Temel Elektronik Bileşenler

Raspberry Pi gibi bir teknoloji harikasının yeni bir devrimi körüklediğini söyleyebiliriz. Bu devrim isteyen herkesin (en azından meraklı olan) yüksek teknolojiye erişebilmesini ve bu teknolojiyi kullanarak hayallerini gerçekleştirebilmesinin önünü açıyor. Peki, Raspberry Pi nasıl ve neden imal edilmiştir. Bunun basit bir cevabı vardır, kumdan. Bildiğiniz kumsal kumu. Kum silikonun ana maddesidir. İşte bu silikon, Raspberry Pi’ı ve diğer modern platformları, hatta elektronik biliminin kendisini var eden temel maddedir. Bir elektronik devre ağırlıklı olarak silikon kullanılarak üretilen bazı temel bileşenlerden oluşur. Bu başlıkta elektroniği ve Raspberry Pi’ı var eden elektronik bileşenlerin çalışma biçimi ve teknik özellikleri hakkında çok fazla detaya girmeden temel bilgiler vereceğim. Aynı zamanda bu başlıktaki bilgiler Raspberry Pi’ı dış dünya ile konuştururken de bize ışık tutacak. Eğer temel elektrik kanunlarını öğrenebildiyseniz elektronik karmaşık değildir, “güzeldir”, temelleri iyi anlaşıldığında da hızlı bir şekilde ilerleyerek uygulayabilmenize imkân sağlar.

AVOMetreler (Multimetre)

Avometre temel elektriksel büyüklükler olan volt, amper ve ohm  gibi değerleri ölçümlememizi sağlayan çoklu bir ölçü aletidir. AVO yani amper, volt ve direnç (ohm) ölçümlerini yapabilen bu çoklu ölçüm aleti multimetre olarak da bilinir. Elektronik ve bilgisayar ile uğraşan herkesin iyi bir avometreye sahip olması gerekir. Elektrik akımını duyu organlarımızla ölçümleyemediğimiz için bir avometre (multimetre) gözümüz kulağımız gibidir. Günümüzde avometreler amper, volt ve ohm  birimlerinin yanında kapasite (kondansatörün kapasitesi) indüktans, frekans ve sıcaklık ölçümlerini de yapabilmektedir. Aşağıda analog ve dijital ölçü aletlerinin fotoğrafları gözükmektedir.

Dijital ve analog avometreler

Günümüzde en çok tercih edilen avometre türü dijital olanlardır. Dijital avometreler hassas ölçüm değerlerini sahip oldukları bir LCD ekran ile görüntülerler buna  karşılık analog olanlar ise yaklaşık 90 derecelik bir ölçüm skalası içerisinde konumlanan bir saat ibresi ile gösterim sağlarlar . İbrenin konumlandığı pozisyon, ölçü aletinin komütatörü ile belirlenen nicel büyüklüğün değerini gösterir.

AVOMetreler dışında direnç, kondansatör, MOSFET, entegre devre gibi bileşenlerin ölçümlerini otomatik olarak yaparak bileşen hakkında bilgi veren ölçüm/test aletleri de vardır. Bunlar genel olarak “component tester” olarak bilinir. Component tester’lar elemanın iç direnci (ESR), iletim/eşik (Vf / Vt) gerilimi, ters akım (Ir), kapasite ve tip gibi bilgilerinin yanında cihaza bağlı olan bacakların isimlerini  ekranlarında gösterebilirler. Daha pahalı olan ve entegre devrelerin tanımlanmasını sağlayanlarına ise “IC tester” denir. Bu cihazlar kullanımı ve özellikleri hakkında detaylı bilgiyi youtube üzerinden ulaşabilir, satın almak için Uzak Doğu menşeli siteleri kullanabilirsiniz.

        
Bir component tester ve IC tester

Analog avometreler

Analog ölçü aletlerinin ölçüm hassasiyeti ile ölçüm yapabildikleri aralık ve ölçtüğü büyüklüklerin türleri dijital olanlara göre çok daha sınırlıdır; ancak hala günümüzde de kullanılmasının önemli nedenleri vardır. İlki analog avometreler ölçülen değerdeki değişimlere anında tepki verebilirler. Örneğin anlık olarak değişen bir voltaj ölçülürken bir dijital avometre, voltajın polaritesini ve değişiminin hangi yönlerde olduğunu yeterince anlaşılır bir şekilde gösteremez; ancak analog avometre bu değişimi ibrenin hareket yönü ve miktarı ile göstererek kolayca fark edebilmemizi sağlar.

Elektronik ve Raspberry Pi ile haşir neşir olanların mutlaka basitte olsa bir analog avometre edinmelerini tavsiye ederim. Bir analog avometre dijital olanların aksine tüm büyüklükleri gerilim tabanlı ölçer. Bu gerilimin ibre bobininde yarattığı manyetik alanın miktarı ile doğru orantılı olarak ibrenin saptırılması ile gerçekleştirilir. Örneğin bir direnç ölçülürken avometre direncin uçlarına ayarlandığı skalaya uygun bir gerim bölücü üzerinden ufak bir gerilim uygular ve bobin üzerinden bir akım akıtır, bu akımın şiddetine göre de ibre belli bir açıda konumlanır. Benzer şeyi gerilim veya akım ölçerken de yapar. Dijital olanlardan farklı olarak ölçüm yapmadıkları zamanlarda pil tüketmezler. Çalışma prensibi itibari ile elektroniğe yeni başlayanların elektriksel kavramları kafalarında oturtmalarına yardımcı olacak temel bir ölçü aletidir. Bir analog ölçü aleti satın alırken şu özelliklere sahip olmasına dikkat edebilirsiniz:

  • Ölçüm ekranının büyüklüğü: Analog ölçü aletleri ölçümleri dijital olanlara göre hassas yapamazlar. Bu nedenle  ebatça büyük bir skalaya sahip ölçü aleti tercih etmek gerekir.
  • Ölçüm türleri ve aralıkları: Bu özellikleri genellikle birbirine çok benzerdir ve günümüzde üretilen modeller için ayırt edici bir özellik oluşturmaz. Bazı modelleri sadece AVO (amper, volt ve Omaj) ölçmeye odaklanmışken bazılarında transistör ve sıcaklık gibi ölçümleri de yapabilir.
  • Kasa sağlamlığı: Analog ölçü aletlerinin en hassas bileşeni ibreyi hareket ettiren yaylı ibre motorudur. Bu motor çok ince bir yayın yardımı ile manyetik alanda asılı durduğundan çarpma ve sarsıntılara karşı hassastır. Bu hassasiyetin uzun ömürlü olması için analog ölçü aletinin çarpma ve şoklara karşı darbe emici bir kılıfa sahip olması önemlidir.

Analog ölçü aletlerinde iki iletken nokta arasında elektriksel bağlantı olup olmadığını anlamak için bir sesli sinyal kademesi bulunur. Devamlılık sınamasının hızı analog ölçü aletlerinde herhangi bir sayısal yorumlamaya gerek kalmadığı için çok hızlıdır. Marka olarak ise kolayca bulabileceğiniz Proskit, Mastech ve Tekpower ürünlerini tavsiye edebilirim.

Analog Avometreler Hakkında

Bazen ölçümü yapılan akım/gerilim sinyali, bir dijital ölçü aletinin yakalayamayacağı çok küçük anlık değişimleri içerebilir. Bu anlık değişimler rastlantısal olduğunda bir osilaskop ile dâhi görülemeyebilir. Ancak bir analog avometre anlık sinyalin enerjisine bağlı olarak bu değişimi fark etmenizi sağlayabilir. Analog ölçü aletleri sonsuz bir ölçüm frekansına sahiptir. Dijital olanlar ise saniyede birkaç kez ölçülen sinyalden örnekler alırlar. Bir analog ölçü aletinin en değerli bileşeni ölçüm skalası içerisinde ibreyi hareket ettiren mini bir motor diyebileceğimiz bobin sargıdır. Yanlış bir skalada ölçüm yapıldığında bu sargı kolaylıkla zarar görebilir.

Dijital avometreler

Dijital ölçü aletleri ölçüm değerlerini dijit (rakam)’lerden oluşan bir ekran üzerinden  okumamızı sağlarlar. Bu ölçü aletlerine dijital denmesinin esas sebebi ölme işlemini dijital elektronik teknikleri ile gerçekleştirmesidir. Temel olarak probe’lardan ulaşan değer önce doğrultulur ve ADC yardımı ile sayısal bir değere dönüştürülür. Ardından bir referans değer üretecinden alınan değer ile karşılaştırılır. Bu referans değer üretecinin hassasiyeti ölçüm yapılan değerin doğruluğunu belirleyen en önemli unsurdur. Aynı zamanda ölçüm yapılan sinyalin şiddetine göre ADC öncesinde bir sinyal yükseltme de uygulanabilir. Tüm bu sayısal işlemleri yapan ve LCD ekran görüntüleyen bir de kontrolcü yer alır. Kontrolcünün sahip olduğu çalışma hızı, ölçümün hızlı ve doğru yapılmasını sağlayan önemli ölçütlerden biridir.

Referans üreteci, ADC çözünürlüğü ve kontrolcü hızı açısından ölçü aleti satın alırken bilinen ve kendini kanıtlamış bir marka / model tercih etmenin önemi büyüktür. Bu yaklaşım daha önce belirtildiği gibi ölçümü yapılan değerlerin gerçeğe ne kadar yakın olduğunu ve aynı zamanda yanlış kullanımlara bağlı olarak ölçü aletinin sahip olduğu koruma özelliklerinin gelişmişliği ile ilgilidir.

Deneyimlerime göre bir ölçü aleti satın alırken değerlendirilebilecek başlıca özellikler şunlardır:

  1. Ölçüm kademeleri: Standart bir avometre en azından volt, amper ve ohm  kademelerini içerir. Bazı modellerde frekans, kondansatör, bobin, sıcaklık ve transistör ölçmek için kademeler de bulunur. Böyle bir ölçü aleti haricen bir kapasitemetre ya da indüktans metre almaktan daha ucuza gelebilir. Ölçme kademelerinin çeşitliliği yanında ölçümü yapılacak değerlerin aralıkları da önemlidir. Örneğin 1000 volta kadar DC ve AC gerili, 20 0Mohm’a kadar direnç, 40.000 uF’a kadar kapasite ve 2 Henry’ye kadar bobin ölçebilen bir ölçü aleti idealdir.
  2. Ölçüm hassasiyeti: Standart ölçü aletleri noktadan sonra 2 haneye kadar ondalıklı değerleri gösterebilirler. Eğer hassas ölçümler yapmak istiyorsanız noktadan sonraki hassasiyeti yüksek bir ölçü aleti tercih edebilirsiniz. Özellikle mili ohm  mertebelerini ölçebilen bir avometre, arızalı elektronik kartlarda kısa devrenin yerini bulmak için kullanışlıdır.
  3. Ölçüm hızı ve otomatik skala: Kaliteli avometreler birim zamanda çok sayıda ölçüm yapabilecek hızlı işlemcilere sahiptirler. Standart bir sayısal avometre saniye de 2 ya da 3 ölçüm yapabilir. Bu hız ölçüme başlama ve ölçülen değeri ekranda gösterme arasındaki süreyi ifade eder. Tavsiye edebileceğim avometreler otomatik skalalı olanlardır. Bu ölçü aletlerinde, diğerlerinde olduğu gibi örneğin 2V, 20V ve 200V gibi ayrı ayrı kademeler bulunmaz. Bunun yerine sadece V kademesi bulunur ve ölçü aleti büyükten küçüğe bir tarama yaparak ölçüm skalasını tespit eder ve değeri ekran gösterir. Bu arada geçen süre kaliteli modellerde çok düşüktür. Yani, birim zamandaki ölçüm sayıları yükseksir. Aynı şey ohm  ve amper kademelerinde de söz konusudur.
  4. Süreklilik testi kademesi: Tüm avometrelerde (analog ve sayısal) olan bir kademedir ve iki nokta arasında elektriksel bir bağlantı (süreklilik) olup olmadığını tespit etmek için kullanılır. Genellikle sürekli ekrana bakma zahmetin kurtaran sesli bir uyarıya (buzzer) da sahiptirler. Ölçüm hızında olduğu gibi kaliteli avometreler çok düşük sürelerde (<0.2sn) süreklilik testini gerçekleştirebilirler.
  5. Otomatik kapanma: Sayısal bir avometrenin başına sıklıkla gelebilecek bir şey de açık unutulmasıdır. Bu durumda saatlerce ya da günlerce çalışan bir avometrenin pilleri kısa sürede tükenir. Bununla sıklıkla karşılaşılır. Belli bir süre ölçüm yapılmadığında kendi kendini kapatan bir avometre kullanışlıdır.
  6. True RMS: Kaliteli modelleri alternatif akımın (AC) gerçek etkin değerlerini doğru olarak ölçerler. Bunun için AC sinyalden birim zamanda çok sayıda örnek alan hızlı bir işlemciye sahiptirler. Ne kadar çok değer alınırsa o kadar doğru bir etkin değer ölçümü yapılabilir.
  7. Bağlanılabilirlik: Bazı ölçü aletlerinin UART ya da USB çıkışları vardır ve bir PC ile bağlanarak ölçtüğü değerleri değişik formlarda görüntüleyebilir, saklayabilir ve grafikler çizebilirler.
  8. Diğer: Loş veya karanlık bir ortamda çalışırken avometrenin gösterge aydınlatmasına sahip olması kullanışlıdır. Avometrenin komütatörü, dış kılıfı ve muhafazasının sağlamlığı uzun yıllar sorunsuzca kullanılabilmesi için önemlidir. Uzun yıllar çalışan bir avometreler genellikle ilk arızayı en çok kullanılan mekanik kısmı olan komütatörlerde verirler.

Uzun yıllardır kendini kanıtlamış belli başlı avometre markaları şunlardır: Fluke, Agilent, Owon ve Mastech. Başlangıç için uzun ömürlü kaliteli bir model satın almak isteyenler Fluke markasının 115/116/117 modellerine bakabilirler. Bütçesi sınırlı ve işini görebilecek ekonomik bir model arayanlar ise Vichy Vc99 modeline yönelebilirler. Bu model Fluke 117’nin basitleştirilmiş bir Uzak Doğu kopyasıdır (klon). Ayrıca Unit-T markası da ekonomik modellere sahiptir.

Bir avometre kullanılırken yapılan en büyük 3 hata türü vardır. Her üç hata türü de önce avometrenin daha sonra da devrenin kurtarılamaz zararlar görmesine neden olabilir. Bu konuda bir örnek kitabın “Breadboard ve atlatma kabloları” başlığında yer almaktadır.

  1. voltaj ölçümü her zaman ölçümü yapılacak elemana paralel bağlanarak gerçekleştirilmelidir. Hatırlayın; voltajın diğer tanımı, iki nokta arasındaki potansiyel farktı. Eğer bağlantıyı seri yaparsanız ölçü aletinin içindeki voltmetre devresinden normalden yüksek bir akım geçer ve ölçü aleti zarar görebilir. Avometreler voltaj ölçerlerken iç yapılarında bulunan çok yüksek değerli bir direnci, probları ile paralel olarak ilişkilendir ve bu dirençten geçen akıma göre voltajın miktarına karar verirler. Kaliteli ve pahalı voltmetreler bu iş için çok yüksek değerli paralel dirençler ve hassas analog-dijital dönüştürücüler kullanırlar. Eğer voltmetreyi devreye seri bağlarsanız bu dirençten ve direnci ölçen analog dijital dönüştürücüden (sayısal avometreler) yüksek bir akım geçeceğinden avometrenin kendisi zarar görebilir. Özellikle sayısal avometreler bu durumlara karşı hassastırlar; ancak pahalı ve kaliteli modeller bu gibi şanssızlıklara karşa koruma mekanizmaları da içerirler.
  • Akım ölçümü, avometre akım ölçüm kademesinde iken her zaman seri bağlanarak yapılmalıdır. Hatırlarsanız akımı bir iletkenden birim zamanda geçen elektron mikarı olarak açıklamıştık. Bu miktarın ölçülebilmesi içinde avometrenin devreye seri bağlanması gerekir ki ölçülecek akım avometrenin içinden de geçebilsin. Evet, ölçülmek istenen akımın tamamı avometre içinden de geçer. Bu nedenle yüksek akımlar ölçerken dikkatli olmalısınız. Çoğu avometre mA (miliamper) ve A (amper) ölçeğindeki değerleri ölçmek için iki ayrı kademeye sahiptir. Ölçümünü yapacağınız akımın miktarını bilmiyorsanız A kademesi ile ölçüme başmaka doğru bir yaklaşımdır. Akım ölçümü sırasında avometre bünyesinde bulunan çok düşük değerli bir direnci (1 ohm ‘dan küçüktür) probları ile ilişkilendirir ve bu direnç üzerine düşen gerilimi (voltajı) hassas bir analog-dijital dönüştürücü vasıtasıyla ölçer ve I = V/R eşitliğini kullanarak akıma çevirir. Eğer akım ölçümünü paralel bağlayarak gerçekleştirirseniz devrede probları değdirdiğiniz iki noktayı kısa devre yapmış olursunuz. Bu devrenin zarar görmesine neden olabilir. Bu hatalı ölçümü bir enerji kaynağının uçlarına temas edecek şekilde yaparsanız enerji kaynağının gücüne bağlı olarak çok yüksek bir akım geçişi olur, kablolar ısınabilir avometrenin ya da besleme kaynağının sigortası atabilir. Bu nedenle tüm avometreler de A (amper) kademesini korumak amacıyla dâhili bir cam sigorta yer alır. Avometrenin içini açarak bu sigortayı kontrol edebilirsiniz. Sigorta her zaman avometreyi korumak için yeterli olmayabileceğinden akım ölçümü yaparken paralel bağlantı yapmamaya dikkat etmelisiniz.
  • Bir avometre ile direnç ölçümü yaparken avometrenin probları, ölçüm yapılacak elemana paralel bağlı olmalıdır. Eğer söz konusu ölçümü bir direnç üzerinde yapıyorsanız ve direnç devre üzerine bağlı ise; dirençle bağlantılı diğer elemanları da ölçeceğinizden, ölçülen değer doğru olmaz.Bunun yerine, elemanın bir bacağını devreden ayırıp, devrenin geri kalanının direncinden etkilenmemesini sağlayabilirsiniz. Ölçüm sırasında problardan her ikisine de elinizi değdirmemeye dikkat edin. Aksi takdirde vucut direnciniz ölçüm yaptığınız elemana paralel bir direnç olarak etki gösterir ve ölçüm yanlış yapılmış olur. Eğer devre üzerinde bir direnç ölçümü yapacaksanız devrenin enerjisinin kesilmiş olmasına dikkat etmelisiniz. Avometreler direnç ölçme kademesinde iken ölçüm yapılan elemandan çok küçük bir akım geçirirler ve geçen akım miktarına göre elemanın değerine karar verirler. Bu nedenle ölçümü yapılacak noktada bulunacak bir gerilim hem ölçümün yanlış yapılmasına hem de ölçü aletinin direnç ölçüm devresinden kontrolsüz bir akım akarak ölçü aletinin zarar görmesine neden olabilir.

Dirençler

Dirençler (rezistörler) elektrik akımına karşı zorluk oluşturmak, akım geçişini ve dolayısıyla gerilim düşümünü kontrol etmek için kullanılan elektronik devre elemanlarıdır. OHM  kanununa göre bir direncin içerisinden akım geçtiğinde direncin uçları arasında bir gerilim düşümü oluşur. Bu gerilimin miktarı, direncin değeri ve geçen akımın şiddeti ile doğru orantılıdır ve V  = I.R formülü ile hesaplanabilir. Formülden de anlaşılabileceği gibi; bir direncin üzerine düşen gerilim, direncin değeri ve içinden geçen akımın değeri ile doğru orantılıdır.

Doğadaki her maddenin bir direnci vardır. Yani, doğadaki her madde elektriğin geçişine karşı az veya çok belli bir zorluk gösterir. Dirence sahip olmayan herhangi bir madde olmadığı gibi tamamen yalıtkan bir madde de yoktur.

Plastik normalde herkes tarafından yalıtkan olarak bilinir; fakat değildir. Plastiğin de bir direnci vardır ve oldukça yüksektir. Yeterince yüksek bir gerilim (akımın akması için baskı yapan kuvvet) uygulanırsa plastikten de akım geçer. Bir avometreyi ohm kademesine getirip proplarına dokunursanız vücudunuzun da birkaç megaohm’luk bir dirence sahip olduğunu görebilirsiniz. Bu direnç, derinizin nem miktarı, vücudunuzun su oranı, propların temas yüzeyi gibi değerlere göre değişir. Çünkü elektrik nemli ve ıslak ortamlardan kuru ortamlara göre daha rahat geçer. Ayrıca elektriğin geçebileceği kesitin alanı ne kadar büyürse o kadar az dirençle karşılaşır ve kolayca geçer.

Aşağıda elektronik devre şemalarında kullanılan çeşitli dirençlerin devre sembolleri yer almaktadır.

Bu sembolleri açıklamak gerekirse; sabit dirençler fabrikada üretildikleri hali ile değeri değişmeyen dirençlerdir. Değerleri üzerlerindeki renk bantları ile ifade edilir. Ayarlı dirençlerin değeri ise istenildiği zaman elle ayarlanabilir, örneğin müzik cihazlarında çevirerek sesi azaltıp yükselttiğimiz bileşen bir ayarlı dirençtir ve potansiyometre ismi ile de bilinirler.

PTC ve NTC ısı değişimini algılamak için kullanılan direnç türleridir. PTC (pozitif katsayılı termal direnç), değeri sıcaklığa bağlı olarak artan bir dirençtir. NTC (negatif katsayılı termal direnç)’nin ise sıcaklığa bağlı olarak direnç değeri azalır.

LDR, NTC ve PTC’ye benzer olarak; değeri ışık miktarına bağlı olarak değişen dirençlerdir. Işık miktarı arttığında direnç değeri azalır, ışık miktarı azaldığında ise direnç değeri artar. PTC, NTC ve LDR’nin ortama bağlı direnç değişimlerinin hangi miktarda olacağı veri sayfalarında yazılıdır. PTC ve NTC gerçek sıcaklık değerlerini ölçebilmek için doğrusal bir karakteristik sunmadıklarından, genellikle bir eşik değeri (ısı ya da ışık) aşıldığında bir işlemi başlatmak için önceden ölçülerek referans alınan değerleri ile kullanılırlar. NTC’ler sadece sıcaklık algılamak için kullanılmazlar. Bir de güç NTC’leri vardır. Bunlar elektronik cihazların güç katlarının girişine seri bağlanarak çekilen ani akımları bastırmak/sınırlamak için kullanılırlar (Inrush Current Limiter). Bu konudaki açıklayıcı bir videoyu sayfanın sonundaki bağlantıdan izleyebilirsiniz[1].

SMD (Surface Mound Device) ‘ler fiziksel boyutları ufak olduğundan küçük boyutlu elektronik devrelerin imal edilmesinde kullanılır. DIP (Dual in-line package) dirençler baskı devre kartına açılmış olan deliklerden geçirilerek monte edilirken SMD’ler ise delik kullanılmadan baskı devre kartının yüzeyine lehimlenir. Aşağıdaki görselde çeşitli güçlerdeki sabit değerli DIP ve SMD dirençlerin fotoğrafları yer alıyor.

Empedans ve Direnç Kavramları Hakkında

Empedans ve direnç farklı kavramları ifade eder. Temel olarak direnç, bir elektronik elemanın, elektrik akımına karşı gösterdiği zorluğun miktarını ifade ederken, empedans; kondansatör ve bobin gibi kapasitif ve endüktif elemanların yol açtığı direnç etkilerinin oluştuğu durumlarda kullanılır. Kısaca rezistif DC gerilim altında çalışan yükler için direnç, AC gerilim altında çalışan yükler için ise empedans terimi kullanılır. Çünkü, örneğin bir bobin her DC gerilim seviyesinde aynı direnç değerine sahipken, farklı AC frekanslarda farklı direnç değeri gösterirler.

Eğer bir elektronik eleman ya da devre, kapasitif ve endüktif bileşenlerin hiçbirisine sahip değilse empedanstan bahsedilemez ve akıma gösterdiği zorluk saf direnç olarak kabul edilir. Raspberry Pi özelinde konuşursak, GPIO çıkışlarını yüksek frekanslarda aç/kapa (on/off) yaptığınızda Raspberry Pi’ın GPIO sürücü çıkışlarındaki dâhili kondansatörler kapasitif, PCB ile çip yolları da endüktif bir etki yaratarak, anahtarlama frekansına bağlı olarak doğrusal olmayan dinamik (reaktif) bir direnç değeri ortaya çıkartır. Doğrusallıktan kasıt, gerilim ile akım değerlerinin aynı yönde ve şiddette hareket etmemesidir. Çünkü gerilim ile akım arasında reaktif (kapasitans + endüktans ) etkiden kaynaklanan bir faz farkı oluşur.

Bu nedenle, belli bir frekansta aç/kapa yapılan bir GPIO çıkışının elektriksel direncinin, empedans kelimesi ile ifade edilmesi daha doğru bir tercihtir. Kısaca empedans, alternatif akım etkilerinin de karıştığı elektriksel direnci ifade etmek için kullanılır. Elektrik akımına gösterilen zorluğun karşıt kavramı olan iletkenlik söz konusu olduğu durumlarda ise admitans terimi kullanılır. Admitans empedansın tersidir ve çarpımları 1’i verir.

Direnç değerlerinin okunması

DIP dirençler üzerinden geçecek akımın miktarına göre farklı güçlerde imal edilirler. Elektronik cihazlarda en çok kullanılan dirençler çeyrek watlık (1/4) olanlardır. Çok yüksek akım geçecek dirençler için ise yukarıdaki görselde de görüleceği üzere taş dirençler (5W) kullanılır. SMD dirençler de benzer şekilde üzerinden geçecek akım miktarına göre 0201, 0402, 0805 gibi paket kılıf (package) kodu adı verilen ölçülerde değişen boyutlarda üretilirler[2].

SMD dirençlerin dış görünüşü siyah dikdörtgensel bir prizma şeklindedir ve değerleri SMD kondansatörlerde olduğu gibi üzerlerinde yazılı sayısal değerler ile ifade edilirler. Örneğin R100 = 100 ohm, 5R6=5.6ohm, 562=5600ohm şeklinde okunur. DIP dirençlerde ise her biri bir rakama karşılık gelen renk bantları vardır. 4 renk bandından oluşan bir dirençte ilk iki bant değeri, üçüncü bant çarpanı, dördüncü bant da tolerans miktarını ifade eder. Aşağıdaki tablo bir direncin renk kodları kullanılarak nasıl okunacağını göstermektedir.

Direnç değerinin nasıl okunacağını iki örnek üzerinden açıklamak yeterli olacaktır. Bir direncin değeri hesaplanırken ilk 2 bandın rakam kodları aynen alınır üçüncü banda karşılık gelen sayı kadar 0 eklenir (ya da 10x ile çarpılır).

Örnek-1: Sırasıyla Mavi (6) – Kırmızı (2) – Turuncu (3) – Altın (±%5) renk bantlarına sahip olan bir direncin değeri; 62 x 102 = 6200 ohm  ya da olarak 6.2K bulunur. Bu direncin tolerans aralığı ±%5dir. Bu nedenle böyle bir direncin değeri 5890 ile 6510 arasında herhangi bir değerde ölçülebilir.

Örnek-2: Sırasıyla Kırmızı (2) – Kırmızı (2) – Siyah (0) – Altın (±%5Gümüş) renk bantlarına sahip olan bir direncin değeri; 22 x 100 = 22 ohm  olarak bulunur. Bu direncin tolerans aralı değeri %10’dur. Yani, direncin değeri gerçekte 19.8 ohm  ile 24.2 ohm  arasında herhangi bir değerde olabilir.

Beş ve altı renk bantlı dirençler

Hassas elektronik tasarımlar söz konusu olduğunda hassas değerli dirençlere ihtiyaç olur. Bunun için normalde direnç değerini ifade eden 4 renk bandına 5.’si eklenmiştir. Bu dirençlerin hesabını yapmak için ilk 3 renk bandı aynen yazılır ve dördüncü renk bandına karşılık gelen değer ile çarpılır. Örneğin sırasıyla Turuncu (3) – Turuncu (3) – Kırmızı (2) – Kırmızı (2) – Altın (%5) renk bantlarına sahip bir direncin değerini bulmak için 332 x 102 hesabı kullanılabilir. Bu direncin değeri 33.2Kohm ya da 33K2 olarak ifade edilebilir.

Bazı dirençlerde 6. renk bandı vardır. Bu bant direncin sıcaklık katsayısını ifade eden ppm (part per million) değeridir. ppm, oC derece başına direnç değerinin kaç milyonda bir değişim gösterdiğini ifade eder. Örneğin 1Mohm 100 ppm’lik bir direncin değeri 1 oC derecelik sıcaklık değişiminde 100 ohm’luk bir direnç değişimi gösterir.

IEC Standartları ve toleranslar

Dirençler belli bir değer aralığında olacağını garanti eden tolerans değerleri ile üretilirler. Dirençlerin üretim aşamasında toleranslarını ve hangi değer aralıklarıdan üretilmesi gerektiğini belirleyen ve IEC (International Electrotechnical Commission) tarafından oluşturulmuş çeşitli standartlar vardır. Bu standartların tanımladığı değer ve aralıklar kondansatörler, bobinler ve zener diyotlar için de kullanılır.  IEC tarafından IEC 60063:1963 standart numarasıyla yayınlanan belgeye göre tolerans ve değer aralıklarıyla ilgili olarak aşağıdaki standartlar tanımlanmıştır:

  • E6: Toleransı %20, üretildiği değerler de 10, 15, 22, 33, 47 ve 68’in ast ve üst katlarıdır
  • E12: Toleransı 10%, üretildiği değerler de 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68 ve 82’nin 10’lu ast ve üst katlarıdır.
  • E24: Toleransı 5% (1% olarak da üretilir), üretildiği değerler de 10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 75, 82 ve 91’in 10’lu ast ve üst katlarıdır.
  • E48: Toleransı 2%, üretildiği değerler de 100, 105, 110, 115, 121, 127, 133, 140, 147, 154, 162, 169, 178, 187, 196, 205, 215, 226, 237, 249, 261, 274, 287, 301, 316, 332, 348, 365, 383, 402, 422, 442, 464, 487, 511, 536, 562, 590, 619, 649, 681, 715, 750, 787, 825, 866, 909 ve 953’ün 10’lu ast ve üst katlarıdır.
  • E96: Toleransı 1%, üretildiği deperler de 100, 102, 105, 107, 110, 113, 115, 118, 121, 124, 127, 130, 133, 137, 140, 143, 147, 150, 154, 158, 162, 165, 169, 174, 178, 182, 187, 191, 196, 200, 205, 210, 215, 221, 226, 232, 237, 243, 249, 255, 261, 267, 274, 280, 287, 294, 301, 309, 316, 324, 332, 340, 348, 357, 365, 374, 383, 392, 402, 412, 422, 432, 442, 453, 464, 475, 487, 499, 511, 523, 536, 549, 562, 576, 590, 604, 619, 634, 649, 665, 681, 698, 715, 732, 750, 768, 787, 806, 825, 845, 866, 887, 909, 931, 953 ve 976’nın 10’lu ast ve üst katlarıdır.
  • E192: Toleransı 0.5% (ayrıca 0.25% ve 0.1% toleranslı olarak da üretilirler) üretildiği değerler de 100, 101, 102, 104, 105, 106, 107, 109, 110, 111, 113, 114, 115, 117, 118, 120, 121, 123, 124, 126, 127, 129, 130, 132, 133, 135, 137, 138, 140, 142, 143, 145, 147, 149, 150, 152, 154, 156, 158, 160, 162, 164, 165, 167, 169, 172, 174, 176, 178, 180, 182, 184, 187, 189, 191, 193, 196, 198, 200, 203, 205, 208, 210, 213, 215, 218, 221, 223, 226, 229, 232, 234, 237, 240, 243, 246, 249, 252, 255, 258, 261, 264, 267, 271, 274, 277, 280, 284, 287, 291, 294, 298, 301, 305, 309, 312, 316, 320, 324, 328, 332, 336, 340, 344, 348, 352, 357, 361, 365, 370, 374, 379, 383, 388, 392, 397, 402, 407, 412, 417, 422, 427, 432, 437, 442, 448, 453, 459, 464, 470, 475, 481, 487, 493, 499, 505, 511, 517, 523, 530, 536, 542, 549, 556, 562, 569, 576, 583, 590, 597, 604, 612, 619, 626, 634, 642, 649, 657, 665, 673, 681, 690, 698, 706, 715, 723, 732, 741, 750, 759, 768, 777, 787, 796, 806, 816, 825, 835, 845, 856, 866, 876, 887, 898, 909, 920, 931, 942, 953, 965, 976 ve 988’in 10’lu ast ve üst katlarıdır.

Yukarıda standart değerleri verilen aralıklar basit bir mantıkla oluşturulmuştur. Örneğin E12 standardındaki dirençler herbir 10’luk aralığın 12 parçaya/adıma bölünmesiyle oluşturulmuştur. Her adım öncekinden %21 ya da 1.21 kat daha büyük olacak şekilde tam sayılara yuvarlanmıştır. 1.21 değeri ise 10^(1/12) formülü ile hesaplanır. Aşağıda bu hesabın bir gösteriminin yer aldığı bir şekil yer almaktadır.


IEC E12 standardının gösterimi

%5 veya %10’luk toleransa sahip dirençlerin üretim maliyeti üretiminin kolay olması nedeniyle oldukça düşüktür. Örneğin fabrikada 220ohm ±%5 tolerans ile üretilen E24 standardındaki bir direnç gerçekte 209 ohm ile 231 ohm arasında herhangi bir değerde olabilir. Bazen devrenin tasarımı ve yapılacak işin hassasiyeti nedeniyle %5’lik bir direnç iş görmez. Bunun yerine toleransı daha düşük dirençler kullanılması gerekir. Örneğin Avometre, tıbbi cihazlar ve RF (radyo frekans) cihazları gibi cihazların elektronik devrelerinde hassas sonuçlar üretilebilmesi için çok düşük tolerans değerlerine (örn. E192) sahip dirençler kullanılır. Örneğin 220ohm ±%0.1 toleransa sahip bir direnç gerçekte 219.78ohm ile 220.22ohm arasında bir değerde olabilecektir. Görülebileceği gibi bu aralık 220 ohm’a çok yakındır. Bu tür dirençlerin üretimi zor olduğu için %5 ve %10 dirençlere göre maliyetleri de yüksektir.

SMD dirençlerde tolerans değeri genellikle %1 ve altında olur fakat elemanın kılıfı üzerinde bu değere yer verilmez. Eğer arızalı bir SMD direnç değiştirilecekse ve toleransı bilinmiyorsa E96 veya E192 standardında bir direnç seçilmelidir.

Onlu Direnç/Kondansatör Kutusu (Decade Box)

Elektronik projelerini gerçekleştirirken genellikle birçok deney yapıp, prototip gerçekleştirmemiz gerekir.  Deneylerimizde ise bazen farklı değerlerdeki direnç veya kondansatörleri deneyerek uygun olanı bulmaya çalışırız. Bir devreye sürekli olarak direnç/kondansatör bağlayıp ayırmak iş yükü açısından zorluk yaratır. Bu tür durumlar için aşağıda fotoğraflarını görebileceğiniz ve onlu direnç/kapasitör kutusu ya da decade box adı verilen ayarlı direnç ve kapasiteleri kullanabilirsiniz. Bu direnç ve kapasiteler herbir komütatör konumuna ilgili elemanın seri/paralel bağlanmasıyla oluşturulan elektromekanik cihazlardır. Sizde 10 kademeli komütatör yeteri sayıda direnç/kondansatör edinerek kendinize bir tane yapabilirsiniz[3].

Dirençleri gerilim bölücü olarak kullanmak

Dirençler akım sınırlamak için kullanılabileceği gibi gerilim bölücü olarak da kullanılabilirler. Bunun anlamı belirli bir değerde voltaj elde etmek için dirençleri kullanmaktır. Örneğin Raspberry Pi’ın +3.3V çıkışına seri olarak sırasıyla 10 Kohm ve 22 Kohm’luk iki direnç bağlarsanız. 22 Kohm’luk direncin uçlarından 2.2 voltluk bir gerilim elde edebilirsiniz. Bunun hesabı çok basittir. Seri devrelerde dirençler değerleri ile doğru orantılı olarak gerilim tutarlar. Bu durum aşağıdaki şemadan görülebilir.

Dirençlerin gerilim bölücü olarak kullanılması

PRATİK BİLGİ

Öğrencilerime bu konuyu anlatırken renk kodlarını ezberlemelerini istemem. Bunun yerine renk kodlarını kolayca hatırlayabilecekleri bir cümleyi öğretirim. Cümle “Sokakta sayamam gibi”. Dikkat ederseniz cümledeki her sessiz harf sırasıyla bir renk isminin ilk harfine karşılık gelmekte. Örneğin ilk S harfi siyah ve ilk K harfi Kahverengi ve bunun gibi. Tabii ki renk sırasını belirlerken ışık tayfındaki renk sırasını referans almamız gerekir.

Diyotlar

Diyotlar tek yönde akım geçiren elektronik devre elemanlarıdır. Anot ve katot olmak üzere iki bacağa sahiptirler Bir diyotun anodu besleme kaynağının pozitif kutbuna, katodu da negatif kutbuna bağlandığında elektrik akımı geçirmeye başlar (diyot iletime geçer) ve bu durumda diyot doğru polarma altındadır denir. Tersi yapıldığında ise, yani diyotun anoduna besleme kaynağının negatif kutbu, diyotun katoduna da besleme kaynağının pozitif kutbu bağlandığında ise diyot akım geçirmez (diyot kesimdedir) yani diyot ters polarma altındadır. Aşağıda bir diyotun devre sembolü ve dış görünümü gözükmektedir.


Diyotun sembolü, dış görünümü ve benzetimi

Genellikle silindirik bir kılıf içerisinde üretilen diyotun katodunu belirlemek için, bacaklarından birine yakın olan tarafı, beyaz bir çizgi ile işaretlenmiştir. Diyotlar özü silisyum olan P ve N isimli iki maddeden üretilmiştir ve çoğu elektronik bileşenin temelini oluşturan bir işleve sahiptir. Diyotlar doğru polarma altındayken üzerlerine bir gerilim düşümü olur. Buna iletim gerilimi adı da verilir ve özelliklerine göre 0.2v ile 0.9v arasında olabilir. Diyotlar ters polarma altındayken tamamen yalıtkan değildirler ve uygulanan gerilimin büyüklüğüne göre (dayanma gerilimi) çok küçük bir miktar akım geçişine izin verirler ve bu da sızıntı akımı olarak adlandırılır. Diyotun dayanım ve iletim gerilimi ile sızıntı akımı değerleri, en doğru, diyotun veri sayfasından edinilebilir.

Aşağıdaki şekilde, açık uçlarından biri bir yay tarafından itilen demir bilye ile tıkanmış bir valf yer almaktadır. Diyotun çalışmasını anlatan bu temsili mekanik gösterim, diyotun iletim gerilimi ve sızıntı akımını anlamak açısından faydalıdır. İlk şekilde (a); valfin çıkış ucundan gönderilen akışkan, demir bilyeyi iterek valfin giriş ucunun tıkanmasını sağlamakta ve akışa izin vermemektedir. Valflerin de diyotlarda olduğu gibi bir ters akış dayanım basınçları vardır. Yani, valfe çıkış ucundan uygulanacak akışkanın basıncı (potansiyeli), yeterli miktarda artırılırsa (ters polarma dayanma gerilimi); demir bilye giriş ucundan bir miktar akışkanı sızdıracaktır. Bu sızıntı, diyotun teknik özelliklerine göre birkaç mikroamperden (uA) birkaç mili ampere (mA) kadar olabilir.

ikinci şekilde (b); valfin giriş ucundan gönderilecek yeterli basınçtaki akışkan, yayın direncini yenerek demir bilyeyi itmekte ve kanalı açmaktadır. Böylece kanaldan serbest bir akış başlamaktadır. Kanalın iletime başlayabilmesi için bu yayı itecek kadar miktarda itme gücüne/gerilime ihtiyaç vardır. Bu gerilim iletim gerilimidir ve diyot iletimde olduğu veya valf açık olduğu sürece uygulanması gerekir. Ayrıca, bu gerilim sadece valfi açık tutmak için kullanıldığından toplam tüketime diyotun bir tüketim gücü olarak yansır. Yani, diyotlar da diğer elektronik elemanlarda olduğu gibi; çalışabilmek için bir güç tüketiminde bulunurlar.

Bir diyotun veri sayfasına ulaşmak için, bir arama motoruna diyotun modeli ve datasheet kelimeleri yazılarak kolayca ulaşılabilir. Aşağıdaki şemalar bir diyotun en temel iki kullanım amacını göstermektedir.

Şema (a) – Doğrultma işlevi                                                           Şema (b) – Koruma işlevi

İlk şemada (a) diyot, bir alternatif (AC) güç kaynağına seri bağlanarak doğrultma amacıyla kullanılmıştır. Diyot AC sinyalin negatif kısmını (alternans) geçirmeyerek (kırparak), sadece pozitif kısımların geçişine izin vererek DC (yarım dalga DC) sinyal elde edilmesini sağlamıştır. Tabii ki, elde edilen DC sinyali bu haliyle kullanmak verimli değildir. Alternanslar arasındaki boşlukların doldurulması ve eğrinin düzeltilmesi gerekir. Bu işlem çıkışa bir elektrolitik kondansatör (1000uF) bağlanarak kolayca gerçekleştirilebilir.

İkinci şemadaki diyot, güç kaynağı (DC) ile bir elektronik devre/cihaz arasına bağlanmıştır. Bu bağlantının amacı, devreyi/cihazı ters polarmalara karşı korumaktır. Şekilde DC kaynağın pozitif kutbu diyotun ve dolayısıyla korunacak devrenin anoduna bağlıdır. Bu bağlantıda diyot doğru polarma altında olduğundan (iletimde olduğundan), DC kaynak akımının geçişine izin verir ve cihaz çalışabilir. Eğer yanlışlıkla DC kaynağın kutupları ters bağlanırsa, diyot iletime geçmeyeceğinden, ters polarma akımı devreden dolaşamaz ve zarar veremez. Bu koruma tedbiri birçok elektronik cihazın besleme girişinde uygulanır[4]. Dezavantajları arasında, kaynak gerilimini diyotun iletim gerilimi kadar azaltması ve devrenin akım sarfiyatına ve kullanılan diyotun iletim gerilimine bağlı olarak bir güç tüketmesi (dolayısıyla ısınması) sayılabilir.

TVS Diyotlar

TVS (Transient Voltage Suppression/Geçici Gerilim Bastırma) diyot, enerji besleme girişine paralel ve ters polarma altında bağlanılarak devrenin aşırı voltajdan zarar görmesini önlemek için kullanılan koruma amaçlı bir diyottur. Doğru polarma altında normal bir diyot gibi davranırken, ters polarma altında farklı davranır. Ters polarma altındayken belli bir voltaja kadar (clamp voltage, breakdown/reverese breakdown voltage, Vbr) akım geçirmez. Bu özelliğiyle zener diyotlara da benzerler fakat ilerleyen paragraflarda değinildiği üzere bazı farkları vardır. TVS diyotlar Transil diyot olarak da adlandırılırlar.


Tek yönlü (unipolar) TVS ve çift yönlü (bipolar) TVS (ortak katot) diyotların kılıf ve sembolleri

Örneğin 12V’luk bir TVS diyotu, ters polarma gerilimi 12V’u aştığı anda iç direncini düşürerek besleme kaynağının artan voltaja karşılık sağlayabileceği tüm akımı üzerinden geçirmesi amaçlanır. Böylece uçları arasındaki gerilimi 12 voltta sabit tutar. Elektronik devreler tasarlanırken TVS diyotun çektiği akımın kısa bir süre içinde sigortayı attırması amaçlanır. Bu nedenle TVS diyottan hemen önce genellikle sigorta kullanılır. Bu özelliğiyle TVS diyotlar varistörlere de benzer fakat varistörlere göre çok daha hızlı tepki ( 1 pico saniye) verirler. Ayrıca varistörler gibi absorbe sırasında eşik (Vbr) voltajlarını düşürme eğilimi de göstermezler.

Özetle, TVS diyot Vbr voltajında iç direncini düşürerek uçları arasındaki voltajı sabit tutar ve üzerinden besleme kaynağının tüm akımını geçirmek ister.


TVS diyotun çalışması

Elektronik devrelerin besleme ünitelerinde, besleme kaynağından kaynaklı ani yükselmeler veya arklar olabilir. Bu tür geçici yükselmelere Transient Voltage ya da spike adı verilir. Diğer bir tabirle; devreye çalışma geriliminin üzerinde bir voltaj geldiğinde iç direncini düşürerek uçları arasındaki voltajı sabit tutmaya ve üzerinden akım geçirerek durumu absorbe (suppression) etmeye çalışır. Böylece yüksek voltajdan devrenin zarar görmesi engellenir.  TVS diyotu öncesinde sigorta kullanılmadığı durumlarda, söz konusu voltaj artışı anlık olmalıdır (mikrosaniyeler). Aksi takdirde TVS kısa sürede (>1ms) zarar görür ve koruma özelliğinden artık yararlanılamaz. Zarar gören bir TVS diyot kısa devre, açık devre ve işlevsiz bir konumda bulunabilir. Bunun bir diğer anlamı Vbr sınırının kalıcı olarak değişmesidir. TVS diyotların üzerinde absorbe edebileceği enerji veri sayfalarında watt cinsinden belirtilmiştir.

TVS diyot genellikle düşük güç tüketimi olan, hassas ve pahalı elektronik devrelerin enerji giriş katlarında kullanılır. Bir enerji harcama direnci ile veya birden fazla paralel bağlanarak enerji absorbe kapasitesi arttırılabilir. TVS diyotlar ESD (elektro statik deşarj) koruması sağlamak için de kullanılırlar. TVS diyotların unidirectional (tek yönlü) ve bidirectional (çift yönlü) versiyonları vardır. Çift yönlü TVS’ler tek yönlülerin aksine her iki yönde de (giriş voltajının negatif alternansında da) çalışır ve daha çok AC besleme yapılan uygulamalarda tercih edilir.

TVS diyotu test etmek için normal diyot testi uygulanabilir fakat görevini tam olarak yapıp yapmadığını anlamak için üzerine voltaj uygulanarak akım geçirip geçirmediğine bakmak gerekir. Böyle bir sınamada; TVS diyot’un aşırı ısınmadan bozulmaması için sabit akım kaynağı ile akımı sınırlandırmak gerekir.  TVS diyotlar ters polarma altında görev yaparlar. Normal koşullarda TVS diyot’un anotu devrenin şasesine (-) bağlıdır.

TVS diyotlar ile Zener diyotların çalışması birbirine benzer her ikisi de clamp voltaja ulaştığında üzerinden akım geçirir. Lakin TVS diyotlar bu işi ESD (elektro statik deşarj) gibi çok yüksek voltaj değerlerinde de yapabilirler. Diğer taraftan fiziksel boyutlarına göre absorbe edebilecekleri enerji zener diyotlara göre genellikle daha fazladır. Aşağıdaki görselde TVS ve zener diyotların voltaj absorbelerinin performans karşılaştırması gösterilmiştir.

TVS ve zener diyotlara benzer olan bir de avalans (avalance) diyotlar vardır. TVS alternatifi olan avalans diyotlar TVS’den farklı olarak 4000 volt gibi yüksek Vbr voltajları için üretilirler ve kullanılırlar.

TVS diyotların üzerinde genellikle aşağıdaki kodlar yazar:

12V’luk TVS diyotlar: LE, LEM, LEK, BUX, KVP, 13L.

5V’luk TVS diyotlar: HE, QE, QA, AE, 5L.

TVS Diyotların test edilmesi

Unipolar (unidirectional) TVS diyotlar avometrenin diyot kademesi ile bir ön kontrole tabi tutulabilir. Normal bir diyot karakteristiği sergiler. Ancak bu yolla elde edilen sonuç TVS diyotun Vbr voltajında görevini yerine getirip getirmediği konusunda bir fikir veremez. Örneğin 12v’luk bir TVS diyotu test etmek için voltaj ayarlı ve akım sınırlama özelliği olan bir güç kaynağını kullanabilirsiniz. Güç kaynağının örneğin 50mA gibi bir değere ayarlayın (fazlası TVS diyotu ısınmasına ve bozulmasına neden olabilir). TVS diyotu ters polarma altında bağladıktan sonra voltajı yavaşça 12volta kadar arttırın. 12 volta yaklaştığınızda TVS diyotu akım geçirmeye başlayacaktır (50mA’e ayarlamıştık). Ardından tekrar düşürmeye başlayın 12voltun biraz altında akım geçişi olmaması gerekir. Bu şekilde davranan bir TVS diyot sağlamdır.

Bipolar (bidirectional) TVS diyotlar iki unipolar TVS diyotun ortak anot veya ortak katot olacak şekilde seri bağlanmasıyla oluşturulur.  Bipolar bir TVS diyot test edilirken unipolardan farklı olarak doğru polarma altında da Vbr değerinde akım geçirmesi gerekir. Yani her iki yönde de (doğru/ters polarma) Vbr voltajına ulaştığında akım geçirmesi gerekir.  Aşağıda D1 ve D2 adlı unipolar diyotlar ortak katot bağlanarak elde edilen bir  bipolar  TVS diyot yer almaktadır. İlk grafik D1 ve D2 diyotları sağlam olan bir TVS diyotuna aittir ve her iki yönde de (Vbr ve – Vbr) voltaj absorbesi yapmaktadır. İkinci grafikte ise D2 diyotu arızaldır ve TVS diyotu sadece – Vbr için görev yapmaktadır. Üçüncü grafikte ise D1 ve D2 diyotlarının her ikisi de kısa devre olmuştur hiçbirşekilde Vbr absorbesi yapmamaktadır.

Bipolar TVS diyotlar birbirinin eşleniği iki diyottan oluştuğundan avometrenin diyot konumunda test edilirken her iki yönde de birbirine yakın Vf derğerleri vermelidir. Bu değerler birbirinden bariz şekilde farklıysa D1 veya D2’den birinin arızalı olduğundan şüphelenilebilir. Bunu tespit etmenin en doğru yolu unipolar TVS diyot testini anlattığım ilk paragraftaki sınamayı gerçekleştirmektir.


TVS diyot sağlamlık testi grafiği

Led Diyotlar 

LED (Light Emitted Diode), ışık yayan diyot anlamına gelen bir diyot türüdür. LED’ler diyotlarda olduğu gibi kutuplu elemanlardır ve anot ile katot bacaklarına sahiptirler. LED doğru polarma altında ışık veren bir diyot özelliği taşır. Ters polarma altında ise akım geçirmediklerinden ışık vermezler. Günümüzde hemen hemen tüm elektronik cihazlarda sinyal ışığı, ayrıca enerji verimliliği ve uzun ömürlü olmaları nedeniyle de aydınlatma amacıyla kullanılmaktadırlar. LED’ler çok farklı renklerde ve boyutlarda üretilirler ve fiziksel özelliklerine bağlı olarak iletime geçme (ışık vermeye başlama) gerilimleri de farklılık gösterir. Aşağıda bir LED’in dış görünüşü ve bir GPIO çıkışına bağlantı şeması yer almaktadır.

Yukarıdaki şemada Raspberry Pi’ın +3.3V çıkışına (veya herhangi bir GPIO çıkışına da bağlanabilir) akım sınırlayıcı bir 220 ohm ’luk bir direnç aracılığıyla LED bağlanmıştır. Burada akım sınırlayıcı olarak kullanılacak direncin değeri iki şeye bağlıdır. İlki LED’in rengine ve çapına bağlı olan tipik besleme gerilimi, diğeri ise besleme voltajıdır. Burada besleme voltajı olarak 3.3v kullanılmaktadır. Aşağıdaki grafikten de görebileceğiniz gibi 5mm’lik kırmızı LED’in tipik besleme voltajı 1.8V, ileri yön tavsiye edilen akım değeri ise 5 mA ile 10 mA (ortalaması olan 7.5 mA kabul edelim) arasındadır. LED’e seri olarak bağlanacak direncin değeri hesaplanırken bu akım değerine uyacak bir yaklaşımla hesaplama yapılmalıdır. Aksi takdirde, daha yüksek akımlarda LED zarar görebilir ya da düşük akımlarda da yeterince ışık vermeyebilir.


Renklerine göre LED’lerin akım/gerilim eğrileri

Yukarıdaki grafikte yer alan 5mm’lik kırmızı LED, 0 volttan başlayarak yaklaşık 3 volta kadar olan voltajlarda artan miktarlarda akım çekmektedir. Özellikle 2volttan sonra çektiği akım miktarı orantısız olarak artmaktadır. Kırmızı LED’in tipik besleme voltajı ya da iletime geçme voltajı 1.8volt civarındadır. Dikkat ederseniz bu değerin altında daha düşük bir akım çekmekte, üstünde ise bir LED için yüksek sayılabilecek akımlar (20 mA ve üzeri) geçirmektedir. 5mm’lik bir LED için 20 mA üzeri tavsiye edilmez.

Bu grafikten bir LED hakkında çıkartılabilecek iki bilgi şudur; tipik voltajın (yani üreticinin tavsiye ettiği besleme voltajı) altındaki değerlerde akım geçişi olur; fakat LED ışık vermez. Tipik voltaj değerinin üstündeki değerlerde ise LED bir değerden sonra (kırmızı için 3V’tan sonra) çok yüksek akımlar geçirir (50 mA ve üzeri) ve aşırı ısınarak kısa devre olur ardından eklemleri yanarak açık devreye dönüşür. Başka bir tabirle bu süreç, yüksek bir ısı enerjisinin ortaya çıkmasıyla başlar ve ısı ile birlikte LED diyotu oluşturan P ve N eklemleri yapısal özelliklerini yitirip zarar görmesiyle sonlanır. LED, artık geri dönüşü olmayacak şekilde bozulmuş ve açık devre haline gelmiştir.

Dilerseniz 3.3v’luk bir kaynağa bağlı olan 1.8v/7.5mA’lik LED’e bağlanması gereken direncin değerini hesaplayalım. LED ve direncin seri bağlı olduğu bu devrede LED üzerine 1.8v düşüyorsa direncin üzerine 3.3-1.8=1.5 v düşmelidir. Seri devrelerde her elemandan aynı miktarda akım geçtiğini bildiğimize göre, üzerine 1.5 volt düşen ve içinden 7.5 mA akım geçen bir elemanın iç direnci R=V/I formülünden bulunabilir. Buna göre akım sınırlayıcı direncimizin değeri 1.5 v/0.0075 A’den 200 ohm  olarak hesaplanabilir. Standart olarak üretilen böyle bir direnç değeri olmadığı için en yakın değer olarak 220ohm (bu durumda LED’den 6.8 mA akım geçecektir) seçilebilir. Aşağıdaki tabloda 5mm’lik standart LED’lerin elektriksel karakteristikleri hakkında çeşitli değerler yer almaktadır.

RenkParlaklık (lümen)Dalga Boyu (nano metre)Vtipik (volt)Vmax
(volt)
Beyaz18-874503.33.4
Mavi7-30430-5053.23.4
Yeşil25-120550-5702.22.6
Sarı20-69585-5952.12.5
Kırmızı25-55630-6601.82.5

LED’lerin tipik çalışma gerilimleri

Raspberry Pi ile çok sayıda LED kullanacaksanız toplam GPIO akımını sınırlamak için direnç değerini artırmanızı tavsiye ederim. 330 ohm  ya da 470 ohm ‘luk bir direnç ile de LED yeterli parlaklıkta ışık verebilir. Yukarıdaki grafikte çeşitli renkteki LED’lerin iletim gerilimleri ve çektikleri akımlar yer almaktadır.

Akım Sınırlayıcı Dirençler

LED’e seri bağlanan bir direnç gerilim bölücü olarak değil, akım sınırlayıcı direnç olarak kullanılır. Çünkü LED’ler akım gerilim grafikleri doğrusal olmayan elemanlardır. Yani, LED iletim geriliminin biraz üzerindeki gerilimlerde çok yüksek akım geçirir. Bunu yukarıdaki akım gerilim grafiğinden görebilirsiniz. İletim gerilimi aşıldığında iç dirençleri 0’a yaklaşarak kaynak akımının tamamını üzerinden geçirmek isterler ve kısa sürede deforme olurlar. Dolayısıyla akım gerilim grafiği doğrusal olmayan elemanların çektiği akımı sınırlandırmak önemlidir. LED de böyle bir eleman olduğundan akımını sınırlamak için akım sınırlayıcı direnç kullanmak gerekir.

LED’in parlaklığını kontrol etmek için sonraki bölümlerde anlatılmış olan darbe genişliği modülasyonu yöntemi (PWM) de kullanılabilir. Ayrıca LED’ler bir foto-diyot gibi de kullanılabilirler. Yani, bir LED’e parlak bir ışık uyguladığınızda voltaj ürettiğini ölçümleyebilirsiniz. Bu voltajı yükseltip yeterince hassas bir Analog-Dijital dönüştürücü ile ışık miktarını ölçmek için kullanmak mümkündür. Tabii ki esas amacı ışık ölçmek olmayan LED’lerin yerine bu işi gerçekleştirmek için foto diyot ya da direnci ışıkla ters orantılı olarak değişen LDR elemanını kullanmak daha kararlı sonuçlar üretecektir.

GPIO ve LED BAĞLANTISI

Raspberry Pi’ın +3.3V çıkışına veya bir GPIO pin’ine doğrudan bir LED (akım sınırlayıcı direnç olmadan) bağlanması tavsiye edilmez. Yukarıdaki bilgiye göre normalde bunu yaptığınızda LED’in hemen bozularak açık devre haline gelmesi gerekir; ancak bu olmaz. Olmamasının nedeni LED’i bozacak kadar yüksek akımın GPIO pin’inden çekilememesidir. Yani, GPIO pin’i LED’e zarar verecek kadar yüksek bir akımı sağlayacak kapasiteye sahip değildir. Bunu yaptığınızda 5mm’lik kırmızı LED’in üzerinden yaklaşık olarak 35mA’lik bir akım akar ve LED aşırı ısınır, ama yine de uzun bir süre çalışmaya devam edebilir. GPIO pin’lerinden bu derece yüksek bir akım çekmek tavsiye edilmeyen bir şeydir. GPIO pin’leri her zaman sinyal/veri almak için kullanılmalı akım kaynağı olarak kullanılmamalıdır. Aksi takdirde BCM çipinin arızalanmasına neden olabilirsiniz.

Transistörler (BJT)

Transistörler elektroniğin bel kemiğidir. Modern bir mikroişlemci milyarlarca transistörden oluşur. Raspberry Pi, PC veya telefon gibi sayısal cihazların ana işlevlerini sağlayan CPU ve RAM gibi bileşenler milyonlarca, hatta milyarlarca transistörden oluşur. Transistörler, var olan bir sinyalin gücünü yükseltmek veya bir devreyi açıp kapatmak için anahtar olarak kullanılan elektronik devre elemanlarıdır. Kullanılacağı devrenin ortak hattının pozitif (Vdd) veya negaitf (Vss) olması durumuna göre iki polaritede üretilirler. PNP ve NPN. Transistörler b (beyz/baz), c (kollektör) ve e (emetör/emiter) olmak üzere üç bacağa sahiptir. Aşağıdaki şekilde PNP ve NPN transistörlerin, eklem yapısı, devre sembolü ve dış görünüşü yer almaktadır.


PNP ve NPN transistörler

Ok işareti ile gösterilen ve yük akımını şaseye (Com) aktaran bacak (e) her zaman emetördür. Ortadaki bacak (b) ise, kontrol ucu olan beyzdir ve kollektör ile emetör arasında akacak akımın kontrol edilebilmesini sağlar. Kollektör bacağına ise kontrol edilecek yük bağlanır. Aşağıdaki musluk örneği bu durumu anlatmaktadır.


Transistör musluk benzetimi ve su analojisi

Emetör ve kollektör uçlarından akan akım hemen hemen eşit olduğundan (Ie = Ic+Ib), yük istenirse emetör bacağına da bağlanabilir. Aşağıdaki şemada açık kollektör (open-collector) olarak bağlanmış bir transistör şeması yer almaktadır.


Akım kontrolü ile LED sürmek

Şemada bir BC547 transistör kullanarak bir LED’in sürülmesi (çalıştırılması) gösterilmektedir. R1 (22Kohm) direnci transistörün beyz akımını sınırlandırmak içindir. R2 (220ohm) ise kaynak (+3.3v) ile kollektör arasına bağlı LED’in akımını sınırlar. Bu uygulamada transistör bir anahtar gibi kullanılmıştır. Beyzinden uygulanan 100uA’lik bir akım ile LED’in çalıştırılması sağlanmıştır. Bu haliyle transistörün beyz akımını yükselttiği söylenebilir. Yani, transistörler akım kazancı sağlayan devre elemanlarıdır ve beyz girişine uygulanan akım ile kontrol edilirler. Buna göre her transistörün bir yükseltme oranı ve dayanabileceği azami kollektör ve beyz akımı vardır. Bu yükseltme oranı beta akım kazancı olarak bilinir. BC547B transistörünün veri sayfasından beta akım kazancına (hFE) bakılırsa 200 ile 450 arasında olduğu görülebilir. Yani, kollektörden 5.8 mA akıtabilmek için 12uA’lik bir beyz akımı yeterli olabilecektir. Buna göre; beyz direncini (R1) daha da artırabilirsiniz. BC547B transistörünün azami kollektör akımı 100mA’dir. Yani, 100mA’e kadar olan yükleri bu transistörü kullanarak çalıştırabilirsiniz. Diğer taraftan 2N3055 gibi daha güçlü bir taransistörün kollektör akımı 7A’e kadar çıkabilir. BC547, 0.5 watt’lık bir anahtarlama yapabilirken, 2N3055, 115 watt’lık yükleri anahtarlayabilir. Transistörler açılıp kapanmak için MOSFET’lere nazaran hatırı sayılır miktarda bir beyz akımına ihtiyaç duyarlar. Bu özellikleri ile transistörler akım kontrolü ile çalışırlar diyebiliriz.

Görüldüğü gibi; transistörler, bir anahtar gibi, daha yüksek akıma ihtiyaç duyan bileşenlerin çalıştırılması için kullanılabilir. Bu uygulama transistörün beyzine bağlanan mikroişlemcili cihazın port’undan çok düşük bir akım çekilmesini sağladığı için önemlidir. Transistör kullanmak özellikle Raspberry Pi gibi sayısal cihazların port’ları için (GPIO) faydalı bir güvenlik önlemi sağlar. Çünkü bu port’lar akım çekmek amacıyla değil, sinyal (1/0) sağlamak amacıyla tasarlanmışlardır.

AÇIK KOLLEKTÖR veya AÇIK DRAIN

(OPEN COLLECTOR/OPEN DRAIN)


Açık kollektör/drain (MOSFET) bağlantısı daha çok mikrodenetleyicili ya da mikroişlemcili sistemlerin çıkış bağlantılarını ifade etmek için kullanılan bir tanımlamadır. Buna göre bir GPIO pin’ini süren transistörün kollektör çıkışı ya da MOSFET’in drain çıkışı, içeride herhangi bir yüke ya da dirence bağlanmadan doğrudan çıkışa aktarılmıştır. Açık kollektör çıkışlı sistemlerde ilgili GPIO pin’i, kontrol edilecek cihazın besleme gerilimi ile kollektör arasına bağlanacağı anlamını gelir. Böylece farklı lojik seviyelerinde çalışan (örneğin +3.3 ve +5) sistemler bir pull-up direnci ile kolayca iletişim kurdurulabilir. Özellikle mikrodenetleyicili sistemlerin IO çıkışları bu şekildedir. Aşağıda 3.3v ve 5v lojik seviyelerinde çalışan iki sayısal sistemin arabirimlenmesi gösterilmiştir.

Transistörlerin isimlendirme standartları

Uluslararası birçok firma, transistör üretimi yapar ve kullanıcının tüketimine sunar. Transistör üretimi farklı ihtiyaçlar için binlerce tip ve modelde yapılır. Üretilen herbir transistör farklı özellikler içerebilir. Transistörler genel olarak 3 ana kategori altında üretilir.

  1. Genel amaçlı, küçük sinyal transistörleri.
  2. Güç transistörleri.
  3. Radyo frekans (yüksek frekans) transistörleri.

Farklı amaçlar için farklı tiplerde üretilen herbir transistör; üreticiler tarafından birtakım uluslararası standartlara uygun olarak kodlanırlar. Transistörler bu kodlarla anılır. Üretilen her bir transistörün çeşitli karakteristikleri üretici firma tarafından kullanıcıya sunulur. Günümüzde kabul edilen ve kullanılan başlıca 4 tip standart kodlama vardır, birçok üretici firma bu kodlamalara uyarak transistör üretimi yapar ve tüketime sunarlar.

  • Avrupa Pro-electron Standardı (Pro-electron): Genellikle avrupa ülkelerinde bulunan transistör üreticilerinin kullandıkları bir kodlama türüdür. Bu kodlama türünde üreticiler transistörleri; AC187, AD147, BC237, BU240, BDX245 ve benzeri şekilde kodlarlar. Kodlamada genel kural, önce iki veya üç harf sonra rakamlar şeklindedir. Kullanılan herbir harf anlamlıdır ve şu şekildedir: ilk harf, transistörün yapım malzemesini belirtmektedir. Germanyumdan yapılan transistörlerde kodlama A harfi ile başlar. Örneğin AC121, AD161, AF254 vb. kodlanan transistörler germanyumdan yapılmıştır. Silisyumdan yapılan transistörlerde ise kodlama B harfi ile başlar. Örneğin; BC237, BD161, BF254 vb. kodlanan transistörler silisyumdan yapılmıştır.  Transistörlerin kodlanmasında kullanılan ikinci harf transistörün kullanım alanlarını belirtir. AC, düşük güçlü alçak frekans transistörüdür. Germanyumdan yapılmıştır. Örneğin AC121, AC187, AC188, AC547 gibi. BC, düşük güçlü alçak frekans transistörüdür ve silisyumdan yapılmıştır. Örneğin BC107, BC547 gibi. Avrupa (pro electron) standardında bazı transistörlerin kodlanmasında üçüncü bir harf kullanılır. Üçüncü harf, ilk iki harfte belirtilen özellikler aynı kalmak koşuluyla o transistörün endüstriyel amaçla özel yapıldığını belirtir. Örnek olarak; BCW245, BCX56, BFX47, BFR43, BDY108, BCZ109, BUT11A, BUZ22 vb. gibi
  • Amerikan jedec standardı (EIA/JEDEC):  Amerikan yapımı transistörler 2N ifadesi ile başlayan kodlar ile isimlendirilmişlerdir. Bu kodlarda, birinci rakam elemanın cinsini, birinci harf transistörün yapım malzemesini, son rakamlar ise tipini ve kullanım yerini gösterir. Örneğin 2N3055’teki 2 rakamı transistör olduğunu, N harfi transistörün silisyumdan yapıldığını ve 3055 imalat seri numaralarını belirtir.
  • Japon (JIS):  Japon yapımı transistörler 2S veya 3S ifadesi ile başlayan kodlar ile isimlendirilmişlerdir. Bu kodlarda birinci rakam elemanın cinsini gösterir. Birinci harf transistörün yapım malzemesini, ikinci harf tipini ve kullanım yerini gösterir. Örneğin 2SC1384’de 2 rakamı elamanın transistör olduğunu, S harfi transistorün silisyumdan yapıldığını C harfi NPN tipi yüksek frekans transistörü olduğunu ve 1384 de imalat seri numaralarını belirtir
  • Firma Standartları: Ayrıca bazı firmalar kendi standartlarını oluşturmuşlardır ve yukarıdakilerin hiçbirine uymayabilirler. Her firmanın isimlendirme kurallarını ilgili web sitelerinden öğrenebilirsiniz.

MOSFET’ler

Görevi ve çalışma prensipleri transistörler ile benzer olan MOSFET’ler transistörlerin yeni neslidir ve onların yerini almıştır diyebiliriz. İletime geçtiklerinde çok düşük bir çıkış direnci sunduklarından daha az ısınırlar ve dolayısıyla çok yüksek akımları anahtarlamak için uygundurlar. Ayrıca bu anahtarlamayı yüksek frekanslarda da başarılı şekilde gerçekleştirebilirler. Diğer bir avantajı ise gate kontrol akımlarının (örn.:transistördeki beyz ucu) birkaç mikroamper kadar küçük olabilmesidir.

MOSFET’ler, transistörlerde olduğu gibi gate, drain ve source olmak üzere üç bacağa sahiptir ve bunlar sırasıyla beyz, kollektör ve emetör bacaklarına karşılık gelirler. Benzer şekilde gate (beyz) kanalında (bacağında) kullanılan malzemenin (P/N) türüne göre de yapısal olarak N ve P tiplerine sahiptirler. Yani, yapısal olarak N kanal mosfet ve P kanal MOSFET olarak ikiye ayrılmışlardır. Çalışma şekillerine göre çoğalan (E:Enhancement) ve  azalan (D: Deplation) türleri vardır. Aşağıda en çok kullanılan türlerinden biri olan N kanal çoğalan tip bir MOSFET’in devre sembolü, bacak isimleri ve muhtemel kılıfları gözükmektedir.

MOSFET kısaltması Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (Metal Oksit Yarıiletken Alan Etkili Transistör) kelimelerinin baş harflerinden oluşmaktadır. Alan etkili denmesinin nedeni de; transistördeki beyze karşılık gelen ve akımının artırılıp azaltılması ile kontrol edilen gate eklemi yerine akım iletimini sağlayan bir kanal ve bu kanalı iletken hale getiren bir gerilim ile kontrol edilir. Yani, MOSFET’ler akım kontrollü olarak değil, gerilim kontrollü olarak çalışır ve kullanıldığı devreler de bu prensibe göre tasarlanırlar.


N-Kanal bir MOSFET’in fiziksel yapısı

Yukarıdaki resimde bir N kanal MOSFET’in iç yapısı (eklemleri) gözükmektedir. MOSFET’lerde transistörlerde olduğu gibi birbirine yapışık ve paralel P/N eklemleri yerine elektriksel (kapasitif) olarak oluşturulan iletim bölgeleri (alanları) yer alır. En basit haliyle söylemek gerekirse bir MOSFET’te, gate bacağına (kanala) uygulanan gerilim, drain ve source maddeleri arasındaki yüzeyi (alanı) iletken hale getirir ve drain ile source arasında bir akım akmasını sağlayan bir kanal açar. Bu iletim bölgelerini harekete geçirmek için ise tıpkı bir kondansatörü şarj eder gibi G ucunu şarj etmek yeterlidir. Gate ucu şarj olmak için, kontrol kaynağından sadece birkaç mikroamper akım çeker. Dolayısıyla transistörler akım kontrollü çalışırken, MOSFET’ler gerilim kontrollü çalışır diyebiliriz.

Gate’e bağlı kanalın açık tutulmasını sağlayan silisyum dioksit tabakası (Gate) çok ince olduğundan, statik elekrik yüklerine karşı çok hassastır; çıplak elle veya topraklaması olmayan bir havya ile temas edilmesi MOSFET’in bozulmasına neden olabilir. MOSFET’lerin lehimlenmesi sırasında zarar görmemesi için indüksiyon havyası kullanılması tavsiye edilir.

Kılıfının bir kısmı metal olan güç MOSFET’lerinde, genellikle şase Drain polaritesindedir, yani Drain bacağı çoğunlukla metal gövdeye bağlanmıştır. Ancak bu her MOSFET için geçerli olmayabilir, kesin bilgi için ilgili MOSFET’in veri sayfasına bakılmalıdır.

Enerji Verimliliği Açısından MOSFET’ler

MOSFET’lerin iletim direncinin (RDS) transistörlere göre daha düşük olduğunu belirtmiştim. Bir MOSFET iletime geçtiğinde RDS değeri genellikle 1 Ohm’un altında olur ve VDS de çekilen akıma göre değişen değerlerde birkaç yüz milivolt civarında olur. Örneğin 200v 9A’lik IRF630 MOSFET’i iletime geçtiğinde (ON) RDS direnci sadece 0.4 Ohm’dur. MOSFET tam kapasite çalıştığında (9A) ise VDS gerilimi 0.4×9=3.6v olarak oluşur. Buna göre MOSFET 1800Watt’lık (200×9) yükü kontrol ederken üzerinde sadece W=I.V=9×3.6=33Watt’lık güç harcar. Bu kayıp güçtür ve kontrol ettiği yükün yaklaşık %2’sidir. Yani MOSFET %98 verimle çalışmaktadır. Bu durum özellikle portatif güç kaynaklarının kullanıldığı uygulamalarda daha da önem kazanır.

MOSFET ile akım kontrolü

Source ve drain arasındaki kanalın genişliği, gate’e uygulanan gerilim ile artırılıp azaltılabilir. Bu da çıkış akımının kontrol edilebilmesini sağlar. Bu işlevi ile MOSFET’ler, “Geçidi Yalıtılmış Alan Etkili Transitör” olarak da anılırlar. MOSFET’ler gate bacaklarına uygulanan eşik gerilimi (Vth = Vthresold) ile iletime geçtiklerinde, çok yüksek akımları drain ve source arasından akıtabilirler. Buna karşın Gate ucundan çekilen akım ise mikroamperlere varan düzeydedir ve pratikte 0 olarak kabul edilir. Aşağıdaki grafik MOSFET’in gate ucuna uygulanan gerilimin (VGS) değişimi ile drain bacağı üzerinden akan akımın (ID) ilişkisini göstermektedir. Grafiğin ölçümlendiği devrede çok küçük bir drain yükü kullanılmıştır:


Bir MOSFET’in IG ve VDS ilişkisi

Yukarıdaki grafikten DS gerilimi ile Drain akımının kontrol edilebileceği sonucu da çıkartılabilir. Yani, MOSFET’ler gate uçlarına uygulanan gerilim ile akım kontrolü gerçekleştirmek için de kullanılabilir. MOSFET’i tam olarak iletime geçirmek için eşik gerilimi (thresold) olan VGS(th)‘nin uygulanması gerekir ki bu değere de MOSFET’in veri sayfasından (datasheet) ulaşılabilir. Eşik gerilimi transistörler ile karşılaştırıldığında; bir transistör yaklaşık 0.65V civarında iletime geçerken, MOSFET’ler 2 ile 5 volt arasında bir gate gerilimine ihtiyaç duyarlar.

MOSFET’lerin transistörlerden bir diğer farkı da drop-out gerilimi denilen drain source (kollektör-emetör) uçları arasına düşen gerilim değerinin transistörlere göre çok daha düşük olmasıdır (0.1V-0.2V), bu da MOSFET’ten geçen akıma bağlı olarak (W = I .V) daha az ısınmaya neden olur. Kısacası, MOSFET’ler küçük boyutları ile yüksek güçleri kontrol etmek için çok uygundurlar ve bunu yaparken transitörlere göre çok daha az ısınırlar. Yani, verimlilikleri yüksektir. Ayrıca, MOSFET’lerin giriş (Gate-Source) empedansları çok yüksek olduğundan iletime geçtiklerinde çektikleri gate akımı (IG) da çok düşüktür (mikroamperler seviyesinde). Bu özellikleri sayesinde mikroişlemcili/mikrodenetleyicili sistemler ile doğrudan bağlanabilirler. Ayrıca transistörlere kıyasla yüksek frekanslı akımları kontrol etmekte de daha başarılıdırlar. Örneğin ortalama bir MOSFET’in sürekli drain akımı 30A iken anlık akımı rahatlıkla 100A’in üzerine çıkabilir. Buradaki tek ölçüt akımın ne kadar süre geçtiği ve MOSFET eklemlerini ne kadar ısıttığıdır. Bu akım uzun süre geçerse MOSFET tabii ki arızalanır.

Malzeme yapısı ve üretim şekillerine göre MOSFET çeşitleri (P/N)

MOSFET’lerin kontrol ucu olan Gate’in oluşturulmasında kullanılan yarı iletken malzemenin türüne göre iki tipi vardır. N kanal MOSFET ve P kanal MOSFET. P ve N malzemelerden üretilen bu MOSFET’ler de kendi arasında artan kanallı E-MOSFET (Enhancement MOSFET) ve azalan kanallı D-MOSFET (Deplation MOSFET) olarak iki türde üretilirler. E-MOSFET’lerin her iki türü de (N ve P) üretilirken, D-MOSFET’LERİN ise en çok N kanallı türü üretilir. Aşağıda bu MOSFET’lerin devre sembolleri yer almaktadır.

E-MOSFET’ler (Enhancement)

Gate kolonu kesikli çizgilerle gösterilen artan tip MOSFET’lerde, G ucuna herhangi bir gerilim uygulanmadığında S-D arasında akım akmaz. Kesikli çizgiler normalde fiziksel olarak D ve S arasında bir bağlantı olmadığını anlatır. Yani, G ucuna bir gerilim uygulanmadığında, E-MOSFET’ler kapalı (Off), D-S arası açık devre durumundadır. Aşağıdaki şekilde, N kanal bir E-MOSFET’in iç tasarımı ve sembolü gözükmektedir.

 
N kanal E-MOSFET’in iç yapısı ve devre sembolü

Gate bacağı, D ile S uçlarının arasından bir silisyum-dioksit (SiO2) tabakası ile ayrılmıştır. Bu silisyum tabakanın üzerinde de gate bağlantısını sağlayan bir metal oksit tabaka yer alır. Yani, SiO2 tabakası Gate ucu ile D-S terimanlleri arasında bir yalıtkan tabaka olarak yer alır. Neticede, bu yalıtkan tabaka iki yarı-iletken malzeme arasında yer aldığından tıpkı bir kondansatör gibi şarj de deşarj olma davranışı sergiler. Bu nedenle; bir E-MOSFET’e Vth (iletime geçme eşik gerilimi) gerilimi uygulanıp daha sonra çekilse dâhi MOSFET iletimde kalmaya devam eder. Bunun nedeni gate’in şarj olmasıdır. MOSFET’i kesime götürmek için ise (MOSFET’i off durumuna getirmek) bu şarjın Gnd ile deşarj edilmesi gerekir.

MOSFET’lerin diğer adı IGFET

MOSFET’lerin gate bacağı ile  S-D eklemi bir SiO2 (silisyum dioksit) tabakası ile yalıtılmış olduklarından MOSFET’lere IGFET (Insulated Gate Field Effect Transistor) yani geçidi yalıtılmış alan etkili transistör adı da verilir.

N kanal bir E-MOSFET’te, G ucuna S’ye göre pozitif bir voltaj (VGS) uygulandığında D-S arasından akan akım artar (ID), voltaj 0’a yaklaştığında ise azalır. Her pozitif  VGS değerinde ID akımı akmaz. ID akımının akmaya başlaması için Vth yani eşik geriliminin aşılması gerekir. Vth aşıldıktan sonra gerilim artırılmaya devam edilirse ID akımı da artar. Vth değerine MOSFET’in veri sayfasından bakılabilir. Aşağıdaki grafikte Vth değeri yaklaşık 0.7 volt olan bir N kanal E-MOSFET’in VGS ile ID ilişkisini gösteren grafik yer almaktadır.


N kanal E-MOSFET’in VGS, ID ilişkisi

P kanal E-MOSFET’lerde ise VGS değeri S’ye göre negatiftir. Aşağıdaki devre şemalarında sırasıyla N kanal ve P kanal MOSFET’lerin devreye bağlanış şekilleri görülmektedir.


N ve P kanal E-MOSFET’lerin Gate polaritesi

P kanal E-MOSFET’lerde G ucuna, Source’a göre negatif(-), N kanal E-MOSFET’lerde ise Source’a göre pozitif (+) gerilim uygulanarak MOSFET çalışır (Açık/On) konuma geçirilir ve Drain akımının miktarı kontrol edilir. Uygulamalarda en çok kullanılan MOSFET türü N kanal E-MOSFET’lerdir. Gate polaritelerinin gösterildiği yukarıdaki devrelerde, N kanal E-MOSFET’in source bacağının devrenin şasesine (Gnd), P kanal E-MOSFET’te ise devrenin besleme gerilimine (Vdd) bağlı olduğuna dikkat edin. Başka bir tabirle çıkış akımı; N kanal E-MOSFET’lerde drain’den source’a, P kanallarda ise source’dan drain’e doğru akar (Şekildeki P kanal MOSFET’in Drain bacağı Gnd’ye bağlıdır).

P veya N kanal MOSFET tercihinin pratikteki bir karşılığı da, kontrol edilmek istenen yükün ortak uç olarak anotu mu yoksa katodu mu kullandığı ile ilgilidir. Yukarıdaki devrede N kanal MOSFET’e bağlı buzzer ortak uç olarak anotu kullanmakta olduğundan, katot enerjisini MOSFET’in drain bacağından almaktadır. P kanal MOSFET’teki buzzer ise ortak uç olarak katot kullandığından anot enerjisini MOSFET’in drain bacağından almaktadır. Bu durum NPN ve PNP tipi transistörlerde de benzer şekildedir.

D-MOSFET’LER (Deplation)

Gate kolonu devamlı çizgilerle gösterilen azalan tip MOSFET’lerde, G ucuna herhangi bir gerilim uygulanmadığında S-D arasından bir miktar akım akar. D-MOSFET’in devre sembolünde yer alan devamlı çizgiler VGS gerilimi yok iken D ve S arasında fiziksel bir bağlantı olduğunu ifade eder. Yani, G ucuna bir gerilim uygulanmadığında, D-MOSFET’ler açık (On) yani D-S arası kapalı devre durumundadır. Aşağıdaki şekilde, N kanal bir D-MOSFET’in iç tasarımı ve devre sembolü gözükmektedir.

   
N kanal D-MOSFET’in iç yapısı ve devre sembolü

D-MOSFET’ler varsayılan olarak çalışır (On) durumundadır ve D-S arası direnç 0’a yakındır. Üretilmesi ve kontrol edilmesi biraz daha zor olan D-MOSFET’lerin iletime geçme şartları E-MOSFET’lerden biraz daha farklıdır. Örneğin, başlangıçta kapalı (Off) olan E-MOSFET’lerde belli bir VGS gerilimi ile MOSFET açılırken (On), başlangıçta iletimde olan D-MOSFET’in kapalı (Off) durumuna getirilmesi için source’a göre negatif bir gerilim uygulanması gerekir. Uygulanan negatif gerilim var olan fiziksel kanalın daralmasına ve sonunda (VGS(th)) kapanarak ID akımının kesilmesine yol açar. Aşağıdaki VDS, ID grafiği bu durumu özetlemektedir.


N kanal D-MOSFET’in VGS, ID ilişkisi

D-MOSFET’lerin eşik voltaj değerinden (VGS(th)) bahsederken artan kanallı MOSFET’lerde olduğu gibi VGS(th) sembolünü kullanmak karışıklığa yol açabilir. Bunun yerine çoğu üreticinin de yaptığı gibi VGS(Off) sembolünün kullanımı daha yaygındır. D-MOSFET’lerde VGS(Off) değeri, normalde açık olan MOSFET’in kapanacağı eşik voltaj değerini ifade etmek için kullanılır.

E-MOSFET’lerden farklı olarak VGS(Off) değeri ile beraber VGS voltaj aralığını da dikkate almak gerekir. Veri sayfalarının işaret ettiği VGS aralığının (Min-Max) en büyük değeri, azami ID akımın elde edileceği değerdir, en düşük değer de MOSFET’in kapanacağı (Off) değerdir.

Yukarıdaki grafikte verilen D-MOSGET’in VGS(Off) değeri -3V civarındadır ve bu değerde MOSFET kapalı (Off) duruma geçer. Çoğu D-MOSFET’te VGS voltajına bağlı olarak en yüksek ID akımı ise MOSFET’in başlangıç değeri olan 0V ve biraz üzerinde elde edilir. Çünkü D-MOSFET’ler gate ucuna voltaj uygulanmadığı durumlarda (VGS = 0) zaten iletimdedirler. VGS’ye bağlı drain akımı değişimi hakkındaki en doğru bilgi sonraki başlıkta anlatıldığı üzere; MOSFET’in veri sayfasındaki VGS/ID grafiğinden elde edilebilir.

P kanal D-MOSFET’lerin kullanımları yaygın değildir ve sadece birkaç üretici tarafından bazı özel amaçlı analog devre ve entegre yapılarında kullanılmak üzere üretilirler. Bu MOSFET’lerin VGS voltajları 0’dan başlar ve birkaç voltun üstünde MOSFET kapalı (Off) duruma geçer ve çıkış akımı N kanal D-MOSFET’in tersine Source’dan Drain’e doğru akar.

D-MOSFET’ler, E-MOSFET’lere kıyasla hem daha geniş bir VGS aralığı ile kontrol edilebilirken hem de yapısal tasarımlarının verdiği avantaj ile daha yüksek frekanslı sinyallerin (>400 MHz) kontrol edilmesinde kullanılırlar.

MOSFET seçimi ve veri sayfalarının okunması

Elektronik uygulamalarınızda kullanacağınız MOSFET’i belirlerken öncelikle N kanal mı P kanal mı kullanacağınıza karar vermelisiniz. Önceki başlıkta anlatıldığı üzere, kontrol etmek istediğiniz yükün kontrol bacağı hangi polaritede (artı/eksi) voltaja ihtiyaç duyuyorsa ona göre bir seçim yapılır. Yani, artı çıkış ile kontrol etmek istediğiniz bir yük varsa P kanal, eksi çıkış ile kontrol etmek istediğiniz bir yük varsa da N kanal MOSFET tercih etmelisiniz.

Diğer önemli seçim ise azalan tip bir MOSFET mi (D-MOSFET) yoksa artan tip bir MOSFET mi (E-MOSFET) kullanacağınızdır. Artan tip MOSFET’lerin kontrol bacağı olan Gate’e gerilim uygulanmadığında kesimdedir yani kapalıdır (off), azalan tip MOSFET’lerde ise durum tam tersidir, yani Gate’e gerilim uygulanmadığında MOSFET iletimdedir yani açıktır (on). D-MOSFET’ler negatif ve pozitif gate gerilimleri ile kontrol edilebilirken, E-MOSFET’ler daima Source’a göre pozitif Gate gerilimleri ile kontrol edilirler.

Kontrol edeceğiniz yükün azami çalışma voltajı (BVDS ya da VDS) MOSFET’in dayanma gerilimini aşmamalıdır, benzer şekilde MOSFET’in karşılayabileceği azami akım da aşılmamalıdır. Ortam sıcaklığı ve MOSFET’in kılıf sıcaklığı arttıkça drain akımı da azalır. Benzer şekilde sıcaklıkla birlikte VGS(th) skalası da geri düşer yani daha düşük VGS(th) gerilimlerinde MOSFET açık (On) duruma geçer. Devrelerinizi tasarlarken ya da Raspberry Pi ile arabirimleme yaparken sıcaklık koşullarını da göz önüne almanızda fayda vardır. Sıcaklıkla değişen ID ve VGS(th) değerleri için veri sayfalarında sunulan sıcaklık grafiklerinden faydalanabilirsiniz. Örnek olarak BS170 N kanal E-MOSFET’ine ait aşağıdaki veri sayfası değerlerini inceleyelim:

  BS170 E-MOSFET’inin veri sayfası bilgileri

  • VDS:Drain ve Source arasına uygulanabilecek azami değer 60 volttur. Bu azami değer aynı zamanda BVDSS sembolü ile de ifade edilebilen Drain-Source Breakdown Voltage değeridir.
  • VGS(Th): Mosget’in iletime geçtiği VGS değerleri. Mosfet’in GS arasına 0.8V uygulandığında ID akımı akmaya başlıyor ve 3V’da azami değerine ulaşıyor.
  • ID: Mosfet’in drain ve source bacaklarından akıtılabilecek azami akım 0.5A’dir. Yani, kontrol edilecek yük en fazla 0.5A çekmelidir. Bu değer ortam sıcaklığına bağlı olarak düşüş gösterir. Yani, ortam sıcaklığı arttıkça sağlanabilecek akım da düşer. Buna karşılık MOSFET’i iletime geçirmek için gerekli olan VGS(th) değeri de azalır. Tam değerler için veri sayfasındaki sıcaklık grafikleri incelenebilir.
  • RDS: MOSFET iletime geçtiğinde yani açıldığında (On) DS arasındaki direnç 5 ohm ’dur.
  • PD: MOSFET iç fiziksel yapısı ve kılıfının ısı soğurma kapasitesine bağlı ısı yayma değeridir. Bu MOSFET’in kılıf yapısı oda sıcaklığında (25 °C) 350mW’lık güce karşılık gelen ısıyı soğurabilir.
  • TJ, Tstg: Tj, junction yani P ve N eklemlerinin dayanabileceği sıcaklığı, Tstg, storage yani muhafaza koşullarında dayanabileceği sıcaklık değer aralıklarını belirtir.
  • ton, Toff: Mosfet’in açılma (On) ve kapanma (Off) sürelerini gösterir. Nano saniye değerleri ile MHz frekansındaki sinyaller kontrol edilebilir. 0.4ns açma/kapama değeri 125MHz’lik (1/0.8nS) bir sinyalin kontrol edilmesine imkân tanır.

Elektronik Bileşen Veri Sayfalarını Araştırmak

MOSFET’lerin veri sayfalarına ulaşmak oldukça kolaydır. MOSFET’in model numarasını datasheet kelimesi ve ext anahtarı ile Google üzerinde aratarak, genellikle pdf dosya biçimi şeklinde yayınlanan veri sayfalarına ulaşabilirsiniz. Örneğin BS170’in veri sayfasına ulaşmak için aramanızı Google’da şu şekilde yapın: “bs170 datasheet ext:pdf”

Uygulama devrenizin akım ve gerilim değerlerini biliyorsanız uygun MOSFET’i digikey ve mouser gibi elektronik malzeme tedarikçilerinin sitelerinde yer alan sihirbazları kullanarak kolayca tespit edebilirsiniz. Komponent bulmak için sihirbazlarından faydalanabileceğiniz belli başlı internet siteleri şunlardır: www.mouser.com.tr, www.digikey.com.tr, tr.farnell.com

Kondansatörler

Aşağıda devre sembollerini ve fotoğraflarını görebileceğiniz elektronik devre elemanı olan kondansatörler, temel olarak elektriği statik olarak depolamak için kullanılırlar. Kondansatörleri piller gibi düşünebilirsiniz; fakat depolayabildikleri elektrik gücü çok daha düşüktür. Buna karşılık çok kısa sürelerde şarj ve deşarj olabilirler. Bir kondansatör bu işlemi ömrü boyunca trilyonlarca kez yapabilir. Kapasitelerine ve kullanım alanlarına[5] göre onlarca çeşit kondansatör üretilmiştir[6].

Çeşitli DIP ve SMD kondansatörler (kutuplu ve kutupsuz)

Kondansatörler temel olarak iki iletken levha arasına bir yarı iletken malzeme konularak oluşturulmuş elemanlardır. Kondansatörde depo edilen elektrik, kutupları oluşturan levhalarda statik elektrik yükü olarak depolanır. Levhaların yüzey alanının genişliği depolanabilen elektrik enerjisinin miktarını arada kullanılan yalıtkan malzemenin türü ise kondansatörün dayanma gerilimini belirler. Bir kondansatöre yüklenen enerji daima geri alınan enerjiden daha azdır. Yani kondansatörler üretim kalitesine ve yaşına göre farklı başarımlar gösterir. Kondansatörün üzerinde kaybolan kayıp voltaj miktarı Vloss olarak ifade edilir. Kondansatörler çalıştıkları ortamın sıcaklık durumu ve şarj/deşarj sayılarına bağlı olarak yaşlanırlar ve Vloss değerleri artmaya başlar.

Kondansatörler enerji depo edebilme ve çok kısa sürelerde şarj/ deşarj olabilmeleri nedeniyle elektronikte ağırlıklı olarak doğrultma ve belli frekanslardaki elektrik sinyallerini filtreleyebilme/geçirebilme özellikleri nedeniyle kuplaj ve dekuplaj amacıyla kullanılırlar.

Kondansatörler devre şemalarında ise C (Capacity) harfi ile gösterilirler. Kondansatörlerin elektrik yükü depo etme kapasitesini ifade etmek için Farad birimi kullanılır ve F kısaltması ile gösterilir. Farad çok yüksek bir büyüklük olduğu için elektronikte genellikle askatları olan piko farad (pF), nano farad (nF) ve mikro farad (uF) birimleri kullanılır. 1 pF, 1 faradın trilyonda birine, 1nF milyarda birine ve 1uF ise milyonda birine karşılık gelir. 1 faradlık bir kondansatörün fiziksel boyutları 1Lt’lik su şişesinin boyutlarında iken 1uF’lık bir kondansatör 0.5cm X 1cm boyutlarında olabilir. Kondansatörler belli bir kapasitenin üzerinde genellikle kutuplu olarak üretilirler. Bu sınır geçmişte 1uF civarlarında iken günümüzde 100uF civarlarına kadar ulaşmıştır (örneğin PC anakartlarındaki VCore [CPU] kondansatörleri). Yani, 1uF gibi değerlerin üzerindeki kondansatörler genellikle kutupludur ve pozitif/negatif kutuplara sahiptirler. Kutuplu kondansatörler die-elektrik madde olarak genellikle elektrolitik sıvı adı verilen bir sıvı kullanırlar. Kondansatörlerde kullanılan diğer die-elektrik maddeler ise seramik, cam, kâğıt ve plastik türevleridir. Bunların dışında mika ve tantalyum kondansatörler de vardır ve uzun ömürlü olmaları ile diğerlerinden ayrılır; ancak biraz pahalıdırlar.


25v, 470uF elektrolitik kondansatör

Fiziksel olarak yeterli büyüklükte olan kondansatörlerin kapasite ve dayanabilecekleri azami voltaj değerleri üzerlerinde yazılıdır. Örneğin yukarıdaki resimde yer alan kutuplu elektrolitik kondansatör 470uF kapasiteye sahip azami 25 volta dayanabilecek bir kondansatördür. Katot bacağı ise kılıfının üzerindeki eksi işareti ile gösterilmiştir.

Yukarıdaki görsellerde görülebileceği gibi; ebat olarak küçük kondansatörlerin değerleri ise alan darlığından dolayı bir kodlama sistemi ile ifade edilmiştir. Örneğin böyle bir seramik kondansatörün üzerinde 154 ifadesi yazıyor olsun. Bu kondansatörün değeri şu şekilde hesaplanır: 15 x 104=15000pf = 150nF. Görülebileceği gibi, kondansatörün üzerinde yazan üçüncü rakam eklenecek sıfır sayısını ifade eden çarpan değeridir ve sonuç piko farad cinsinden elde edilir.

Kondansatör Arızaları Hakkında

Kondansatörler elektronik devrelerin yegâne ömürlü elemanlarıdır. Diğer devre elemanlarına göre çok daha yüksek bir sıklıkla arızaya düşerler ve devre kısımlarının görevini yapmasına mani olurlar. Bir kondansatör aşağıdaki üç arıza durumundan biri içinde bulunabilir.

Kısa devre: özellikle die-elektrik madde olarak elektrolitik sıvı ve kâğıt kullanılan kondansatörler yüksek sıcaklık ve yüksek şarj/deşarj döngülerinin sonunda die-elektrik madde özelliğini yitirir ve şarj tutmaz hale gelir. Böyle bir araza bir avometre yardımıyla kolaylıkla tespit edilebilir ve sıfır OHM’a yakın bir direnç değeri verirler.
Sızıntı: Die-elektrik maddenin özelliğini yitirmesi sonrasında yalıtım direnci ve dolayısıyla sığası (depolayabileceği yük miktarı) azalarak sürekli olarak akım geçirir duruma düşerler. Bu arıza türü bir kapasitemetre kullanılarak kondansatörün mevcut kapasitesi ölçülerek anlaşılabilir Ayrıca ESR değeri de normalden düşük çıkar.
Açık devre: Elektrolitik kondansatörlerde elektrolit sıvısının zamanla kuruması ve yalıtım direncinin artması ile gerçekleşir. Bu kondansatörler sığa testinde 0’a yakın, ESR testinde ise sonsuza yakın direnç gösterirler.

Kondansatörlerin kuplaj amacıyla kullanılması

Kuplaj, kelime anlamı olarak iki farklı sistemi birbiri ile irtibatlamak için yapılan uygunlaştırma çalışmalarını ifade eder. Örneğin, iletim ortamı olarak bakır tel kullanılan bir ortamdan, fiber-optik gibi başka bir ortama arzu edilen veya istenmeyen enerjinin aktarılması için gerçekleştirilen uygunlaştırma işlemi verilebilir. Kuplaj amacıyla kullanılan kondansatörler, daha çok iki analog devre arasına yerleştirilerek belli frekanstaki AC sinyalleri (kapasitesine bağlı olarak) filtrelemek/bastırmak amacıyla kullanılır. Kondansatörler AC sinyalleri geçirirken, DC sinyallere karşı tam bir bariyer görevi görür, yani geçirmez. AC sinyalin frekansı arttıkça eşdeğer iç dirençleri (ESR) düşer. Aşağıdaki şekilde bir kondansatörün kuplaj amacıyla kullanımını gösteren şekil yer almaktadır.


Kuplaj kondansatörünün kullanım şekli

Üretim tekniklerine göre daha çok film, seramik, tantalyum (tantalum) ve elektrolitik kondansatörler kuplaj amacıyla kullanılırlar.

1.1.7.2 –  Kondansatörlerin dekuplaj amacıyla kullanılması

Dekuplaj ya da diğer adıyla bypas kondansatörleri, elektronik devrelerin girişinde veya çıkışında bir bacağı Gnd (şase/toprak)’ye bağlı olacak şekilde AC sinyalleri Gnd’ye aktararak filtrelemek amacıyla kullanılırlar. Kondansatörler analog sinyallerin (AC) içerisindeki DC bileşenleri bastırma AC bileşenleri geçirme karakteristiğindedir. Buradan yola çıkarak bir kondansatör AC sinyalleri geçirme DC sinyalleri geçirmeme özelliğine sahiptir diyebiliriz. Dekuplaj kondansatörleri yüksek frekansta işlem yapan sayısal entegrelerin (IC – Integrated Circuit) besleme bacaklarına mümkün olan en yakın mesafede bağlanarak entegrenin lojik işlemler sırasında besleme bacaklarında oluşturduğu yüksek frekanslı dalgalanmayı temizlemek yani şaseye aktarmak amacıyla kullanılır. Çünkü daha önce de ifade ettiğimiz gibi kondansatörler AC sinyallere karşı iletken davranır. Genellikle paralel olarak bağlanan dekuplaj kondansatörlerinin kullanımı aşağıdaki şekilde gözükmektedir.


Dekuplaj kondansatörlerinin kullanım şekli

Bir sayısal çip yüksek hızda işlem yaparken içerisindeki on binlerce devre parçası (transistör devreleri) sürekli olarak anahtarlanır (1/0). Her bir anahtarlama işi ayrı enerjiye ihtiyaç duyacağından; çekilen toplam güç, yapılan işlemin frekansına bağlı olarak değişir. Çipin yaptığı işleme bağlı olarak güç tüketimin değişmesi, DC voltaj ile beslenen çipin besleme bacaklarında benzer bir voltaj değişiminin (dalgalanma) oluşmasına neden olur. Bu voltaj değişimlerini bastırmak için çipin besleme bacaklarının yakınına düşük kapasiteli (~1nF-10nF) dekuplaj kondansatörleri bağlanır. Aksi takdirde çipin kendisi bu ani voltaj değişimlerini tolere edemeyip kararsız bir duruma düşebilir hem de tüm devrelerin ortak kullandığı besleme hattını yüksek frekanslı parazitler ile kirletmiş olur. Bir mikro çipe kıyasla nF ölçülerindeki kondansatörler fiziksel olarak çok büyük kalırlar. Bu nedenle çipin içine değil, dışına konumlandırılmaları gerekir.

Motor ve röle gibi endüktif yüklerin sürüldüğü uygulamalarda anlık olarak çok yüksek voltaj değerlerine ulaşan sıçramalar gerçekleşir. Bu sıçramalar korumasız devre bileşenlerinin zarar görmesine ve ortama elektriksel gürültü olarak elektromanyetik dalgaların yayılmasına neden olur. Bu tür ani sıçramaları önlemek için snubber adı verilen özel bir tür kondansatör kullanılarak gürültünün bastırılması sağlanabilir. Snubber kondansatörler genellikle seri bir dirençle Gnd’ye bağlanarak kullanılırlar.

Kondansatörlerin doğrulma amacıyla kullanılması

Alternatif akımdan doğru akıma dönüştürme işlemi yapan doğrultma devrelerinde (lineer convertor) çıkışa bağlanarak sinüsoydal sinyalin dalgaları arasındaki boşluğu depoladıkları enerji ile doldururlar. Böylece çıkış sinyalinin DC karakteristik kazanmasını sağlarlar. Aşağıdaki devre şemasında yer alan dalga şekilleri kondansatörün AC sinyalin DC’ye çevrilmesi sırasındaki filtreleme işlevini göstertmektedir.


Kondanstörün doğtultucu olarak kullanılması

Raspberry Pi ve Kondansatörler

Raspberry Pi özelinde kondansatörlerden bahsetmek gerekirse; Raspberry Pi kartı üzerinde yüzlerce kondansatör vardır. Ancak bu kondansatörler SMD (Surface Mount Device) adı verilen yüzeye monte edilen (kondansatör bacakları için kartın üzerinde bir deliğe ihtiyaç duymayan) türdedirler. Bu kondansatörlerin resmini aşağıda (örn.:C73, C74, C103 vb.) görebilirsiniz:

Raspberry Pi’ın kondansatörleri

Bu kondansatörlerin bazıların uzunluğu 1mm’nin de altındadır (renkleri kahverengidir, siyah olan dirençler ile karıştırılmamalıdır) ve genellikle dekuplaj amacıyla oradadırlar.

Kondansatör Arızaları

Kondansatörler bir elektronik devrenin en zayıf halkalarından birisidir ve ömürleri diğer bileşenlere göre çok daha düşüktür. Bir kondansatör arızasını tespit etmenin en kolay yolu bir avometre kullanmaktır. Bu ölçümü yapmadan önce kondansatörün deşarj ettiğinizden emin olun. Aksi takdirde ölçü aletinize zarar verebilirsiniz. Avometre’nizi ohm  kademesine alıp kondansatörün bacaklarına dokundurun, hiçbir kondansatör (eğer üzerinde enerji yoksa) kısa devre göstermemelidir.

Hızlı şekilde arıza bulmak için kullanılan bir teknik de avometrenin bir probe’unu devrenin beslemesinin şase ucuna bağlamak ardından tüm kondansatörlerin her iki bacağını da dolaşmaktır. Kondansatörlerin bir bacağı genellikle şase hattına bağlıdır. Bu bacakta kısa devre görebilirsiniz; fakat diğer bacakta görmemeniz gerekir. Eğer görüyorsanız arızayı lokalize etmek için kondansatörü devreden söküp aynı kontrolü dışarıda da yapmalısınız.

Bir diğer arıza türü de kondansatörlerin zamanla kapasitelerini yitirmesidir. Bu durumda, kısa devre görülmez; fakat kondansatör dışarı alınıp bir kapasite metre ile ölçüldüğünde kapasite değerinin bir kısmını yitirdiği görülür. Kondansatör sahip olması gereken değerin %10’nundan fazlasını kaybetmişse arızalı olduğu yorumlanabilir ve değiştirilmesi gerekir.

Özellikle arızalı elektrolitik kondansatörler görsel olarak da teşhis edilebilirler. Tüp şeklinde olan kondansatörün fiziksel görünümündeki bir şişlik çoğu zaman kendini kondansatörün tepesinin bombe yapmış olmasından belli eder. Elektrolitik kondansatörlerin içinde bulunduğu alüminyum tüpün kubbesi artı işareti şeklinde kesilerek zayıflatılmıştır. Bunun nedeni, yüksek sıcaklıkta tüp içindeki elektrolitik sıvının genleşmesi ile tüpün şiddetli bir patlama yapmasını engellemektir. Bazen elektrolitik kondansatörler PCB üzerine elektrolitik sıvısını bırakmış olabilir. Bu da kondansatörün arızalı olduğunu ve değiştirilmesi gerektiğini gösterir. Bunlar dışında arızalı bir elektrolitik kondansatörü (özellikle elektrolitik kondansatörleri) tespit etmenin en garantili yolu PCB’den sökerek bir kapasite metre ile ölçmektir. Aşağıdaki görselde arızalı kondansatörler gözükmektedir.


Tepesi şişmiş arızalı kondansatörler

Arızalı kondansatörleri tespit etmek

Arızalı kondansatörleri tespit etme konusunda sizlere 2 yöntem önerebilirim. İlki bir avometreyi diyot (buzzer) veya ohm  konumuna alarak tüm kondansatörleri devre üzerindeyken ölçmek, buna smd kondansatörler de dâhildir. Elektronik devrelerde genellikle kondansatörün bir bacağı devrenin Gnd hattına bağlıdır. Bu nedenle ölçüm yapmadan önce avometrenin siyah (katot) probe’unu devrenin Gnd hattına sabitleyebilirsiniz. Kırmızı prob’u ise kondansatörün her iki bacağına da değdirerek kontrol edin. Bacaklardan birinde kısa devre okumalı (çünkü Gnd’ye bağlı olduğunu varsaydık) diğerin de ise belli bir değer okumalısınız. Her iki bacakta da kısa devre okuyorsanız kondansatör büyük ihtimalle arızalıdır. Her iki bacakta da açık devre gözüküyorsa bunun iki nedeni olabilir. Kondansatör, şasesini  (Gnd) ortak varsaydığımız devrenin bir parçası olmayabilir veya bacağında soğuk lehimden kaynaklı bir kopukluk olabilir.

Özellikle çok sayıda paralel bağlı kondansatör söz konusu olduğunda kondansatörleri birinci yöntemde olduğu gibi ölçmek sonuç vermez. Kondansatörler paralel bağlı olduğu için hepsi aynı sonucu verir. Bu durumda eğer akım ayarlı bir kaynağınız var ise voltaj 1V gibi bir değere getirin ve akımı 3-4A seviyesine ayarlayın. Güç kaynağını bu paralel devreye bağladığınızda eğer aralarından bir veya birkaçı kısa devre ise yüksek bir akım (3-4A) çekeceğinden hemen ısınacaktır. Sağlam olanlar da ise herhangi bir ısınma olmayacaktır. Buradan hareketle kısa devre arızasına sahip kondansatörü kolayca tespit edebilirsiniz. Düşük voltaj yüksek akım uygulamak devrenin geri kalanındaki sağlam devre elemanlarını koruduğu gibi kısa devre olan elemanları ısınmalarından ötürü kolayca tespit etmenizi sağlar. Bu yöntemi paralel bağlı diğer elektronik elemanlar için de kullanabilirsiniz.

Röleler

Rölelerin (relays) kullanım amacı transistör ve MOSFET’lere çok benzer. GPIO pin’lerinin verdiği gibi çok düşük akımlı sinyaller ile çok yüksek güç tüketen cihazları kontrol etmenizi sağlar. Röleler, elektromıknatıs ve kontak bölümlerinden oluşan birer elektromekanik anahtardırlar. Bir elektromıknatısın çekip bırakarak kontrol ettiği kontaklar aynı zamanda bağlanan cihazın açılmasını veya kapanmasını sağlar. Elektro mıknatısın çektiği akım görece düşüktür; fakat kontaklar çok yüksek gerilim ve akımları kontrol edebilir. Böylece hem düşük akımlarla yüksek akımların kontrol edilmesi sağlanır hem de Raspberry Pi ile kontrol edilmek istenen cihaz birbirinden elektriksel olarak yalıtılmış olur. Rölenin içindeki elektromıknatıs ile kontaklar arasında herhangi bir elektriksel bağlantı bulunmaz. Böylece yüksek akımla çalışan cihazda bir besleme arızası oluştuğunda Raspberry Pi bu durumdan etkilenmez. Tristör ve triyakların imal edilmesinden sonra kullanım alanları azalan röleler, kullanımının kolay ve ucuz olması nedeniyle hala yaygın olarak tercih edilmektedir. Tristör ve tiryaka göre tek avantajı, tek bir kılıf içerisinde birden fazla anahtar kontağına sahip olabildiği için birden fazla yükü aynı anda açıp kapatabilmesidir. Aşağıda tek anahtar kontağına sahip bir rölenin mekanik iç yapısı ve devre sembolü yer almaktadır.

B0 ve B1 metal bir silindirin (nüve) üzerine sarılmış bobin telinin kontaklarıdır. Rölenin çalışma gerilimine göre bu uçlara gerilim uygulanır. Röleye gerilim uygulanmadığı durumlarda NC (Normally Close / Normalde Kapalı) ve COM (Common/Ortak) kontağı birbirine bağlıdır. Röle bobinine gerilim uygulandığında COM terminal NC’den ayrılıp NO (Normally Open) kontağına yapışır. Bobinin enerjisi var olduğu sürece öylece kalır. Rölenin kendisi (elektromıknatısı) DC voljtaj ile çalışır; ancak kontaklarına bağlanacak cihazın AC veya DC olmasının bir önemi yoktur.

Röle sürücü kartlar

Aşağıdaki resimde Raspberry Pi ve mikrodenetleyicili kartlara bağlanılabilecek kendinden izolasyonlu (yani optokuplörlü) bir röle sürücü kartı yer alıyor. Bu kartlar üzerlerinde bir optokuplör de bulundurduğu için doğrudan Raspberry Pi’a bağlanabilir.


2’li röle sürücü kartı

Röle kartlarının üzerinde 4, 8 ve 16 röle bulunduran çeşitleri de vardır. Bu kartlar genellikle lojik 0 sinyali ile sürülürler. Yani bir rölenin enerjisini kesmek isterseniz ilgili pin’e (IN1, IN2) lojik 1 uygulamalısınız. Sürücü kartların üzerinde röle çalışma voltajının verileceği Vcc ve Gnd pin’leri de bulunur.

RY-Vcc etiketli kısımda yer alan jumper, rölenin harici bir besleme kaynağı ile beslenmesini sağlamak için kullanılır. Eğer kartın üzerindeki IN1-IN2 pin grubunda yer alan Vcc ve GND’yi kullanıyorsanız, bu jumper takılı olmak zorundadır.

Raspberry Pi ile bir röle kartı kontrol edecekseniz enerjisini Raspberry Pi’ın +5V çıkışı üzerinden vermemelisiniz. Bunun yerine röle besleme voltajı için harici bir kaynak kullanmak daha sağlıklı olacaktır. Röle kartının enerji beslemesini harici bir kaynaktan gerçekleştirmek için jumper’ı bulunduğu yerden çıkartarak, yine jumper pin grubunda yer alan Vcc ve Gnd pin’lerini, enerji beslemesi için kullanmalısınız. RY-Vcc ya da JD-Vdd grubunda yer alan Vcc ve Gnd pin’lerini harici bir besleme kaynağına bağlayın. Besleme kaynağının voltajı rölerlerin üzerinde yazan çalışma gerilimine uygun olmalıdır (yukarıdaki kartta yer alan röleler 5 volttur, bazen 12 voltluk kartlarla da karşılaşabilirsiniz).

Yukarıdaki kartta yer alan rölelerin üzerinde basılı olarak 5V DC, 10A 250VAC, 10A 30VDC ibareleri yazmaktadır. Bunun anlamı röle elektromıknatısının 5V DC elektrik ile çalıştığı, kontaklarına ise 10A 250V AC veya 10A 30VDC bir yük bağlanabileceği anlamındadır.

Rölelerin güvenilirliği

Röleler üretildikleri değerler içinde kullanıldıklarında oldukça uzun ömürlü olabilirler ve hatasız çalışabilirler. Bir röle enerjilendirildiğinde kontakları kapanmıyorsa veya enerjisi kesildiğinde kontaklarını açmıyorsa arızalı olduğunu söyleyebiliriz. Bu arıza bazen geçici olabilir; röle soğuduktan sonra normal çalışmasına geri dönebilir. Tabii ki bu durumdaki bir röle güvenilmez kabul edilmeli ve kullanılmamalıdır. Kısacası, röleler yaşam döngüleri içerisinde önceden öngörülebilen bir oranda hatalı çalışma olasılığına sahiptirler. Bu olasılık üreticiler tarafından aşağıdaki tabloda yer alan harf kodları ile gösterilir.

Harf KoduHata Olasılığı
L5 × 10-6
M1 × 10-6
N0.5 × 10-6
P0.1 × 10-6
Q0.05 × 10-6

Rölelerin hata toleransları

Örneğin L harf kodu ile gösterilen rölenin hatalı çalışma olasılığı bir milyonda beştir ya da diğer bir tabirle her 200.000 çalışmada bir kez hataya düşme ihtimali vardır. Tabii ki bu hata öngörülen çalışma süresi içinde hiç gerçekleşmeyebilir de. Bir rölenin hatalı çalışmasına ya da ömrünün kısa olmasına neden olabilecek belli başlı sebepler aşağıdakiler gibi sıralanabilir:

  • Kontaklarından dayanabileceğinden fazla akım geçirilmesi.
  • Dış ortam sıcaklığı.
  • Hesaba katılmayan, yüksek kapasitansa veya endüktansa sahip olan bir yükün anahtarlanması.
  • Toz geçirebilen bir kılıfa sahip olması dolayısıyla kontakların kirlenmesi.
  • Yüksek anahtarlama frekansı nedeniyle rölenin kontaklarının ısınması ve kontak papuçlarının deforme olması.

 Her rölenin kontaklarından sürekli olarak geçirebileceği akım değeri üzerinde yazılıdır. Bu değer bazen farkında olunmadan aşılabilir. Röle kontaklarının sürekli olarak üst ve limit aşırı değerlerde anahtarlama yapması, röle bobininin fazla voltajla beslenmesi ve dış ortam sıcaklığı gibi durumlar rölenin sağlıklı çalışmasında doğrudan etki sahibidir.  Sürekli ve sınır değerlerde kullanıma sahip bir rölenin iyi havalandırılmış bir yerde konumlandırılması rölenin mekanik ömrünü artırabilir. Rölede oluşan ısı hem kontakların hem de mekanik yapısının mukavemetini daha kısa sürede yitirmesine neden olur. İçerisine toz almayan tamamen kapalı bir kılıfa sahip rölelerin kontakları daha uzun ömürlü olur.

Anahtarlanmak istenen bir cihazın sadece güç etiketine bakılarak seçilen bir röle çoğu zaman yanlış bir tercih olacaktır.  Röllerin üzerinde yazan akım derğerleri rezistif yükleri anahtarlamak için hesaplanmış değerlerdirDiğer taraftan, hemen hemen tüm elektrikli cihazlar ilk enerjilendirildiklerinde kısa süreliğine de olsa normalden çok daha fazla akım çekerler. Ani başlama akımı (inrush current) adı da verilen bu durum, yükün kapasitif veya endüktif olmasına göre farklılıklar gösterir. Örneğin bir endüktif yükün ani akımı nominal değerinin 10 katına[7], kapasitif bir yükün ki ise 40 katına kadar fazla olabilir[8]. Röle tercihi yaparken bu durumu göz önünde bulundurmak gerekir.

Röle kontakları imal edilirken kıymetli sayılabilecek ve yüksek ısılara dayanabilecek maden alaşımlarından yararlanılır. Röle kontakları kapandığı veya açıldığı sırada oluşan bu arktan ortaya çıkan enerji, sıcaklığın kısa sürelerde onbinlerce santigrat dereceye çıkmasına neden olur.  Bu sıcaklıklarla başa çıkılabilmesi için de kontakların üretiminde Ag (gümüş), AgCd(gümüş-kadmiyum), AgNi(gümüş-nikel) ve AgPd(gümüş-paladyum)gibi alaşımlardan yararlanılır.  Arkın yarattığı yüksek sıcaklık, çevredeki gaz moleküllerini harekete geçirerek ozon, karbon monoksit ve diğer bileşikleri oluşmasına neden olur. Ark enerjisi, temas eden metali yavaşça yok ederek bu bileşiklerin ince partikül madde olarak havaya kaçmasına neden olur. Bu zamanla kontaklardaki malzemenin bozulmasına ve röle arızasına neden olur.


Röle kontaktalarında oluşan ark

Aşağıdaki resimde sırasıyla flamanlı lamba, elektrik motoru, kapasitif yük ve floresan lamba gibi elektriksel yüklerin başlangıç ani akımları gösterilmiştir.

Detaylı bilgiyi sayfanın sonuda yer alan referanslardan edinebileceğiniz bu grafiklerde kullanılan i0 sembolü, yükün etiket değeri olarak bilinen nominal akımını göstermektedir. i sembolü ise başlangıç akımının ulaşabileceği en yüksek değeri göstermektedir.  Resimde yer alan çeşitli yüklere ait (lamba, motor, kapasitif yük ve floresan) başlangıç akımı grafiklerini sırasıyla yorumlamak gerekirse şunları söyleyebiliriz:

  1. Tungsten flamanlı lamba: Bu lamba, eskiden evlerimizde kullanmakta olduğumuz; artık enerji verimliliği hakkındaki yasal düzenlemeler ile üretimi ve kullanımı sınırlandırılan akkor telli lambadır. Grafiği anlamlandırmak gerekirse flamanlı bir lambanın nominal akımına ulaşırken başlangıçta geçirdiği ilk 0.3 sn.’lik sürede etiket akımının 5 ila 10 katına kadar (i/i0) akım çektiği gözükmektedir.  Elektrikli ısıtıcılarda ise durum biraz daha farklılık gösterir; ani akım, nominal akıma oldukça yakın seyreder.
  2. Elektrik motoru: Elektrik motorunu içerisindeki bobin sargılarından ötürü endüktif yük olarak kabul edebiliriz. Motorun ani akımı kendini 0.2 – 0.5 sn. süresince, 5 ila 10 kat (i/i0) arasında gösterir.
  3. Kapasitif yük: Girişinde yüksek kapasiteli kondansatör devreleri bulunan yükleri bu sınıfa koyabiliriz. Saniyenin 120’de biri (8 ms.)  ile 30’da biri (33 ms.) arasındaki sürelerde gerçekleşen ani akım nominal değerin 20 ila 40 katı (i/i0)  arasına kadar olabilir. Bu tür yüklerde röle kontaklarını korumak için ark bastırıcı tedbirlerin uygulanması gerekir. Bastırma yöntemleri ile ilgili detaylı bilgiye önceki paragraflarda atıfta bulunulan “Röle Teknik Bilgi Sayfalarından” erişebilirsiniz.
  4. Floresan lamba: Floresan lambaları başlatmak ve çalıştırmak için kullanılan sürücü devreler hem endüktif hem de kapasitif etkiye sahiptirler. Yukarıdaki grafikte floresan lamba enerjilendirildiğinde yaklaşık 10 sn.’lik geçici bir sürecin yaşandı bu sürenin sonunda akımın etiket değerinde dengeye oturduğu gözüküyor. Floresan için ani akım miktarı 5 ila 10 katına kadar (i/i0) grafikte gözüktüğü üzere aşamalı olarak gerçekleşir.

Röle kontakları açısından kapasitif ve endüktif yükler

Genel olarak röle kontaklarının açılması sırasında oluşan ark kapanması sırasında oluşan arktan daha enerjiktir[9]. Bununla birlikte; AC gerilimle çalışan kapasitif yüklerde akım eğrisi voltaj eğrisinin önünde olduğundan; ark, kontak kapanması sırasında gerçekleşir. Endüktif yüklerde ise tam tersi; yani, akım voltajdan geride olduğu için ark kontakların açılması sırasında oluşur[10].

Röle satın almadan önce sürekli ve ani akım (inrush current) değerlerine dikkat etmelisiniz. Kritik görevleri yerine getiren uygulamalarınızda mutlaka detaylı bir veri sayfasına sahip olan kendini kanıtlamış markaları tercih etmelisiniz. Ani ve sürekli akımlarla başarılı şekilde mücadele edebilen kontak tasarımları da vardır. Aşağıdaki görsellerden bu tasarımları görebilirsiniz.

Kontak tasarımaları ve güvenilirlik seviyeleri

Rölenin MOSFET ile sürülmesi

Bir röle saniyede birkaç kezden fazla açılıp kapatılırsa kontakları ısınmadan dolayı birbirine yapışabilir. Ayrıca kontaklar kapanırken kontrol edilen akımın miktarına bağlı olarak bir elektro manyetik ark oluşur. Eğer yakınlarda RF (radyo frekans)’e karşı hassas bir bileşen ya da devre varsa bu gürültüden (interferance) olumsuz etkilenebilir. Hassas devre üzerinde elektromanyetik dalgadan dolayı bir akım indüklenerek devrenin kararlılığının ve sinyalizasyonunun bozulmasına neden olabilir. Diğer taraftan benzer sorun rölenin Raspberry Pi’a bağlanan elektromıknatıs beslemesinde de vardır. Bir mıknatısın enerjisi kesildiği sırada çok yüksek voltajlara çıkabilen ani ters akımlar (ters EMK) oluşur. Bu akımlar elektromıknatısın oluşturduğu geçici manyetik alanın bobin sargı üzerinde bir elektik indüklenmesi şeklinde olur. Ayrıca röle bobinleri Raspberry Pi’ın GPIO pin’lerinin sağlayabileceğinden fazla akıma ihtiyaç duyduğundan doğrudan bağlanamazlar. Bu nedenlerle röleler Raspberry Pi’a doğrudan bağlanmazlar. Bir transistör ile sürüldüklerinde röle beslemesine paralel olarak bir test diyot bağlanır. Böylece ters EMK bu diyot üzerinden sönümlendirilir. Bu nedenle diyotun azami gerilim dayanımının rölenin ters EMK voltajını bastırabilecek değerde olmasına dikkat etmek gerekir. Bu iş için 1N400x serisi diyotlar çokça kullanılır. Eğer bir optokuplörlü röle sürücü kartına sahip değilseniz bir MOSFET ile de aşağıdaki gibi sürebilirsiniz.


Raspberry Pi ile bir rölenin sürülmesi

Yukarıdaki şemada 5V’luk rölenin enerjisi Raspberry Pi’ın GPIO konnektörü üzerindeki +5V çıkışından sağlanmıştır. J8 konnektörü üzerindeki 26 numaralı pin olan GPIO.7 port’u da IRFZ24 adlı MOSFET’in Gate bacağını sürmek için kullanılmıştır. IRFZ24 piyasada rahatça bulunabilecek sık kullanılan bir MOSFET’tir. Bunun yerine IRFZ ailesinden herhangi bir N kanal MOSFET kullanılabilir. IRFZ24 60V 17A’kadar olan yükleri kontrol etmek için kullanılabilir. Bu oldukça güçlü bir MOSFET’dir ve güçlü motorları sürmek için dâhi kullanılabilir. MOSFET’in girişine 100 Kohm’luk bir kuplaj direnci bağlanarak GPIO akımı minimize edilmiştir. Röle besleme uçlarına ters olarak bağlanan 1N4007 diyotu ise röle bobininden kaynaklanan ters akımları kendi üzerinde absorbe ederek MOSFET’in delinmesini önlemektedir. Bu anlamda 1N4007’nin dayanma gerilimi 700volt civarındadır. Bu devrenin çeşitli programlama dilleri ile nasıl kontrol edileceği ilerleyen başlıklarda anlatılmıştır.

Röleler kontakların taşıyabileceği akım miktarı aşılmadığı ve çok sık anahtarlanmadığı sürece uzun bir ömre sahiptirler. Diğer taraftan aynı işi yapan MOSFET ve tristörlü akranlarına göre ucuz ve uygulanmaları kolaydır.


SSR (Solid State Relays)

Birde katı hal röleleri vardır. Bunların besleme ve kontak uç bağlantıları ile çalışma mantığı aynı olmasına karşın herhangi bir mekanik düzenek içermezler. Açma ve kapama işini bir opto-kuplör devresinin sürdüğü tristör veya MOSFET ile gerçekleştirirler. Geleneksel rölelere göre pahalı olmalarına karşın, saniyede yüzlerce kez açma kapama yapabilirler ve sessiz çalışırlar. Aşağıda bir katı hal rölesinin fotoğrafı gözüküyor. 1 (-) ve 2 (+) ile gösterilen bacaklar 3-32V arasındaki DC röle besleme voltajını, 3 ve 4 numaralı bacaklar ise kontrol edilecek yükün kontaklarının bağlanacağı bacakları göstermektedir. Aşağıdaki röle 24-280V AC aralığındaki ve 5A’e kadar akım çeken yükleri kontrol edebilmektedir.

Bir katı hal rölesi

Butonlar ve Anahtarlar

Butonlar (button) ve anahtarlar (switch) elektrik kavramı var olduğundan beri bilinen ve kullanılan en eski devre elemanlarıdır. Temel olarak iki iş yaparlar; elektrik akışını kesmek ve vermek. Buton ve anahtar iki farklı davranışa işaret eder. Butonun içerisinde bir yay bulunur ve basıldığında devreden akım akmasını sağlar, elimizi çektiğimizde ise eski konumuna geri döner ve elektrik akışı da kesilir. Anahtarlar da ise elektrik akımının sürekli akıtılmasını ve kesilmesini sağlayan iki sabit konum vardır. Örneğim odamızın ışığını açmak içi kullandıklarımız böyledir. Asansör ya da bir hesap makinesinin düğmeleri ise butondur. Aşağıda buton ve anahtarın devre sembolleri gözüküyor.


Buton ve anahtarın açık ya da kapalı olması durumu

Buton ve anahtar çok basit bir yapıya sahiptirler. Temelde iki kabloyu elektriksel olarak birbirine temas ettiren bir düzeneğe sahiptirler. İhtiyaca göre üretilen birçok değişik ve gelişmiş türleri de vardır. Rölelerde olduğu gibi farklı devreleri anahtarlamak için kullanılan çok kontaklı tipleri de vardır. Buton ve anahtarlar hakkında bilinmesi gereken bir diğer kavram da buton ya da anahtarların kapalı ya da açık olması durumudur. Yukarıdaki şekilde de gözüktüğü üzere bir butonun kapalı olması, kontaklarının elektriksel birbirine bağlı (kapalı) ve akım geçiriyor olduğu anlamına gelir. Açık olması durumu ise kontaklar ayrık (açık) elektrik devresinin açık olduğu ve akım geçirmediği anlamına gelir. Aşağıda çeşitli buton ve anahtarların görselleri yer almaktadır.

Aşağıdaki şekilde butonun iç yapısı gözükmektedir.

Buton gürültüsünü bastırmak

Butonlar ya da anahtarlar mikrodenetleyici ya da mikroişlemci sayısal sistemler ile bağlanırken çok ilginç bir sorunla karşılaşılır. Bir butonu Raspberry Pi’ın bir GPIO pin’ine bağladığınızı ve bir döngü içerisinde pin’in durumunu okuttuğunuzu düşünün. Butona bastığınızda lojik 1 bilgisinin pin’e ulaşması gerekir; ancak bu olmaz. Basma sırasında, butonun içindeki birbirine yaklaşarak değen metal plakalar bir ark oluşmasına sebep olur. Plakaların birbirine yaklaşma anını yavaş çekim (zamanı yavaşlatırsak) hayal edecek olursak temas 0 zamanda gerçekleşmez, temasın başladığı an ile bitişi arasında geçen sürede (~250uS) ilgili pin’de aşağıdaki gibi bir sinyal oluşur.


Buton arkı (gürültüsü)’ının osilaskop ekranındaki görüntüsü

Bu görseldeki butonun bağlı olduğu GPIO pin’i bir push-up (yukarı çekme) direncine bağlıdır ve buton basıldığında 0’a (Gnd’ye) gitmektedir. Grafikten görebileceğiniz GPIO pin’i normalde 1 konumunda iken butona basıldığında hemen 0’a gidememektedir. Plakaların temas süresi olan yaklaşık olarak 250uS’lik sürede (her kare 50uS’dir) 1 ve 0 arasında birçok geçiş oluşmuştur. Eğer ilgili GPIO pin’ini okuyan komutunuz 250uS’den daha kısa sürelerde okuma gerçekleştirirse 1 bilgisini okuyarak yanlış çalışabilir. Bu duruma buton arkı ya da bounce adı verilir.

Bu olumsuz durumun üstesinden gelmek için birçok farklı donanımsal ve yazılımsal teknik geliştirilmiştir. Yazılımsal olarak en basit yöntem ise butonu okuyan döngü kodunuza bu ark süresi kadar bir gecikme koymanızdır. Dolayısıyla butonun durumunu kontrol eden kod satırınız bu geçici (transient) durum sırasında uykuda olacaktır. Kullandığınız butonun karakteristiğine ve programınızın yapısına göre bu gecikme süresini birkaç mili saniyeden birkaç on milisaniyeye kadar olan sürelerde ayarlayabilirsiniz. Deneme yanılma yolu ile en elverişli süreyi tespit edebilirsiniz.

Bu sorunu donanımsal yolla çözmenin yolu ise butonun çıkışına bir alçak geçiren filtre (low-pass filter) yerleştirmektir. Alçak geçiren filtre devresi, ark sırasında oluşan yüksek frekanslı sinyal dalgalanmaları geçirmez ve Raspberry Pi’ın yanlış bir lojik değer okumasını önler. Ancak bu filtre devresi, içerdiği kondansatör nedeniyle birkaç mili saniyelik gecikmelere de yol açabilir. Butonunuz birkaç mili saniyelik döngülerde çalışan bir işleve sahipse alçak geçiren filtre butonun durumunu hiçbir zaman okuyamamanızı da sağlayabilir. Aşağıda bir butonun yarattığı arkı ya da gürültüyü söndürmek için kurulmuş bir devre örneği yer alıyor.


Buton arkı söndürme devresi

Breadboard ve atlatma kabloları

Breadboard (prototip tahtası ya da deney tahtası) bir elektronik devrenin hızlı bir şekilde kurulabilmesi için bir şasi görevi görür ve elektronik bileşenleri birbiri ile irtibatlar. Kitabın uygulamalar kısmında devreleri kurmak için çokça kullanılan breadboard’un yapısı ve nasıl kullanılacağı hakkında bilgi vermek faydalı olacaktır. Breadboard ismi görünüşü nedeniyle ekmek tahtasına benzediği için verilmiştir; ama ben ekmek tahtası demeyeceğim. Piyasada irili ufaklı birçok breadboard vardır. Hepsinde de elektronik bileşenleri çok fazla kablo kullanmadan yerleştirebileceğiniz belli bir düzende bağlantılanmış delikler yer alır. Aşağıda fritzing programından aldığım çok klasik bir deney tahtası gözüküyor.


270 delikli bir breadboard’un üstten görünüşü

Bu breadboardun üst ve alt kenarlarında yer alan ikili hatları oluşturan her bir delik kendi içinde bağlantılanmıştır. Bu kenarların ortasında ise her biri beş delikten oluşan iki dikey delik grubu yer alır. Dikey deliklerde kendi aralarında birbirine bağlıdır; fakat yatay komşuları arasında bir bağlantı yoktur. Biraz karmaşık oldu değil mi. Aşağıda şekiller ne demek istediğimi daha iyi anlatacaktır. Üstten görünüş olan soldaki fotoğraf hangi deliklerin kendi arasında bağlantılı olduğunu gösteriyor. Sağdaki fotoğraf ise breadboard’un içerisindeki delikler arası iletim sağlayan metal plakaları gösteriyor.


Breadboard’un üstten görünüşü ve iç bağlantı yapısı

Standart breadboard’ların delikleri arasındaki mesafe 1 inch yani 2.54mm’dir. Birçok elektronik eleman ve konnektör de bu mesafeye uyacak şekilde üretilmiştir Uymayanları ise jumper (atlatma) kabloları ile veya bacaklarını esneterek bu tahtaya bağlayabilirsiniz. Jumper kabloları breadboard üzerindeki düzene uymayan devre kısımlarını irtibatlamak için kullanılan uçları pimli renkli kablolardır. Her iki uçları erkek veya dişi pimli olabilir veya bir ucu erkek diğer ucu dişi olanları da vardır. Uygulamalara başlamadan önce bu 3 çeşit jumper kablosundan da temin edebilirsiniz. Aşağıdaki fotoğrafta jumper kablolarının fotoğrafları gözükmektedir.

Çeşitli jumper (atlatma) kabloları

Breadboard’un bağlantı şeklini doğru olarak kavramak üzerinde kurulacak devrelerin çalışması, hatta elektronik elemanların zarar görmemesi için çok önemlidir. Aşağıda bir breadboard’un doğru ve yanlış kullanımlarını içeren bir görsel yer almaktadır.



Breaboard üzerinden ölçü aleti ile voltaj, akım ve direnç ölçme

Yukarıdaki bağlantıda breadboard üzerinde toplam da 5 farklı ölçüm gerçekleştirilmeye çalışmıştır. Bunlardan 2’si hatalıdır. Yapılmaya çalışılan ölçümler hakkında kısaca bilgi vermek gerekirse;

  1. Direnç güç kaynağına paralel bağlıdır ve ölçü aleti de hem ölçülmek istenen dirence hem de güç kaynağına paralel bağlı olduğu için doğrudur. Voltmetre her zaman güç kaynağına ya da ölçümü yapılan elemana paralel bağlanır. Çünkü voltmetre iki nokta arasında potansiyel farkı ölçer.
  2. Bu bağlantıda ölçü aleti akım kademesine alınarak dirençten geçen akım ölçülmeye çalışılmıştır. Lakin ölçü aletinin breadboard’a bağlanma şekli yanlıştır. Ölçü aletinin probları breadboard tarafından kısa devre yapılmıştır. Çünkü breadboard’un orta sırasındaki dikey delikler kendi içinde birbirine bağlıdır. Breadboard’un iç yapısını inceleyebilirsiniz.
  3. Bu bağlantıda da dirençten geçen akım ölçülmeye çalışılmıştır ve bağlantı şekli doğrudur. Akım ölçümü devreden geçen akımın miktarını ölçmek için yapıldığından ölçü aleti seri bağlanmak zorundadır. Problardan birin güç kaynağının Gnd ucuna diğeri de direncin bacağına bağlıdır. Bir önceki bağlantıya kıyasla kısa devre gerçekleşmemesi için problardan biri breadboard’un komşu sütununa bağlanmıştır.
  4. Ölçü aletinin direnç ölçme kademesinde olduğu bu bağlantı da soldaki direncin değeri ölçülmeye çalışılmıştır. Bu bağlantı şekli hatalıdır. Çünkü diğer iki direnç kendi arasında seri bağlıyken ölçülmek istenen dirence de paralel bağlıdır. Bu durumda 3 dirençten oluşan (seri + paralel) devrenin eşdeğer direnci ölçülmüş olunur.
  5. Bu bağlantı da direnç ölçü aletine paralel bağlanarak direnci ölçülmeye çalışılmıştır ve bağlantı şekli doğrudur.

ESD (Elektro Statik Deşarj) Önlemleri

İçinde yaşadığımız dünyada etrafımızdaki cisimler ile aramızda daima bazı elektriksel olaylar gerçekleşir. Bu elektriksel olaylar çoğu zaman duyu organlarımızla gözlemleyemeyeceğimiz formdadır. Elektrik akımı, elektronların iletken üzerindeki hareketi olarak ifade edilirken, bir de yalıtkanlar üzerinde depolanan elektrik yükleri vardır. Durağan formdaki bu elektrik yüklerine statik elektrik adı verilir. Vücudumuz da dâhil olmak üzere etrafımızdaki tüm cisimlerde az veya çok statik elektrik yükü bulunur.

Hepimiz, üzerimizde birikmiş olan statik elektriği toprağa aktardığımız sırada yaşadığımız elektrik çarpmasını hissetmiştir. İnsanlar, ortamdaki nem miktarına bağlı olarak bir halının üstünde yürüyerek 35.000 volt elektrostatik gerilim ile yüklenebilir. Yünlü, pamuklu ve sentetik giysiler de benzer sonuçlara yol açar. Statik elektrik olgusu yalıtkan cisimler ile ilgilidir. Statik elektrik birbirine sürtünen yalıtkan cisimlerin üzerinde elektrik depolanması ile oluşur. Bu nedenle her an üzerimizde ve etrafımızdaki cisimlerde statik elektrik depolanır. Vücudumuzda gün içinde farklı sebeplerden dolayı (Hava, nem, sürtünme, giysilerimiz vs.) statik elektrik birikir ve biriken bu elektrik bazen farkında olmadan, bazen de hissederek vücudumuzdan çıkar. Bu çıkış işlemi bir yere temas ettiğimizde meydana gelebilir. Bazen çok şiddetli olduğunu hissederiz; çünkü biriken yük miktarı fazladır ve bizi çıkış sırasında aşırı derecede sarsar. Bu çıkış işlemine elektrostatik deşarj adı  (ESD) verilir

  
Elektrostatik uyarı levhaları

Birçok elektronik devre elemanı ve ileri teknoloji ürünleri elektrostatik şarjın aniden değişimi yüzünden onarılamayacak arızalara ve ürünün kalitesinde düşüşlere maruz kalmaktadır. Raspberry Pi da sahip olduğu ileri teknoloji çipler nedeniyle bu riske maruz kalan cihazlardan biridir. Elektrostatik deşarj, Raspberry Pi üzerine uygulandığında (istemeden) elektriğin miktarına bağlı olarak hassas elektronik çiplerine ciddi zararlar verebilir. Bu zararları önlemek için çeşitli yardımcı araçlar kullanılır. Bunlardan en çok bilinenleri anti statik poşetler, anti statik eldiven, bileklik ve çalışma matlarıdır.


(a) Anti statik bileklik ve mat, (b) statik yük ölçer (c) statik elektrik deşarj noktası  (d) statik yüklü bir insan yavrusu

Raspberry Pi’ın elektronik aksamına doğrudan temas etmekten kaçınmak gerekir. Temas etmek gerektiğinde ise de mutlaka vücudumuzdaki statik elektriğin deşarj edilmesi gerekir. Üzerimizde birikmiş olan voltajı, deşarj sırasında hissedebilmemiz için belli bir değerin üzerinde olması gerekir; ancak bu değerin altındaki voltajlar da çoğu zaman Raspberry Pi’a zarar vermeye yeter. Bu nedenlerle Rapberry Pi ile çalışırken ESD koruması açısından şu hususlara özen göstermek gerekir:

  • Raspberry Pi’ın elektronik aksamına çıplak elle dokunmayın.
  • Raspberry Pi’ı elinize almadan önce toprakla güçlü bir bağlantısı olan büyük bir cisme 2-3 sn.’liğine dokunarak vücudunuzda biriken statik elektriği atın. Örneğin; metal tesisatlı kalorifer petekleri, şebeke toprak hattı, metal su tesisat borusu vb. Bu örneklerdeki ortak özellik toprakla bağı olan iletken cisimlerdir. Bunun için çalışma masanızın yakınında bir toprak hattı bulundurabilirsiniz. Çalışmaya başlamadan önce bu hatta dokunmak elektrik yükünüzü deşarj etmenizi sağlar. Çekeceğiniz bu hattında konutun dâhili toprak hattından bağımsız bir hat olması ve sadece kullanımınıza özel teşkilatlandırılması can güvenliğiniz açısından çok önemlidir. Aksi takdirde bulunduğunuz binadaki bir toprak kaçağı yaralanmanıza neden olabilir.
  • Raspberry Pi’ı taşırken veya depolarken anti statik poşet içerisinde muhafaza edin.
  • Raspberry Pi’ı HDMI ile bağladığınız ekranın topraklı bir prize bağlı olmasına dikkat edin.
  • Elektrik şebekenizin toprak bağlantısının sağlıklı olup olmadığını en doğru şekilde Toprak Megeri adı verilen ölçü aleti ile ölçebilirsiniz. Bu cihaza ulaşma şansınız yok ise nötr ve toprak arası gerilimin 1V’un altında olması da bir ön fikir sağlayabilir. Toprak ile nötr arasında ölçeceğiniz 0v değeri topraklamanın olmadığını veya nötr ile kısa devre olduğu, daha yüksek değerler ise toprak hattınıza akım kaçıran bir cihaz olduğu anlamına gelebilir. Bu konuda bir elektrik teknisyeninden destek alabilirsiniz. En doğru sonucu toprak megeri verir.
  • Raspberry Pi’ı içine alacak metal bir kutu plastik olana göre daha iyi bir ESD koruması sağlar.
  • Raspberry Pi’ınızın dış kutusu plastik ve üzerinde dönen bir fan var ise durağan yük (elektrostatik yük) üretimi daha fazla olacaktır.
  • ESD açsısından Raspberry Pi’ı plastik bir dış kutu ile kullanmak kutusuz olarak kullanmaktan daha güvenlidir. Dış kutu bir ESD koruma katmanı oluşturur. Aksi takdirde deşarj doğrudan elektronik bileşenler üzerinden gerçekleşebilir.
  • GPIO pin’leri Raspberry Pi’ın hassas elektronik çiplerine doğrudan bağlıdır. Bu nedenle GPIO pin’lerine bağlı devre ve cihazların da ESD güvenliğine aynı ölçüde dikkat etmek gerekir.

HATIRLATMA

ESD konusunda alınacak önlemlerine ek olarak; GPIO pin’lerine doğrudan bir havya aracılığı ile lehim yapmaktan kaçınılması gerekir. Çoğu rezistanslı havya yeterli şebeke yalıtımına sahip değildir. Pin’lere temas eden rezistans ucunun yakınında güçlü ve hareketli bir elektriksel alan mevcuttur. Bu elektriksel alanı bir kontrol kalemi ile gözlemleyebilirsiniz. Bu alandan indüklenen EMK (elektro motor kuvveti), pin’in bağlı olduğu çiplerin zarar görmesine neden olur. Böyle bir zararlı etki ancak yüksek frekans nüveli havyalarda en düşük düzeye sahiptir. Bu tür havyalar, havya ucundaki bir bakır çekirdeği yüksek frekanslarda titreştirerek çok daha kontrollü bir ısınma sağlar ve hassas elektronik cihazlar için daha uygundur.


[1] Akım sınırlayıcı olarak  NTC – http://tiny.cc/ntc_akim_sinirlayici

[2] SMD bileşen kılıf boyutları – http://tiny.cc/smd_packages

[3] Dekat kutusu – http://tiny.cc/dekat-kutusu

[4] Ters polarma koruma tedbirleri – http://tiny.cc/ters_polarma_korumasi

[5] X ve Y sınıfı kondansatörler – http://tiny.cc/xy_capacitor

[6] Çeşitli kondansatör görselleri – http://tiny.cc/capacitors

[7] Röle Teknik Bilgi Sayfası 1 – http://tiny.cc/role-teknik-1

[8] Röle Teknik Bilgi Sayfası 2 – http://tiny.cc/role-teknik-2

[9] Kontak Arklarını Bastırmak – https://en.wikipedia.org/wiki/Arc_suppression

[10] Kondansatörler ve İndüktörler – http://tiny.cc/cap-ind

Yazar: Özgür Koca

Yazar - Tankado.com

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.