ULUDAĞ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ELN2024 Elektrik Devreleri Laboratuarı II 2013-2014 Bahar DENEY 3 Maksimum Güç Transferi Deneyi Yapanın Değerlendirme Adı Soyadı : Ön Hazırlık ve Deney Bilgisi (20 / 100) : / 100 Deney Düzeneği Kurulumu (15 / 100) : / 100 Numarası : Ölçü Aletlerinin Kullanımı (20 / 100) : / 100 Deney Sonuçları (30 / 100) : / 100 Zamanında Tamamlama (15 / 100) : / 100 Deney Grubu : DENEY NOTU (100 / 100) : / 100 Sonuçların Yorumlanması (90 / 100) : / 100 Deney Tarihi : Rapor Düzeni (10 / 100) : / 100 İmza : Değerlendiren : RAPOR NOTU (100 / 100) : / 100
Deney 3 Maksimum Güç Transferi Deneyin Amacı Bir devrede, yüke maksimum güç aktarabilmek için yük empedansının sağlaması gereken koşulları deneysel olarak belirlemek Maksimum güç transferi durumunda devrenin verimini gözlemlemek Maksimum gerilim transfer karakteristiklerini araştırmak Yükte harcanan gücün ve yük geriliminin DC devrelerde yük direnci, AC devrelerde ise frekans ile değişimini incelemek ve yorumlamak Deneyde Kullanılacak Malzemeler Osiloskop Osilatör (Sinyal Generatörü) Board Voltmetre (AC/DC) Ampermetre (AC/DC) Direnç Kutusu Dirençler: 1K, 1.8K, 3.9K, 6.8K, 15K Kondansatör: 330nF Endüktans: 33mH Önbilgi Maksimum güç transferi ve maksimum gerilim transferi kavramları birbirleriyle yakından ilişkilidir. Maksimum güç transferine tipik bir örnek, kuvvetlendiricilerden hoparlörlere (veya yüke) mümkün olduğu kadar çok güç transferinin amaçlandığı stereo kuvvetlendiricilerdir. Aynı kuvvetlendiricide maksimum gerilim transferi ilkesi de kullanılır. Ancak bu ilkenin kullanım alanı kuvvetlendirme sürecinin daha önceki basamaklarıdır. Örneğin, kaset ya da CDçalardan gelen AC gerilim işaretinin genliği çok küçüktür ve kuvvetlendirilmesi gerekir. Burada maksimum güç transferi çok önemli değildir. Önemli olan, bir kuvvetlendirici devreden diğerine mümkün olduğu kadar yüksek genlikli gerilimin aktarılmasıdır. Bu örneklerin AC işaretler içermesinin temel sebebi, maksimum güç ya da gerilim transferinin gerçek yaşamdaki uygulama alanlarının birçoğunda AC işaretlerin kullanılmasıdır. Ancak her iki kavram da (deneyde de görüleceği gibi) DC devrelere de benzer şekilde uygulanabilir. Maksimum güç transferi, sadece yük direnci kaynağın eşdeğer direncine eşit olduğu zaman sağlanabilir. 1
Kaynağın eşdeğer direncinden farklı değerdeki herhangi bir yük direnci yüke daha az bir gücün aktarılmasına sebep olur. Maksimum gerilim transferi, yük direnci kaynak direncinden çok daha büyük olduğu teorik olarak yük direncinin değeri sonsuz iken- zaman gerçekleştirilir. Pratik uygulamalarda, yük direnci kaynak direncinin 100 katı ise kaynak geriliminin %99 undan fazlası yüke aktarılır. Yük direnci kaynak direncinin sadece 10 katı ise, kaynak geriliminin %90 ından fazlası yük direncine aktarılır. Bu deneyde, elde edilen ölçüm sonuçlarının bir bölümü yarı-logaritmik grafiklerin çizilmesinde kullanılacaktır. Yarı-logaritmik grafiklerin bir ekseni (genellikle düşey eksen) lineer olarak, diğer ekseni ise logaritmik olarak ölçeklendirilmiştir. Bu tip ölçeklendirme, geniş bir aralıktaki verilerin sıkıştırılarak tek grafik üzerinde gösterilmesi açısından son derece faydalıdır. Elektronikte kullanılan yarı-logaritmik grafiklerin yatay eksenlerini genellikle geniş bir aralıktaki direnç ya da frekans değerleri oluşturur. Kısım I Deneyin Yapılışı Şekil 1 deki deney düzeneğini kurunuz. Kaynak gerilimini ölçünüz. Yük direnci R L nin 100, 470, 1K, 4.7K ve 10K değerleri için gereken ölçümleri yaparak Tablo 1 i doldurunuz. R g =1K A E=12V V R L Şekil 1 Tablo 1 de I L yük akımını, V L yük gerilimini, P i DC gerilim kaynağından çekilen toplam gücü, P L yüke aktarılan gücü göstermektedir. Verim ise, formülü ile hesaplanabilir. P Verim (%) P L i. 2
Tablo 1 R L ( ) I L (ma) V L (V) P i (mw) P L (mw) Verim (%) 100 470 1000 4700 10000 Sorular 1. Yüke aktarılan gücün maksimum değerine ulaştığı noktada R L ve R g dirençleri arasında nasıl bir bağıntı vardır? Elde ettiğiniz bu sonuç teori ile uyumlu mudur? Açıklayınız. 2. Yüke aktarılan gücün maksimum olduğu durumda devrenin verimi ne kadardır? Teorik hesaplamaları yaparak, ölçümler sonucunda elde ettiğiniz bu değeri teorik değer ile karşılaştırınız. Fark varsa, nedenini belirtiniz. 3. Elde ettiğiniz sonuçlardan yararlanarak maksimum gerilim ve maksimum güç transferi kavramlarını karşılaştırınız. 3
Kısım II Deneyin Yapılışı Şekil 2 deki deney düzeneğini kurunuz. Kaynak gerilimini ölçünüz. R L = 1K iken R g nin 10K, 4.7K, 1K, 470, 100 ve 0 değerleri için gereken ölçümleri yaparak Tablo 2 yi doldurunuz. R g A E=12V V R L =1K Şekil 2 Tablo 2 R g ( ) I L (ma) V L (V) P i (mw) P L (mw) Verim (%) 10000 4700 1000 470 100 0 Sorular 1. Elde ettiğiniz sonuçları yorumlayınız. 4
2. Elde ettiğiniz sonuçlar Tablo 1 deki değerler ile uyumlu mudur? Neden? Kısım III Önhazırlık Şekil 3 teki devrede yükün uçlarından kaynağa doğru bakıldığında görülen R th Thevenin direncini ve E th Thevenin gerilimini hesaplayarak eşdeğer devreyi çiziniz. Deneyin Yapılışı 1. Şekil 3 teki devreyi kurunuz. Tablo 3 te verilen R L direnç değerleri için istenen büyüklükleri ölçünüz ve gereken hesaplamaları yapınız. Tablo 3 teki I g akımı kaynaktan çekilen akımdır. R 1 =3.9K R 3 =6.8K A A R 4 =1.8K E=12V R 2 =15K V R L Şekil 3 5
Tablo 3 R L ( ) I g (ma) P i (mw) V L (V) I L (ma) P L (mw) Verim (%) 10 100 1000 4700 10000 47000 100000 470000 1000000 2. Şekil 3 teki devrenin Thevenin eşdeğerini deneysel olarak elde ediniz. R th Thevenin direncini ölçerken gerilim kaynağını devreden tamamen ayırıp ilgili uçları kısa devre yapınız (R L direncini çıkarmayı da unutmayınız). E th Thevenin gerilimini ölçerken devreye gerilim kaynağını bağlayınız. E g =12V için çıkıştaki açık devre gerilimini ölçünüz. E g =... E th =... R th =... 3. Tablo 3 teki ölçümleri kullanarak Yükte Harcanan Güç Yük Direnci grafiğini çiziniz. Grafik 1 6
4. Tablo 3 teki ölçümleri kullanarak Kaynak Gücü Yük Direnci grafiğini çiziniz. Grafik 2 5. Tablo 3 teki ölçümleri kullanarak Yük Gerilimi Yük Direnci grafiğini çiziniz. Sorular Grafik 3 1. Önhazırlıkta hesapladığınız ve ölçtüğünüz Thevenin gerilimi ve dirençlerini karşılaştırınız. Fark varsa nedenlerini belirtiniz. 7
2. Tablo 3 ve Grafik 1 deki verileri kullanarak maksimum güç transferi için gereken R L değeri nedir? Bu değer ile ölçtüğünüz R th değeri arasında nasıl bir bağıntı vardır? Neden? 3. Bu deneyde Şekil 3 teki karmaşık devre yerine Thevenin eşdeğer devresi ve Şekil 3 teki yük direncini kullanarak ölçümler yapılsa elde edilen sonuçlar nasıl olurdu? Neden? 4. Grafik 2 yi kullanarak yük direnci arttıkça kaynak gücünün nasıl değiştiğini açıklayınız. Neden? 5. Tablo 3 ve Grafik 3 teki verileri kullanarak yüke maksimum gerilimi aktarmak için gereken R L değerini belirleyiniz. Bu durumu gerilim bölücü kullanarak açıklayınız. 8
6. R L direnci R th direncine eşit olduğunda, kaynak gücünün ne kadarı yüke aktarılmıştır? Teorik hesaplamaları da yaparak elde ettiğiniz sonucu teorik sonuçla karşılaştırınız. Bu değeri daha önceki deneylerde elde edilen sonuçlarla karşılaştırarak aradaki farkın sebeplerini belirtiniz. Kısım IV Önhazırlık 1. Şekil 4 teki deney düzeneğinde yüke maksimum güç aktarılması için R L ve C L den oluşan yük empedansı gereken şartları sağlıyor mu? Gerekli hesaplamaları yaparak açıklayınız. 2. Şekil 4 teki devrede yüke maksimum gücün aktarıldığı frekansı hesaplayınız. 9
Deneyin Yapılışı 1. Şekil 4 teki devreyi kurunuz. Devrenin girişine tepeden tepeye 3V luk sinüsoidal bir gerilim uygulayınız. Gerekli ölçümleri yaparak Tablo 4 ü doldurunuz. Önemli Not: i. Osilatörün frekansı değiştirildikçe giriş geriliminin genliğinde değişiklikler olacaktır. Bu nedenle her frekans değişiminde, ölçümleri gerçekleştirmeden önce giriş gerilimini osiloskop ve voltmetre ile kontrol ederek verilen değerde sabit tutulması için gerekeni yapınız. Böylece şebekeden çekilen güç de sabit tutulmuş olur. ii. Bilindiği gibi voltmetre ve ampermetre AC kademede efektif (etkin) değer ölçerler. Bu nedenle şebekeden çekilen ve yüke aktarılan güçleri hesaplarken aşağıdaki formüllerden yararlanınız. P i V g eff.i g eff cos( V i - I i ) P L V L eff.i L eff cos( V L - I L ) Şekil 4 Tablo 4 f (Hz) I g eff V L eff I L eff V İ Iİ 100 500 1000 1500 2000 V L IL P i P L Verim (%) 10
2. Tablo 4 ten yararlanarak Efektif Yük Gerilimi Frekans ve Yükte Harcanan Güç Frekans grafiklerini çiziniz. Grafik 4 Grafik 5 Sorular ve Yorumlar 1. Her frekanstaki efektif giriş gerilimi ile efektif yük gerilimlerini karşılaştırınız. Gözlemlediğiniz durumun sebebi nedir? 2. Yüke maksimum gücün aktarıldığı frekans önhazırlık kısmında hesapladığınız teorik değerle uyuşuyor mu? Fark varsa sebebi nedir? 11
3. Tablo 4, Grafik 4 ve Grafik 5 ten yararlanarak maksimum güç transferi ve maksimum gerilim transferi kavramlarını karşılaştırınız. Daha önce yaptığınız deneylerdeki sonuçlarla karşılaştırılırsa herhangi bir fark var mı? Neden? 4. Farklı frekans değerlerinde yüke maksimum güç aktarmak için devrede yapılması gereken değişiklikler nelerdir? Açıklayınız. 12