Article Thumbnail

Devreler Nasıl Çalışır?

  • 31 Ağustos 2021 06:20

Bir ışığı, TV'yi, elektrikli süpürgeyi veya bilgisayarı açmak için bir düğmeyi çevirdiğinizde ne olduğunu hiç merak ettiniz mi? Bu anahtarı çevirmek ne işe yarar? Tüm bu durumlarda, teller boyunca bir akıma veya elektron akışına izin veren bir elektrik devresini tamamlıyorsunuz.

 

Bir elektrik devresi birçok yönden dolaşım sisteminize benzer. Kan damarlarınız, atardamarlarınız, damarlarınız ve kılcal damarlarınız bir devredeki teller gibidir. Kan damarları vücudunuzdaki kan akışını taşır. Bir devredeki teller, elektrik akımını bir elektrik veya elektronik sistemin çeşitli bölümlerine taşır.

 

Kalbiniz vücuttaki kan dolaşımını sağlayan pompadır. Kanın dolaşması için gereken kuvveti veya basıncı sağlar. Vücutta dolaşan kan, kaslarınız, beyniniz ve sindirim sisteminiz gibi çeşitli organları besler. Bir pil veya jeneratör voltaj üretir - akımı devreden geçiren kuvvet.

 

Bir elektrik ışığının basit durumunu alın. İki kablo ışığa bağlanır. Elektronların ışık üretmedeki görevlerini yapabilmeleri için, ampulün içinden akabilmeleri ve sonra tekrar dışarı çıkabilmeleri için eksiksiz bir devre olmalıdır.

 

Yukarıdaki şema, bir ucunda pil ve diğer ucunda bir el feneri ampulü bulunan basit bir el feneri devresini göstermektedir. Anahtar kapalıyken tam bir devre olmayacak ve akım olmayacaktır. Anahtar açıkken, tam bir devre ve flaş ampulünün ışık yaymasına neden olan bir akım akışı olacaktır.

 

Devreler, bin milden fazla megawatt gücü ileten devasa güç sistemleri veya milyonlarca transistör içeren küçük mikro elektronik çipler olabilir. Elektronik devrelerin bu olağanüstü küçülmesi, masaüstü bilgisayarları mümkün kıldı. Yeni sınır, nanometrelerde (metrenin milyarda biri) cihaz boyutlarına sahip nanoelektronik devreler olmayı vaat ediyor.

 

Bu yazıda, iki temel elektrik devresi türü hakkında bilgi edineceğiz:

 

• Güç devreleri büyük miktarda elektriği aktarır ve kontrol eder. Örnekler, elektrik hatları ve konut ve iş kablolama sistemleridir. Güç devrelerinin ana bileşenleri bir uçta jeneratörler ve diğer uçta aydınlatma sistemleri, ısıtma sistemleri veya ev aletleridir. Aralarında güç hatları, transformatörler ve devre kesiciler bulunur.

• Elektronik devreler bilgiyi işler ve iletir. Bilgisayarları, radyoları, televizyonları, radarları ve cep telefonlarını düşünün.

 

Devre Temelleri

Muhtemelen bu terimleri daha önce duymuşsunuzdur. Elektrikle bir ilgisi olduğunu biliyordunuz, ama belki de nasıl olduğundan tam olarak emin değildiniz.

 

Kalbinizin kan dolaşımını sağlamak için basınç ürettiği gibi, bir pil veya jeneratör de elektronları bir devre etrafında itmek için basınç veya kuvvet üretir. Voltaj kuvvettir ve volt (V) olarak ölçülür. Tipik bir el feneri pili 1.5V üretir ve standart ev elektrik voltajı 110V veya 220V'dir.

 

Elektrik akımı veya elektron akışı amper (A) cinsinden ölçülür. Elektrik kuvvetinin (volt cinsinden) ve akımın (amper cinsinden) çarpımı, watt (W) cinsinden ölçülen elektrik gücüdür. 1,5V üreten ve bir el feneri ampulü aracılığıyla 1A akım akışı üreten bir pil, 1,5V x 1A = 1,5W elektrik gücü sağlar.

 

Vücudunuzdan akan kan bedavaya gitmez. Kan damarlarının duvarları akışı engeller ve kan damarı ne kadar küçükse, akışa karşı direnç o kadar fazladır. Kalbinizin ürettiği basıncın bir kısmı sadece kanı kan damarlarından geçirmek içindir. Elektronlar tellerden geçerken atomlara çarparlar. Bu elektronların akışını engeller. Tel, akımın akışına direnç sunar. Direnç miktarı telin malzemesine, çapına ve uzunluğuna bağlıdır. Telin çapı azaldıkça direnç artar. Direnç ohm (Ω) birimindedir.

 

Ohm Yasası voltaj, akım ve direnç ile ilgilidir:

Direnç (Ω) = Gerilim (V)/ Akım (I)

Ohm Yasası R = V/I olarak yazılabilir.

Elektrik devreleri, ampuller, transistörler, bilgisayar çipleri ve motorlar gibi tellerden ve diğer bileşenlerden oluşur. Akım direnci düşük, iletken adı verilen metallerden yapılmış teller, bileşenleri birbirine bağlar. Bakır ve alüminyum en yaygın iletkenlerdir. Altın, korozyona karşı direnci nedeniyle, genellikle küçük elektronik çiplere kablo takmak için kullanılır.

 

Akkor ampulde akım, akım akışına karşı yüksek direnç sunan ince bir tungsten telden veya metalik bir filamentten akar. Elektronlar atomlara çarptığında, sürtünme veya kinetik enerji kaybı ısı üretir. Filamentin sıcaklığı yeterince yüksekse, parlamaya ve ışık vermeye başlar. Bu akkorluk. Ampuller için tipik filament sıcaklıkları yaklaşık 4600 derece F (2,550 derece C). Ne yazık ki, bir ampule sağlanan enerjinin yüzde 90 ila 95'i ışık yerine ısı şeklinde kaybolur, bu nedenle akkor ampuller çok verimsizdir.

 

Floresan ışıklar, elektronların cıva buharı ve neon veya argon gazı ile dolu bir tüpten geçmesini sağlayarak ışık üretir. Elektronlar cıva atomlarına çarptığında, atomlardaki elektronların enerjilerinin bir kısmını emmesine neden olurlar. Bu elektronlar normal durumlarına döndüklerinde foton adı verilen ışık enerjisi demetleri yayarlar. Floresan lambalar, akkor ampullerden dört ila beş kat daha verimlidir.

 

Devre Çeşitleri

Kapalı bir devre, akımın akması için tam bir yola sahiptir. Açık devre yapmaz, bu da işlevsel olmadığı anlamına gelir. Bu, devrelere ilk maruz kalmanızsa, bir devre açıkken, akımın akabileceği açık bir kapı veya geçit gibi olduğunu düşünebilirsiniz. Ve kapatıldığında, akımın geçemeyeceği kapalı bir kapı gibidir. Aslında, tam tersi, bu yüzden bu konsepte alışmak biraz zaman alabilir.

 

Kısa devre, genellikle kasıtsız olarak yapılan ve devrenin bir kısmını atlayan düşük dirençli bir yoldur. Bu, bir devredeki iki çıplak tel birbirine değdiğinde olabilir. Devrenin kısa devre tarafından atlanan kısmı çalışmayı durdurur ve büyük miktarda akım akmaya başlayabilir. Bu, tellerde çok fazla ısı üretebilir ve yangına neden olabilir. Güvenlik önlemi olarak, aşırı akım olduğunda sigortalar ve devre kesiciler devreyi otomatik olarak açar.

 

Seri bir devrede, tüm bileşenlerden aynı akım geçer. Devredeki toplam voltaj, her bir bileşendeki voltajların toplamıdır ve toplam direnç, her bir bileşenin dirençlerinin toplamıdır. Bu devrede V = V1 + V2 + V3 ve R = R1 + R2 + R3. Seri devrenin bir örneği, bir Noel ışıkları dizisidir. Ampullerden herhangi biri eksik veya yanmışsa akım geçmez ve ışıkların hiçbiri yanmaz.

 

Paralel devreler, bir atardamardan ayrılan ve daha sonra kanı kalbe geri döndürmek için bir damara bağlanan daha küçük kan damarları gibidir. Şimdi, her biri bir atardamar ve damarı temsil eden ve aralarında daha küçük teller bulunan iki kabloyu düşünün. Bu daha küçük teller, kendilerine uygulanan aynı voltaja sahip olacak, ancak tek tek tellerin direncine bağlı olarak içlerinden farklı miktarlarda akım akacaktır.

 

Paralel devreye bir örnek, bir evin kablolama sistemidir. Tek bir elektrik güç kaynağı, tüm lambaları ve cihazları aynı voltajla besler. Işıklardan biri yanarsa, diğer ışıklardan ve cihazlardan akım akabilir. Ancak kısa devre olursa voltaj neredeyse sıfıra düşer ve tüm sistem çöker.

 

Devreler genellikle seri ve paralel devrelerin çok karmaşık kombinasyonlarıdır. İlk devreler çok basit DC devrelerdi.

 

Elektrik Devrelerinin Tarihçesi

Statik elektriğin ilk araştırmaları yüzlerce yıl öncesine dayanmaktadır. Statik elektrik, bir süveterin üzerine bir balon sürttüğünüzde olduğu gibi, sürtünme ile üretilen elektronların transferidir. Yüklü nesneler temas ettiğinde bir kıvılcım veya çok kısa bir akım akışı meydana gelebilir, ancak sürekli bir akım akışı yoktur. Sürekli bir akımın yokluğunda, elektriğin yararlı bir uygulaması yoktur.

 

Sürekli bir akım akışı üretebilen pilin icadı, ilk elektrik devrelerinin geliştirilmesini mümkün kıldı. Alessandro Volta 1800'de ilk pili, volta pilini icat etti. İlk devrelerde bir pil ve bir su kabına batırılmış elektrotlar kullanıldı. Sudaki akımın akışı hidrojen ve oksijen üretti.

 

Pratik kullanım için elektrik devrelerinin ilk yaygın uygulaması elektrik aydınlatmasıydı. Thomas Edison akkor ampulünü icat ettikten kısa bir süre sonra, tam bir güç üretim ve dağıtım sistemi geliştirerek bunun için pratik uygulamalar aradı. Amerika Birleşik Devletleri'ndeki bu tür ilk sistem Manhattan şehir merkezindeki Pearl Street İstasyonuydu. Öncelikle aydınlatma için şehrin birkaç kare bloğuna elektrik gücü sağladı.

 

Devrelerin bir sınıflandırması, akım akışının doğası ile ilgilidir. En eski devreler, her zaman aynı yönde akan sabit, sabit bir akımla yapılan pille çalışırdı. Bu doğru akım veya DC'dir. DC'nin kullanımı, ilk elektrik güç sistemlerinin zamanına kadar devam etti. DC sistemiyle ilgili büyük bir sorun, güç istasyonlarının kablolardaki güç kaybı nedeniyle yalnızca yaklaşık bir mil karelik bir alana hizmet edebilmesiydi.

 

1883'te mühendisler, Buffalo, NY'nin ihtiyaçlarını karşılamak için Niagara Şelalesi'nin muazzam hidroelektrik güç potansiyelinden yararlanmayı önerdiler. Buffalo, Niagara Şelalesi'nden sadece 16 mil uzaktaydı, ancak bu fikir işe yaramazdı - Nikola Tesla bunu mümkün kılana kadar.

 

Tesla'nın Atılımı

Charles Proteus Steinmetz'in teorik çalışmasıyla desteklenen mühendis Nikola Tesla, alternatif akım veya AC kullanma fikrini ortaya attı. Doğru akımın aksine, AC daima yön değiştirir ve tekrar tekrar yön değiştirir.

 

Öyleyse AC neden uzun mesafeli güç iletimi sorununun cevabıydı? AC ile bir devredeki voltaj seviyelerini değiştirmek için transformatörler kullanmak mümkündür. Transformatörler, alternatif akım tarafından üretilen değişen bir manyetik alan gerektiren bir manyetik indüksiyon prensibi üzerinde çalışır. Transformatörler ile uzun mesafeli iletim için gerilimler arttırılabilir. Alıcı uçta, iş ve konut kullanımı için voltaj seviyesi daha güvenli 220V veya 110V'a düşebilir.

 

Uzun mesafeler için yüksek voltajlara ihtiyacımız var çünkü tel direnci güç kaybına neden oluyor. Atomlara çarpan elektronlar hareket ederken ısı şeklinde enerji kaybederler. Bu güç kaybı, telden geçen akım miktarının karesi ile orantılıdır.

 

Hattın ilettiği güç miktarını ölçmek için voltajı akımla çarpabilirsiniz. Bu iki fikri, I'in akımı, V'nin voltajı ve P'nin gücü temsil ettiği bir denklem kullanarak ifade edebilirsiniz:

 

P = V x ben

 

1 megawatt iletme örneğini ele alalım. Gerilimi 100V'dan 10.000V'a yükseltirsek, akımı 10.000A'dan 100A'ya düşürebiliriz. Bu, güç kaybını (100)2 veya 10.000 azaltacaktır. Bu Tesla'nın konseptiydi ve bu fikirden Niagara Şelalesi'nden Buffalo'ya ve nihayetinde New York City ve ötesine güç aktarımı gerçek oldu.

 

 Amerika Birleşik Devletleri'nde ve diğer birçok ülkede, AC gücü için standart frekans saniyede 60 devir veya 60 hertz'dir. Bu, saniyede 60 kez, akımın tam bir döngüsünün bir yönde ve sonra diğerinde aktığı anlamına gelir. Akım saniyenin 1/120'si kadar bir yönde ve saniyenin 1/120'si kadar diğer yönde akar. Bir döngünün tamamlanması için geçen süreye periyot denir ve bu durumda saniyenin 1/60'ı kadardır. Avrupa ve diğer bölgelerde, AC gücü için standart frekans 50 hertz'dir.

 

Elektronik devreler hem AC hem de DC'ye ihtiyaç duyar. Bir sonraki sayfada onları öğreneceğiz.

 

Edison, Tesla'ya Karşı

Thomas Edison, parlak ve sezgisel bir mucitti. Ancak, özellikle matematikteki sınırlı eğitimi, onu AC elektriğinin arkasındaki teoriyi gerçek anlamda anlamaktan alıkoydu. DC'yi yeterince iyi anlıyordu, ancak AC, garip bir şekilde kavrayışının biraz ötesindeydi. AC'yi uzun mesafeli güç iletimi için kullanma fikrine şiddetle karşı çıktı, ancak AC, elektrik enerjisi iletiminin birincil yolu olarak DC'yi kademeli olarak değiştirdi.

 

Elektronik devreler

Özellikle bilgisayar donanımı konusu gündeme geldiğinde chip terimini duymuş olabilirsiniz. Çip, genellikle yaklaşık bir santimetre karelik küçük bir silikon parçasıdır. Bir çip, tek bir transistör olabilir (bilgisayar uygulamalarında elektrik sinyallerini güçlendiren veya açma/kapama anahtarı görevi gören bir silikon parçası). Birbirine bağlı birçok transistörden oluşan entegre bir devre de olabilir. Yongalar, paket adı verilen hava geçirmez şekilde kapatılmış plastik veya seramik bir muhafaza içinde kapsüllenir. Bazen insanlar paketin tamamına çip diyorlar ama çip aslında paketin içinde.

 

Monolitik ve hibrit olmak üzere iki temel entegre devre türü vardır. Monolitik IC'ler, tüm devreyi tek bir silikon çip üzerinde içerir. Birkaç transistörden bir bilgisayar mikroişlemci çipindeki milyonlarca transistöre kadar karmaşıklık içinde olabilirler. Bir hibrit IC, tek bir pakette birkaç çip içeren bir devreye sahiptir. Bir hibrit IC'deki yongalar, transistörlerin, dirençlerin, kapasitörlerin ve monolitik IC yongalarının bir kombinasyonu olabilir.

 

Bir baskılı devre kartı veya PCB, bir elektronik devreyi bir arada tutar. Bileşenlerin takılı olduğu tamamlanmış PCB, bir baskılı devre kartı montajı veya PCBA'dır. Çok katmanlı bir PCB, 10'a kadar yığılmış PCB'ye sahip olabilir. Vias adı verilen deliklerden geçen elektroliz bakır iletkenler, üç boyutlu bir elektronik devre oluşturan bireysel PCB'leri birbirine bağlar.

 

Bir elektronik devredeki en önemli elemanlar transistörlerdir. Diyotlar, akımın yalnızca bir yönde akmasına izin vermek için valf görevi gören küçük silikon yongalardır. Diğer elektronik bileşenler, dirençler ve kapasitörler gibi pasif elemanlardır. Dirençler, akıma belirli bir miktarda direnç sunar ve kapasitörler elektrik yükünü depolar. Üçüncü temel pasif devre elemanı, enerjiyi manyetik alan şeklinde depolayan indüktördür. Mikroelektronik devreler çok nadiren indüktör kullanır, ancak bunlar daha büyük güç devrelerinde yaygındır.

 

Çoğu devre, bilgisayar destekli tasarım programları veya CAD kullanılarak tasarlanmıştır. Dijital bilgisayarlarda kullanılan devrelerin çoğu son derece karmaşıktır ve milyonlarca transistör kullanır, bu nedenle bunları tasarlamanın tek pratik yolu CAD'lerdir. Devre tasarımcısı, devrenin işleyişi için genel bir spesifikasyonla başlar ve CAD programı, karmaşık ara bağlantı modelini ortaya koyar.

 

Bir PCB veya IC yongası üzerindeki metal ara bağlantı modelinin dağlanması, devre modelini tanımlamak için aşınmaya dayanıklı bir maskeleme katmanı kullanır. Açıkta kalan metal, bileşenler arasında metal bağlantı deseni bırakarak kazınır.

 

AC neden elektronik devrelerde kullanılır?

Elektronik devrelerde mesafeler ve akımlar çok küçüktür, peki neden AC kullanılır? Her şeyden önce, bu devrelerdeki akımlar ve voltajlar sürekli değişen olayları temsil eder, bu nedenle elektriksel temsiller veya analoglar da sürekli değişmektedir. İkinci neden, radyo dalgalarının (TV'ler, mikrodalga fırınlar ve cep telefonları tarafından kullanılanlar gibi) yüksek frekanslı AC sinyalleri olmasıdır. Her tür kablosuz iletişim için kullanılan frekanslar, radyonun ilk günlerinde kilohertz (kHz) aralığından günümüzde megahertz (MHz) ve gigahertz (GHz) aralığına kadar yıllar içinde istikrarlı bir şekilde ilerlemiştir.

 

Elektronik devreler, elektronik sistemlerdeki transistörlere ve diğer bileşenlere güç sağlamak için DC kullanır. Bir doğrultucu devre, AC gücünü AC hat voltajından DC'ye dönüştürür.

 

-

Referanslar: https://science.howstuffworks.com/environmental/energy/circuit4.htm