
çalışmaktadır. AC akım yönü ve şiddeti değişen bir sinyali ifade ettiğinden AC akım frekans (f)
ve peryot (T) gibi iki önemli terim ile ifade edilmektedir. Sinyalin başlangıç noktasına dönene
kadar geçen süre peryot (T) olarak tanımlanır. 1 sn deki peryot sayısı frekans olarak tanımlanıp
Hz (Hertz) ile ifade edilmektedir.
F=1/T Hz
Dünyada şehir şebekelerinde farklı AC gerilimler kullanılmaktadır. Bunlar;
220 V 50 Hz
120 V 60 Hz
110 V 60 Hz
Güç (Power) ve Enerji
Elektriksel olarak birim zamanda bir iş yapmak üzere harcanan enerji miktarıdır. Elektrik enerjisi
harcanması sonucu ısı veya ışık ortaya çıkabilmektedir. Başka bir deyişle elektrik cihazların
çalıştırılması sonucu iş yapılmasıdır. Elektriksel güç W ile gösterilmekte watt olarak ifade
edilmektedir, Ev ve işyerlerinde elektrikli cihazların harcadığı enerjiyi başka bir deyişle yapılan
işi elektrik sayaçları ile ölçülmektedir.
Bir elektrik devresi uçlarına uygulanan gerilim ile t saniye süresinde Q C’ luk enerji miktarı güç
olarak ifade edilir.
Yrd. Doç. Dr. C. Harmanşah
Sayfa 5
Temel Elektronik (Bilgisayar Programcılığı)
𝑃=
𝑊
𝑡
𝑊 = 𝑉. 𝑄

𝑃=
𝑉.𝑄
𝑡
=
𝑉.𝐼.𝑡
𝑡
= 𝑉. 𝐼
Direnç (Resistor – R)
Elektrik akımına karşı gösterilen zorluk olarak tanımlanmaktadır. Direnç bir elektrik devresinde
akım akışına gösterilen direnme kuvvetidir. Direnç R ile gösterilmekte ve Ohm ( Ω ) ile ifade
edilmektedir. Elektrik devresinde akım akışını sınırlamak veya belirli bir düzeyde tutmak
amacıyla kullanılmaktadır.
Direnç sıcaklıkla doğru orantılıdır.
Sıcaklık artıkça iletkenin direnci artmaktadır.
Elektrik
devrelerinde direnç aşağıdaki sembol ile gösterilmektedir. Bir elektrik devresine uygulanan
gerilim iletken boyunca R direnci üzerinden akım akıtmaktadır.
Devredeki akım direnç uçlarında gerilim düşümüne neden olur. Devre akımının direnç
üzerinde harcanması güç ile ifade edilmekte ve P=V. I formülü ile hesaplanmaktadır.
Direnç Türleri
Sabit Dirençler
Direnç değeri değişmeyen (sabit) dirençlere sabit direnç denilmektedir. Elektrik ve elektronik
devrelerde farklı tür sabit dirençler kullanılmaktadır.
Yrd. Doç. Dr. C. Harmanşah
Sayfa 6
Temel Elektronik (Bilgisayar Programcılığı)
Telli Dirençler
Bu tip dirençler çoğunlukla yüksek akım ve gerilim bulunan
devrelerde kullanılmaktadır.
Karbon Dirençler
Yapım malzemesi olarak karbon karışımı malzemelerden
üretilmektedir. Direnç değerleri çok hassas değildir.
Film Dirençler
Seramik türü bir malzeme üzerine metal karışımı bir
malzemenin yerleştirilmesi ve işlenmesi ile üretilmektedir.
Hassas direnç değerlerinin istendiği devrelerde bu tip
dirençler kullanılmaktadır.
Çok geniş bir üretim yelpazesi
bulunmaktadır. Ticari olarak 1 Ω dan MΩ değerlerine kadar
direnç üretilmektedir.
Yrd. Doç. Dr. C. Harmanşah
Sayfa 7
Temel Elektronik (Bilgisayar Programcılığı)
IC ve SMD dirençler
Dirençlerin bir tümleşik devre ( IC ) içine yerleştirilerek
oluşturulan dirençlerdir. Bilgisayar ve bileşenlerinde daha çok
bu tip dirençler kullanılmaktadır. Bu dirençler bir bilgisayar
anakartı gibi bir yapının üzerine monte edilecek şekilde
üretilmektedir.
SMD adı verilen dirençler ise çok küçük boyutlarda ve
elektronik devre kartları üzerine monte edilebilecek şekilde
üretilmektedir. Günümüzde bilgisayar anakartları ve bilgisayar
bileşenlerinde bu tip dirençler kullanılmaktadır.
Ayarlı Dirençler
Direnç değeri 0 ile belirlenen bir maksimum direnç değerinde değiştirilebilen dirençlerdir.
Elektronik ve
elektrik devrelerinden farklı
tiplerde
ve özelliklerde ayarlı dirençler
kullanılmaktadır.
Yrd. Doç. Dr. C. Harmanşah
Sayfa 8
Temel Elektronik (Bilgisayar Programcılığı)
Ohm Kanunu
Bir iletkenin uçları arasına 1 V’ luk bir gerilim uygulandığında, bu iletkenden 1 A’ lik akım
akarsa bu iletkenin direnci 1 Ω ‘ dur.
𝐈=
V=I.R
𝐕
𝐑
𝐑=
𝐕
𝐈
Elektronik devrelerde birimler A, V veya Ω değerlerinin küçük veya büyük katları ile ifade
edilmektedir.
Gerilim ve Akım Ölçümü
Elektrik devrelerinde gerilim, akım ve direnç ölçümleri AVOMETRE olarak adlandırılan ölçü
aletleri ile ölçülmektedir.
Gerilim
ölçümünde
ölçü
aletlerinin
uçları
devre
elemanlarının
uçlarına
dokunarak
ölçülmektedir. Bilindiği gibi gerilim iki farklı nokta arasında söz konusudur. Bundan dolayı
gerilim ölçümleri devre elemanlarına paralel olarak bağlanarak gerçekleştirilir.
Yrd. Doç. Dr. C. Harmanşah
Sayfa 9
Temel Elektronik (Bilgisayar Programcılığı)
Akım ölçümü için AVOMETRE devreye seri olarak bağlanmaktadır. Bunun nedeni akım
iletkenin bir noktasından birim zamanda geçen yük miktarıdır. Bundan dolayı, ölçü aleti
devreye seri olacak şekilde bağlanır.
Kondansatör
İki iletken plaka arasına dielektrik maddesi konularak hazırlanmış ve iletken plaka uçlarına
uygulanan gerilimi yük olarak depolayan devre elemanıdır.
Kondansatörün yük depolama yeteneğine kapasite denilmekte ve C ile ifade edilmektedir.
Elektronik devrelerde filtreleme, by pass, kuplaj gibi farklı amaçlarla kullanılmaktadır. AC ve DC
akımda farklı davranmaktadır. DC akımda tıkaç olarak kullanılırken AC akımda charge ve
discharge şeklinde davranır.
C= Q / V F (Farad)
Elektronik devrelerde genellikle
uF, nF ve pF aralığında kondansatörler kullanılmaktadır.
Kondansatörün uçlarına uygulanan gerilimi dielektrik malzeme üzerinde yük olarak depo
etmesi charge olarak adlandırılır. Kondansatör uçları kısa devre edilirse veya bir yük direncine
bağlanırsa sahip olduğu yükü bu direnç üzerinden boşalır. Bu duruma discharge denilir.
Yrd. Doç. Dr. C. Harmanşah
Sayfa 10
Temel Elektronik (Bilgisayar Programcılığı)
Kondansatör Çeşitleri
Polar Kondansatörler  Devreye + ve - uçları dikkate alınarak ( devreye uygulanan gerilim
+ ucuna kondansatörün + ucu ) bağlanan kapasitörlerdir. Genellikle
güç kaynaklarında ve devrelerin güç katlarında kullanılmaktadır. Bu
tip kondansatörlerin üzerinde ( - ) uç (veya + uç ) işaretlenmiştir.
Non polar kondansatörler Bu tip kondansatörlerde (+) veya ( - ) uç ayrımı yoktur. Devreye
uygulanan gerilimin yönü dikkate alınmadan devreye yerleştirilir.
Diyot
Yarı-iletken olarak elektronik devrelerde kullanılan Si veya Ge atomlarının karakteristik
özellikleri bazı katkı atomları eklenerek değiştirilebilmektedir. Böylece yeni tip malzemeler
üretilebilmektedir.
Si atomuna Arsenik, Antimon veya benzer bir katkı atomu eklenerek oluşturulan malzemeye n
tipi malzeme denilmektedir. Bu durumda yeni oluşan yapıda bir elektron serbest olarak
kalmaktadır.
Si atomuna Bor, Galyum veya İndiyum gibi katkı atomları eklendiğinde yeni oluşan yapıda
atomik örgü yapısındaki bağları tamamlamak üzere dışarıdan bir elektrona ihtiyaç
duyulacaktır. Bu tip malzemelere p tipi malzeme denilmektedir.
Bu iki malzemenin birleştirilmesi oluşturulmuş elektronik devre elemanına diyot denilmektedir.
n ve p tipi malzemenin birleştirilmesi oluşan diyotlar AC ve DC devrelerde farklı şekillerde
çalışmaktadır.
Yrd. Doç. Dr. C. Harmanşah
Sayfa 11
Temel Elektronik (Bilgisayar Programcılığı)
a) n tipi malzeme
b) p tipi malzeme
Diyotlar, AC akımda doğrultucu DC devrelerde ise anahtarlama görevi yapmaktadırlar.
Aşağıda örnek bir n tipi ve p tip malzeme görülmektedir.
Elektronik devrelerde kullanılan diyot sembolü aşağıda görülmektedir. Elektronik devrelerde
farklı diyot tipleri kullanılmaktadır. Diyot sembolü aşağıda görülmektedir.
DC Akım
Diyot DC gerilime aşağıdaki gibi bağlanırsa n tipi malzemeden p tipi malzemeye elektron akışı
olacağı için akım akacaktır. Diyot bu durumda anahtarın kapalı durumu gibi davranacak ve
devreden akım akacaktır (a).
Diyot devreye ters yönde bağlanırsa p ve n tipi malzemelerin birleşme yüzeyinde elektron
akışını engelleyecek geniş bir fakirleşmiş bir bölge oluşacaktır. Bundan dolayı diyot üzerinden
akım akmayacaktır. Diyotun bu durumu anahtarın açık devre olması benzer bir davranış
sergileyecektir. Anahtar açık devre olduğunda devreden akım akmadığı gibi diyot üzerinden
bir akım akmayacaktır (b).
Yrd. Doç. Dr. C. Harmanşah
Sayfa 12
Temel Elektronik (Bilgisayar Programcılığı)
a) Doğru Yönde kutuplama
b) Ters Yönde Kutuplama
AC Akım
Diyot AC sinyalin (–) alternanslarını kırparak sadece (+) alternansları geçirmektedir. Bu duruma
AC sinyalin doğrultulması denilmektedir. Böylece AC sinyal sadece pozitif alternanslardan
oluşan bir sinyale dönüştürülür. Güç kaynakları AC sinyali DC sinyale dönüştürmek amacıyla
kullanılmaktadır. Bilgisayar güç kaynakları bu tip dönüşüm devrelerinden oluşmaktadır. Burada
basit bir AC – DC devre tasarımı genel bir çerçevede gösterilmektedir.
Yrd. Doç. Dr. C. Harmanşah
Sayfa 13
Temel Elektronik (Bilgisayar Programcılığı)
Bu tasarım AC-DC dönüşümünü göstermek amacıyla çizilmiştir. Güç kaynak devrelerinde tam
bir DC sinyalin elde edilmesi için çok sayıda filtreleme, kontrol ve düzeltme devreleri
kullanılmaktadır. Bilgisayar Güç Kaynakları ( Power Supply ) anakart ve diğer bilgisayar
bileşenler için gerekli DV gerilimleri üretmektedir. Aşağıda bilgisayar sistemlerinde kullanılan
güç kaynağı ve çıkış değerleri verilmiştir.
Referanslar:
Bakan A.F., Analog Elektronik
Kaplan, Analog Elektronik – I, Mersin Üniversitesi
Elektriğin Temel Esasları, MEB, 2011
Temel Devre Uygulamaları, 2011
Elektrik-Elektronik Mühendisliğinin Temelleri Ders Notu, 2010-2011
Doğru Akım ve Alternatif Akım Devreleri, MEB, 2011
Analog Devre Elemanları, MEB, 2011
Yrd. Doç. Dr. C. Harmanşah
Sayfa 14