2. DİRENÇLER : KARAKTERİSTİKLERİ VE CİNSLERİ Dirençlerin karakteristik özellikleri ve cinsleri üzerinde çalışmaya başlamadan önce kısaca elektrik direncinin ne olduğunu hatırlayalım. 2.1. Elektrik direnci 2.1.1. Tanımlama Üzerinden akım geçen bir cismin elektrik yüklerinin hareketine karşı koymasına elektrik direnci denir. Elektrik direnci R sembolü ile gösterilir. Elektrik akımının bir iletkenin atomları arasından bir takım elektronların akışı olduğunu söylemiştik. Atomların pozitif çekirdeklerinin bunlar üzerindeki çekim etkisi yok sayılacaktır. Maddenin atomik yapısına bağlı olarak elektronların hareketine karşı koyma derecesi bir maddeden diğerine farklılık gösterir. Maddenin bu özelliğine elektrik direnci denir. Bazı maddeler elektriğin daha kolay akmasına olanak verir. Bu tip maddeler iyi iletken olarak adlandırılır. Diğer maddeler elektrik akımına değişik oranlarda karşı koyarlar. Bu maddeler dirençli maddelerdir. Bazı maddelerin atomları elektronların hareketine o kadar karşı koyarlar ki akım geçmesine izin vermezler. Bu maddelere yalıtkan denir. 2.1.2. Direnç birimi, katları ve askatları Elektrik direncinin birimi ohmdur ve Yunan alfabesinin büyük harfi sembol olarak kullanılır. Ohmmetre ise kesiti 2 mm 2, uzunluğu 1063 mm olan civa sütununun elektrik direncidir. Ohmmetre birçok uygulamada uygun bir birim olarak kullanılmaz.. Çünkü bazı durumlarda çok büyük, diğer bazı durumlarda ise çok küçük bir birim olarak kullanışsızdır. Bu nedenle daha çok kullanılan ohmun askatları ve katları ile bunların ohm eşdeğerleri aşağıdaki tabloda gösterilmiştir. Katları Mega ohm Kilo ohm M K 1.000.000 ohm = 10 6 1.000 ohm = 10 3 Ohm Askatları Mili ohm mikro ohm m Ohmun katları ve askatları 0,001 ohm = 10-3 0,000001 ohm = 10-6 1
2.2. Dirençlerin Karakteristikleri Elektrik direncini iletkenlerin elektrik akımına karşı çıkarttığı zorluk veya karşı koyma olarak öğrenmiştik. O halde iletken içinde gidilen yol arttıkça karşılaşılan zorluk, yani direnç daha fazla olacaktır. Diğer taraftan geçilen iletkenin kesit alanı büyüdükçe birim zamanda daha çok elektron geçebileceğinden zorluk, yani direnç azalmış olacaktır. Bu kavramı daha kolay anlayabilmek için içinden su akan bir boruyu ele alalım. Boru uzadıkça suyun diğer taraftan alınması gecikecektir (aynen bir iletkenin elektrik akımına gösterdiği dirence benzer şekilde, bakınız şekil 4.2.1). Boru daraltılırsa su daha zor, genişletilirse daha bol akacaktır (iletkenin kesit alanında olduğu gibi). Şekil 4.2.1 2.2.1. Özdirenç kavramı Aynı boyda ve kesitte ancak farklı maddelerden yapılmış iki iletkenin dirençlerinin farklı olduğunu göstermiştik. Buradan maddenin yapısının dirençte fark yaratan faktörlerden biri olduğu sonucuna varıyoruz. Bir dirençin bu maddesel özelliğini ölçülebilir bir büyüklük olarak, yapıldığı madde ile özdeşleştirmek üzere özdirenci tanımladık. O halde, bir iletkenin elektrik direncinin boyu, kesit alanı ve yapıldığı maddenin özdirencine bağlı olduğunu aşağıdaki şekilde ifade edebiliriz: Bir iletkenin elektrik direnci kullanıldığı malzemenin özdirenci ve boyu ile doğru orantılı, kesit alanı ile ters orantılıdır. Bu ifadeyi şu şekilde formüle edebiliriz: R = L S Burada: R = Direnç Birimi : Ohm ( ) = Özdirenç Birimi : Ohm mm 2 / metre ( mm 2 / m) L = Uzunluk Birimi : metre ( m ) S = Kesit alanı Birimi : milimetrekare ( mm 2 ) olarak kullanılır. 2
Bir maddenin özdirencini bu maddeden yapılmış kesiti 1 mm 2 uzunluğu 1 metre olan bir telin direnci olarak tanımlarız. Özdirenç Yunan alfabesinden ro ( ) harfi ile gösterilir. Metal Bileşimi Özdirenç ( ) Alüminyum Kömür Çinko Bakır Kalay Demir Civa Nikelin Gümüş Kurşun Konstantan Nikron Al C Zn Cu Sn Fe Hg C-Ni-Zn Ag Pb Cu-Ni Ni-Cr 0,028 63 0,061 0,017 0,12 0,13 0,957 0,40 0,163 0,204 0,5 1 2.2.2. İletkenlik kavramı 20 C de çeşitli metallerin özdirençleri İletkenlik, özdirenç kavramının tersidir. Yani, iletkenlerin elektrik akımına sağladığı kolaylığın ifadesidir. İletkenlik Yunan alfabesinin sigma ( ) harfi ile gösterilir. Özdirenç ile arasındaki matematiksel ilişki şu şekilde ifade edilir: = 1 1 = Buna göre, direnç formülündeki özdirenç çıkartılıp yerine iletkenlik cinsinden eşdeğeri konulursa formül aşağıdaki şekli alır: R = 1 L S Bu yeni formülde bir iletkenin direncini kesit alanı, uzunluk ve kullanılan malzemenin iletkenliğini kullanarak ifade ettik. 2.2.3. İletim kavramı Bu da direnç kavramının tersidir ve şu şekilde tanımlanabilir: Elektrik akımına bir maddenin sağladığı yardım veya kolaylığın ne kadar az veya çok olduğunu ifade eden kemiyettir. G harfi ile temsil edilen iletimin birimi mho veya siemens tir. İletimin matematiksel ifadesi şöyle formüle edilir: 1 S G = R 3 G = L
2.2.3. Direncin sıcaklıkla değişimi Çevrenin veya direncin kendi sıcaklığının değişmesi halinde elektrik direncinin sabit kalmayacağını bilmek önemlidir. Biraz yukarıdaki bir tabloda bazı metallerin 20 C sıcaklıktaki özdirençlerini görmüştük. Buradan farklı sıcaklıklarda farklı özdirençler olması gerektiğini düşünebiliriz. Sıcaklık ile metallerin boy ve kesitlerinin genleşme nedeniyle değiştiğini hesaba katarsak bir iletkenin belirli bir sıcaklıktaki direncini formülü ile hesaplarız. Burada; R t = R 0 ( 1 + t ) ifade eder. R t = t sıcaklığındaki direnç Birimi : Ohm ( ) R 0 = 20 C çevre sıcaklığındaki direnç Birimi : Ohm ( ) = sıcaklık katsayısı t = ( t - t 0 ) sıcaklık değişimi Birimi : C 1 veya 1 / C Birimi : C Aşağıdaki tabloda farklı malzemeler için sıcaklık katsayıları verilmiştir. Bir iletkenin içindeki serbest elektronlar, yani elektrik akımını meydana getiren yükler, bir yöne doğru hareket ederken iletkenin atomlarına çarparlar. Bu çarpışmalar elektronlar ile atomlar arasında sürtünme yaratır. Bu sürtünme nedeniyle harcanan enerji ısı enerjisine dönüşür. Bu sırada çevre sıcaklığının artması gibi bir nedenle iletkenin sıcaklığında bir artış oluştuğu takdirde ki, bu iletkenin atomlarının dışarıdan ısı enerjisi kazanması ile olur, atomların termiyonik titreşim hareketleri artar. Bu ortamda akmaya çalışan serbest elektronlar daha hızlı titreşen atomlar ile daha sık çarpışma yapacağından ilerlemeleri daha da zorlaşır. Hareketlerinin daha zor olması demek bildiğimiz gibi direnç artışı demektir. Metal Sıcaklık katsayısı * 10-4 ( ) Gümüş 38 Bakır 39 Alüminyum 37 Saf demir 48 Altın 34 Kalay 36 Kömür 4 Bronz 20 Pirinç 15 4
2.2.3.1. Tam iletkenler Bir önceki paragrafta iletkenin sıcaklığı attıkça elektrik direncinin arttığını gördük. Bir iletken soğutulursa elektrik direnci yine değişir. Ancak bu sefer daha iyi bir iletken olur. Yani malzemenin iletkenliği artar.kamerling Onnes bazı metalleri sıvı helyum yardımı ile çok düşük sıcaklıklara indirerek bu konudaki çalışmaları başlattı. Araştırmalar sonunda her metalin elektrik direncinin aniden çok keskin bir değişim ile nerdeyse sıfıra düştüğü bir sıcaklık limitine sahip olduğu ortaya çıktı. Bu limit sıcaklığa kritik sıcaklık adı verildi. Metallerin çok düşük sıcaklıklarda kazandıkları bu özelliğe tam iletkenlik denilmektedir. Örneğin civanın 1.5 K mutlak sıcaklıkta iken sahip olduğu elektrik direnci 0 C dekinin milyarda biridir. Günümüz teknik olanakları ile mutlak sıfır sıcaklığa doğru yaklaşılmakta ve araştırmalar devam etmektedir. 2.2.4. Dirençlerin Sınıflandırılması Elektrik dirençlerinin temel karakteristikleri hakkında öğrendiklerimizden sonra şimdi dirençlerin sınıflandırılmasını inceleyeceğiz. Dirençler üretim tipleri ve güç veya değerliklerine göre sınıflandırılabilirler. Aşağıda değerleri cinsinden bir sınıflandırılmayı görüyoruz: Sabit dirençler / Değişken dirençler / Bağımlı veya özel dirençler 2.2.4.1. Sabit dirençler Bunlar bulundukları şartlar hafifçe değişmediği sürece değerleri -/+ bir limiti (tolerans) aşmayacak oranda sabit kalan dirençlerdir. Direncin değeri üzerine rakamlarla yazılmış olabileceği gibi renk kodlaması (Bakınız Tablo 4.4.1) ile de belirtilebilir. Renkler 1. renk halkası -ilk rakam- 2. renk halkası -ikinci rakam- 3. renk halkası -çarpan- Gümüş - - 0,01 % 10 Altın - - 0,1 % 5 Siyah 0 0 1 - Kahve 1 1 10 % 1 Kırmızı 2 2 100 % 2 Turuncu 3 3 1.000 - Sarı 4 4 10.000 - Yeşil 5 5 100.000 %0,5 Mavi 6 6 1.000.000 %0,25 Mor 7 7 - %0,1 Gri 8 8 - %0,05 Beyaz 9 9 - - Yok - - - % 20 4. renk halkası -tolerans- SoKaKTa SaYaMaM GiBi Tablo 4.4.1 5
Üretim tiplerine göre yapılan sınıflandırma ise şöyledir: Seramik dirençler Karbon filmden dirençler Metal filmden dirençler Tel sarımlı dirençler 2.2.4.2. Değişken dirençler Bunlar elle kumanda edilerek değeri 0 ile belirli bir maksimum değer arasında değiştirilebilen direnç sağlarlar. Reosta veya potansiyometre olarak adlandırılır ve verebildikleri azami direnç ile belirtilirler. Ebatları, lineer veya logaritmik değişim kuralı ve güç harcama kapasitesi gibi diğer karakteristikleriyle de tanımlanabilirler. Yapım şekillerine göre iki büyük gruba ayrılırlar: Tel sarımlı Filmli 2.2.4.3. Bağımlı veya özel dirençler Bunlar bağımlı oldukları dış etkene bağlı olarak direnç karakteristiklerini değiştirebilen genellikle yarıiletken denilen özel malzemelerden yapılmış dirençlerdir. Şekil 4.4.4 Değişken direnç örnekleri Direncin karakteristiklerini etkileyebilecek olan dış etkene bağımlılığı üç çeşittir: - Sıcaklık - Aydınlatma - Voltaj 6
2.2.4.3.1. Termistörler veya sıcaklığa bağımlı dirençler Bu tip dirençler iki ayrı tipe ayrılabilir: a) NTC dirençler - NTC dirençler - PTC dirençler Bunlar isimlerini İngilizce (Negative Temperature Coefficient) ibaresinin baş harflerinden alırlar. Bunun anlamı Negatif Sıcaklık Katsayısıdır. Buradaki termistör adı direnç değerinin içinde bulunulan çevrenin sıcaklığına duyarlı olmasından gelir. Şekil 4.4.5 NTC dirençler sıcaklık arttıkça direnç değerleri hızla azalan elemanlardır. Krom, demir ve manganez gibi metallerin oksitlerinden oluşan yarı iletkenlerden yapılırlar. b) PTC dirençler Bunlar isimlerini İngilizce (Positive Temperature Coefficient) ibaresinin baş harflerinden alırlar. Bunlarda belirli bir sıcaklık aralığında sıcaklık katsayısı pozitiftir. Bu aralık dışında sıcaklık katsayısı 0 ve hatta NTC de olduğu gibi negatif olabilir. Kullanım amaçlarına uygun şekil verilerek baryum ve stronyum karışımından yapılırlar. Bunun ardından bazı tipleri ile bunları temsil eden semboller sistemini görebiliriz. Bu tip termistörlerin uygulama yerleri olarak şunları sayabiliriz: PTC ler, termostatlar, aşırı voltaj ve kısa devreye karşı koruma uygulamalarında, NTC ler ise devrede filamanların kazanç ve koruma kompenzasyonu uygulamalarında kullanılmaktadır. 2.2.4.3.2. Aydınlatmaya bağlı dirençler (LDR) Bunlar LDR ismini İngilizce (Light Dependent Resistors) ibaresinin baş harflerinden alırlar. LDR ler direnç özellikleri içinde bulundukları çevrenin aydınlanma şartlarına bağlı olarak değişen elemanlardır. Öyle ki, ışık arttıkça dirençleri azalır. Yapımlarında kadmiyum sülfür gibi ışığa hassas maddeler kullanılır. Uygulamalarda tam karanlıktaki dirençlerinin birkaç M mertebesinde olduğunu hesaba katmak önemlidir. Genel olarak fotoselli alarm sistemlerinde ve aydınlatma uygulamalarında otomatik ışık parlaklığı kontrolü devreleri yapımında kullanılırlar. 7
2.2.4.3.3. Voltaja bağlı dirençler (VDR) Bunlar VDR ismini İngilizce (Voltage Dependent Resistors) ibaresinin baş harflerinden alırlar. Üzerlerindeki voltaj arttıkça dirençleri azalır. Bunlara Varistör denir. Şekil 4.4.6 Elektriksel özelliklerini elde edebilmek için ısıda tavlanıp kurutulduktan sonra yoğunlaştırılmış silikon karbür taneciklerinden yapılırlar. Bunlarda voltaj ile direnç arasındaki ilişki silikon karbür tanecikleri arasında bulunan kontak dirençlerinden kaynaklanmaktadır. Bunlar bir diyotun ters iletkenliğine benzer şekilde gerilim engeli yaratmayan, seri-paralel karışımlı, iki yönlü geçişe izin veren ağ oluştururlar. 8
AKSARAY ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ELEKTRİK DEVRELERİ LAB 1 DENEY FÖYÜ Deneyin Numarası ve Adı Deneyi Yaptıran Ar. Gör. Deneyin Amacı Deneyin Yapıldığı Tarih Raporu Hazırlayan Öğrenci No Ad - Soyad Grup No Deney Raporunun Teslim Edildiği Tarih Not Değeri Yrd.Doç.Dr. Yunus UZUN Uzm. Feyzullah GÜLPINAR
1. Alıştırma: Dirençlerin ölçülmesi Önceden belirlenmiş renk kodların kullanarak bir direncin değerini Ohmmetre veya multimetre ile ölçmeden de bilebiliriz. Bu direnç kodlama tablosu 4.5.1 de açıklanmıştır. Şekil 4.5.1 Bir direnç örneği Renkler 1. renk -ilk rakam- 2. renk -ikinci rakam- 3. renk -çarpan- 4. renk -tolerans- Gümüş - - 0,01 % 10 Altın - - 0,1 % 5 Siyah 0 0 1 - Kahve 1 1 10 - Kırmızı 2 2 100 % 2 Turuncu 3 3 1.000 - Sarı 4 4 10.000 - Yeşil 5 5 100.000 - Mavi 6 6 1.000.000 - Mor 7 7 - - Gri 8 8 - - Beyaz 9 9 - - Yok - - - % 20 Tablo 4.5.1 Bir önceki renk kodları tablosuna başvurarak ve Devre 2 yi Normal modunda (hata şalteri yukarı pozisyonda) çalıştırarak aşağıdaki tabloyu tüm dirençler için doldurun. 1
Dirençler 1. Renk 2. Renk 3. Renk 4. Renk 5. Renk Tablo 4.5.2 C3.1. R4 direncinin değeri nedir? Şekil 4.5.2 C3.2. R6 direncinin değeri nedir? Şimdi aşağıdaki tabloda görülen dirençleri Ohmmetre veya multimetre ile ölçünüz ve renk kodlarına bakarak bulduğunuz değerler ile karşılaştırınız. Direnç Ölçüm Sonucu R3 R4 R5 R6 C3.3. R8 direncinin toleransı nedir? 2
C3.4. 150 ohm metrelik bir direncin renk kodu nedir? A - Kırmızı, siyah, siyah. B - Yeşil,. Yeşil, kahve C - Sarı, mor, mavi. D - Kahve, yeşil, kahve. 2. Alıştırma : Devre 2 de hata çalışması F1 Devre 2 deki hata şalterinin kumandasını F1 ve F2 pozisyonlarına getirerek devrede olabilecek hataları simule edeceğiz. Bunu yapmak için Şekil 4.5.2 de gösterilen Devre 2 yi kullanacağız. F1 şalterini F1 pozisyonuna getirin. Tüm dirençleri Ohmmetre ile ölçünüz ve değerleri ile karşılaştırınız. Aşağıdaki tablo bu konuda yardımcı olacaktır. Direnç Ortalama değeri Teorik değeri R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 C3.5. Hangi dirençler anormallik gösteriyor? A - R3, R5 ve R8. B - R6. C - R9. D - Hiçbiri. Tablo 4.6.1 3. Alıştırma : Devre 2 de hata çalışması F2 Hata şalterini F2 pozisyonuna alın ve sonra bir önceki deneyde yaptıklarınızı aynen tekrarlayın. Direnç Ortalama değeri Teorik değeri R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 3
Tablo 4.7.1 C3.6. Hangi dirençler anormallik gösteriyor? A - R4, R6 ve R8. B - R7. C - R10. D - Hiçbiri. 4. Alıştırma: Teorik ve Pratik üzerine alıştırmalar E3.1. Elektrik akımının geçmesini zorlaştıran maddelere ne deriz? A - İletken. B - Tam iletken. C - Yalıtkan. D - Özdirenç. E3.2. 1 mili ohm kaç ohma eşittir? A - 0,001 B - 0,01 C - 0,00001 D - 1.000.000 E3.3. Verilen bir direncin değeri nelere bağlıdır? A - Sıcaklık, nem ve uzunluk. B - Nem, özdirenç ve sıcaklık. C - Özdirenç, uzunluk ve kesit alanı. D - Kesit alanı, uzunluk ve sıcaklık E3.4. Direncin tersine ne denir? A - İletkenlik. B - İletim. C - Özdirenç. D - Özel bir ismi yoktur. E3.5. Üzerinde mor, sarı ve kahve renk kodlaması olan direnç kaç ohmdur? E3.6. Üzerinde turuncu, kırmızı ve mavi renk kodlaması olan direncin değeri nedir? A - 2.300.000 B - 3.200.000 C - 32.000.000 D - 23.000.000 E3.7. % 10 tolerans hangi renkle gösterilir? A - Altın. B - Gümüş. C - Kırmızı. D - Renksiz. 4
SONUÇ: (Derste anlatılanlar ve yapılan deneylerden edindiğiniz genel bilgiler) (En az 200 kelime olmalıdır. Kendi cümleleriniz olmalıdır ve mümkünse maddeler halinde yazılmalıdır! ) 5