Elektrik devreleri insanların kan dolaşım sistemine benzer. İnsan vücudundaki damarlar elektrik devresindeki kablolar ile aynı işlevi görür. Damarlar kan iletirken, elektrik devrelerindeki kablolar elektrik akımını iletir.
İnsan vücudunda kanın hareket etmesini ve pompalanmasını kalp sağlarken elektrik devrelerinde akımın iletilmesini bir batarya ve jeneratör tarafından üretilen voltaj sağlar.
En basit örnek olarak bir elektrikli el fenerini inceleyelim. Elektronların işini yapıp ışık üretebilmeleri için devrenin tamamlanıp ampul üzerinden elektrik akımı akması gerekmektedir.
Yukarıdaki devrede görüldüğü üzere devrenin bir tarafında batarya diğer tarafında ise ampul bulunmaktadır. Anahtar açık olduğunda devreden akım akmayacak ve ampul yanmayacaktır. Anahtar kapanıp devreyi tamamladığıda ise ampul üzerinden elektrik akımı geçer ve ampul ortama ışık yayar.
Devreler kilometrelerce uzağa megawatt büyüklüğünde elektrik gücü ileten büyük enerji sistemleri olarak bulunabileceği gibi, milyonlarca transistör içeren mikroelektronik bir çip olarakta bulunabilir. Elektronik devrelerdeki benzeri görülmemiş gelişim masaüstü bilgisayarların gerçekleşmesini mümkün kılmıştır. Yeni nesil nanoelektronik devreler ise cihaz boyutlarını nanometre ( 1mm’ nin milyonda biri ) boyutlarına küçültecektir.
Bu makalede iki temel tip elektrik devresi üzerinde durulacaktır.
- Güç Devreleri : Büyük miktarda elektriği kontrol eder ve iletirler. Şehir şebeke dağıtım sistemleri, konut elektrik şebekeleri örnek olarak verilebilir. Bu devrelerin bir ucunda elektrik üreten bir generator, diğer ucunda ise aydınlatma sistemi, motorlar, ısıtma sistemi, elektrikli ev aletleri gibi cihazlar bulunmaktadır. Aradaki güç hattında ise transformatör ve devre kesiciler bulunur.
- Elektronik Devreler : Bilgiyi işler ve iletirler. Bilgisayarlar, radyolar, televizyonlar, radarlar ve cep telefonları elektronik devrelere örnek olarak verilebilir.
Devre Temelleri
Kalbin kanı pompalaması gibi elektrik devrelerinde de batarya veya generator elektronları devre içinde itmek için bir basınç oluşturur bu basınç kuvvetine voltaj denir. Voltaj bir kuvvet birimidir ve volt ile ölçülür. Tipik bir el feneri pili 1.5 volt gerilim değerine sahiptir. Standart ev elektrik voltajı ise ülkemizde 220 volttur.
Elektrik akımı veya elektronların akması amper ile ölçülür. Elektrik kuvveti volt ve akım elektrik gücünü oluşturur, watt ile ölçülür. 1.5 volt bataryayla beslenen ve 1 amper akım çeken bir el feneri 1.5voltx1amper = 1.5watt elektrik gücü kullanır.
Damarlarımız içinde dolaşan kan serbest bir şekilde dolaşamaz. Damar duvarları kan akışını yavaşlatacak ters bir kuvvet uygularlar. Aynı şekilde bir tel üzerinden akan elektrik akımına karşı tel tarafından direnç gösterilecektir. Telin uygulayacağı direnç telin malzemesine, çapına ve uzunluğuna bağlıdır. Telin çapı ufaldıkça direnci azalır. Direnç birimi ohm’ dur. Ohm kanunu voltaj ve akıma bağlıdır.
Direnç = Voltaj / Akım
R = V / I
Elektrik devreleri kablolar ve lamba, transistör, bilgisayar çipi ve motorlar gibi diğer malzemelerin birleşiminden oluşur. Kablo bir iletkenden oluşur ve iletken olarak genellikle bakır ve aluminyum kullanılır. Altın en iyi iletkendir ayrıca aşınmaya karşıda çok dayanıklıdır. Bu yüzden özellikle çok küçük elektronik chiplerin birbirine bağlanmasında kullanılır.
Akkor flamanlı lambalarda elektrik akımı ince tungsten tel üzerinden veya elektrik akımına karşı yüksek direnç gösteren bir metal flaman üzerinden geçer. Yüksek direnç nedeniyle atomlara çarpan elektronlar sürtünme nedeniyle kinetik enerjilerini kaybederler. Bu kinetik enerji ısı oluşumna neden olur. Flamanın sıcaklığı yeterli dereceye yükseldiyse sıcaklık nedeniyle kızarıp ışık yaymaya başlar. Akkor flamanlı bir lambada ortalama flaman sıcaklığı 2550 C derece civarındadır. Ancak akkor flamanlı lambalar aldıkları enerjinin %90-%95′ ini ısı olarak kaybederler.
Florasan lambalarda civa buharı ve neon veya argon gazı dolu bir tüpten elektronlar geçirilerek ışık elde edilir. Florasan lambalarda elektronlar civa atomlarına çarptıklarında civa atomu içindeki elektronlar, bu çarpışma sonucu ortaya çıkan enerjinin bir kısmını depolar. Bu elektronlar normal durumlarına döndüklerinde foton adı verilen bir ışık enerjisi yayarlar. Florasan lambalar akkor flamanlı lambalara göre 4-5 kat daha verimlidirler.
Devre Çeşitleri
Elektrik akımının akması için eksiksiz bir yola sahip devrelere kapalı devre denir. Açık devre ise fonksiyonel bir uygulama değildir. Kulağa ters gelmesine rağmen devre kapalıyken akım akar, devre açıkken ise bağlantı tamamlanmadığı için devreden akım akmaz.
Kısa devrelerde genellikle istem dışı düşük dirençli bir yol vardır. Kısa devre yolu sayesinde akım elektrik devresini pas geçer ve devreyi kısa devre hattından tamamlar. Elektrik devresindeki iki çıplak uç birbirine dokundurulduğunda kısa devre olabilir. Kısa devre yolunda direnç düşük olduğu için daha büyük bir akım akmaya başlar. Daha fazla akım geçmesi kablo üzerindeki ısıyı arttıracaktır, ısı artışı yangına neden olabilir. Güvenli bir sistem için devre kesiciler akım değeri yükseldiğinde devreyi otomatik olarak keser.
Seri devrelerde, seri hat boyunca bütün komponentlerden aynı akım geçer. Devredeki toplam voltaj ise herbir komponent üzerindeki voltajların toplamına eşittir. Aynı şekilde toplam dirençte tüm komponentlerinin dirençlerinin toplamına eşittir.
V = V1+V2+V3
R = R1+R2+R3
Paralel devreler atar damarlardan ayrılmış küçük damarlar gibidir. Bu damarlar daha sonra toplar damarlarda tekrar birleşerek kanın kalbe geri gitmesini sağlar. Paralel devrelerde böyle düşünülebilir. Toplar damar ve atar damar olarak düşünülecek iki tel ve bu iki telin arasındaki diğer tellerden oluşan devreye paralel devre denir. Paralel devrelerde herbir daldan ayrı akım geçer ancak herbir daldaki voltaj birbirine eşittir.
Paralel devrelere örnek olarak evlerimizdeki kablo tesisatı verilebilir. Tek bir güç kaynağı evdeki tüm elektrikli cihazları ve lambaları aynı voltajda besler.
Devreler genellikle seri ve paralel devrelerin karmaşık kombinasyonlarından oluşurlar.
Elektrik Devrelerinin Tarihi
Statik elektriğin keşfi yüzlerce yıl öncesine gider. Statik elektrik elektronların sürtünme nedeniyle hareket etmesiyle oluşur. Ancak statik elektriklenmede elektrik akımının devamlılığı yoktur. Bu yüzden elektrik uygulamaları için ideal değildir.
Sürdürülebilir elektrik akımı üretebilen bataryaların keşfiyle ilk elektrik devrelerinin yapımı mümkün hale gelmiştir. İlk pil Alessandro Volta tarafından 1800′ lü yıllarda icat edilmiştir. İlk elektrik devresinde batarya ve suya daldırılmış elektrotlar kullanılarak suyun içinden geçen akımın hidrojen ve oksijen üretmesi sağlanmıştır. Bu işleme elektroliz denir.
Elektrik devrelerin pratik yaşamdaki işe yarar ilk kullanımları ise aydınlatma için olmuştur. Thomas Edison ampulü bulduktan sonra ve sistemi geliştirmek için araştırmalar yapmıştır. Bu araştırmalar sonucu ilk defa Amerikada Manhattan’ da bir kaç blokluk bir alanda aydınlatma için kullanılacak elektrik dağıtım ağı kurulmuştur.
Devreleri ayırdetmek için kullanılan özelliklerden biri akımın devreden akış şeklidir. İlk elektrik devreleri sadece batarya ile beslendiği için sabit ve değişmez bir akım devre üzerinde herzaman aynı yönde akmaktaydı. Buna doğru akım veya DC denir. DD sistemlerde en temel problem güç istasyonlarının sadece kısıtlı bir alana elektrik sağlayabilmesiydi. Çünkü kablolarda iletim sırasında çok fazla kayıp olmaktaydı.
1883 yılında mühendisler Niagara Şelalesinin muazzam hidroelektrik potansiyelini kullanarak Buffalo, NewYork’ un elektrik ihtiyacını karşılamayı planlamışlardır. Ancak şelale ile şehir arasında 16 mil mesafe olduğu için üretilen elektriğin doğru akımla iletilmesi işe yaramayacaktır. Bu proble Nikola Tesla’ nın alternatif akımı bulmasıyla çözülmüştür.
Mühendis Nikola Tesla alternatif akım AC’ yi geliştirmiştir. Alternatif akım, doğru akımın tersine sürekli olarak değişir ve yön değiştirir.
Peki AC akım uzun mesafeli elektrik için nasıl bir çözüm olacaktır ?
AC transformatör kullanarak devredeki voltaj seviyesini değiştirmeyi mümkün kılmıştır. Transformatörler manyetik indüksiyon yöntemine göre çalışır. Çalışması için alternatif akım tarafından değişken bir manyetik alan oluşturulması gerekir. Transformatörlerin kullanımı ile voltaj uzun mesafelere iletilebilecek seviyelere yükseltilebilmiştir. Devrenin sonunda ise voltaj yine bir transformatörle düşürülmektedir.
Uzun mesafede kablo direnci nedeniyle güç kaybı olduğundan yüksek voltaja gerek duyulur. Elektronlar iletimleri boyunca atomlara vurarak ısı oluşumuna ve dolayısıyla güç kaybına neden olurlar. Bu güç kaybı kablodan akan akımın karesine eşittir.
Bir hatta iletilen elektrik gücünü bulmak için o hattaki voltaj ve akım çarpılır.
P=V x I
1 megawatt elektrik gücünün iletilmesi gerektiğini düşünün. Eğer voltaj 100 volttan 10000 volta çıkarılırsa elektrik akımı 10000 amperden 100 ampere düşecektir. Akımdaki bu düşüş güç kaybını 100^2 (10000) kat azaltacaktır.
Amerika ve diğe bazı ülkelerde AC güç için standart frekans saniyede 60 döngüdür. Bunun anlamı şudur. Akım bir saniyede 60 kez pozitif yönde 60 kez negatif yönde akmaktadır. Yani akım bir yönde saniyenin 1/120′ inde bir akmaktadır. Bir tam döngü için gerekli zamana periyot denir. Bu durumda periyot 1/60 sn’ dir.Avrupada ve ülkemizde 50 Hz AC güç kullanılır.
Elektronik Devreler
Chip terimi hemen hemen herkes özellikle bilgisayar bileşenlerinden duymuştur. Chip 1 santimetre kare civarında ince bir silisyum parçadır. Chip tek bir transistörden meydana gelebileceği gibi birbirine bağlı birçok transistörün birleşimden oluşan entegre devre halinde de olabilir. Chipler plastik veya seramik bir muhafaza tarafından hava geçimez bir şekilde sarılmışlardır.
Entegre devrelerin monolitik ve hibrid olmak üzere iki temel çeşidi vardır. Monolitik entegre devreler tüm devreyi tek bir silisyum chip üzerinde taşır. Milyonlarca transistör içerecek kadar karmaşık devreler olabilir.Hibrid entegre devreler ise birden fazla çipin tek bir paket halinde birleştirilmiş halidir. Hibrid entegre devreler transistör, direnç, kondansatör ve monolitik entegre devrelerin birleşiminden oluşabilir.
Printed circuit board veya yaygın olarak bilinen adıyla PCD elektronik devreleri birarada tutar. Üzerine elektronik komponentlerin takılı olduğu PCB’ ye PCBA yani printed circuit board assembly denir. Çok katmanlı PCB’ ler üstüste 10 PCB’ den oluşabilir.
Elektronik devrelerdeki en önemli eleman transistörlerdir. Diyotlar küçük silisyum çipleridir. Elektrik akımının sadece bir yöne akmasını sağlayan vana görevini görürler. Diğer elektronik komponentler direnç ve kondansatörler gibi pasif elemanlardır. Dirençler değerlerine göre üzerlerinden geçen akıma direnç uygularlar. Kondansatörler ise elektrik şarjı depolarlar. Üçün temel pasif devre elemanı ise indüktördür. İndüktör manyetik alandaki enerjiyi depolar. Elektronik devreler nadiren indüktör kullanırlar ancak indüktörler büyük güçlü devrelerde sıkça kullanılır.
Birçok devre bilgisayar temelli tasarım programları – CAD kullanılarak dizayn edilir. Dijital devrelerde kullanılan birçok devre oldukça karmaşıktır ve milyonlarca transistörden oluşabilir. Bu yüzden CAD programları elektronik devre dizaynı için tek pratik yoldur.
Elektronik Devreler Neden AC Kullanır ?
Elektronik devrelerde mesafe ve akımlar çok küçük olmasına rağmen neden AC kullanılır ? Öncelikle analog sinyaller vb. akım ve voltaj değerleri sürekli olarak değişmektedir. İkinci neden ise elektronik devrelerde kullanılan radyo sinyalleridir. Radyo sinyalleri yüksek frekanslı AC sinyallerdir.
Elektronik devreler DC’ yi transistör ve diğer elektronik komponentleri beslemek için kullanılır. AC’ den DC’ ye dönüşüm doğrultucu devreler ile gerçekleştirilmektedir.
