Doğru Akım ve Alternatif Akım

Konu Anlatımı

Doğru Akım ve Alternatif Akım

Bir motorun sargısından geçen akım, bir akülü şarj eden akım ve bir lamba yuvasını aydınlatan akım aynı devre yasasına uyar; ancak aralarındaki temel fark akımın yönünün ve büyüklüğünün zamanla değişip değişmemesidir. Doğru akımda akım yönü sabittir, alternatif akımda ise yön ve büyüklük periyodik olarak değişir. Bu değişim sayesinde transformatörler, motorlar ve jeneratörler çalışabilir, çünkü manyetik alan yalnız değişen akımla oluşturulabilir. Atölyede bir arıza aranırken bu iki akımı birbirine karıştırmak ölçüm sonucunu yanlış yorumlamaya yol açar.

Bu derste ne öğreneceğiz?

Bu konuda doğru akım ile alternatif akımın fiziksel farklarını, alternatif akımın nasıl üretildiğini ve iletildiğini öğreneceğiz. Periyot ile frekans arasındaki bağıntıyı, tepe değer ile etkin değer arasındaki 1,4142 katsayısını neden kullandığımızı açıklayacağız. Bobin ve kondansatörün frekansa göre değişen reaktansını hesaplayıp empedansı çıkaracağız. Güç üçgeni yardımıyla aktif, görünür ve reaktif güçleri birbirine bağlayacağız. Son olarak bir tüketicinin güç tüketimini etkin değer üzerinden yorumlayabilecek ve arıza tespitinde hangi ölçümün yapılacağını seçebileceğiz.

Ön bilgi

Konuyu rahat takip edebilmek için üç büyüklüğü ve aralarındaki bağıntıyı bilmek gerekir. Doğru akım devresinde U = I × R bağıntısı her an geçerlidir; parçanın direnci sabitse akım da sabittir. Ayrıca bir ölçü aletinin hangi kipte bağlandığını bilmek gerekir: gerilim paralel, akım seri ölçülür. Direnç ölçümü ise ancak devre enerjisizken yapılabilir.

Alternatif akımda ise durum değişir. Devredeki elemanların bir bölümü direnç değil endüktans veya kapasite içerir; bunlar enerjiyi ısıya çevirmek yerine manyetik ya da elektrik alanda saklar ve geri verir. Bu yüzden akım ile gerilim aynı anda tepe noktasına gelmez, aralarında bir zaman farkı oluşur. Bu zaman farkını anlatan temel kavram faz açısıdır ve bu konunun ilerleyen bölümlerinde sayısal olarak hesaplanacaktır.

1. Doğru Akım ve Alternatif Akım Farkı

Doğru akımda kaynağın kutupları sabittir ve akım devrede kaldığı sürece aynı yönde ilerler. Akülü telefon, elektrikli süpürge ya da basit bir lamba devresi doğru akım çalışmasıdır. Doğru akımın en büyük avantajı akımın büyüklüğünün zamanla değişmemesidir; böylece ölçüm ve hesap yapmak kolaylaşır. Piller, akümülatörler ve doğru akım dönüştürücüler bu sistemlerin kaynağıdır.

Alternatif akımda akım büyüklüğü her periyotta bir kez pozitif, bir kez negatif değer alır. Devrenin gerilimi sıfırı geçerken akım da sıfırdan geçer. Jeneratörün armatüründe dönen bobin döndükçe çevresindeki manyetik alanı değiştirir ve indüklenen gerilim bu değişimin hızına bağlı olur. Elde edilen gerilim sinüs biçimlidir; tek yönde akan bir akım yerine yön değiştiren bir akım oluşur.

Alternatif akımın taşıma maliyeti düşük olması büyük avantajdır. Yüksek gerilimde aynı güç çok daha küçük akımla taşınır; akım küçük olduğundan iletken kaybı azalır. Kısa mesafelerde doğru akım, uzun mesafelerde ve şebekelerde alternatif akım tercih edilir. Atölyedeki tezgâh motorları, aydınlatma ve priz tesisatı bu düzenekten beslenir.

2. Alternatif Akımın Üretimi ve İletimi

Endüksiyon yasasına göre bir bobinin çevresindeki manyetik alan değiştiğinde bobinde bir gerilim oluşur. Jeneratörde dönen bobin sabit mıknatısın alanından geçerken alan büyüklüğü artıp azalır; her tam turda iki kutup değişimi yaşanır ve bir periyottaki sinüs eğrisi elde edilir. Üretilen frekans, dönme hızı ile kutup sayısının çarpımından belirlenir.

Transformatör bu iletimi kolaylaştırır. Birincil sargıya alternatif gerilim uygulandığında çekirdekte değişen bir manyetik akı oluşur; bu akı ikincil sargıda indüklenen gerilimi sağlar. Sarım sayısı oranı gerilimi dönüştürür: sarım sayısı iki katına çıkarılırsa gerilim de yaklaşık iki katına çıkar. Doğru akımda manyetik akı sabit olduğu için ikincilde gerilim oluşmaz. Bu yüzden transformatörler yalnızca alternatif akımda çalışır.

Uzun mesafelerde gerilim yükseltilir, kullanım yerinde indirilir. Bu iki dönüşümün ikisi de manyetik alana dayanır ve kayıpları çok düşüktür. Panodaki koruma elemanları da alternatif akımın tepe değerlerine dayanacak biçimde seçilir; kesildikleri anda anlık tepe akımını taşıyabilecek güce sahip olmalıdır. Bu nedenle yalnızca etkin değere göre seçilen bir sigorta tepe değerde yetersiz kalabilir.

3. Periyot, Frekans ve Dalga Boyu

Periyot (T) dalganın bir bütün olarak tekrar etmesi için geçen süredir ve saniye cinsinden ölçülür. Frekans (f) saniyedeki periyot sayısıdır ve hertz cinsindendir. Aralarındaki bağıntı f = 1 / T biçimindedir. Türkiye'de elektrik atölyesi şebeke frekansı 50 Hz'dir; bu değer periyodun 0,02 saniye olduğu anlamına gelir.

Bir periyotta iki sıfır geçişi vardır: biri tepe değerden aşağı inerken, diğeri aşağıdan yukarı çıkarken. Bu nedenle 50 Hz'lik bir şebekede bir saniye içinde 100 sıfır geçişi gerçekleşir. Ölçü aletleri bu sıfır geçişlerinin ortalamasını alarak etkin değeri verir; bu yüzden gözle bakıldığında sabit bir değer okunur ve dalganın hareketi fark edilmez.

Dalga boyu dalganın bir periyotta kat ettiği uzaklıktır ve λ = v / f bağıntısıyla bulunur. Boşlukta dalga hızı çok büyüktür; 50 Hz'de dalga boyu 6 metre çıkar. Kablolu iletimde ise dalga hızı kablo malzemesine bağlıdır ve kablo uzunluğu bu dalga boyu ile karşılaştırılabilir ölçüdedir. Bu yüzden uzun kablolarda yüksek frekanslı sinyaller zayıflar.

4. Tepe Değer, Etkin Değer ve Ölçüm

Sinüs dalgada genlik her iki yönde aynı büyüklükte iki tepe değer alır. Tepe değer bu en büyük değerdir. Etkin değer ise aynı ısıtma etkisini doğru akımda veren değerdir. Sinüs dalgada etkin değer tepe değerin 1,4142 ile çarpımıdır; ters yönde 0,707 katsayısı kullanılır. Yalnızca bu iki katsayı sinüs dalga için geçerlidir.

Ölçü aletlerinin göstergesi bu yüzden 325 V değil 230 V okur. Priz gerilimi olan 230 V bir sinüs gerilimin tepe değeri 325 V'tur; alet 325 V'u değil ısıtma karşılığı olan 230 V'u gösterir. Bu yüzden bir ısıtıcının gücünü hesaplarken daima etkin değer kullanılır. 230 V'a bağlı 100 W'lık bir ampulün direnci U² / P bağıntısıyla 529 Ω olarak bulunur.

Tepe değer yalnızca osiloskopla ya da tepe değer kipi olan özel ölçü aletleriyle okunur. Ölçüm aralığı seçilirken en büyük tepe değer seviyesinin cihazın giriş sınırının altında kaldığı kontrol edilmelidir. Sınır aşılırsa cihaz zarar görür; ölçüm aralığı küçültülerek ölçüm tekrarlanır. Doğru akımda böyle bir sınır sorunu yaşanmaz.

5. Endüktif ve Kapasitif Reaktans

Bobin akım değiştiğinde kendi manyetik alanını oluşturarak akım değişimine karşı koyar; bu tepkiye endüktif reaktans denir ve X_L = 2 × π × f × L bağıntısıyla hesaplanır. Kondansatör ise elektrik alanında enerji biriktirip akımın değişimini kolaylaştırır; buna kapasitif reaktans denir ve X_C = 1 / (2 × π × f × C) ile bulunur.

İki reaktans arasındaki en önemlu fark frekansa bağımlılık yönüdür. Frekans iki katına çıktığında endüktif reaktans iki katına çıkar, kapasitif reaktans ise yarıya iner. Bu davranış ayrımı, süzgeç tasarımında ve kondansatör boyutlandırmasında doğrudan kullanılır. Bobin bir rezonatörde üst geçirgen, kondansatör ise alçak geçirgen eleman olarak görev yapar.

Doğru akımda bu elemanların davranışı tamamen farklıdır. Bobin doğru akımda geçici bir akım geçirdikten sonra kapalı devre gibi davranır; kondansatör ise şarj olduktan sonra tamamen açık devre gibi davranır. Bu ayrım arıza tespitinde çok işe yarar: bir devrede sürekli akım geçiyorsa ilk bakılacak yer kondansatör, gerilim ölçülüyorsa ilk bakılacak yer bobindir.

6. Empedans ve Faz Açısı

Seri bir devrede direnç ve reaktanslar vektörel olarak toplanır; vektörel toplamın büyüklüğüne empedans (Z) denir. Reaktanslar birbirine zıt yönde etki eder ve toplanırken çıkarılır. Empedans ohm cinsindendir ve direnç gibi tek bir sayısal büyüklüktür; ancak direnç gibi enerjiyi ısıya çevirmez.

Direnç ile net reaktans arasındaki açıya faz açısı denir ve cos φ = R / Z bağıntısıyla bulunur. Bobin yalnız varsa akım gerilimden geri kalır; kondansatör yalnız varsa akım gerilimden ileri gider. Endüktif yüklerde akım geri kalır ve güç faktörü 1'den küçük olur. Kapasitif yüklerde ise güç faktörü 1'den büyük değere çıkabilir.