Bir önceki yazımızda yüzeysel olarak incelediğimiz Electronics Workbench (EWB) programı için ikinci bölümde “Doğru akım devreleri” ve “Ohm Yasası” konusu ile başlamak istedim. Yaşantımızda kullandığımız birçok elektronik gereç içerisinde bulunan devre elemanları, genelde elektrik enerjisinin yönü ve şiddetinin değişmediği doğru akıma ihtiyaç duyar. Doğru akım İngilizce “Direct Current” kelimelerinin kısaltmasından “DC”  kısaltması ile kullanılır.  Evimize kadar gelen ve en ekonomik şekilde üretilen elektrik enerjisi ise alternatif akım şeklindedir ve biz bu enerjiyi DC’ye çeviririz. Alternatif akım İngilizce “Alternating Current” kelimeleri kısaltması ile “AC” şeklinde  kullanılır. 

Şekil-1. DC ve AC elektrik için, voltaj-zaman grafiğinin basit görseli.

Şu bilgiyi ısrarla hatırlatmak isterim. Öncelikli olarak elektriksel gerilim veya potansiyel dediğimiz, “Volt” birimi ile ölçtüğümüz ve yükü bir devre üzerinde hareket ettirecek enerjiye ihtiyacımız var. (Volt birimi Joule/Coulomb ile elde edilir). Yani gerilim olmadan akım olmaz, olamaz. Ancak dilimize öyle bir yerleşmiş ki, sürekli “akım” kelimesini kullanıyoruz. Elektrik akımı çekebilmemiz için, devrenizin kapalı bir devre olması ve elektrik akımını devrede dolaştıracak enerjiyi sağlayan bir güç kaynağı olması gerekir. Bir başka deyişle evinize kadar gelen elektrik akımı değil, gerilimidir. Bu enerjiyi akım haline getiren prize bağlayarak tamamladığımız kapalı devrelerdir. Alternatif akım nasıl üretilir, 220 Volt ne demektir, bunları da daha sonra açıklamak isterim. 

Doğru akım devrelerinin anlaşılması için su-pompası sistemi benzetiminden faydalanırız. Bu tür benzetimlere analoji denmektedir. Analojiler çok doğru olmasa da konunun anlaşılması için oldukça yardımcıdır. Örneğin bir su pompası sistemini düşünün. Bu analojide pompa sistemi devredeki suyu dolaştıran basıncı üretir. Bunu Elektriksel potansiyele (voltaja) benzetebilirsiniz. Basınç farkı olmadan bir boruda iki nokta arasında su akışı olmaz. Akan suyu elektrik akımına (ve dolayısı ile akımı oluşturan elektronlara), dönen bir türbini de bu enerjiyi harcayan direnç elemanına benzetebiliriz. Bir elektrik hattında da elektrik-akımının akması için iki uç arasında potansiyel fark olmalıdır. (Şekil-2). 

Şekil-2. Şekilde sol tarafta bir kaynaktan (reservoir) çektiği suyu pompalayan su pompası görülmektedir.  Su akışı her zaman yüksek basınçtan (high pressure), alçak basınca (low pressure) doğru gerçekleşir. Sağ taraftaki elektrik devresinde ise, bataryayı pompaya, dolaşan elektrik akımını, suya benzetebilirsiniz. Burada devreden akan akım şiddeti , “R” direnci üzerindeki gerilim farkı, dirence bölünerek bulunabilir. Şekilde formülde görülmektedir. Örneğin 100 Ohm’luk bir direnç, 10 Volt’luk bir pilden 0,1 Amper akım çekecektir. (Şekil kaynak bağlantısı) . 

Doğru akım devrelerinde batarya, pil veya DC güç kaynağı kullanılarak tek yönde elektrik akımı olması istenir. Şekil-3’te videosunu izleyebileceğiniz basit bir deneyi Electronics Workbench üzerinde simüle edelim. 

Şekil-3. Kağıt üzerinde çizilmiş devre şemasında bir direnç, bir pil, bir voltmetre ve ampermetre görülmektedir. Aynı devre masa üzerinde de kurulmuştur. Burada bilinmeyen “R” direnci üzerinde akım-gerilim değerleri okunmakta ve buradan “R” değeri elde edilmektedir.

Electronics Workbench programını açalım ve devreyi kuralım. 

Şekil-4. Devreyi kurmak için “Sources” menüsünden bir “Battery”, “Basic” menüsünden bir adet “resistor” seçip, fare ile beyaz boş alana sürükleyip bırakıyoruz. Devre elemanlarının (b) şeklinde görüldüğü gibi yanına fare ikonu ile yaklaştığınızda siyah bir nokta çıkmaktadır. O zaman fare “sol tuş” ile çizgi çizerek istediğiniz diğer bir noktaya bağlantıyı tamamlayabilirsiniz. Şekil “a” ve “b” de devre elemanlarının ve ölçüm aletleri olarak “voltmetre” ve “ampermetre” nin seçilerek devrenin kuruluşu gösterilmiştir. 

Şekil-5. Ekranda sağ üst köşedeki açma-kapama butonu ile devre aktif hale getirilebilir. Burada ben otomatik olarak 12V değerinde seçilen batarya ile 1kΩ değerinde seçilen direnci kullandım. Bunların değerlerini üzerine çift tıkladığınızda açılan pencerede “Value” kısmından değiştirebilirsiniz. 

Ohm Yasası R = V / I şeklinde ifade edilir.

Bir ohmik direnç üzerindeki gerilim ve akım ölçülür ise bu değerlerin birbirine oranı sabittir. Bu sabite direnç diyoruz. Şekil-5’teki simülasyon ölçümleri kullanılarak, “R” değeri R=V/I  formülü ile R=12Volt /1 2,01mA=0,999KΩ olarak elde edilmektedir. (1 mA = 0,001A; 1kΩ = 1000 Ohm’dur). 

Pratik ölçme ve hesaplamalar her zaman için bir takım hatalar içerir ve gerçek değeri bire-bir aynı bulabilmek pek mümkün değildir. Electronics Workbench (kısaca EWB diyelim) programındaki ölçüm aletleri ideal değil, pratik ölçüm aletleri ile benzerlik taşır. Bu sebeple gerçek değeri 1kΩ olan direnci, 0,999kΩ olarak elde edebiliyoruz. Bu hata veya fark gayet normaldir. Hatta bu deneyi gerçek devre elemanları ile yapsanız daha fazla da fark bulmanız olasıdır. 

Her direnç, Ohm Yasası’na uymaz ve bu yasa her devrede koşulsuz kullanılamaz. Ancak genel olarak Ohm Yasası’na uyan dirençler için “Akım-Gerilim” grafiği çizsek, bu grafik doğrusal (lineer) artan bir grafik elde edilir, grafiğin eğimi de o direncin değerini verecektir diyebiliriz. (“Grafik nasıl çizilir?” diyenler için de bir sürprizim olabilir ilerleyen zamanlarda). 

Şekil-6. Grafik çiziminde “x” ekseni bağımsız değişken, “y” ekseni ise ona bağlı olarak ölçülen bağımlı değişken olursa fiziksel olarak daha doğrudur. Bu grafiğin eğimi bize (1/R) bağıntısını verir ve şekilde görüldüğü gibi (ΔI/ΔV)’ye eşittir. (ΔV: V2-V1 farkı anlamındadır). 

Şekil-6’daki grafiği EWB simülasyon programı vasıtası ile elde etmek için tablodaki voltaj değerlerini bataryanıza uygulayarak, her seferinde devrenizi ekranın sağ üst köşesindeki “açma-kapama” butonu ile açarak, ampermetrede okuduğunuz değerleri kayıt edebilirsiniz. Ölçüm kayıtlarınızı aşağıdaki gibi bir tablo üzerine yazmak daha düzenli veri kayıt etmenizi sağlar. Ölçüm veriniz en az beş adet olmalıdır. Çünkü doğru bir grafik minimum beş nokta (ölçüm verisi) ile çizilebilir.  

Örnek tablo: 

Çok daha karmaşık DC devrelerin analizi için Kirchoff Yasaları kullanılmaktadır. Farklı DC devrelerin daha detaylı analizi için başka bir yazıda devam edelim.  

Herkese sağlıklı ve huzurlu günler dilerim.