DENEY 1: MULTISIM DEVRE TASARIM PROGRAMI İLE OHM ve KIRCHOFF YASALARININ İNCELENMESİ Amaç: MULTISIM devre tasarım programının kullanımının öğrenilmesi; Ohm ve Kirchoff yasalarının geçerliliğinin gözlenmesi. Gerekli Malzemeler: Bilgisayar ve NI Multisim programı Teorik Bilgi: MULTISIM: Günümüzde her türlü elektronik devrenin tasarım ve analizinde yaygın olarak kullanılan devre tasarım ve simülasyon programları sayesinde zamandan ve paradan tasarruf sağlanarak bilgisayar başında devre tasarımı ve analizi kolayca yapılabilmektedir. Şekil.1. Multisim açılış ekranı Components Toolbar (Malzeme Araç Çubuğu) Components araç çubuğundaki butonlar aşağıda açıklanmıştır. Her bir buton seçildiğinde ilgili butonun altında kendi grubundan malzeme seçimi yapılabilecek bir pencere ekrana gelir. Instruments Toolbar (Ölçü Aletleri Araç Çubuğu) Ölçü aletleri araç çubuğundaki butonların işlevleri aşağıda açıklanmıştır. Buton Açıklama Multimetre. Function Generator Wattmeter Oscilloscope Four Channel Oscilloscope Bode Plotter Frequency Counter Word Generator Logic Analyzer Logic Converter IV Analyzer: Diyot, transistör gibi komponentlerin akım-gerilim eğrilerini çizer. Distortion Analyzer: Sinyallerdeki bozulmaları ölçer. Spectrum Analyzer: Zaman boyutunda osiloskopun yaptığı işi frekans boyutunda bu cihaz yapar. Frekans genliğini ölçer. Network Analyzer: Genellikle yüksek frekanslarda çalışma için yapılmış devreleri karakterize etmek için kullanılır. Measurement Probe: Çalışılan şematik devre üzerinde herhangi bir hattın üzerindeki gerilim, akım, frekans gibi büyüklükler ölçülmek istendiğinde o hattın üzerine bu probe Mouse ile yerleştirilir. Devreye Eleman Ekleme Ayarları Multisim de devreye eleman ekleme işlemi Component araç çubuğundan elemanın seçilmesi ile başlar. Ancak eleman ekleme penceresinde de dikkat edilmesi gereken bazı hususlar vardır. 1. Pencerede görüldüğü üzere en üstte Database kısmında “devrede kullanacağımız elemanların hangi veritabanından olduğunu” seçmemiz gerekir. Burada Master, Corporate ve User olmak üzere üç çeşit veri tabanı bulunur. Master Multisim programı ile beraber gelen hazır bulunan semboller içerir. Corporate sizin oluşturduğunuz ve programı kullanan herkesin kullanımına açık olan sembolleri içerir. User ise yine sizin oluşturduğunuz ancak sadece sizin kullanabileceğiniz elemanları içeren veri tabanı bölümüdür. Eleman seçimi yapılırken hangi veritabanı kullanılacaksa o seçilmelidir. Bu standart olarak MASTER olmalıdır. 2. Çalışılacak veritabanının belirlenmesinden hemen sonra alt taraftaki Group kısmından hangi eleman grubunun seçileceği belirlenir. Burdaki grouplar Component Araç Çubuğunun aynısıdır! 3. Hangi grubu seçersek o grupla alakalı (family olarak gözüken kısım) eleman listesi karşımıza gelecektir. Ekranda basic seçili olduğundan pasif elemanlar gözükmektedir. Yan tarafta da seçeceğimiz elemanın modeli bilgileri ve şematik görünümü gözükmektedir. Aynı zamanda bu alanda SEARCH tuşuna basılarak veri tabanları içerisinde arama yapılabilir. Şekil.2. Devre elemanı seçme ekranı 4. Yukarıdaki adımlardan sonra elemanı için istenen eleman Component araç çubuğundan tıklanıp sonra da açılan pencereden seçildikten sonra sadece mouse ile çizim alanına bir kez tıklamak yeterlidir. Seçtiğimiz eleman devre çizim alanına yerleşmiş olacaktır. 5. Çizim alanına yerleştirilmiş bir elemanın üzerine tıklayarak istenilen değer verilebilir. 6. Yine eklenen eleman üzerine sağ tıklayarak eleman sağa veya sola döndürülebilir. 7. Elemanların çizim alanına yerleştirilmesinden sonra geriye bu elemanların birbirlerine bağlanması gerekir. Bu sebeple de iki elemanı birbirine bağlamak için iletken bağlantılar çizilir. Çizim alanına eklediğimiz her elemanın pinlari yani bağlantı yapılabilecek uçları vardır. Eğer çizim alanında bir adet düğüm noktası ya da eleman ucu var ise , Mutisim programı otomatik olarak çizim yapma moduna geçecektir. Çizim moduna geçerken mouse işaretcisi ortasında yuvarlak olan bir artı işareti şeklini alacaktır. Devre tasarımı yaparken genellikle ince görünümlü bir çizgi (wire) ya da bus dediğimiz çoklu yol barındıran bağlantılar kullanırız. Çizim yapılırken dönüş yapılacaksa dönülecek noktada farenin sol tuşuna bir kez tıklanır ve o noktadan çizgi yön değiştirebilir. Devreye Ölçüm Cihazı Ekleme ve Ölçüm Yapma Multimetre ekleme ve kullanımı 1. Instrument araç kutusundan Multimeter butonuna tıklanır ve çalışma alanına sembolü yerleştirilir. 2. Akım, gerilim, direnç ve dB(decicell) ölçümlerinden hangisi yapılacaksa o konum seçilmelidir. Şekil.3. Multimetre ekranı 3. Multimetre ile akım değeri ölçülecekse; A kademesi seçilir ve gerçek devrede olduğu gibi devreye seri olarak bağlanır. Şekil.4. Multimetre ile akım ölçümü ekranı 4. Multimetre ile gerilim ölçülecekse; V kademesi seçilir ve gerçek devrede olduğu gibi devreye paralel olarak bağlanır. Şekil.5. Multimetre ile gerilim ölçümü ekranı 5. Multimetre ile direnç ölçülecekse; Ω kademesi seçilir ölçülmek istenen direnç devreden çıkarılır ve dirence paralel şekilde bağlanarak ölçülür. Çalışan devre üzerinde doğru bir direnç ölçümü yapılamaz. Eğer devrede herhangi iki nokta arasında eşdeğer direnç ölçülmek istenirse devredeki kaynaklar kapatılır ve ölçülmek istenen noktalara paralel şekilde bağlanan multimetre ile ölçülür. Şekil.6. Multimetre ile direnç ölçümü ekranı OHM Yasası: Sabit sıcaklıkta ve frekansta bir direncin değeri bu direncin iki ucuna uygulanan gerilimin dirençten geçen akıma oranına ohm yasası denir. Yukarıdaki tanım bağıntılarında R reel katsayısı, direnç elemanının direnci (rezistansı); V katsayısı, iletkenin iki ucu arasındaki potansiyel farkını; I katsayısı ise, iletkenden geçen akım şiddetini ifade etmektedir. Dirençler, kullanılacak yere ve amaca göre çeşitli şekillerde üretilirler. Başlıca direnç çeşitleri; Sabit Dirençler: Fiziksel olarak bir bozulmaya uğramadığı sürece değeri değişmeyen yani aynı kalan dirençlerdir. Değişken Dirençler: Direnç değeri, 0 Ω ile üretici firma tarafından belirlenmiş bir üst sınır aralığında değişen dirençlerdir. Bu dirençler potansiyometre olarak da bilinmektedir. Foto Rezistif Dirençler: Bunların isminden de anlaşılacağı gibi direnç değeri, üzerine düşen ışığın şiddetine göre değişen özel dirençlerdir. Kısaca LDR (Light Dependent Resistor) olarak bilinmektedir. Isıya Duyarlı Dirençler: Direnci ısıya bağlı olarak değişen doğrusal olmayan dirençlerdir (PTC: Positive Temperature Coefficient; NTC: Negative Temperature Coefficient) Tümleşik Dirençler: Yarıiletken teknolojisiyle üretilen jonksiyon dirençler ve ince-film dirençlerdir. Dirençlerin Bağlama Şekilleri ve Eşdeğer Direnç Hesapları: a. Seri bağlama: Dirençlerin aynı akım yolu üzerinde olacak şekilde uç uca eklenmeleriyle oluşan bağlanma şeklidir. Şekildeki R1 ve R2 dirençleri seri bağlanmıştır. A ampermetresinden geçen akım, R1 ve R2 dirençlerinden aynen geçer. Buna göre seri bağlı dirençlerden geçen akımlar birbirine eşittir. I + R1 V - R2 b. Paralel bağlama: İki veya daha fazla direncin, her iki uçlarının kendi aralarında birleştirilmeleri ile oluşan bağlama şeklidir. Üreteçten çıkan ana kol akımı, düğüm noktasında direnç sayısı kadar kola ayrılır. Bu durumda paralel bağlı dirençlerde ana koldan gelen akım paralel bağlı dirençler üzerinden geçerken, direncin büyüklüğüyle ters orantılı olarak dağılır. Böylece dirençler üzerinden geçen akımların toplamı, ana koldan geçen akıma eşit olur. Dirençlerin uçları aynı noktaya bağlı olduğundan dolayı paralel bağlı dirençler üzerindeki gerilim değerleri birbirine eşittir. I + V R2 R1 I= I1+ I2 Düğüm: İki veya daha çok elektronik devre elemanının birbirleri ile bağlandıkları bağlantı noktalarına düğüm adı verilir. Düğüm, akımın kollara ayrıldığı yolların birleşme noktaları olarak da tarif edilebilir. Düğüm noktasını besleyen akımlar (giren akımlar) : İ1, İ3, İ4, İ7 Düğüm noktasından beslenen akımlar (çıkan akımlar) : İ2, İ5, İ6 Bu düğüm için; İ1 + İ3 + İ4 + İ7 = İ2 + İ5 + İ6 Kirchoff’un Akım Yasası (KAY): Bir elektrik devresinde, bir düğümde bulunan kollara ilişkin akımların aynı andaki cebirsel toplamı sıfıra eşittir. Akımların cebirsel toplamı yapılmadan önce düğüm noktası esas alınarak referans bir yön seçilmelidir. Böylece bu yon ile uyumlu olan akım değeri pozitif alınırken uyumsuz olan yon ise negatif olarak alınır. Düğüm noktası bir devre elemanı olmayıp iki veya daha fazla devre elemanlarının bağlandığı nokta olarak tanımlanır. Kirchoff „un Akımlar Yasası denklemine, düğüme doğru yönelen akımlar negatif işaretli, dışarı doğru yönelen akımlar ise pozitif işaretli olarak gireceklerdir. Bunun tersi de olabilir. Çevre: Bir düğümden başlayarak, bu düğüme tekrar gelinceye kadar elektriksel yollar üzerinden sadece bir kez geçmek şartı ile oluşturulan kapalı devreye çevre veya göz ismi verilir. İ1 akımının dolaştığı kapalı çevre için; VS – VR1 – VR2 – VR3 = 0 İ2 akımının dolaştığı kapalı çevre için; VR3 – VR4 – VR5 = 0 Kirchoff’un Gerilim Yasası (KGY): Bir elektrik devresinde kapalı çevre boyunca devre elemanlarının uçlarındaki gerilimlerin cebirsel toplamı kaynak gerilimlerinin cebirsel toplamına eşittir. Gerilimlerin cebirsel toplamı yapılmadan önce referans bir akım yönü seçilir ve bu akımın pasif elemanlar üzerindeki meydana getirdiği gerilim düşümü pasif işaret kuralı gereğince pozitif olarak alınır. Kaynaklarda bu akımın negatif uçtan girmesi durumunda gerilim negatif, pozitif uçtan girmesi durumunda ise pozitif alınır. Sonuçta, bütün gerilimlerin cebirsel toplamı sıfıra eşit olmalıdır. Deney 1: Multisim Devre Tasarım Programı İle Ohm Ve Kirchoff Yasaları SONUÇ RAPORU Öğrencinin Numarası: Öğrencinin Adı Soyadı: İşlem Basamakları: A. Ohm Yasası Uygulaması I R A V Şekil.7 Uygulaması yapılacak 1. devrenin şeması 1. Şekil.7‟deki devreyi Multisim programı üzerine kurunuz. 2. Tablo.1 de verilen gerilim ve direnç değerlerine karşılık gelen akımları hesaplayınız ( Hesaplama belirtilen boşluğa yapılacaktır). 3. Aynı değerler için akımları multisim programında multimetre ile ölçünüz. Ölçüm sonuçlarını Tablo.1‟de belirtiniz. Tablo.1. Şekil.7 hesaplama ve ölçüm tablosu Gerilim Değerleri Direnç Değerleri Koldan geçen I akımının hesaplanması Programda ölçülen değer V= 5V 1kΩ 2kΩ V= 12V 2.5kΩ 5kΩ 4000Ω 9000Ω B. Kirchoff’un Akım Yasası Uygulaması V İ3 İ1 i2 A I R2 R1 A1 R3 A2 A3 Şekil.8 Uygulaması yapılacak 2. devrenin şeması 1. Şekil 8‟deki devreyi Multisim programı üzerine kurunuz. 2. Tablo.2 de verilen gerilim ve direnç değerleri için devreden geçen toplam akım (I) değerini hesaplayınız ( Hesaplama belirtilen boşluğa yapılacaktır). 3. Aynı değerler için tabloda istenen akımları (I, i1, i2, i3) multisim programında multimetre ile ölçünüz. Ölçüm sonuçlarını Tablo.2‟de belirtiniz. Tablo.2. Şekil.8 hesaplama ve ölçüm tablosu V = 12V R1= 100Ω R2= 330Ω R3= 470Ω A (I akımının) değerinin hesaplanması A (I) Ölçüm Değerleri A1 (i1) A2 (i2) A3 (i3) R1= 2.2kΩ R2= 6.8kΩ R3= 10kΩ C. Kirchoff’un Akım Yasası Uygulaması I R1 R2 R3 V Şekil.9 Uygulaması yapılacak 3. devrenin şeması 1. Şekil 8‟deki devreyi Multisim programı üzerine kurunuz. 2. Tablo.3 de verilen gerilim ve direnç değerleri için devreden geçen akımı (I) hesaplayınız. ( Hesaplama belirtilen boşluğa yapılacaktır). 3. Aynı değerler için dirençler üzerindeki gerilimleri multisim programında multimetre ile ölçünüz. Ölçüm sonuçlarını Tablo.2‟de belirtiniz. V = 9V R1= 680Ω R2= 820Ω R3= 1.5kΩ I akımının hesaplanması V1 (R1 gerilimi) Ölçüm Değerleri V2 (R2 gerilimi) V3 (R3 gerilimi) R1= 1kΩ R2= 3.3kΩ R3= 4.7kΩ