ENDÜSTRİYEL ELEKTRONİK - H. Hakan Kuntman
ÖNSÖZ
Elektronik düzenler, günümüzde, günlük hayata gittikçe yaygınlaşarak girmekte, evlerde, bürolarda, taşıtlarda, araştırma-gelıştirme laboratuarlarında, fabrikalarda çok sayıda elektronik düzen çeşitli sistemlerin kullanımı ve denetimine yönelik hizmet vermektedir. Bu nedenle, çeşitli amaçlara yönelik teknik düzenleri tasarlayacak sistem tasarımcıları açısından, elektronik düzenler ve bunların yetenekleri büyük önem taşımaktadırlar. Günümüzde baş döndürücü bir hıza ulaşan teknolojik gelişmelerin itici gücü olarak nitelendirilebilecek olan elektronik endüstrisi, mikroişlemci veya bilgisayar denetimli düzenleri gerçekleştirmesi ve gündelik hayata yerleştirmesi nedeniyle yeni bir endüstriyel devrim yaratmıştır. Mikrobilgisayarların devreye girmesiyle insan faktörünün endüstriyel proseslerdeki katkısı giderek azalmış, bunun sonucunda da artık tamamen otomatikleşmiş veya tümüyle robot kontroluna dayalı endüstri kavramı ortaya çıkmıştır.
Endüstriyel sistemlerin ve proseslerin kontrol edilmesi amacına yönelik elektronik düzenlerin tasarımı, gerçekleştirilmesi ve buna yönelik yöntemler, kısaca, endüstriyel elektronik başlığı altında toplanmaktadır. Endüstriyel bir sistemin kontrolü için, genellikle, sıcaklık, basınç, nem, ışık şiddeti gibi fiziksel bir büyüklük bir algılayıcı yardımıyla elektriksel büyüklüğe çevrilmekte, elde edilen elektriksel işaret işlenerek bir kontrol büyüklüğü üretilmekte ve sistemin kontrolü için kullanılmaktadır. Endüstriyel elektronikte kullanılan devre bloklarının amaçlanan hedefe yönelik olarak tasarımının, tasarlanacak sistemin düzgün bir biçimde çalışması ve güvenilir olması açısından büyük önem taşıyacağı açıktır. Bu tür düzenlerin ne şekilde tasarlanması gerekeceğini ve eleman özelliklerinin devre özelliklerini ne şekilde etkileyeceklerini bilen kaliteli mühendislere ve teknik elemanlara duyulan gereksinme de gittikçe yaygınlaşarak artmaktadır.
Endüstriyel Elektronik isimli bu kitap, söz konusu gereksinimi karşılamak üzere gerekli olan bilgi birikimini oluşturmak amacıyla hazırlanmıştır. Kitap, işlemsel kuvvetlendiricilerin lineer ve lineer olmayan uygulamaları, lineer ve anahtarlamalı güç kaynakları, güç MOSFET'leri, A/D ve D/A çeviriciler, elektronik düzenlerin bilgisayar destekli tasarımı konularını içermektedir. Konular ele alınırken, endüstriyel denetim sistemlerinde kullanılacak düzenlerin elektriksel özelliklerine ve elektronik yanma ağırlık verilmiştir. Bu açıdan bakıldığında, kitabın
klasik endüstriyel elektronik kitaplarına göre oldukça farklı bir yaklaşımla yazıldığı söylenebilir.
Kitabın ilk dört bölümü, İTÜ Elektrik-Elektronik Fakültesi Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü ders programında yer alan Endüstriyel Elektronik dersinin içeriği göz önünde alınarak düzenlenmiştir. Bu konulara ek olarak, A/D ve D/A çeviriciler, elektronik düzenlerin bilgisayar destekli tasarımı konularını içeren iki ek bölüm bulunmaktadır.
Konuya genel bir bakışın yer aldığı giriş bölümünden sonra gelen Bölüm-2, en yaygın kullanılan devre bloklarından biri olan işlemsel kuvvetlendiricilerin lineer ve lineer olmayan uygulamalarına ayrılmıştır. Çeşitli uygulamalar için gerekli olan akım kaynağı, kuvvetlendirici, karşılaştırıcı, integral ve türev alıcı, logaritmik kuvvetlendirici, ters logaıitmik kuvvetlendirici, AC-DC çevirici, etkin değer ölçü düzeni, osilatör, fonksiyon üreteci, güç kuvvetlendiricisi gibi lineer ve lineer olmayan devre yapılarının işlemsel kuvvetlendiriciler ve ek devre elemanlarının biraraya getirilmesiyle ne şekilde gerçekleştirilecekleri, bu devrelerin özelliklerinin işlemsel kuvvetlendiricilerin karakteristiklerine nasıl bir bağımlılık gösterecekleri, devrelerin çalışma sınırlarının ne olacağı, bu bölümün akışı içinde ayrıntılı olarak ele alınmaktadır.
Bölüm-3, lineer ve anahtarlamalı güç kaynaklarına ayrılmıştır. Endüstride kullanılacak çeşitli sistemlerin besleme gerilimlerini üretmek üzere, çıkışından büyük güçlerin çekilebildiği güç kaynaklarına da sıkça gereksinme duyulacağı ve bu tür güç kaynaklarının veriminin de yüksek olmasının isteneceği de açıktır. Lineer güç kaynaklarının veriminin düşük olması, bu tür güç kaynaklarıyla büyük güçlü devrelerin beslenmesini pratik olarak olanaksız kılmaktadır. Anahtarlamalı güç kaynakları bu soruna çözüm getirmektedir. Bölümün baş tarafında, lineer gerilim regülatörü tümdevrelerinm temel özelliklerine ve temel karakteristik özelliklerine değinilmiş, lineer regülatör tümdevreleri ile güç kaynağı tasarımı ele alınmıştır. Daha sonraki kısımda ise, anahtarlamalı güç kaynaklarına yer verilmiş, bunların temel özellikleri, sınıflandırılması, tasarım ilkeleri ele alınarak incelenmiştir.
Bölüm-4, güç MOSFET'leriııe ve bunların uygulamalarına ayrılmıştır. Gerek lineer kontrol düzenlerinde gerekse anahtarlamalı güç kaynaklarında büyük güçleri açıp kapayabilen yahut aktarabilen devre elemanları kullanılması gerekli olmaktadır. Güç MOSFET'leri de bu gereksinime ccvap vermekte ve yaygın bir kullanım alanı bulmaktadır. Anahtarlama süresinin kısa, anahtarlama kayıplarının düşük olması, ikincil belvermenin bulunmaması ve paralel bağlamada sorun çıkarmaması nedeniyle, güç MOSFET'leri gerilim dönüştürücülerinde, anahtarlamalı güç kaynaklarında ve motor kumanda düzenlerinde anahtar olarak gittikçe yaygınlaşarak kullanılmaktadır. Bu bölümde, ilk önce güç MOSFET'lerinın temel özellikleri ele alınarak incelenmiş, daha sonra lineer ve anahtarlamalı çalışma modlarına ilişkin temel devre yapılarına yer verilmiştir.
Bölüm-5, kodlama ve kod çözme düzenlerinin özel bir sınıfı olarak da nitelendirilebilen A/D ve D/A çeviricilere ayrılmıştır. Dijital ve analog işaret işleme, bilgi işlemenin farklı iki modunu oluştururlar. Analog durumda işaretler süreklidir ve kuantalanmış değildir. Dijital durumda ise, işaret ikili tabanda bit'lere, yani 0 ve l'lere kuantaianmıştır. Birçok durumda, işaret işleme sırasında bu iki modun birinden diğerine çevirme gerekli olur; bu da D/A ve A/D çeviriciler üzerinden sağlanır. Bu bölümde, D/A ve A/D çeviriciler temel özellikleri ve devre yapıları açısından ele alınarak incelenmiştir.
Bölüm-6, elektronik düzenlerin bilgisayar destekli tasarımına ve devre simülasyonuna ayrılmıştır. Bilgisayar teknolojisinin ve buna bağlı olarak bilgisayar programlarının gelişmesi, elektronik devrelerin ve sistemlerin bilgisayar destekli olarak tasarlanması olanağını sağlamıştır. SPICE simülasyon programı gibi programlar, devre tasarımcısının tasarladığı büyük çaplı bir elektronik sistemin davranışını sistemi kurmadan bilgisayar ortamında incelemesini mümkün kılmaktadır. Bunun yamsıra, bilgisayarla devre tasarımı amacına yönelik olarak hazırlanmış çeşitli tipten tasarım, çizim ve yerleşim programları da bulunmakta ve yaygın olarak kullanılmaktadır. Sımülasyonu hızlandırmak amacıyla, işlemsel kuvvetlendirici, gerilim karşılaştıncı, OTA, analog çarpma devresi gibi yapı gruplarının temsil edilmesi için, elektronik eleman düzeyindeki modellerin kullanılması yerine makromodellerden yararlanılması yoluna gidilmekte, bu açıdan bakıldığında makromodel kavramı da önem kazanmaktadır. Bu bölümde,işlemsel kuvvetlendirici, gerilim karşılaştıncı, geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (OTA) gibi yapı bloklarının makromodelleri ele alınarak incelenmiş, makromodel yardımıyla devre simülasyonu çeşitli örnekler üzerinde gösterilmiştir.
Kitabın sonunda, ele alman konularla ilgili ve okuyucunun bu alandaki bilgisini pekiştirmeye yönelik problemler yer almaktadır. Problemler, bölümlerdeki konulara göre sıralanmıştır. Yine, kitabın çeşitli bölümleri hazırlanırken yararlanılan
kaynaklar, bu bölümlerin hazırlanışma katkıları açısından önem sırasına göre dizilerek kitabın sonunda verilmiştir.
Kitap hazırlanırken Bölüm-5 ve Bölüm-6'nın çerçevesinin çizilmesinde yardımcı olan yüksek lisans öğrencileri Müh. Erhan Lokmam ve Müh. Haydar Kütüke, kitaptaki şekillerin bir kısmının çizimlerini yapan Ayla Zorlu ve Elif Ay'a, kitabın dizgisini gerçekleştiren Sistem Yayınları elemanlarına, düzeltmelerini titizlikle yapan çalışma arkadaşlarım Ar. Grv. Y.Müh. Nil Tarım, Ar. Grv. Y.Müh. Enis İlker Tekdemir ve Ar. Grv. Y.Müh. Ali Zeki'ye, kitabın yayınlanmasını sağlayan Sistem Yayınlarına teşekkür ederim. Endüstriyel elektronik konusunda türkçe kaynak eksikliğini tamamlayacağını umduğum kitabın konuya yönelecek öğrencilere, daha önce konuyla ilgilenmemiş olan ve bu konuda bilgisini arttırmak isteyen mühendislere ve diğer teknik elemanlara yararlı olmasını dilerim.
Yeşilköy, Mart 1994
H. Hakan Kuntman
2. BASKININ ÖNSÖZÜ
Birinci baskısı 1994 yılında yayınlanmış olan Endüstriyel Elektronik isimli bu kitabın ikinci baskısı hazırlanırken, kitabın bölümleri konulara göre genişletilerek yeniden düzenlenmiş, ayrıca endüstriyel elektronikte büyük önem taşıyan iki konu, algılayıcılar ve mikroişlemci denetimli ölçü ve kontrol düzenleri konulan, iki yeni bölüm olarak kitaba eklenmiştir.
Konuya genel bir bakışın yer aldığı giriş bölümünden sonra gelen Bölüm-2, Bölüm-3 ve Bölüm-4, birinci baskıdaki Bölüm-2’nin üç bölüme ayrılması ve geni şl eti İm esiyl e ol uşturulmuştur.
Bölüm-2, en yaygın kullanılan devre bloklarından biri olan işlemsel kuvvetlendiricilerin lineer uygulamalarına ayrılmıştır.
Bölüm-3 de işlemsel kuvvetlendiricilerin lineer olmayan uygulamalarına yer verilmiştir.
Bölüm-4’de işlemsel kuvvetlendirici dışında kalan Norton kuvvetlendiricisi, işlemsel geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (OTA), enstrümantasyon kuvvetlendiricisi, zamanlama devreleri, analog çarpma devreleri, faz kilitlemeli çevrim devreleri gibi temel analog tüuıdevre blokları ve uygulamaları ana hatlarıyla ele alınıp incelenmiştir.
Bölüm-5’de lineer ve anahtarlamalı güç kaynakları, temel özellikleri, tasarım ilkeleri açısından ele alınarak incelenmiştir. Bölümün sonunda da doğrultucu devrelerine yer verilmiştir.
Bölüm-6, güç MOSFET'lerine ve bunların uygulamalarına ayrılmıştır.
Bölüm-7’de kodlama ve kod çözme düzenlerinin özel bir sınıfı olarak da nitelendirilebilen A/D ve D/A çeviriciler incelenmiştir.
Bölüm-8, elektronik düzenlerin bilgisayar destekli tasarımına ve devre simülasyouuna ayrılmıştır.
Kitaba yeni eklenmiş olan Bölüm-9’da, fiziksel büyüklüklerin elektriksel büyüklüğe çevrilmesini sağlayan algılayıcılara yer verilmiştir.
Kitaba yeni eklenmiş diğer bir bölüm olan Bölüm-lO’da mikroişlemci ve bilgisayar denetimli ölçü ve kontrol düzenleri ele alınmış, bu tür düzenlerin nasıl gerçekleştirileceği ve ne gibi yarar sağlayacakları, seçilen örnek düzenekler üzerinde gösterilmiştir.
Kitabın sonunda, ana bölümlerde ele alman konularla ilgili ve okuyucunun bu alandaki bilgisini pekiştirmeye yönelik problemler yer almaktadır. Problemler, bölümlerdeki konulara göre sıralanmıştır. İlk baskıdakinden farklı olarak,, kitabın çeşitli bölümlen hazırlanırken yararlanılan kaynaklar, bu bölümlerin hazırlanışma katkıları açısından önem sırasına göre dizilerek her bölümün sonunda verilmiştir.
Kitabın ikinci baskısının düzeltmelerini yapan çalışma arkadaşlarım Ar. Grv Y. Müh. Metin Yazgı, Ar. Grv. Y. Müh. Nil Tanın ve Ar. Grv. Y. Müh. Rıza Can Tarcan’a, Sakarya Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi öğretim elemanı Ar. Grv. Y. Müh. Uğur Çam’a, İstanbul Üniversitesi Mühendislik Fakültesi öğretim elemanı Ar. Grv. Y. Müh. Aziz Yılmaz’a, İstanbul Üniversitesi Mühendislik Fakültesi öğretim üyesi ve eşim Doç. Dr. Ayten Kımtman’a, Boğaziçi Üniversitesi öğretim üyesi Y. Doç. Dr. Oğuzhan Çiçekoğlu’na ve kitabın ikinci baskısının yayınlanmasını sağlayan Birsen Yayınevi'ne teşekkür ederim. Endüstriyel elektronik konusunda türkçe kaynak eksikliğini tamamlayacağım umduğum kitabın genişletilmiş ikinci baskısının, konuya yönelecek öğrencilere, daha önce konuyla ilgilenmemiş olan ve bu konuda bilgisini arttırmak isteyen mühendislere ve diğer teknik elemanlara yararlı olmasını dilerim.
H. Hakan Kuntman
İÇİNDEKİLER
ÖNSÖZ
2. BASKININ ÖNSÖZÜ
GİRİŞ
Kaynaklar
İŞLEMSEL KUVVETLENDİRİCİLERİN
LİNEER UYGULAMALARI
Akım Kaynaklan
Yüzen yükler için akım kaynaklan
Bir ucu topraklanmış yükler için akım kaynağı devreleri
Howland akım kaynağı
Büyük akımlı akım kaynağı devreleri
İki yönde akım akıtabilen büyük akımlı akım kaynaklan
Negatif empedans çevirici yapısı ve uygulamaları
Jiratör
Jiratör uygulamaları İntegral alıcılar Türev alıcılar
İşlemsel kuvvetlendiricilerle kurulan özel sinüs osilatörü
yapıları
Kaynaklar
İŞLEMSEL KUVVETLENDİRİCİLERİN LİNEER OLMAYAN UYGULAMALARI
İşlemsel kuvvetlendiriciler ve yarıiletken devre elemanlarının birlikte kullanılmasıyla karakteristikleri lineer olmayan çeşitli türden devrelerin gerçekleştirilmesi
Fonksiyon üreteçleri Logaritmik kuvvetlendiriciler
Üstel fonksiyon devresi, ters logaritmik kuvvetlendirici
Üs alma devresi
Analog çarpma devresi
Bölme ve karekök alma devresi
AC-DC çeviriciler
Presizyonlu doğrultucular
Faz döndürmeyen doğrultucu
Faz döndüren doğrultucu
Çift yollu doğrultucu
Etkin değer ölçme düzenleri
İşlemsel kuvvetlendiricilerin lineer olmayan geçiş karakteristiğinden yararlanılarak gerçekleştirilen devreler
Gerilim karşılaştırdılar
Schmitt tetikleme devreleri
Pencere karşılaştırdılar
Fonksiyon üreteçleri
Frekansı ayarlanabilir osilatör
Darbe-boşluk oranı ayarlanabilir fonksiyon üreteci
Aynı anda 90° faz farklı üçgen ve karedalga işaretleri
üreten üreteçler
Kaynaklar
ANALOG TÜMDEVRE YAPILARI VE UYGULAMALARI
Akım farkı kuvvetlendiricileri temel özellikler
Norton kuvvetlendiricisinin kutuplanması
Tek pozitif kaynaktan kutuplama Referans gerilimi ile kutuplama
Tek bir negatif kaynak ile kutuplama
Ortak modda kutuplama
Akım farkı kuvvetlendiricilerinin uygulama alanları
Değişken işaret kuvvetlendiricileri
Üçgen-karedalga üreteci
İşlemsel geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi, OTA
Gerilim kuvvetlendiricisi
Çoğullayıcı
Geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi ile analog çarpma
devresi gerçekleştirilmesi
OTA-C aktif süzgeçleri
OTA-C osilatörleri
Enstrümantasyon kuvvetlendiricisi
İşlemsel kuvvetlendiricinin çıkış akımının arttırılması
Tümleştirilmiş zamanlama devresi, 555 zamanlama devresi
555 in tekkararlı ikili devre olarak çalıştırılması
555 zamanlama devresinin titreşimli ikili devre olarak
çalıştırılması
Tümleşik analog çarpma devreleri
Faz kilitlemeli çevrim tümdevreleri
Faz kilitlemeli çevrimin yapısı, çalışma ilkesi
Sistemi oluşturan temel bloklar
Akım taşıyıcılar
Akım modlu devrelerin sağladıkları yararlar
Akım taşıyıcının blok gösterimi ve tanım eşitlikleri
Endüstriyel uygulamalarda işaretlerin işlenmesi için yaygın olarak kullanılan işlem blokları Kaynaklar
GÜÇ KAYNAKLARI
Lineer gerilim regülatörü tümdevreleri
Temel devre yapısı
Negatif gerilim regülatörleri
Koruma devreleri
Üç bacaklı gerilim regülatörleri
Seri gerilim regülatörlerinde verim
Temel lineer gerilim regülatörü uygulamaları
Akım kaynağı devresi
Büyük akımlı gerilim regülatörü
Büyük giriş gerilimlerine karşı koruma
Çıkış gerilimi OV'a kadar inebilen regülatör
Büyük çıkış gerilimli regülatörler
Mikroişlemci ve bilgisayar denetimli gerilim regülatörleri
Anahtarlamalı güç kaynakları
Tek uçtan sonlandırılmış bobinli devreler
Aşağıya doğru regülatör
Tasarım ilkeleri, eleman değerlerinin belirlenmesi
Anahtarlama işaretinin üretilmesi
Anahtar ve diyot kayıplarının etkisi
Yukarıya doğru regülatör
Yön çeviren regülatör
Bobinsiz anahtarlamalı regülatörler Primerden anahtarlanmış düzenler
Basit anahtarlamalı düzenler
Puşpul anahtarlamalı düzenler
Yüksek frekans transformatörleri Güç anahtarları Doğrultucular.
Tek fazlı doğrultucu Üç fazlı doğrultucu Kaynaklar
GÜÇ MOSFET LERİ VE UYGULAMALARI
Güç MOSFET'lerinin temel özellikleri
Çıkış özeğrileri Elektrotlararası kapasiteler
Anahtarlama karakteristikleri Güvenli çalışma bölgesi
ısıl model MOSFET'de güç kayıpları Anahtarlama geçiş kayıpları
Geçit üzerinde harcanan sürücü gücü
Savak-kaynak kaçak akımı kayıpları
Ters diyot kayıpları İletim kayıpları
Güç MOSFET'lerinin lineer devre uygulamaları
Çift VBE çoğaltıcılı kutuplama devresi
Sıcaklık kompanzasyonlu akım kaynağı yardımıyla
çalışma noktası stabilizasyonu
Güç kuvvetlendiricisi yapıları
Bir güç işlemsel kuvvetlendiricisinin çıkış gücünün güç
MOSFET'leri yardımıyla arttırılması
Anahtar olarak çalışma
Köprü çalışma
Parazitik diyodun etkisi
Endüksiyonla ısıtma uygulamaları için güç katlan Kaynaklar
D/A ve A/D ÇEVİRİCİLER
Genel bilgiler
D/A çevirmenin prensipleri
Temel kavramlar.
D/A çeviricilerde gerilim ve yük ölçeklemesi
Gerilim ölçekleme
Yük ölçekleme
Analog/Dijital çeviriciler
Genel bilgiler
A/D çevirme işleminin temelleri Kuantalamamn etkileri.
Dinamik aralığı
Sonlu çevirme süresinin etkileri
İdeal olmayan A/D çeviriciler
İntegrasyon tipi A/D çeviriciler
Tek eğimli A/D çeviriciler
Çift eğimli A/D çeviriciler.
Yük dengelemeli A/D çeviriciler
İntegrasyon tipi çeviricide hata kaynaklan
Sayısal rampa tipi A/D çeviriciler
İzlemeli tipten A/D çevirici
Basamak tipi A/D çeviriciler
Ardışıl yaklaşımlı A/D çeviriciler
Paralel A/D çeviriciler Kaynaklar
ELEKTRONİK SİSTEMLERİN BİLGİSAYARLA SİMÜLASYONU
Giriş, makromodel kavramı
İşlemsel kuvvetlendirici makromodelleri
Gerilim karşılaştırıcı makromodeli
Geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi (OTA) makromodeli
Simetrik CMOS-OTA yapısı
Elektronik sistemlerin makromodel kullanılarak simüle edilmesi
Simülasyon örnekleri
Kaynaklar
ALGIYIÇILAR
Algılayıcı kavramı
Rezistif algılayıcılar
Sıcaklığa duyarlı dirençler
Işığa duyarlı dirençler
Dirençli nem algılayıcılar
Ötelenme yahut dönme etkisiyle eleman boyutlarının
değişmesi ilkesine bağlı olarak çalışan algılayıcılar
Endüktif algılayıcılar
Kapasitif algılayıcılar
Termoelektrik algılayıcılar
Piezoelektrik algılayıcılar
Kaynaklar
MİKROİŞLEMCİ DENETİMLİ ÖLÇÜ VE KONTROL DÜZENLERİ
Mikroişlemci denetimli dıpolmetre, dipol momenti
ölçümlerinin mikroişlemci yardımıyla otomasyonu
Otomobiller için mıkrokontrolör denetimli sayısal gösterge panosu
Mikroişlemci denetimli işaret üreteci
Kaynaklar
PROBLEMLER DİZİN