Mühendislik Temelleri

    Elektrik mühendisliği, elektriğin incelenmesi, tasarımı ve uygulanması ile ilgili teknik bir disiplindir! Elektrik mühendisliği sayesinde dirençler, kapasitörler, transistörler vb. gibi elektrikli bileşenleri kullanarak cihazlar ve sistemler tasarlayabiliriz. Elektrik Mühendisleri, süper düşük güçlü mikrodenetleyiciler, PCB Tasarımı, yüksek güçlü türbinler, navigasyon sistemleri vb. öğeler tasarlayabilir ve bunlar üzerinde çalışabilir.

 

Metrik Önekler ve Uluslararası Birimler Sistemi ( SI Birimleri ):

    Elektrik mühendisliğine girerken, yaygın elektronik birimleri ve önekleri bilmek önemlidir. 

Miktar	SI Birimi	Kısaltma
Gerilim	Volt	V
Geçerli	amper	A
Güç	watt	W
Enerji	Joule	J
Elektrik yükü	Coulomb	C
Direnç	om	Ω
Kapasite	farad	F
Endüktans	Henry	H
Frekans	Hertz	Hz

 

Önek	Güç	Sayısal Gösterim
tera (T)	1012	1 trilyon
giga (G)	109	1 milyar
mega (M)	106	1 milyon
kilo (K)	103	1 bin
Önek yok	100	1 birim
milli (m)	10-3	1 bininci
Mikro (μ)	10-6	1 milyonuncu
nano (n)	10-9	1 milyarıncı
pico (p)	10-12	1 trilyonuncu

 

Elektrik nedir?

    Elektrik, günlük hayatımızda her yerdedir. Herhangi bir elektronik ekipman kullanmasanız bile, elektrik sinyalleri vücudunuza ne yapması gerektiği konusunda talimat vermek için sinir sisteminizden geçer.

    Elektrik kısaca elektrik yükünün akışı olarak tanımlanır, ancak bundan çok daha fazlası vardır. Elektronik ile uğraşırken, esas olarak mevcut elektrikle uğraşacaksınız. Ancak, kendinizi şu soruyu sorarken bulabilirsiniz: "Masraflar nereden geliyor? Onları nasıl hareket ettiririz? Nereye taşınıyorlar? Bir elektrik yükü nasıl mekanik harekete neden olur veya nesnelerin aydınlanmasını sağlar? Elektriği açıklamaya başlamak için, maddenin ve moleküllerin ötesine, yaşamda etkileşime girdiğimiz her şeyi oluşturan atomlara odaklanmamız gerekiyor. Elektrik dediğimiz doğa olayıyla ilgili öğreticimizle dalın veya hızlı bir tazeleme yapın.

 

Elektrik gücü

    Elektroniklerin çalışması için güce ihtiyaçları vardır. Telefonlarımız şarj edilebilir pillerinden güç alıyor ve bilgisayarlarımız 12 veya 18 Volt DC'ye dönüştürülen 120 ( veya 220 ) Volt AC prizinden güç alıyor. Elektronik söz konusu olduğunda güç en temel kavramlardan biridir.

    Genel olarak, daha fazla güç, daha fazla enerji anlamına gelir. Yukarıdan çeşitli SI birimlerini kullanarak gücü hesaplayabiliriz. Enerji, joule cinsinden ölçülür ve güç, belirli bir süre boyunca enerjinin bir ölçüsüdür; Bu nedenle, enerjiyi "watt" olarak da bilinen saniyede joule olarak ölçebiliriz.

    Bir watt'ı hesapladıktan sonra, gücü hesaplamak için daha yaygın bir denklem kullanabilirsiniz. 

 

Tel ile çalışma

Tel ile Çalışma

 

    Elektrik teli iki farklı biçimde gelir: katı çekirdek veya çok telli çekirdek. Katı çekirdek, katı bir teldir ve çok telli çekirdek, tümü bir grup halinde toplanmış birçok katı teldir. Örgülü tel, katı çekirdekten çok daha esnektir, ancak bir devre tahtasında veya PTH lehimleme sırasında kullanılması daha zordur.

    Teller ayrıca farklı ölçülerde gelir. Bir telin ölçüsü veya kalınlığı, bir telin güvenli bir şekilde kaldırabileceği akım miktarını belirlemek için kullanılır - genel olarak, tel ne kadar kalınsa, o kadar fazla akım taşıyabilir. Çoğu tel sıyırıcı, kolay ve doğru tel sıyırma için karşılık gelen ölçü yuvalarına sahip olacaktır ve uçlarını sıyırarak, birbirine lehimleyerek ve ardından açıkta kalan teli ısıyla daralan elektrik bandı veya başka bir kılıf malzemesi ile yeniden kılıflayarak telleri birleştirebiliriz. 

 

Konektörle ilgili temel bilgiler

    Konektörler, devrelerin farklı bölümlerini bir araya getirmek için kullanılır. Birçok bağlayıcı türü vardır ve hepsi cinsiyetlidir.

    Örneğin, telefonunuzu şarj etmek için duvar prizinden gelen güç adaptörü yaygın bir konektör türüdür. Başka bir konektöre takılırsa, erkek konektör olduğu söylenir, başka bir konektör tarafından takılırsa dişi konektördür. Çoğu konektörün bir polaritesi vardır; Örneğin, modern dübellerin tapa kanatları için iki farklı genişliği vardır. Bu konektör polarizedir, çünkü duvara yalnızca tek yönde takılır.

 

Devrelere Giriş

    Her elektronik projesi bir devre ile başlar. Burada bir devrenin temelleri hakkında konuşacağız, Ohm Yasasını gözden geçireceğiz, bir devrenin seri mi yoksa paralel mi olduğunu nasıl anlayacağımızı tartışacağız ve opamplar hakkında konuşacağız. 

 

Devre nedir?

    Bir devreyi, aynı yerde başlayan ve duran dairesel bir yoldaki elektrik akımının akışı olarak düşünebilirsiniz. 

Şekil 1: Temel Devre

 

    Bir voltaj kaynağı kullanırken, devreye "yük" olarak bilinen şeyi ekleriz. Bu LED'ler, dirençler vb. olabilir. Temel olarak, elektrik akımı daha yüksek bir voltajdan daha düşük bir voltaja akmak istediği için voltaj düşüşüne neden olacak herhangi bir şey.

Şekil 2: Kısa Devre

 

    Devrede yük yoksa, bu bir kısa devredir. Bu tehlikelidir, çünkü akım akışını kısıtlayacak hiçbir şey yoktur ve yanmış kablolar, voltaj kaynağında hasar veya hızlı bir şekilde boşalmış ( veya patlamış! ) bir pil ile sonuçlanabilir. 

Şekil 3: Açık Devre

 

    Bu, eksik bir devre olan açık veya bozuk bir devredir. Kısa devre gibi tehlikeli olmasa da, voltaj bileşenlere ulaşamayacağı için sonuçta çalışamaz. 

 

Gerilim, akım, direnç ve Ohm Kanunu

    Elektronik dünyasını keşfederken, voltaj, akım ve direncin temellerini anlayarak başlamak çok önemlidir. Bunlar, elektriği manipüle etmek ve kullanmak için gereken üç temel yapı taşıdır. 

    Sabit bir voltaj kaynağı ile akım ve direncin nasıl değiştiğini görebiliriz. Yüksek dirençle, yükten geçen çok düşük akım olacaktır. Düşük bir dirençle tam tersini göreceğiz. Diğer niceliklerden 2'sini bildiğimiz sürece herhangi bir elektriksel özelliği ( güç, voltaj, akım veya direnç ) belirlemek için Ohm yasasını güç denklemi ile birlikte kullanabiliriz.

 

Seri ve paralel devreler

Dört benzersiz renkli düğüm içeren örnek şematik

 

    Basit devreler ( yalnızca birkaç bileşene sahip olanlar ) genellikle oldukça basittir, ancak diğer, daha karmaşık bileşenler söz konusu olduğunda işler yapışkan hale gelebilir. İşte bu noktada seri ve paralel devreler devreye giriyor.

Seri devre

 

    Seri devreler ile paralel devreler arasındaki farka bakıldığında. Öncelikle bir düğümün ne olduğunu bilmemiz gerekir, bu şekilde bir devrenin seri mi yoksa paralel mi olduğunu belirleyebiliriz. Aşağıdaki şekle atıfta bulunarak, R2, R3 ve R4'ün hepsinin aynı düğüme bağlı olduğunu görebiliriz ( Deniz mavisi kablo ). Paralel bir devreyi temsil eden akımın bölüneceği yer burasıdır. R1 ve R2 arasında bir düğüm vardır, ancak akım bölünmez, bu nedenle bu bir seri devre örneğidir.

Paralel devre

 

    Unutmayın: iki bileşen, ortak bir düğümü paylaşıyorlarsa ve içlerinden aynı miktarda akım geçiyorsa seridir. İki bileşen iki ortak düğümü paylaşıyorsa, bunlar paraleldir. 

 

Şema okuma

    Şemalar, devreleri tasarlamak, oluşturmak ve sorun gidermek için haritalardır. Şemaların nasıl okunacağını ve takip edileceğini anlamak, herhangi bir elektrik mühendisi için önemli bir beceridir.

    Transistörlerden anahtarlara kadar bir devrenin her parçasının kendi şematik sembolü vardır. 

 

Kullandığımız Araçlar

    Yukarıda listelenen tüm elektronik konularındaki yeterliliğe ek olarak, elektrik mühendislerinin çok sayıda farklı aleti kullanabilecek bilgi ve beceriye de sahip olmaları gerekmektedir. Bazı temel unsurları gözden geçirelim.

 

Multimetre

    Muhtemelen bir elektrik mühendisinin cephaneliğindeki en vazgeçilmez araç bir multimetredir. Bir multimetre, voltaj ve akımı ölçmenin yanı sıra devreleri teşhis etmenize, mevcut elektronik tasarımlar hakkında bilgi edinmenize ve hatta bir pili test etmenize de yardımcı olabilir. Ayrıca, izlerin ve bileşenlerin doğru şekilde bağlandığından emin olmak için bir süreklilik testi de yapabilirler.

 

Breadboard ( Devre Tahtası )

    Breadboard'lar, devrelerin nasıl oluşturulacağını öğrenmenin en temel parçalarından biridir. Bileşenleri değiştirmek, sorunları teşhis etmek ve lehimlemeye gerek kalmadan test etmek kolay olduğu için prototipleme için genellikle bir devre tahtası kullanılır. 

 

Osiloskop

    Bir sinyalin analiz edilmesi gerektiğinde ( genlik, periyot, saat döngüsü vb. ) bir osiloskop kullanılır. Bir osiloskopun probu, sürekli ve ayrık gibi çeşitli sinyal türlerini okur, böylece hem analog hem de dijital sinyaller kullanıcıya gösterilebilir. 

    Güvenilir o-scope çok yönlüdür ve aşağıdakiler de dahil olmak üzere çeşitli sorun giderme ve araştırma durumlarında kullanışlıdır: 

• Bir devrenin giriş, çıkış veya dahili sistemlerinde hata ayıklamada kritik olabilecek bir sinyalin frekansını ve genliğini belirleme. Bundan, devrenizdeki bir bileşenin arızalı olup olmadığını anlayabilirsiniz. 
• Devrenizde ne kadar gürültü olduğunu belirleme. 
• Bir dalganın şeklini belirleme -- sinüs, kare, üçgen, testere dişi, kompleks vb. 
• İki farklı sinyal arasındaki faz farklarının ölçülmesi. 

 

Havya

    Lehimleme, elektronikle çalışırken ihtiyaç duyulan en temel becerilerden biridir. Başlamak için sadece bir ütü, lehim ve lehim uçlarına ihtiyacınız var. 

    Lehimlemeyi öğrenmek isteyip istemediğinizi bilmek için başka yararlı terimler ve araçlar da vardır. Uç, ütünün ısınan ve lehimin birleştirilen iki bileşenin etrafında akmasına izin veren kısmıdır. Çoğu havya, biri hasar görmüşse veya eldeki görev için farklı bir uca ihtiyacınız varsa, ucu değiştirme seçeneğine sahiptir. Lehim fitili, lehimi çıkarmanıza izin verir, böylece bir bileşeni taşımak daha kolaydır. Uç kalay, lehim ucunda oluşan oksidasyonu giderir, böylece ucunuzdan en fazla ısı transferini elde edebilirsiniz. Akı son derece kullanışlıdır – kurşunsuz lehim akışını sorunsuz bir şekilde iyileştiren kimyasal bir maddedir.

 

Analog ve Dijital Sinyaller

    Bir sinyal, devrenin çeşitli bileşenlerle nasıl etkileşime girdiğini görsel olarak görmemizi sağlayan, zamanla değişen bir nicelikten oluşur. Bizim için, zamanla değişen bu miktar büyük olasılıkla voltaj veya akımdır. Elektronikle çalışmak söz konusu olduğunda, hem giriş hem de çıkış olarak ortaya çıkabilen hem analog hem de dijital sinyallerle ilgileniriz. Yarattığımız projelerin gerçek, analog dünya ile bir şekilde etkileşime girmesi gerekir, ancak çoğu mikroişlemci, bilgisayar ve mantık devresi tamamen dijital bileşenler kullanılarak oluşturulur. 

 

Analog

    Analog sinyaller, y ekseninde voltaj ve x ekseninde zaman ( genellikle saniye cinsinden ) ile düzgün bir sürekli çizimdir. Bir analog sinyal örneği şekil 6'da görülebilir. En yaygın analog bileşenlerden bazıları dirençler, kapasitörler, indüktörler, diyotlar ve transistörlerdir. 

 

Dijital

    Dijital sinyaller sonlu bir olası değerler kümesine sahip olmalıdır. Çoğu dijital sinyal iki sabit değer arasında salınır. Bir analog sinyal örneği şekil 7'de görülebilir. Entegre devreler arasındaki çoğu iletişim, daha sonra daha ayrıntılı olarak ele alacağımız seri iletişim, I2C ve SPI gibi dijitaldir.

 

Analogdan dijitale dönüştürme ( ADC )

    Çoğu mikrodenetleyicide, dış dünyadan gelen bir analog sinyali okumamıza ve onu dijital bir sinyale dönüştürmemize izin veren yerleşik bir ADC bulunur. Çalıştığınız kartın ADC pinlerine sahip olup olmadığını bileceksiniz, çünkü çoğu kart üreticisinin etiketinin önünde bir "A" olacaktır ( örneğin A0- A7 ). 

    Dijital sinyallerle çalışmak daha kolaydır çünkü sadece iki sabit değerden oluşurlar. Örneğin, dijital sinyal 5V veriyorsa, bunu ikili olarak 1'e dönüştürebiliriz, bu da aktif bir pini ( yüksek pin ) gösterir. Çıktı 0V ise, bunu ikili olarak 0'a dönüştürebiliriz, bu da pinin kapalı olduğunu gösterir.

 

Analoga Dalış

    Burada en yaygın analog bileşenleri tartışacağız: kapasitörler, diyotlar, voltaj bölücüler ve transistörler. 

 

Kondansatörler

    Kondansatör, iki terminalli bir elektrik bileşenidir. Dirençler ve indüktörlerle birlikte kullandığımız en temel pasif bileşenlerden biridir. 

    Akım bir kondansatöre aktığında, yük, yalıtkan dielektrikten geçemediğinde plakalara yapışır. Elektronlar plakalardan birine yapıştığından, kondansatör negatif yüklü hale gelir. Bir plakadaki negatif yük, karşı plakadaki benzer yükleri iterek onu pozitif yüklü hale getirir. Bu plakalar üzerindeki sabit yükler, voltajı etkileyen bir elektrik alanı oluşturarak kapasitörün şarj olmasına neden olur. Aşağıdaki denklem ile bir kondansatördeki yükü hesaplayabilirsiniz.

    Bir kondansatörden geçen akımı hesaplamak için aşağıdaki denklemi kullanırız:

    Burada, dv/dt voltajın türevidir. Voltaj sabitse, kondansatörden geçen akım 0'dır çünkü sabit bir sayının türevi 0'dır. Bu nedenle akım, sabit bir voltaj tutan bir kondansatörden akamaz. 

 

Diyot

    Bir diyotun işlevi, akım akış yönünü kontrol etmektir.DiyotBir diyottan geçen akım sadece bir yönde gidebilir - ileri.

    Ters yönde akmaya çalışan akım engellenir.DiyotBir diyot üzerindeki voltaj negatifse, akım akamaz ve ortaya çıkan devre açık devre görevi görür; Bu durumda diyotun ters taraflı olduğu söylenir.DiyotBir diyotun iki terminali vardır: anot ( pozitif terminal ) ve katot ( negatif terminal ).DiyotAşağıda diyot özellikleri ile ilgili bir tablo bulunmaktadır.

Çalışma Modu	Açık ( İleriye Yönelik )	Kapalı ( Ters Taraflı )
Geçen Akım	Ben > 0	Ben = 0 olur
Gerilim Boyunca	V = 0 olur	V < 0
Diyot gibi davranır	Kısa Devre	Açık Devre

    Bir diyotun arıza adı verilen üçüncü bir özelliği vardır.DiyotDiyot boyunca uygulanan voltaj çok büyük ve negatif olduğunda, katottan anoda ters yönde çok fazla akım akabilecektir.Diyot

    LED'ler normal diyot görevi görür ve akımın yalnızca bir yönde akmasına izin verir.DiyotAyrıca, yanmaları için gereken voltaj olan bir ileri voltaj derecesine sahiptirler.Diyot

 

Gerilim Bölücüler

    Voltaj bölücü, büyük bir voltajı daha küçük bir voltaja dönüştüren bir devredir. 

    Sadece iki seri direnç ve bir giriş voltajı kullanarak, girişin bir kısmı olan bir çıkış voltajı oluşturabiliriz. Gerilim bölücüler, elektronikteki en temel devrelerden biridir. Bunların birkaç farklı şekilde çizildiğini görebilirsiniz, ancak her zaman temelde aynı devre olmalıdırlar. Ve unutmayın, sisteminizin akım çeken herhangi bir parçası ağa başka bir direnç eklemek gibidir, bu nedenle herhangi bir düğümdeki tüm potansiyel yükleri dahil etmeyi unutmayın!

    Çıkış voltajını ( veya diğer değerlerden birini ) hesaplamak için kullanılan denklem aşağıdaki gibidir. 

 

Dijitale Dalış

    Burada, bir bilgisayarın verileri nasıl okuduğu ( 1'ler ve 0'lar ) ve mantık kollarının nasıl çalıştığı olan ikiliyi tartışacağız. 

 

İkili

    Çoğu insan, sayıları ondalık değerler veya 10 tabanlı sayı sistemi olarak düşünmeye alışkındır. Bununla birlikte, elektronik, ikili veya 2 tabanlı sayı sistemindeki sayıları düşünün. İkilinin ayrıca bitsel operatörleri vardır: tümleyen, ve, veya, & xor.

	Dize 1	Dize 2
Operatör	11110000	10101010
İltifat	00001111	01010101

 

veya	10100000
veya	11111010
Xor	01011010

    Burada, iltifatı hesaplarken yukarıda tanımlanan aynı iki dizeyi kullanıyoruz. 

 

Mantık düzeyleri

    Mantık seviyesi, bir sinyalin var olabileceği bir durumdur. Genellikle dijital devrelerde bu durum ya açık ya da kapalı, ikili olarak sırasıyla 1 veya 0'dır. Günümüzde birçok mikrodenetleyici de aktif-düşük ve aktif-yüksek pinlerine sahiptir.

    Aktif-düşük pinler toprağa bağlanarak çekilmeli ve aktif-yüksek pinler mikrodenetleyici datasheetine bağlı olarak genellikle 3.3V veya 5V olan giriş voltajına bağlanmalıdır. 

 

Haberleşme Protokolleri

    Birçok iletişim protokolü iki kategoriye ayrılabilir: paralel veya seri iletişim. Paralel arayüzler aynı anda birkaç bit aktarır ve verileri aktarmak için bir veri yolu gerektirirken, seri arayüzler verileri her seferinde bir bit aktarır. Seri iletişimin uyulması gereken birkaç kuralı vardır:

• Veri bitleri: Göndermek istediğiniz veriler ( ASCII karakteri gibi ) 8 bitlik bir sayıya dönüştürülür. 
• Senkronizasyon bitleri: Başlangıç bitleri ve durdurma bitleri, bir paketin başlangıcını ve bitişini başlatır. Her zaman yalnızca bir başlangıç biti vardır, ancak en fazla iki durdurma biti olabilir. 
• Eşlik bitleri: İsteğe bağlı olan ve veri aktarımını yavaşlattığı için nadiren kullanılan düşük seviyeli hata kontrolü. 
• Baud hızı: Verilerin bir seri hat üzerinden ne kadar hızlı gönderildiği - bit/saniye ( bps ) birimleriyle ifade edilir. 

 

Evrensel Asenkron Alıcı/Verici ( UART )

    Evrensel asenkron alıcı/verici ( UART ), hem paralel hem de seri arayüzlere sahip olarak seri iletişimi uygulayan bir bloktur. 

    Bir taraf ( paralel ) veri hatlarından oluşur ve diğer taraf ( seri ) gönderme ( TX ) ve alma ( RX ) hatlarına sahiptir. TX'i asla TX'e ve RX'i RX'e bağlamayın! Kablolar çaprazlanmalı, TX RX'e bağlanmalı ve RX, ayrı seri iletişim cihazları arasında TX'e bağlanmalıdır. UART'lar bağımsız IC'ler olarak bulunur, ancak daha yaygın olarak mikrodenetleyicilerin içinde bulunurlar. 

 

Seri çevre birimi arabirimi ( SPI )

    SPI, mikrodenetleyiciler ile sensörler ve SD kartlar gibi küçük bileşenler arasında veri göndermek için kullanılan bir arabirim veri yoludur. 

    SPI, seri iletişimden biraz farklı bir şekilde çalışır - asenkron bir veri yolu yerine senkron bir veri yolu kullanır. Bunu akılda tutarak, veriler için ayrı hatlar ve hem alıcı hem de verici tarafı birbiriyle mükemmel bir senkronizasyon içinde tutan bir saat kullanır. Saat, alıcıya veri hattındaki bitleri tam olarak ne zaman örnekleyeceğini söyleyen salınımlı bir sinyaldir. Bu, saat sinyalinin yükselen veya düşen kenarıdır. Alıcı bu kenarı algıladığında, bir sonraki biti okumak için hemen veri hattına bakacaktır. SPI'nin popüler olmasının bir nedeni, alıcı donanımın basit bir kaydırma kaydı olabilmesidir - asenkron seri iletişim için gerekli olan UART'tan daha basit ve daha ucuzdur. 

 

I2C

    Entegrasyonlar Arası Devre ( I²C ) Protokolü, birden fazla "bağımlı" dijital entegre devrenin ( "çipler" ) bir veya daha fazla "ana" çip ile iletişim kurmasına izin vermek için tasarlanmıştır. 

    SPI gibi, yalnızca tek bir cihaz içinde kısa mesafeli iletişim için tasarlanmıştır. ASI'ler ( RS-232 veya UART gibi ) gibi, bilgi alışverişi için yalnızca iki sinyal kablosu gerektirir. SparkFun'un Qwiic Connect Sistemi, farklı sensörlerin, aktüatörlerin, ekranların ve daha fazlasının polarize bir kabloyla papatya dizilimi ile birbirine bağlanmasına izin vermek için I²C'nin avantajlarından yararlanır.