Sıfırdan Hobi Elektronik * 1
Aslında bir web programcısı olmama rağmen uzun zamandır hobi olarak elektronik ile ilgileniyorum. Bu alandaki türkçe kaynaklara bir artısı olması açısından da bu konuda bazı yazılar yayınlamaya başladım. Konu hakkında akademik bilgi/eğitim almadım. Yazacaklarım kendi öğrendiklerimden çıkarımlarımdır. Tüm bu yazıları da elektronik notları yayınından veya profilimden takip edebilirsiniz.
Temeller
Elektronik temelde fizik, kimya ve matematik ile ilişkilidir. Elbette bunlarda uzman olmanıza gerek yok, ancak ne kadar çok bilginiz varsa elektronik için o kadar iyi olacaktır.
Doğada iki çeşit elektrik yükü vardır. Pozitif : Artı yük, Negatif: Eksi yük. Bu yüklerle ilgili en temel kural, aynı yükler birbirini iter, zıt yükler ise birbirini çekerdir. Mantık yürütürsek eğer bir elektrik akımının olması için zıt kutuplar arasına bir kablo yerleştirmemiz gerekir. Aynı kutuplar olsa bile bir tarafın yükü diğer tarafdan çok daha fazla olduğunda yine elektrik akımı oluşur.
Elektrik akımı (-) elektronların hareketi ile olur.
Bu noktada bir de anot ve katot’un ne olduğunu öğrenebiliriz. Negatif yüklü cisme katot ve pozitif yüklü cisme anot denir.
Dijital/Analog Elektronik
En çok karşılaşacağınız konulardan biriside dijital veya analog elektronik terimleri olacaktır. Aslında bunlar elektronik sinyallerine verilen isimlerdir. Dijital elektroniği 1 ve 0 gibi düşünebilirsiniz. Dijital elektronikte herhangi bir ara değer yoktur. Elektrik ya vardır ya da yoktur. Var — Yok = 1–0
Analog elektronikte ise sürekli bir akım değeri vardır. 1 olabilir 0 olabilir, bunun yanında 0.55 de olabilir, 0.39 da olabilir. Analog elektrik akımı yavaş yavaş değişebilir ve sürekli bir akım sağlar. Dijital akımda darbeler vardır. Sürekli bir ve sıfır gönderilir. Bir yüksek bir alçak.
Bilgisayarlar, mikroişlemciler, mikrodenetleyiciler dijital elektroniği temel aldıklarından analog akıma göre daha fazla kullanıldığını söyleyebiliriz. Ancak belli yerlerde hala analog akıma ihtiyaç duyulmaktadır.
Devre elemanları
Elektronik için ilk öğrenmeniz gereken devre elemanları Anahtar ve Direnç’tir. Anahtar en basit devre elemanlarından birisidir. Tek yaptığı iş üzerine gelen elektrik akımını kendisinden sonra devam etmesine izin vermek veya engellemektir. Yani anahtardan bir elektrik akımı alırız veya almayız. Direnç ise kendisine gelen elektrik akımının değerini düşürerek çıktı verebilir. Temelde bunun için kullanılmasada gelen akımın üstünde bir direnç bağlayarak çıkan akımı sıfırlayabiliriz.
Dirençler çok çeşitlidir. Aslında devre üstünde elektriği düşüren her eleman dirençtir. Lambalar, ses çıkaran elemanlar, motorlar vb. elemanları mantıken direnç olarak düşünebiliriz. Çünkü hepsi kendilerine verdiğimiz elektrik akımını harcayabilirler. Bunun yanında sadece elektrik akımını azaltmak amacıyla kullanılan dirençler vardır. Bu dirençlerde sabit veya ayarlanabilir şekilde olabilir. Dirençler konusu bir sonraki yazıda baştan sona işleneceği için şimdilik bu kadarla geçiyorum. Ancak dirençler elektriğin temeli için çok önemlidir ve sürekli karşınıza çıkacak birşeydir. Bu yüzden en kısa sürede bu kavramı kafanızda oturtmaya bakın.
Gerilim; iki nokta arasındaki farktan oluşan ve elektronları hareket ettiren kuvvettir. Kaç voltaj şeklinde bir soru vardır ya, hah o voltaj işte gerilim oluyor. Tahmin edeceğiniz gibi birimini Volt. Bir örnek verelim; kalem piller genelde 1,5V gerilime sahiptir, diyebiliriz.
Gerilim arttıkça kontrol etmesi ve izole etmesi zorlaşır, ayrıca insana zarar verme oranı da artar. Bu yüzden pratik de günlük hayatta kullandığımız gerilim 110V ile 380V arasındadır. Ancak elektriği uzak noktalar arası taşıyabilmek içinde yüksek gerilime ihtiyaç duyulur. Türkiye de yüksek gerilim hatları 380.000V’a kadar çıkabilmektedir.
Akım; kabloların arasında hareket eden elektriktir. Genellikle kabloların içerisinde hareket eden elektronlardır. Belirli bir kablo uzunluğundan belirli bir sürede geçen toplam yük miktarına elektrik akımının büyüklüğü denir. Amper olarak duyduğunuz şey tam olarak budur.
Ohm kanunu; aslında burda bir espri yok. Akım, iki nokta arasındaki farkla doğru orantılıdır. Yani iki nokta arasındaki fark artarsa akımda artar. Aynı zamanda akım iki nokta arasındaki dirençle ters orantılıdır. Yani iki nokta arasındaki direnç artarsa akım düşer. Bu kadar basit.
Transistör
İlk olarak 1947 de bulunan bu devre elemanı, elektronikte tam bir devrim yapmıştır. Bu yazının en karmaşık devre elemanı olmasına rağmen bir elektronik devresinin bel kemiği olduğu için en baştan bunun hakkında da bilginiz olması gerektiğini düşünüyorum. Transistör elektroniğe öyle bir yenilik getirmiştir ki bulan kişiye nobel ödülünü kazandırmıştır.
Transistör aslında en başta anlattığımız anahtar gibi kullanılabilir. Bir tarafından girip diğer tarafından çıkan elektriği 3.bir elektrik akımı ile yönetebilirsiniz.
Transistörün çalışma mantığını şöyle anlatabiliriz;
A bölgesi ve B bölgesi isminde iki farklı bölgemiz olduğunu düşünelim. Bu bölgeler silisyum ile dolu olsun. Silisyum atomik yapısı gereği 4 farklı atomla bağ kurabilir. Ancak bağları sağlayan elektronlar bu bağlardan kurtulmak için ekstra elektriğe ihtiyaç duyarlar. Aslında yarı iletken mantığıda burada yatar. Elektriği ileten daha az elektron olur.
Ancak bu A ve B bölgesindeki silisyumun içerisine 5 bağ kurabilen fosfor atomunu atarsanız, fosfordan bir elektronu boşa çıkartmış olursunuz. Böylece daha kolay hareket eden elektronunuz olur. Sonuç olarak artık silisyum daha iletken hale gelir. A ve B bölgelerimiz artık çok daha iletken hale geldi.
Bu bölgelerin arasına bir C bölgesi ekleyelim. Yani A ve B nin arasında bir C bölgesi var ve elektrik A’dan B’ye ulaşmak için C bölgesini geçmek zorunda. C bölgesine de silisyum doldurdum. Ancak bu sefer fosfor kullanmak yerine silisyum içerisine bor atıyorum. Buraya dikkat! Bor toplamda 3 bağ kurabilir ancak silisyum 4 bağ kuruyordu. Yani ortada boşluklar oluşmaya başlamış oldu. Bu deliklerde iletkenliği arttırırlar çünkü elektronlar bu deliklerle çok kolay yer değiştirebilirler.
A ve B bölgesinde fazla elektronlarımız eksi yük olarak davranırlar. C bölgesindeki boşluklar ise artı yük olarak davranırlar. Bu yüzden A ve B bölgesinde eksi olan elektronlar hareket edebilirken, C bölgesinde artı yük gibi davranan boşluklar hareket edebilir. Ancak, bu hareketler ikisininde nötr olduğu gerçeğini değiştirmez!
C bölümünün üstünü yarı iletken bir oksit ile kapatıyorum. Bu düzeneği oluşturduğum zaman A ve B bölümünün kenarlarındaki fazlalık elektronlar, C bölümünün kenarındaki bağlar arasında boş kalan delikleri doldurmaya başlıyor. Böylece A ve B bölümünün kenarlarında boşta gezen elektron kalmaz. Ayrıca C bölümü artı yüklü iken artık kenarları eksi yükle dolmuştur. Bu nedenle A’dan kendisine doğru gelen elektronları geri iterek iletkenliği engeller. Ve transistör A ve B arasındaki iletkenliği engelleyerek ilk işlevini yerine getirir.
Gelelim anahtarı çalıştırıp iletkenliği yeniden nasıl sağlayacağımıza. C bölümünün üzerini yarı iletken bir oksit ile kapatmıştık. Bu yarı iletkene pozitif bir akım gönderdiğimiz zaman, C bölümünün eksi yüklü kısmından yük çekerek, eksi yüklü bölümü küçültür. Ayrıca elektronların geçebileceği iletken bir kanal oluşturur. Böylece transistör artık elektriği A bölgesinden B bölgesine taşımaya başlar.
İnsan eliyle yapamayacağınız hızlarda bu anahtarı elektrik akımıyla çok hızlı kontrol edebiliriz. Ayrıca bu transistörler her gün daha da küçülmeye devam ediyor. Şuan 22nanometre civarındalar. Yani içerisine sadece 50 atom sığıyor!
Moore yasasına göre her iki yılda bir çipin içine sığabilecek transistör sayısı iki katına çıkar. Diğer bir deyişle her iki yılda bir transistörler yarı boyutuna iner. Ama bunun bir limiti var. A ve B arasındaki C alanı küçüldükçe elektronlar kendilerine bir tünel oluşturabiliyor ve sürekli iletken kalıyorlar. Bu limite ulaşmak içinse 10 yıl gibi bir süremiz olduğu tahmin ediliyor.
O zamana kadar transistörler anlattığımız şekilde çalışmaya devam edecektir :)
Bir sonraki yazıda dirençlerle görüşmek üzere…
