Lab 1 On-Calisma

ELE 201L – Deney 1 Ön-Çalışma
İsim: _____________________
ELE 201L
DEVRE ANALİZİ LABORATUVARI
Deney 1
Temel Elektronik Ölçümler
1. Hazırlık
a. Dersin internet sitesinde yayınlanan ‘Laboratuvar Güvenliği’ ve cihazlarla ilgili bildirileri okuyunuz.
b. Ön-çalışmanız normalde en geç kayıtlı olduğunuz laboratuvar saatinin başında teslim edilmesi
gerekir; ancak, bu ilk deneye mahsus olarak EN GEÇ PAZARTESİ, 23 MAYIS 2016, SAAT
13.30’A KADAR ASİSTANLARA LAB 117 veya LAB 125’DE TESLİM EDİLMELİDİR. Önçalışmanızın okunaklı, çözümlerinizin de muntazam ve tüm hesaplama basamakları gösteriyor
olmaları önem arz etmektedir. Laboratuvar deneylerine devam edebilmek için labın
başlangıcında ön-çalışma sorularıyla ilgili olarak yapılacak yazılı sınavdan geçerli not (%50)
almanız gerekmektedir. BU NEDENLE ÖN-ÇALIŞMA SORULARI LAB SAATİNİZDEN ÖNCE
ÇÖZMENİZİ TAVSİYE EDERİM.
Yazılı sınavı geçmeyen öğrenciler başka bir zaman
düzenlenecek telafi lab saatinde labı yapmak zorundadır. Laba gelmeyerek devamsızlığı olan veya
girilmeyen bir laboratuvarı telafi etmeyen öğrenciler laboratuvar dersinden kalacaktır.
c.
Vaktinde teslim edilmeyen ön-çalışmalara puan verilmeyecektir.
d. Soru çözümlerinizi, deney ölçümlerinizi ve notlarınızı renkli mürekkep kalemiyle yapılmalıdır.
e. Laboratuvara gelirken Deney 1 Föyünü, cihazlarla ilgili referans bildirileri, ve de bir hesap makinesi
getiriniz.
2. Ön-Çalışma Soruları
A. Gerilim ve Akım Kaynakları
İdeal gerilim ve akım kaynakları Şekil 1’deki simgelerle gösterilmektedir. İdeal bir gerilim kaynağı
akımın değerinden bağımsız olarak belirli bir gerilim sağlamaktadır. İdeal bir akım kayanğı ise gerilimin
değerinden bağımsız olarak bir akım sağlamaktadır. Gerçek gerilim ve akım kaynaklar ise Şekil 2’de
gösterildiği gibi bir iç dirençten enerji kaybetmektedir.
Gerilim kaynakların doğrudan birbirlerine paralel bir şekilde, akım kaynakların doğrudan birbirlerine seri
bir şekilde bağlanmaları genelde mantıksız ve tehlikeli bir işlemdir. Şimdi bunun sebebini basit bir
hesapla göreceğiz. Diyelim ki laboratuvarda çalışırken kazaran +5 V’luk ve +15 V’luk gerilim kaynakları
birbirlerine arada bir tampon direnci koymadan bağladınız. Bu hatalı bağlantı tarzı Şekil 3’de
gösterilmektedir.
1
ELE 201L – Deney 1 Ön-Çalışma
İsim: _____________________
Şekil 1: İdeal Kaynakların Devre Modelleri
Şekil 2: Gerçek Kaynakların Devre Modelleri
Şekil 3: Gerilim Kaynakların Tehlikeli Bağlantısı
2
ELE 201L – Deney 1 Ön-Çalışma
İsim: _____________________
Eğer R1 = R2 = 2  ise, R2’den ne kadar akım geçmektedir? Akımın birimini belirtmeyi unutmayınız.
IR2 =
Bir çok gerilim kaynağı 10 W’dan daha fazla güç tüketmeyi kaldıramamaktadır – yani, güç 10 W’ı
aşarsa, cihaz zarar görmektedir. 5 V’luk gerilim kaynağında ne kadar güç tüketilmektedir? Birimi
belirtmeyi unutmayınız.
P5V =
Bu güç seviyesiyle güç kaynağı hasar görecek midir? Cevabınızı işaretleyiniz:
EVET
HAYIR
Şimdi diyelim ki aynı güç kaynakları bir 1 k’luk tampon direnci üzerinden bağladık, Şekil 4’de
gösterildiği gibi. Bu durumda 5V’luk güç kaynağı ne kadar güç tüketmektedir?
P5V =
3
ELE 201L – Deney 1 Ön-Çalışma
İsim: _____________________
Şekil 4: Gerilim Kaynakların Güvenli Bağlantısı
Şimdi güç kaynağı hasar görecek midir? Cevabınızı işaretleyiniz:
EVET
HAYIR
B. Ölçüm Aletleri
Gerçek bir akım ölçer (ampermeter), ideal bir akım ölçere ________________ bağlantılı bir direnç ile
beraber modellenebilmektedir.
Gerçek bir gerilim ölçer (voltmeter), ideal bir gerilim ölçere ________________ bağlantılı bir direnç ile
beraber modellenebilmektedir.
C. Salınımölçer (Oscilloscope) Ölçümleri
Laboratuvarda salınımölçeri etkili kullanmanız açısından ‘XYZ of Oscilloscopes’ dosyasını okumuş
olmanız büyük fayda sağlayacaktır. Bu ön-çalışma sorusunda örnek bir ölçümle sinüsün önemli
parametre değerleri hesaplanacak. Diyelim ki salınımölçer ekranında Şekil 5’deki gibi bir sinüs sinyali
ölçtük. Dikey yöndeki/doğrultudaki (‘vertical sensitivity’) hassasiyetin 5 V/cm ve zaman yönündeki
(‘sweep rate’) hassasiyetin 0.5 ms/cm olduğunu varsayalım.
Sinüsün önemli parametreleri Şekil 5’de gösterilmektedir. Sinüssal sinyallerin genliği kolayca ölçülen
belirgin bir değerdir. Tanımı gereği, sinüsün tepeden tepeye genliği (Vtt: peak-to-peak amplitude) her
zaman genliğin iki katıdır. Ancak, ölçümlerde sıklıkla ‘RMS’ (root-mean-square) genlik kullanılmaktadır,
çünkü sinüslerde olduğu gibi bir çok sinyalin genliği sabit değil, zamanla değişmektedir. Bir sinyalin
RMS genliği bize zaman üzerinden ortalama bir genlik değeri vermektedir. Gerilim ölçerin AC modunda
gösterdiği gerilim değeri de sinyalin RMS değeridir.
4
ELE 201L – Deney 1 Ön-Çalışma
İsim: _____________________
Şekil 5: Sinüsün Genlik ve Dönemlilik Tanımları
Matematiksel olarak, bir sinyalin RMS genliği şöyle tanımlanmaktadır:
𝑇
𝑉𝑅𝑀𝑆
1
= √ ∫|𝑉(𝑡)|2 𝑑𝑡
𝑇
0
1 2𝜋
∫ |𝑠𝑖𝑛(𝑡)|2 𝑑𝑡
2𝜋 0
Dolayısıyla, bir sinüsün RMS genliği 𝑉𝑅𝑀𝑆,𝑠𝑖𝑛ü𝑠 = √
RMS tanımını kullanarak, bir sinüsün RMS genliğini, genliğin 1/
bu ilişkiyi kanıtlayın:
dır.
2 katı olduğunu gösteriniz. Yani,
𝑉𝑅𝑀𝑆,𝑠𝑖𝑛ü𝑠 = 0.707𝑉𝑔𝑒𝑛𝑙𝑖𝑘
İspat:
5
ELE 201L – Deney 1 Ön-Çalışma
İsim: _____________________
Sinüsün dönemliliği ise sinyalin tekrar etmesi için gereken süre olarak tanımlanabilir. Matematiksel
olarak, x(t) sinyal dönemli ise x(t) = x(t+T) ve T sinyalin dönemidir. Frekans dönemin tersi olarak
tanımlanmaktadır:
1
𝑓=
𝑇
Frekansın birimi 1/saniye veya Hz’dır. Açısal frekansı, , hesaplamak için frekans 2 ile çarpılmaktadır:
2𝜋
𝜔=
𝑇
Açısal frekansın birimi ise radyan/saniye (rad/s) dır. Radyan açısal bir birim olduğu için alışkın
olduğumuz derece birimiyle de ilişkilidir: örneğin: 90° =  rad, ve 180° =  rad.
Şimdi Şekil 6’da verilen salınımölçer ekran görüntüsünü ele alalım. Daha önce verilen salınımölçer
hassasiyet değerlerini dikkate alarak sinüsün parametre değerlerini hesaplayınız ve cevaplarınızı
verilen tabloda doldurunuz.
Şekil 6: Salınımölçer Ekranı
Sinüs Ölçümü
Parametre
Birimler
Genlik
Volt
Tepeden tepeye genlik
Volt
RMS genlik
Volt
Dönem
Ms
Frekans
Hz
Açısal Frekans
Rad/s
Değeri
6
ELE 201L – Deney 1 Ön-Çalışma
İsim: _____________________
D. Kirchoff Yasaları: Gerilim Bölücü Devresi
Şekil 7’deki devreyi ele alalım.
Şekil 7: Gerilim Bölücü Devre
Eğer R = 2 M ise gerilim V0’yi hesaplayınız.
V0 =
Şimdi diyelim ki laboratuvarda V0’ı iç direnci 10 M olan bir salınımölçer ile ölçünüz. Bu durumu
temsil eden devreyi çiziniz:
Gerilim V0 ölçümünüzün ne olmasını beklersiniz?
V0 =
7
ELE 201L – Deney 1 Ön-Çalışma
İsim: _____________________
Ölçüm hatasının 1%’den küçük olması için salınımölçer direncin en büyük değeri ne olmalı?
Rosc =
Salınımölçer direncin 10 M olduğu durumunda ne kadar çok akım ölçülen dirençten geçmektedir?
I=
8
ELE 201L – Deney 1 Ön-Çalışma
İsim: _____________________
E. Devre Tahtası (Breadboard/Protoboard) Bağlantıları
Şekil 8’de bir devre tahtası gösterilmektedir. ELE 201 Laboratuvarında bütün devreleriniz buna benzer
bir devre tahtası üzerinde kurulacaktır. Devre tahtasında hangi deliklerin birbirlerine bağlı olduğu
işaretlenmiştir.
Şekil 8: Devre Tahtası Bağlantıları
Şekil 8’i referans olarak kullanarak, Şekil 9’de gösterilen devrenin şemasını aşağıda çiziniz.
Şeması:
Şekil 9: Örnek bir Devre
9
ELE 201L – Deney 1 Ön-Çalışma
İsim: _____________________
Aşağıda verilen boş devre tahtası üzerinde Şekil 10’deki Wheatstone Köprüsünü kurunuz.
Şekil 10. Wheatstone Köprüsü
Ön-Çalışma Bölümü Bitmiştir
ELE 201 dersine kayıtlı olan tüm öğrenciler ödev niyetine tüm ön-çalışma sorularının
çözümlerini yazılı olarak Asistanlara en geç Pazartesi, 23 Mayıs 2016, saat 13.00’a kadar
Lab 125’e veya 23 Mayıs 2016, saat 13.30’da Lab. 117’de teslim etmelidir. Eğer ELE 201
Labına kayıtlı değilseniz bu noktada işiniz bitmiştir. Laboratuvara kayıtlı olan öğrenciler bir
sonra ki lab vaktine takiben verilen Lab Deneyleri gerçekleştirmelidir(ELE201L kayıtlı
öğrencilerin deneye katılabilmesi için bu ön çalışmanın belirtilen zamana kadar teslim
edilmesi gerekmektedir).
10