Buton ve Anahtarlar

Bir cümlelik özet

Buton ve anahtarlar, bir devrenin yolunu açıp kapatarak elektriğin geçip geçmeyeceğine karar veren basit ama çok önemli parçalardır.

Neden önemli?

Bir önceki derste bir LED'i uygun bir dirençle yakmıştık. Ama o devrede LED, güç bağlı olduğu sürece hep yanıyordu. Gerçek cihazlarda ise bir şeyi istediğimiz anda açıp kapatabilmek isteriz. Işığı yakan düğme, zili çalan tuş, oyun kolundaki tetik hep aynı fikre dayanır.

Anahtar (switch), bir devredeki yolu açıp kapatan parçadır. Yol kapalıyken elektrik geçemez ve LED sönük kalır. Yol açıkken elektrik geçer ve LED yanar.

Bu dersin sonunda bir butona basınca yanan, bıraktığında sönen bir LED devresini kâğıt üzerinde tasarlayabileceksin. Ayrıca bir bilgisayarın veya micro:bit'in butonun basılı olup olmadığını nasıl "okuduğunu" da kavramsal olarak anlayacaksın.

Devre nasıl açılıp kapanır?

Bir devreyi tek bir su borusu gibi düşün. Su, borunun her yeri bağlıysa akar. Boruya bir vana koyarsak, vanayı kapatınca su durur, açınca yeniden akar.

Anahtar tam olarak bu vana gibidir. Devrede iki metal ucu vardır. Bu iki uç birbirine değiyorsa devre kapalı olur ve elektrik akar. İki uç ayrıksa devre açık olur ve elektrik akmaz.

Burada kelimeler biraz kafa karıştırabilir, o yüzden dikkat:

• Kapalı devre (closed circuit): Yol tamamlanmış, elektrik akıyor, LED yanıyor.
• Açık devre (open circuit): Yolda bir boşluk var, elektrik akmıyor, LED sönük.

Şema olarak

Aşağıda bir pil, bir buton, bir direnç ve bir LED'in oluşturduğu devreyi metin şeması olarak görüyorsun. Elektrik pilin artı (+) ucundan çıkar, halkayı dolaşır ve eksi (−) ucuna döner.

[Pil +] --- [Buton] --- [Direnç] --- [LED anot +]
                                          |
[Pil -] ----------------------------- [LED katot -]

Butona basılmadığında butonun içindeki iki uç ayrıktır. Halka tamamlanmadığı için LED yanmaz. Butona bastığında iki uç birleşir, halka tamamlanır ve LED yanar.

Anlık buton mu, kalıcı anahtar mı?

Anahtarların hepsi aynı şekilde davranmaz. İki büyük gruba ayırabiliriz.

Anlık buton (momentary button)

Anlık buton, yalnızca sen üzerine bastığın sürece devreyi kapalı tutar. Parmağını çektiğin anda içindeki yay uçları tekrar ayırır ve devre açılır.

Günlük hayattan örnek: Kapı zili. Zile bastığın sürece çalar, elini çektiğinde susar. Bilgisayar klavyesindeki her tuş da bir anlık butondur.

Kalıcı anahtar (latching switch)

Kalıcı anahtar, bir kez konum değiştirdiğinde o konumda kalır. Sen tekrar hareket ettirene kadar açık ya da kapalı durumunu korur.

Günlük hayattan örnek: Odandaki duvar lambası anahtarı. Bir kez bastığında ışık yanık kalır; tekrar bastığında söner. El fenerinin yan tarafındaki sürgülü anahtar da böyledir.

Şu tablo iki türü karşılaştırır:

Hangisini seçeceğin ne yapmak istediğine bağlıdır. "Basılı tuttukça motor dönsün" istiyorsan anlık buton, "bir kez aç ve öyle kalsın" istiyorsan kalıcı anahtar mantıklıdır.

Buton bir bilgisayara nasıl bağlanır?

Şimdiye kadar buton, LED ile pil arasındaki yolu doğrudan açıp kapattı. Ama micro:bit veya Arduino gibi bir kart kullanırken buton çoğu zaman ışığı doğrudan beslemez. Bunun yerine kart, butonun basılı olup olmadığını okur ve ne yapacağına kendisi karar verir.

Kart, bir bacağındaki (pin) gerilime bakar:

• Gerilim yüksekse (örneğin 3 volt) bunu 1 olarak okur.
• Gerilim sıfıra yakınsa bunu 0 olarak okur.

Sorun şu: butona basılmadığında pinin ucu hiçbir yere bağlı olmayabilir. Bu duruma "boşta" veya İngilizcesiyle *floating* denir. Boştaki bir pin, yakınındaki elektriksel gürültü yüzünden bazen 1, bazen 0 okuyabilir; yani kararsız kalır.

Pull-down direnç fikri

Bu kararsızlığı önlemek için pine küçük bir yol veririz. Pull-down direnç, pini butona basılmadığı sürece nazikçe 0'a (eksi uca) çeken bir dirençtir. "Aşağı çeken" anlamına gelir.

3V ----------------------[Buton]---------+---- Pin (kart okur)
                                          |
                                    [Direnç ~10k]
                                          |
                                         GND (0V)

• Buton basılı değilken: Pin, direnç üzerinden GND'ye bağlıdır, yani 0 okunur.
• Butona basınca: Pin doğrudan 3V'a bağlanır, yani 1 okunur.

Direncin değeri genelde büyük seçilir (örneğin 10 kilo-ohm, yani 10.000 ohm). Bu kadar büyük bir direnç, boşuna akan akımı çok küçük tutar ama pini yine de kararlı bir 0'da tutmaya yeter.

Pull-up direnç fikri

Aynı fikri ters çevirebiliriz. Pull-up direnç, pini basılmadığı sürece nazikçe 1'e (artı uca) çeker. Bu düzende butona basılınca pin 0 okunur. Şaşırtıcı gelebilir ama pek çok kart, gürültüye daha dayanıklı olduğu için bu yöntemi tercih eder.

Bu aşamada ezberlemen gereken tek şey şu: boştaki bir pin güvenilmezdir; pull-down veya pull-up direnç onu kararlı hâle getirir. Sayıların yönü ileride pratik yaparken netleşir.

Mini uygulama

Bu uygulamayı bir yetişkinle birlikte, sadece pil gücüyle yap.

Amaç: Bir butona basınca yanan, bıraktığında sönen bir LED devresi kurmak (kâğıt üzerinde veya breadboard üzerinde).

Malzemeler:

• 2 adet AA pil ve pil yuvası (toplam 3 volt)
• 1 adet anlık buton
• 1 adet LED
• 1 adet 100 ohm direnç
• Bağlantı kabloları

Direnç seçimini bir önceki dersteki gibi Ohm yasasıyla kısaca kontrol edelim. Kırmızı bir LED üzerinde yaklaşık 2 volt düşer. Geriye kalan gerilim:

Pil gerilimi        = 3 V
LED üzerindeki düşüş = 2 V
Dirence kalan       = 3 V - 2 V = 1 V

Direnç = kalan gerilim / istenen akım
       = 1 V / 0,01 A
       = 100 ohm

Yani yaklaşık 10 miliamper (0,01 amper) için 100 ohm iyi bir seçimdir.

Adımlar:

1. Pil yuvasının artı ucundan bir kablo çek.
2. Bu kabloyu butonun bir bacağına bağla.
3. Butonun diğer bacağını dirence bağla.
4. Direncin diğer ucunu LED'in uzun bacağına (anot, +) bağla.
5. LED'in kısa bacağını (katot, −) pil yuvasının eksi ucuna bağla.
6. Butona bas ve LED'in yandığını gözlemle. Parmağını çek; LED sönmeli.

Şema:

[Pil +] -> [Buton] -> [Direnç 100Ω] -> [LED uzun bacak +]
[Pil -] <------------------------------ [LED kısa bacak -]

Denemeler:

• Anlık butonu kalıcı bir anahtarla değiştirsen davranış nasıl değişirdi?
• Butonu direncin önüne değil de sonrasına koysan devre yine çalışır mı? (Çalışır; sıra fark etmez, çünkü hepsi tek bir halkadadır.)

Sık yapılan hatalar

Butonun yanlış bacaklarını kullanmak

Çoğu dört bacaklı butonda bacaklar ikişerli olarak zaten içeriden bağlıdır. Yanlış çifti seçersen buton hiç basılmamış gibi davranır ya da hiç durmadan basılıymış gibi görünür. Basmadan önce hangi bacakların "buton" olduğunu kontrol et.

Direnci unutmak

Butona basınca LED'i doğrudan pile bağlamak, bir önceki dersteki hatayı tekrar eder. Akımı sınırlayan direnç olmadan LED zarar görebilir. Buton, direnç kullanma gereğini ortadan kaldırmaz.

Boştaki pini unutmak

Bir butonu bir karta bağlarken pull-down veya pull-up direnç koymazsan, kart bazen basılmışsın gibi bazen basılmamışsın gibi okuyabilir. Program "kendi kendine" çalışıyor gibi görünür; oysa sorun boştaki pindir.

Açık ve kapalı devreyi karıştırmak

"Açık" kelimesi günlük dilde "açık ışık" gibi çalışıyor anlamına gelebilir. Ama elektronikte açık devre yolun kesildiği, elektriğin akmadığı durumdur. Kapalı devre akımın aktığı durumdur.

Güvenlik notu

• Bu derste yalnızca düşük gerilimli, eğitim amaçlı kaynaklar kullanılır: AA piller (3 volt), USB, micro:bit veya Arduino. Asla şebeke elektriği, duvar prizi veya çıplak kablolarla çalışma. Prizler bu tür deneyler için tehlikelidir.
• Pilleri, motorları ve kesici aletleri her zaman bir yetişkinin gözetiminde kullan.
• Kutupları doğru bağla: artı artıya, eksi eksiye. Ters bağlantı bazı parçalara zarar verebilir.
• Pilin artı ve eksi uçlarını doğrudan bir telle birbirine bağlama; bu bir kısa devredir ve piller ısınabilir. Özellikle lityum piller kısa devrede aşırı ısınabilir; bu yüzden bu derste basit AA pilleri öneriyoruz.
• Bir parça ısınmaya başlarsa güç bağlantısını hemen kes ve bir yetişkine haber ver.

Ders özeti

• Anahtar ve butonlar, devrenin yolunu açıp kapatarak elektriğin akmasına izin verir veya engeller.
• Kapalı devrede elektrik akar ve LED yanar; açık devrede akmaz ve LED söner.
• Anlık buton yalnız basılıyken kapalıdır; kalıcı anahtar konumunu değiştirene kadar korur.
• Bir kart, butonu okurken pinin gerilimine bakar ve bunu 1 veya 0 olarak yorumlar.
• Pull-down veya pull-up direnç, boştaki bir pini kararlı hâle getirir; buton devrelerinde direnç yine gereklidir.

Kontrol soruları

1. Kapalı devre ile açık devre arasındaki fark nedir?
2. Anlık buton ile kalıcı anahtar arasındaki temel fark nedir? Her birine bir örnek ver.
3. Bir butona basınca yanan LED devresinde direnç neden hâlâ gereklidir?
4. Bir kart, bir butonun basılı olup olmadığını nasıl anlar?
5. Pull-down direncin görevi nedir?

Cevaplar

1. Kapalı devrede yol tamamlanmıştır ve elektrik akar (LED yanar). Açık devrede yolda bir boşluk vardır, elektrik akmaz (LED söner).
2. Anlık buton yalnızca basılı tutulduğu sürece devreyi kapalı tutar (örneğin kapı zili). Kalıcı anahtar bir kez değiştirdiğin konumda kalır (örneğin duvar lambası anahtarı).
3. Direnç akımı sınırlar. Onsuz LED'den geçen akım çok yüksek olabilir ve LED zarar görebilir. Buton yalnızca yolu açıp kapatır, akımı sınırlamaz.
4. Kart, butona bağlı pinin gerilimine bakar. Gerilim yüksekse 1, sıfıra yakınsa 0 okur; böylece butonun basılı olup olmadığını anlar.
5. Pull-down direnç, buton basılı değilken pini kararlı bir şekilde 0'a (GND'ye) çeker. Böylece pin boşta kalıp rastgele değerler okumaz.

Kaynak ve doğrulama notu

“Buton ve Anahtarlar” dersi için doğrulama odağı Devre nasıl açılıp kapanır? ile Anlık buton mu, kalıcı anahtar mı? arasındaki ilişkinin örnekler üzerinde tutarlı çalışmasıdır. Uygulamalar yalnız düşük gerilimli doğru akım devreleri için tasarlanmıştır; şebeke elektriği kullanılmaz. Bileşen değerleri devreye göre yeniden kontrol edilmeli, bağlantılar güç verilmeden önce bir yetişkinle gözden geçirilmelidir.

Sonraki ders

Potansiyometre: Bir değeri kademeli olarak azaltıp artıran ayarlı direnci tanıyacak ve bir LED'in parlaklığını yumuşakça nasıl değiştirebileceğini göreceksin.