Elektrik'te Devre
Elektrik'te Devre, Bir elektrik donanımını oluşturan bağlantılar ve bileşenleri topluca belirten terim. Elektrik devresi, elektrik akımına (elektrik yükü akışına) yol sağlamak için birbirine bağlanmış bileşenlerden oluşur. Elektrik, çoğu kez, ışık, ısı ya da ses gibi farklı bir enerji türü üretmekte kullanılır.
DEVRENİN BÖLÜMLERİ
Elektrik devrelerinin çoğunda dört ana bölüm vardır: (1) kimyasal pil, üreteç ya da güneş pili gibi bir elektrik enerjisi kaynağı; (2) lamba, motor ya da hoparlör gibi bir yük (ya da çıktı aygıtı); (3) elektrik enerjisini kaynaktan yüke taşımak için bakır ya da alüminyum tel gibi iletkenler; (4) enerjinin yüke akışını denetlemek için röle, anahtar ya da termostat gibi bir denetim aygıtı.
Gerek DA yönü değişmeyen doğru akım), gerek AA (yönü periyodik olarak terselen dalgalı akım ya da alternatif akım) olabilen kaynak, devreye bir elekromotor kuvvet (emk) uygular. Bu emk, volt (V) olarak ölçülür ve basınca benzer; belli bir devreden geçecek (amper olarak ölçülen akım miktarını belirler. Dünyanın çeşitli ülkelerinde kullanılan normal voltajlar genellikle, 60 hertz frekansta 110 ya da 220 V'dir.
Devreler, seri, paralel, seri-paralel ve karmaşık olarak dört genel tipe ayrılabilir. Bunların tümü, DA ya da AA bir kaynaktan beslenebilir.
DOĞRU AKIM DEVRELERİ
Seri devre: Seri devrede akımın gidebileceği yalnızca bir yol vardır; akım kaynağın bir ucundan çıkar, yükten çıktıdan) geçerek kaynağın öbür ucuna döner. Metal iletkenli bir devrede, bu akım, kaynağın eksi (negatif) ucundan artı (pozitif) ucuna doğru çok yavaş elektron akışından oluşur. Bazı yarı iletkenli aygıtlarda, sözgelimi transistörlerde ve yarıiletken diyotlarda, artı yükler de karşıt yönde hareket eder. Bu, "geleneksel" diye adlandırılan ve artıdan eksiye doğru aktığı varsayılan akımla çakışır.
En basit DA devrelerinden biri olan el feneri, seri devreye örnek verilebilir. Böyle bir devreyi anlatmak için, devre bileşenlerinin fiziksel görünüşlerine benzer çizimlerin yer aldığı resimsel bir şekil kullanılabilir. Elektrikçilerin ve teknisyenlerin yeğledikleri bir yöntem de, bağlantılı simgelerden oluşan bir çizim kullanmaktır; böyle bir çizimde, her simge, bir elektriksel bileşeni temsil eder.
El fenerinde elektrik kaynağı, her birinin emk'si 1,5 V olan ve devreye 3 V sağlayan seri bağlanmış iki kuru pildir. 3 V'lik bir ampul, devrenin çıktısını oluşturur ve kaynak ile çıktı (yük) arasına sürgülü bir anahtar bağlanır. Bu durumda, içine kuru pillerin konulduğu tüp biçimindeki metal gövde iletim yolunu oluşturur. Anahtar açıkken, akım geçmediği için ampul yanmaz. Ama anahtar kapalıyken, devre tamamlanır ve devreden akım geçerek ampulü yakar. Akım ampulün filamanını ısıtarak akkor haline getirir; bu durumda ampul, ısının yanı sıra ışık da yayar.
Böyle bir devreden geçen akım, ampulle seri bağlanmış bir ampermetreyle ölçülürse, kızgın filamanın direnci Ohm yasasıyla hesaplanabilir. Bu yasa, DA elektrik devresindeki üç nicelik arasında bağıntı kuran bir denklemdir: Voltaj (volt olarak E), akım (amper olarak /) ve direnç (ohm [?] olarak R).
Ohm yasası, birbiriyle eşdeğerli olan üç biçimde yazılabilir: E =IR, l = E/R yada R = E/I. Söz gelimi, el fenerinin 3 V'lik kaynaktan aldığı akım 0,1 A'ysa, ampulün R direnci 30 ohm olur. Voltaj, iki pile bağlanmış bir voltmetreyle ölçülebilir. Ampulün direnci, ampule bir ohmmetre bağlanarak anahtar açıkken ölçülebilir. "Soğuk direnç" denilen bu değer, 30 ohm'un çok altında bulunur; çünkü filaman yüksek bir sıcaklığa ulaştığında, direnç önemli ölçüde artar.
Sık rastlanan bir başka seri devre örneği de yılbaşı ağaçlarını süslemede kullanılan küçük ampuller bağlanan ışık telidir. Böyle bir düzenlemenin sakıncası, bir ampul yanarsa (sönerse), elektriksel yolun kopması ve bütün öbür ışıkların da sönmesidir. Daha iyi bir düzenleme, söndüğü zaman kısa devre oluşturan, yani akıma direnci sıfır olan ampuller kullanılmasıdır. Bu tür ampullerden biri sönerse, geri kalanı yanmayı sürdürür. Ne var ki, Kirchhoff yasası nedeniyle, kalan ampullerin tümünde daha çok voltaj vardır ve devreden daha çok akım geçer. Çünkü Kirchhoff yasasına göre, tamamlanmış bir devredeki voltaj düşüşlerinin toplamı, uygulanan emk'ye eşit olmak zorundadır. Seri bağlanmış bir devreye Ohm yasası uygulandığında, bütün seri dirençlerin toplam direnci R'dir. Böyle bir devrede tüketilen toplam güç, ampullerin her birinde harcanan ayrı ayrı güçlerin toplamıdır.
Paralel devre: Paralel bağlanmış bir devrenin ayırıcı özelliği, bütün çıktıların (ya da yüklerin) kaynakla aynı voltajda ve birbirinden bağımsız olarak çalışmasıdır. Yani, çıktıların biri devreden çıkarılırsa, öbürleri bundan etkilenmez. Otomobillerde kullanılan elektrik sistemi, DA paralel devresine örnek verilebilir; bu sistemde akünün sağladığı 12 V'lik voltaj aynı anda ateşleme sistemine, farlara, park lambalarına, radyoya ve klimaya elektrik enerjisi sağlar.
Paralel bir sisteme başka bir yük (çıktı) eklenirse, akım için yeni bir yol oluşturur ve bu nedenle, kaynaktan gelen toplam akım artar. Bu, Kirchhoff'un akım yasasının bir uygulamasıdır; söz konusu yasaya göre, herhangi bir noktadan bir devreye giren akımların toplamı, o noktadan çıkan akımların toplamına eşittir. Başka bir direnç paralel bağlandığında, paralel devrenin birleşik direnci belirgin biçimde azalır. Seri devrede olduğu gibi, paralel devrede de toplam güç, ayrı ayrı güçlerin toplamından oluşur.
Seri-paralel devre: Seri-paralel devreler, bazı bileşenlerin birbiriyle paralel bağlandığı, paralel birleşimlerinse başka bileşenlerle seri halde bulunduğu devreler olarak tanımlanabilir. Kaynağa seri bağlanmış bir anahtar ve sigorta ya da devre kesici ile paralel bağlanmış birçok bileşen, böyle bir devre oluşturur.
Karmaşık devreler: Yalnızca seri ya da sadece paralel bileşimlerden oluşan bölümlere ayrılabilen bir devreye "karmaşık devre" denir. Bir direncin ölçülmesinde kullanılan Wheatstone köprüsü adındaki devre buna iyi bir örnektir. Bu devre, temel olarak, bir karenin dört kenarını oluşturan, birbirine bağlanmış dört rezistörden oluşur. Çapraz köşelerin ikisine bir voltaj kaynağı, Öbür ikisineyse belli bir direnci olduğu bilinen bir galvanometre bağlanır. Ancak köprü devresi dengede olduğunda, yani ancak galvanometreden hiç akım geçmediğinde, devre bir seri-paralel birleşimidir. Toplam direnci bulmak amacıyla böyle bir devreyi çözümlemek için özel teknikler gereklidir.
Otomobilin ateşleme sisteminde ya da fotoğraf makinesinin fotoflaşında olduğu gibi, DA devrelerine indükleçler ve kondansatörler bağlanabilir. Böyle uygulamalarda önemli olan, geçici tepkidir; çünkü DA bakımından bir kondansatör (sürekli durum koşullarında) açık devre demektir ve bir indükleç, içinden geçen akım değişken olmadıkça hiçbir etki göstermez. Ama indüktans ve kapasitansın etkileri, AA (dalgalı akım) devrelerinde çok daha önemlidir; çünkü AA'da voltaj ve akım sürekli değişmektedir.
DALGALI AKIM DEVRELERİ
Radyo ve televizyon alıcıları ve vericileri gibi iletişim araçlarının çalışma ilkesi, dalgalı akıma (AA) bağlandıklarında direnci (R), indüktansı (L) ve kapasitansı (O bulunan seri ve paralel devrelerin davranışına dayanır. R, L ve C içeren devrelere "RLC devreler" denir.
Seri bağlanmış bir RLC devrenin bütün bileşenlerinden geçen akım aynıdır. Voltaj değişikliklerini bir ekranda göstermeye yarayan osiloskop adlı ölçüm aygıtıyla rezistördeki direnç gözlenirse, biçiminin ve zamansal ilişkisinin akımla aynı olduğu anlaşılır; yani hem akım hem de voltaj aynı anda tepeye ulaşır ve aynı anda sıfırlanır. Böyle bir durumda, voltaj ile akım arasında evre (faz) uyumu olduğu söylenir. Ama indükleçten geçen voltaj, akımın çeyrek çevrim önündedir ve 90° evre açısıyla akımı öncelediği söylenir. Bu nedenle voltaj, indükleçten geçen akımın değişme biçimine bağlıdır. Bir indükleçin akıma karşı durmasına "indüktif reaktans" denir ve X/L —2 pi fL formülüyle gösterilir; bu formülde f frekansı hertz, L indüktansı henry cinsinden verilmişse, X/L ohm olarak gösterilir.
Buna karşılık, kondansatörden geçen voltaj, akımın 90° gerisinde kalır; çünkü kondansatörden geçen voltaj değişirken, akım yalnızca kondansatöre girer ya da kondansatörden çıkar. Kondansatörün akıma karşı durması, X/C — 1/2 nfc formülüyle gösterilir; burada f hertz olarak, C kapasitansıysa farad olarak verilmişse, X/C kapasitatif reaktansı ohm olarak gösterilir.
İndükleçten ve kondansatörden geçen voltajlar, 180°devre dışıdır; yani biri en üst pozitif değerdeyken, öbürü en üst negatif değerdedir. AA kaynağının (bu bir gelen radyo sinyali de olabilir) frekansı doğru değerdeyse, indükleç ve kondansatör voltajları eşit olabilir ve birbirini etkisiz kılabilir. Başka bir deyişle, bunların akıma karşı direnişleri de etkisizleşir ve bu durumda Z = R/2 + (X/L - X/C)/2 formülüyle tanımlanan devrenin empedansı (akıma karşı toplam direnci) en azdır ve R'ye eşittir. Sonuç olarak, bu devreden büyük bir akım geçebilir, çünkü yalnızca karşıt akımın direnci vardır. Bu duruma "seri rezonansı" denir ve frekansında oluşur; burada L henri ve C farad olarak verilmişse, f hertz olarak belirtilir. Bu çok önemlidir; çünkü bu frekansta hem kondansatörde, hem de indükleçte çok büyük bir akım oluşur. Güçlendirilen ya da yükseltilen ve ses ya da görüntü üretmekte kullanılan, bu voltajdır. Devre, belirli bir frekans aralığına tepki verir; devrenin "bant genişliği" denilen bu aralık, gönderilen bütün bilgilerin alınabilmesi için yeterince geniş olmalıdır. Ama bu aralığın dışındaki başka komşu istasyonlardan gelen frekanslar alınmaz; çünkü devre, rezonans oluşturmayacağı için, yeterince yüksek voltajlar üretmez. Bu nedenle, seri RLC devresi, belirli bir frekans bandını seçme özelliği taşır. İndükleç ya da kondansatör değişken yapılırsa, devre istenen herhangi bir rezonan frekansa ayarlanabilir ve belirli bir radyo ya da TV istasyonunu alabilir.
Bütün bileşenlerinden aynı voltajın geçtiği, ama her bileşenin kendi akımının bulunduğu paralel bir RLC devrede de rezonans durumu oluşturulabilir. Seri rezonansla ilgili denklemin aynıyla tanımlanan bir frekanstaki büyük bir akım, kondansatör ile indükleç arasında dolaşabilir; buna "depo devre" denir. Bu, devreyi yalnızca belli bir frekans bandına duyarlı hale getirebilir ve devre, radyo ve televizyon alıcılarındaki ayarlanmış amplifikatörlerde kullanılabilir.
Dirençli yüklerin, yani rezistör işlevi gören ampul, elektrikli soba, tost makinesi ve ütü gibi yüklerin kullanıldığı evlerde paralel AA devreleri bulunur. Floresan lambalar, soğutucuların ve fırınların motorları gibi yükler, direnç ile indüktansın birleşmesinden oluşur. Sanayi alanında, çok sayıda indüksiyon motoru kullanıldığı için, yükün ağırlıkla indükleyici olması çok güçlü bir olasılıktır. Bu, elektrik kurumu için bir sorun oluşturabilir; çünkü akım, voltajla aynı evrede (fazda) olmayacak ve bu da, "geciken güç faktörü" denen duruma neden olacaktır. Bunu, temelde, indüktif reaktans miktarı ile direnç miktarı arasındaki oran belirler.
Bu geciken güç faktörünün sonucu olarak, belli miktarda bir güç sağlamak için, akım ile voltajın aynı evrede olmaları durumunda gerekeceğinden daha çok miktarda akım verilmesi (daha kalın kablo kullanılması) gerekir. Bu durum pahalıya mal olabileceğinden, güç faktörü yetersiz olan bir fabrika zarar görebilir ve bunu düzeltmek için önlemler alınır: Fabrikadaki indükleyici yüke paralel olarak büyük kondansatör dizileri bağlanır. Bu, etkili bir biçimde, paralel rezonans koşulu yaratır; böylece, aynı gücü sağlamak için gerekli toplam akım miktarı önemli ölçüde azaltılabilir. "Güç faktörü düzeltimi" denilen bu uygulama, kaynağın ek enerji sağlamasının yerine, kondansatörler ve indükleçler arasında bir miktar enerjinin ileri-geri taşınmasından oluşur.