DENEY 8: BOBİNLİ DEVRELERİN ANALİZİ

Transkript

1 A. DENEYİN AMACI : Bobin indüktansının deneysel olarak hesaplanması ve basit bobinli devrelerin analizi. B. KULLANILACAK ARAÇ VE MALZEMELER : 1. AC güç kaynağı,. Değişik değerlerde dirençler ve bobin kutusu. C. DENEY İLE İLGİLİ ÖN BİLGİ: BOBİN (SELF): Bobinler, çekirdek olarak adlandırılan bir yalıtkan üzerine spiral, helezon, düz veya petek şeklinde sarılı tellerden oluşan devre elemanıdır. Sargı teli olarak genellikle bakır, gümüş veya litz teli denilen ipekle yalıtılmış teller kullanılır. Bobinler pratikte daha çok silindir şeklinde bir çekirdek üzerine veya simit şeklindeki bir çekirdek üzerine sarılan yalıtkan malzeme kaplı (dışı izole) bakır tellerden üretilir. Sargı tellerinin üzerine sarıldığı çekirdekler genellikle demir, bakır veya sıkıştırılmış demir tozu olan ferrit (ferro malzeme) ten yapılır. Bunun yanı sıra sargı içinde herhangi bir çekirdek bulunmayan havalı bobinlerde sıklıkla kullanılmaktadır. Demir çekirdek, bobinin değerini havalıya göre 4 katına kadar arttırabilir. Bakır çekirdek ise bobinin değerini azaltır. Nüvenin bobin içine girme miktarı değiştirilerek bobinin değerini ayarlamak mümkündür. Sık kullanılan bir başka bobin türü ise toroid lerdir. Toroid bobinler, simit şeklinde bir çekirdek üzerine sargı yapılmasıyla elde edilmektedir. Ayrıca piyasada kondansatör şekline benzer ve küçük değerli bobinlerle karşılaşmakta mümkündür. Faraday ( ), uzun bir teli metal parça üzerine sararak, tel üzerinden akım geçirdiğinde metalin mıknatıs görevi yaptığını ve akımın yönüne göre metalin uçlarında N-S kutuplarının oluştuğunu keşfetmiştir. Kısacası bobin bir iletkenin üzerinden geçen akımı manyetik alan çizgilerine çevirerek yapısal olarak bir enerji dönüşümüne neden olmaktadır. Tersi durumunda da yani bir manyetik cismin manyetik alan çizgileri bobini kesecek şekilde hareketlendirilirse bobin üzerinde bir akım oluşur. Bobine alternatif elektrik akımı uygulandığında bobinin etrafında bir manyetik alan meydana gelir. Aynı şekilde bobinin çevresinde bir mıknatıs ileri geri hareket ettirildiğinde bobinde elektrik akımı meydana gelir. Bunun sebebi mıknatıstaki manyetik alanın bobin telindeki elektronları açığa çıkarmasıdır 1

2 Bobine DC akım uygulandığında, bobin ilk anda açık devre daha sonra kısa devre olarak davranır. Bobine AC akım uygulandığında ise akımın yönü devamlı değiştiği için direnç özelliği gösterir. Frekansa bağlı olarak artan bu özelliğe indüktif reaktans (X L = πfl) adı verilir. Özet olarak, bobinler DC akıma kolaylık, AC akıma ise zorluk gösterirler. Kullanıldığı yerler: Doğru akımda bobinler, daha çok elektromıknatıs olarak kullanılırlar. Makaraya sarılmış olan telden bir akım geçirildiği taktirde bobinin etrafında bir manyetik alan oluşur, bu manyetik alan tarafından oluşturulan mıknatıslık özelliği endüstriyel devrelerde vaz geçilmez bir eleman olan rölelerde kullanılır. Bobinler ayrıca TV devreleri, besleme kaynakları, anten yükselteçleri, radyo devreleri gibi bir çok alanda değişik amaçlarla kullanılırlar. Alternatif akımda ise bobinlerden çok çeşitli şekillerde yararlanılır. AC yüksek gerilimi daha düşük gerilime çevirmek için kullandığımız transformatörler, büyük güçlü akımlar için yapılan kontaktör bobinleri, elektrik üretiminde kullandığımız mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çeviren jeneratörler ve elektrik enerjisini mekanik enerjiye çevirmek için kullandığımız motorlarda bobinler kullanılır. Bu tip makinalarda bobinin kullanılmasının esası yine manyetik alana dayanır. Bir bobinin etrafındaki manyetik alan içinden bir tel geçirildiğinde bu tel de bir gerilim oluşur prensibi ile makinalarda manyetik alan kullanılır. Mesela transformatörlerde, primer ucuna verilen gerilim bu bobinde bir manyetik alan oluşturur. Elektriksel hiçbir bağlantısı olmayan sekonder ucunda ise bu manyetik alandan etkilenerek daha düşük bir gerilim oluşur. Sekonder ucundaki bu gerilimin değeri giriş gerilimi ve sarım sayılarına bağlıdır. Bobin Hesabı: Bir bobinin değeri; kullanılan tel kalınlığına, tur sayısına, sargı boyuna, çekirdek çapına bağlıdır. Sarım sayısı N, çekirdek çapı D cm, bobinin sargısının boyu S cm kadar olan bir bobinde, bobinin değeri pratik olarak H cinsinden L =K.N.D.10-3 formülü ile hesaplanır. Burada K bir katsayıdır ve D / S oranına karşılık gelir. Bobinlerin pratik olarak yapımında, bu değeri bulmak için bir abak kullanılır. Bununla birlikte, K için yaklaşık bir değer olarak K = 100 D / (4 D + 11S) formülü kullanılabilir. Burada D ve S değerleri cm'dir. Örnek: S sargı uzunluğu 3 cm, D çapı 1 cm olan, 30 turluk bir bobinin değeri nedir? L =, L =,43 H. Bu değer, bir makara üzerine sarılan nüvesiz bir bobinin endüktansıdır. Bobin makarası içine demir nüve eklenirse, bobinin endüktansı yukarıda anlatıldığı gibi- daha da artar.

3 Eğer bobin yukarıdaki gibi havada sarılı bir bobin olsa bobinin indüktansı şu formülle hesaplanır: L = 0,079.D. N /(3D+9S+10C) L, H olarak bobinin değeri, D cm olarak bobin çapı, N sarım sayısı, S sarımın cm olarak uzunluğu, C merkezden çevreye doğru sarımın derinliğidir ve tek katlı bobinlerde ihmal edilebilir. Örnek: Önceki örnekteki bobini 5 cm boyunda havada sararsak değeri ne olur? L= /(3 + 45) = 1.5 H yaklaşık değerdir. (Kaynak: EMO İstanbul Şubesi, Eğitim notları) C. DENEY BASAMAKLARI: 1. Deneysel olarak bobin indüktansının hesaplanması: a) Masanızda bulunan bobin kutusunu inceleyerek, kullanım şeklini anlamaya çalışınız. b) Bobin indüktansının deneysel olarak hesaplanması: Bunun için önce aşağıdaki devre kurulur: Bobine seri bağlanan R direnci yalnızca akım sınırlama amacıyla kullanılmaktadır, indüktans hesabında herhangi bir etkisi yoktur. Bobinin iç direnci de göz önüne alındığında, devrenin gerçek hali aşağıdaki gibi modellenebilir: X L Leş iç Bobinin indüktansını belirlemek için önce bobinin (yani L+r iç ikilisinin) uçlarındaki akım ve voltaj osiloskop ile ölçülerek efektif değerleri elde edilir. V X I formülünden X Leş indüktif reaktansı L Leş L hesaplanır. Reaktansın X Leş olarak adlandırılmasının nedeni, hem L nin ve hem de r iç in seri eşdeğerini ifade etmesinden dolayıdır (yani, X L iç r X Leş ). O halde, X r ve L X L f den indüktans değeri hesaplanabilir (f: kaynak frekansı). r iç in değeri, ohmmetrenin uçları doğrudan boşta bulunan bobinin uçlarına bağlanarak ölçülür. 3

4 c) e=sin680t ve R=100 için bobin kutusundan seçtiğiniz L=10mH lik indüktans değerini yukarıdaki açıklamalar ışığında- elde etmeye çalışınız. r iç=. V L=.V I L=.A V L X Leş =. I L X L X Leş iç r =. X L L f =.H d) İndüktans ölçümü için frekansı 10kHz e çıkarınız. Aynı işlemleri tekrarlayarak indüktansı yeniden belirleyiniz. e) Bobin kutusundan 3.5mH lik bobin seçerek, ölçüm yoluyla bu değeri elde etmeye çalışınız. 4

5 . Seri RL devresinin AC analizi: e=(max genlik)sin 000t, R=. ve L= mh değerleri için aşağıda verilen seri RL devresini göz önüne alınız. a) (HESAP) Devrenin eşdeğer empedans devresini çiziniz. Devrenin eşdeğer empedansını hesaplayınız. Devrenin özelliği nedir? Hesaplamalarda bobinin iç direncini göz önüne alınız. b) (HESAP) Devreden akan toplam akımı hesaplayınız. e-i vektörel ilişkisini çiziniz. c) (ÖLÇÜM) Devreden akan toplam akımı osiloskop ile ölçünüz ve aşağıya i-t grafiğini çiziniz. CH1 e e yi ve CH ye i yi bağlayınız. Aralarındaki faz farkını birinci metoda göre hesaplayınız. 5

6 Osiloskobu X-Y konumuna getirerek Lissajous eğrisini çiziniz. Faz farkını ikinci yönteme göre yeniden hesaplayınız. d) (HESAP) Direnç voltajını hesaplayarak, v R i R vektörel ilişkisini çiziniz. e) (ÖLÇÜM) Osiloskop kullanarak X-Y konumunda v R i R grafiğini çiziniz. Aralarındaki faz farkını hesaplayınız. 6

7 f) (HESAP) Bobin (yani L+r iç) voltajını hesaplayarak, v L i L vektörel ilişkisini çiziniz. g) (ÖLÇÜM) Osiloskop kullanarak X-Y konumunda v L i L grafiğini çiziniz. Aralarındaki faz farkını hesaplayınız. h) (HESAP) e ile v L, e ile v R ve v R ile v L arasındaki faz farklarını belirleyiniz. Hangi voltajın ne kadar ileri/geri olduğunu belirtiniz. 7

8 i) (ÖLÇÜM) e ile v L, e ile v R ve v R ile v L işaretlerini osiloskopla ayrı ayrı elde ederek aralarındaki faz farklarını ayrı ayrı elde ediniz. j) (HESAP) Devrenin kesim frekansını hesaplayınız. k) (ÖLÇÜM) Sinyal üretecinde frekansı 0 Hz den 15kHz e kadar değiştirerek e-i arasındaki faz farkını (X-Y konumunda) gözleyiniz. On farklı frekans değeri için faz farkı değerlerini kaydederek faz farkı-frekans grafiğini aşağıya çiziniz. 8

9 - Simülasyon Adımı: Devreyi PSPICE ortamında kurunuz ve simule ediniz. e- v L, e- v R, e- i L, v L i L ve v R i R grafiklerini aşağıya çiziniz. 9

10 e- v L, e- v R, e- i L, v L i L ve v R i R çiftleri için Lissajous eğrilerini elde ederek aşağıya çiziniz. 10

11 11

12 Simülasyon sonuçları ile ölçüm sonuçları uyuştu mu? 3. Paralel RL devresinin AC analizi: e=(max genlik)sin ft, R=. ve L= mh için a) (HESAP) Devrede toplam 60 o faz farkı oluşması için kaynak frekansının ne olması gerektiğini hesaplayınız (bobinin iç direncini göz önüne alınız). 1

13 b) (HESAP) Devreden akan toplam akımı hesaplayınız. e-i vektörel ilişkisini çiziniz. c) (ÖLÇÜM) Devreden akan toplam akımı osiloskop ile ölçünüz ve aşağıya i-t grafiğini çiziniz. CH1 e e yi ve CH ye i yi bağlayınız. Aralarındaki faz farkını X-Y konumunda hesaplayınız. d) (HESAP) Bobin akımını hesaplayarak, v L i L vektörel ilişkisini çiziniz. 13

14 e) (ÖLÇÜM) Osiloskop kullanarak v L i L grafiklerini çiziniz. Aralarındaki faz farkını X-Y konumunda hesaplayınız. f) (ÖLÇÜM) Osiloskop kullanarak v R i R grafiklerini çiziniz. Aralarındaki faz farkını X-Y konumunda hesaplayınız. g) (HESAP) Devrenin kesim frekansını hesaplayınız. 14

15 h) (ÖLÇÜM) Sinyal üretecinde frekansı 0 Hz den başlayarak yeterli bir frekansa kadar değiştirerek e-i arasındaki faz farkını (X-Y konumunda) gözleyiniz. On farklı frekans değeri için faz farkı değerlerini kaydederek faz farkı-frekans grafiğini aşağıya çiziniz. - Simülasyon Adımı: Devreyi PSPICE ortamında kurunuz ve simule ediniz. e- i, v L i L ve v R i R grafiklerini aşağıya çiziniz. 15

16 Simülasyon sonuçları ile ölçüm sonuçları uyuştu mu? 16