EEM0108 Elektrik-Elektronik Mühendisliğinde · Elektrik Üretimi, İletimi, Dağıtımı ve Tekniği * Enerji Üretim bileşenleri (güneş paneli, trübin vs.) * Enerji iletimi

Yrd.Doç.Dr. Muhammed Fatih KULUÖZTÜ[email protected]

EEM0108 Elektrik-Elektronik MühendisliğindeMalzemeAktif ve Pasif Devre Elemanları

EEM0108 Elektrik-Elektronik Mühendisliğinde Malzeme Yrd.Doç.Dr. Muhammed Fatih KULUÖZTÜRK

MALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASIÖZELLİKLERİNE GÖRE

Elektriksel Özellikler

* Direnç, Özdirenç, İletkenlik

* İletken, Yalıtkan, Yarıiletken

* Dielektrik, Kapasite

* İndüktif

Manyetik Özellikler

* Ferromanyetik, Diamanyetik...

* Manyetik anahtarlama

* Magnetler

* Transformatör ve bobinler

Fiziksel Özellikler

* Sıcaklık, Nem

* Basınç, Zor-Zorlanma

* Kutu, Pano, İzolatör

* Temel ölçüm ve el aletleri

KULLANIM ALANLARINA GÖRE

Elektronik Devre Elemanları ve Malzemeler

* Aktif ve Pasif devre elemanları

* Sensörler

* Güç kaynakları, Alıcı-Vericiler

* Çevre Birimler

Elektrik Üretimi, İletimi, Dağıtımı ve Tekniği

* Enerji Üretim bileşenleri (güneş paneli, trübin vs.)

* Enerji iletimi (iletkenler, direkler vs.)

* Enerji dağıtımı (trafolar, panolar)

* Elektrik makinaları, PLC ler

Temel Cihaz, Alet ve Ekipmanlar

* Ölçüm Cihazları (multimetre, osiloskop vs.)

* Kutu, izolatör vs.

* El aletleri

* Kablo ve konnektörler


TEMEL DEVRE ELEMANLARI

1. Aktif Devre Elemanları (diyot, transistör, opamp)2. Pasif Devre Elemanları (direnç, kapasitör, indüktör, kristal)

AKTİF DEVRE ELEMANLARI

Aktif devre elemanları belli koşullarda akım geçiren yarıiletken devre elemanlarıdır. Bu malzemelerin çalışma şekillerinin anlaşılabilmesi için yarıiletken malzemeler hakkında bazı temel bilgilerin bilinmesi gerekmektedir.

Yarıiletkenler, normal şartlarda yalıtkan özelliği gösteren ancak gerilim, ısı, ışık, basınç gibi etkiler sonucu iletime geçen malzemelerdir. Yük taşıyıcısına göre n-tipi (elektron) ve p-tipi (hole-deşik) olmak üzere iki sınıfa ayrılır.

Katkısız yarıiletken

n-tipi yarıiletken

p-tipi yarıiletken


İletken, yalıtkan ve yarıiletken bant diyagramları


Diyot yapısı, karakteristiği ve çalışması


Diyot çeşitleri

Diyotlar, tek yönlü akım geçiren devre elemanlarıdır. Elektronik devrelerde akım yönü belirlemede, kırpıcı devrelerde, doğrultucu devrelerde kullanılırlar.



Transistörler

Transistörler, elektronik devrelerde anahtarlama veya yükseltme amaçlı kullanılırlar. Ayrıca lojik devrelerin de temelinde diyot ve transistörler olduğundan bu amaçla kullanılan entegrelerin iç yapılarında da bulunurlar.



Transistörler



Entegre Devreler (IR-Integrated Circuits)


Entegre Devreler (IC-Integrated Circuits)


DirençlerBir devrede akımı sınırlayan devre elemanlarıdır. Farklı tiplerde ve farklı amaçlarla kullanılmak üzere üretilmiş dirençler mevcuttur.

𝑹 = 𝝆𝑳

𝑨

𝝆 =𝟏

𝝈=𝑬

𝑱


S o K a K T a S a Y a M a M G i B iiyah

ahve

urncu

arı

eşil

avi

or

ri

eyaz

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

ır

mızı



DirençlerElektrik ve elektronikte kullanılan bütün iletken veya devre elemanlarının direnç, özdirenç veya iletkenlik gibibilgilerinin bilinmesi önem taşımaktadır.

Malzeme Cinsi Özdirenç [.mm2/m]

Öziletkenlik [m/.mm2]

Isı Direnç Katsayısı [1/oC.10-3]

Gümüş 0,0165 61 3,8

Bakır (Yer altı Kablosu için) 0,0172 58 3,93

Bakır (Hava Hattı için) 0,0176 56 3,83

Altın 0,023 44 3,8-4

Alüminyum 0,0282 35 4,03

Tungsten (Volfram) 0,055 18 4

Platin 0,1-0,11 10-9,1 3-3,8

Kalay 0,12 8,3 4,2-4,63

Çelik Tel 0,17 6 5,2

Krom Nikel CN20 (%20 Ni, %25 Cr, %55 Fe)

0,97 1,03 0,44

Krom Nikel CN80 (%80 Ni, %20 Cr, %0-3 Fe)

1,12 0,89 0,14

Bizmut 1,2 0,83 4,2

Çinko 0,0606 16,5 4,7

Nikel 0,08-0,11 13-9 3,7-6

Demir 0,1-0,15 10-7 4,5-6

Pirinç 0,064 16 1,5 (%60 Cu+%40 Zn)

Pirinç 0,084 11,9 1,5 (%70 Cu+%30 Zn)

Manganin 0,43 2,3 0,001

Konstantan 0,5 2 -0,03

20 oC için Değişik İletken Malzemelerin Özelikleri

Özdirencin sıcaklığa bağlı değişimi

Yarıiletkenlerde sıcaklığa bağlı değişim


Karbon DirençlerKarbon karışımı veya karbon direnç, toz halindeki karbon ve reçinenin ısıtılarak eritilmesi yolu ileelde edilir. Karışımdaki karbon oranı direncin değerini belirler. Büyüklüklerine göre ¼, ½, 1, 2, 3 watt/ 1Ω dan 22 MΩ’a kadar değerlerde üretilirler. Üzerindeki çizgilerden değerleri belirtir.

SMD (Surface Montage Device)(Yüzey Montaj) DirençÇok az yer gerektirdiği ve devre üstünde de delik gerektirmediği için devre tasarlarken kullanılır.0201, 0402, 0604, 0805, 1206 ve 2010 gibi kılıf çeşitleri vardır. Üstündeki sayılar direnç değerinibelirtir. Genellikle 3 veya 4 haneli rakam taşır. İlk haneler rakamı, son hane çarpanı, R harfi isevirgülü belirtir. Örneğin 3300 = 330 × 10^0 = 330Ω, 201 = 20 × 10^1 = 200Ω, 3R3 = 3.3Ω)

Potansiyometre (Ayarlı Direnç)Direnç değeri isteğe bağlı değiştirilebilen dirençlerdir. Kılıfının üstünde en yüksek değeri yazar ve sıfır ile maksimum değer arasında bir istenilen değere ayarlanabilir.

Dijital PotansiyometreBu dirençler kullanıldıkları devrelerde mekanik olarak değil de software üzerinden değerideğiştirilebilen dirençlerdir. Örneğin 8 bit 10 k’lık bir dijital potansiyometrede direnç değeri10*10^3/2^8=39 ohm’luk adımlarla değişir.


Ortam Koşullarına Göre Değişen Dirençler

a) Termistörler (NTC-PTC)Ortam sıcaklığına göre direnç değerleri değişir. Positive Temperature Coefficient (PTC) sıcaklık artınca,Negative Temperature Coefficient (NTC) sıcaklık azalınca dirençleri yükselen dirençlerdir.

Foto Direnç (LDR)LDR, Light Dependent Resistor kelimelerinin baş harflerinden oluşan bir kısaltmadır. Bu elemanlarınyapısında yarı iletken madde olarak kadmiyum sülfat (CdSO4) kullanılmaktadır. Aydınlık ortamlardadirenci 10 Ω a kadar düşer. Karanlık ortamda direnci 200MΩ a kadar çıkar. Işığa bağlı olarak direncinindeğişmesi özelliği sayesinde sensör olarak kullanılabilir.


Direnç Bağlantı Tipleri ve Eşdeğer Direnç

Paralel Bağlantı:

Seri Bağlantı:


RENKLER R (kΩ)

Sarı Mavi Turuncu Gümüş

Kahverengi Kırmızı Sarı Gümüş

Gri Yeşil Siyah Altın

Mavi Mor Kahverengi Altın

Beyaz Sarı Kırmızı Gümüş

Kırmızı Kırmızı Kırmızı Altın

4 6 x 103 ± %1046 ± 4,6

1 2 x 104 ± %10120 ± 12

8 5 x 100 ± %50,085 ± 0,00425

6 7 x 101 ± %50,67 ± 0,0335

9 4 x 102 ± %109,4 ± 0,94

2 2 x 102 ± %52,2 ± 0,11


ÖRNEK:

Şekilde verilen devrede A ve B uçları arasındaki eşdeğer direnç değerini hesaplayınız.

2k2 3k3

4k7

10k

1k

2k2

A B

2k2 + 3k3 = 5k5

1

𝑅𝑒ş1=

1

5𝑘5+

1

4𝑘7⇒ 𝑅𝑒ş = 2𝑘5

1

𝑅𝑒ş2=

1

1𝑘+

1

2𝑘2⇒ 𝑅𝑒ş = 0,68 𝑘

𝑹𝒆ş = 𝟐𝒌𝟓 + 𝟏𝟎𝒌 + 𝟎, 𝟔𝟖𝒌 = 𝟏𝟑, 𝟏𝟖 𝒌


Kondansatör Nedir?Kondansatör yada diğer ismiyle kapasitör, elektrik enerjisini elektrik alan olarak depolayan iki uçlu bir devre elemanıdır.Temelde iki adet iletken plakanın arasına yalıtkan bir madde koyulması ile elde edilir. Yalıtkan kısım boş olabileceği gibidielektrik özelliğe sahip bir maddeden de oluşabilir (örneğin kağıt, cam, plastik, seramik, mika vs). Devrede vedenklemlerde C harfi ile gösterilir ve birimi Farad (F)‘dır.

Kondansatör Çeşitleri

Seramik kapasitör: Şekillerinden dolayı aynı zamanda mercimek kapasitör ismiyle de anılırlar. Ses ve RF devrelerinde tercih edilir. Pikofaraddan 0.1mikrofarada kadar kapasitelere sahiplerdir. Ucuz ve güvenilir olmalarından dolayı en sık tercih edilen tipteki kapasitörler arasında yer alırlar.

Elektrolit kapasitör: Polarize tipte (kutuplu) kapasitörlerdir. Yüksek kapasite değerlerini sağlayabilirler (çoğunlukla 1µF ve üzeri). Silindirikyapıdadırlar. Sıklıkla güç kaynağı devreleri ve ses devrelerinde ayırma (decoupling) gibi düşük frekans işlerinde kullanılırlar. SMD (Surface MountDevice – devre kartının yüzeyine lehimlenen) tipte veya through-hole (devre kartındaki deliklere lehimlenecek şekilde) tipte çeşitleri mevcuttur.

Tantal kapasitör: Tıpkı elektrolit kondansatörler gibi tantal kapasitörler de kutuplu yapıdadır. Boyutlarına oranla yüksek kapasite değerlerisunabilirler. Tantal kapasitörlerin ters gerilime toleransları çok düşüktür, yüksek dalgalanma akımları ve gerilimlerine maruz kaldıklarında veyayüksek stres altında patlayabilirler. Bu kapasitörler de SMD ve standart tipte üretilebilirler.

Mika kapasitör: Günümüzde çok fazla kullanılmasa da, yüksek stabiliteye sahip olmaları ve yüksek frekansta çalışabilmeleri sebebiyle boyut kısıtıolmayan RF devrelerinde kullanılırlar. Maksimum 1000pF civarında kapasiteye sahiptirler.

Trimer kapasitör: Kapasite değeri bir tornavida aracılığıyla değiştirilebilen tipteki kapasitörlerdir. Genellikle ekipmanların kalibrasyonu içinkullanılırlar. Hassasiyet ve toleransları oldukça düşük olduğundan genellikle son kullanıcı ürünlerinde tercih edilmezler. Çoğunlukla en düşük 0.5 –10pF ve en yüksek 1 – 120pF arasında değişebilen kapasiteye sahip tipleri mevcuttur.

Süper kapasitör: Süper kapasitörler (ultra kapasitör ismiyle de anılır), 12kF (=12.000 Farad) gibi çok yüksek kapasite değerlerine sahip olabilenkapasitörlerdir. Tipik bir elektrolitik kapasitörün birim hacimde depoladığı enerjinin yaklaşık 10 ile 100 katı kadarını depolarlar. Bu yüksek kapasiteyielde etmek için klasik olarak kullanılan dielektrik malzeme yerine ikili mekanizmaya sahiptirler. Bunlardan birisi elektrostatik, diğeri deelektrokimyasal prensip ile çalışır. Süper kapasitörler şarj edilebilir bataryaların yerini alması için tasarlanmıştır. Elektrikli araçlarda rejeneratiffrenleme ile üretilen enerjiyi depolamada kullanılırlar.


Kondansatör

𝑪 = 𝜺𝟎𝑨

𝒅d

e0

𝑪 =𝑸

𝑽

𝝉 =R.C


C1 C2 C3 Cn

Vi

Kapasitör Bağlantı Tipleri ve Eşdeğer Direnç

Paralel Bağlantı:

Seri Bağlantı:

𝟏

𝑪𝒆ş=

𝟏

𝑪𝟏+

𝟏

𝑪𝟐+

𝟏

𝑪𝟑+⋯+

𝟏

𝑪𝒏

C1 C2 C3V

i

Cn

i1 i2 i3 in

𝑪𝒆ş = 𝑪𝟏 + 𝑪𝟐 + 𝑪𝟑 +⋯+ 𝑪𝒏


ÖRNEK:

Şekildeki devrenin eşdeğer kapasitans değerini hesaplayınız.

𝟏

𝑪𝒆ş=

𝟏

𝟓 𝝁𝑭+

𝟏

𝟑 𝝁𝑭+

𝟏

𝟓 𝝁𝑭+

𝟏

𝟓, 𝟑𝟑 𝝁𝑭⇒ 𝑪𝒆ş = 𝟏, 𝟎𝟖 𝝁𝑭

5 uF

1 uF

2 uF

5 uF

10 uF 5 uF

2 uF

A B

1 uF + 2 uF = 3 uF

1

𝐶𝑒ş=

1

10 𝜇𝐹+

1

5 𝜇𝐹⇒ 𝐶𝑒ş = 3,33 𝜇𝐹

3,33 uF + 2 uF = 5,33 uF


İndüktörlerİndüktörler genel olarak iletken bir telin sargı biçimine getirilmesi ile elde edilir. İndüktörler üzerine sarıldıklarıçekirdeğin türüne göre sınıflandırılırlar.• Hava çekirdekli veya manyetik olmayan malzemeye sarılı indüktörler genel olarak radyolarda televizyonlarda ve

filtre devrelerinde kullanılır.• Demir çekirdekli indüktörler güç devrelerinde ve filtre devrelerinde kullanılır.• Ferrit çekirdekli indüktörler ise yüksek frekans uygulamalarında tercih edilir.

𝑳 = 𝝁𝟎𝑵𝟐𝑨

𝒍𝑳 = 𝝁𝟎

𝑵𝟐𝑨

𝟐𝝅𝒓


İndüktörlerSeri Bağlama:

Paralel Bağlama:

L1 L2 L3 Ln

𝑳𝒆ş = 𝑳𝟏 + 𝑳𝟐 + 𝑳𝟑 +⋯+ 𝑳𝒏

L1 L2 L3 Ln

𝟏

𝑳𝒆ş=

𝟏

𝑳𝟏+𝟏

𝑳𝟐+𝟏

𝑳𝟑+⋯+

𝟏

𝑳𝒏

Documents

EEM0108 Elektrik-Elektronik Mühendisliğinde · Elektrik Üretimi, İletimi, Dağıtımı ve Tekniği * Enerji Üretim bileşenleri (güneş paneli, trübin vs.) * Enerji iletimi