Elektrik Elektronik Muhendisliginin Tem

(1)

Elektrik - Elektronik M

ühendisliğinin

Temelleri (ELK 226)

Y. Doç. Dr. Murat Yilmaz

İ

stanbul Teknik Üniversitesi

M

akina Mühendisliği

(2)

(3)

Elektrik Devrelerinin

Temelleri ve Devre Analizi

Yöntemleri

Elektrik - Elektronik

(4)

(5)

Elektrik Mühendisliğinde günümüzde

SI

sistemi kullanılmaktadır:

(6)

Elektrik Mühendisliğinde günümüzde

SI

sistemi kullanılmaktadır:

(7)

Genel Bilgiler

• ELEKTRİK,

tıpkı

mekanik enerji ya da

ısı

enerjisi gibi bir enerji

biçimidir.

• Mekanik Enerjinin kuvvet ve yol gibi,

Isı

Enerjisinin

sıcaklık

ve

ısı

gibi enerji

çarpanları

varsa elektrik enerjisinin de gerilim ve

elektrik yükü gibi enerji

çarpanları

vardır

.

• Bir biçimdeki enerjinin enerji

çarpanları

birbirleriyle

çarpılınca

o

biçimde gözlenen bir enerji elde edilir.

**Kuvvet * Yol**

=

MEKANİK

ENERJİ

Sıcaklık

*

Isıl

Kütle

= ISI

ENERJİSİ

**Gerilim * Elektrik Yükü**

=

ELEKTRİK

ENERJİSİ

(8)

Genel Bilgiler

• Bir biçim enerjinin söz konusu edilen

çarpanlarından

başka

çarpanlarıda

bulunabilir.

Örneğin,

mekanik enerjinin;

Öteleme Hareketi için: Kuvvet ve yol

Dönme Hareketi için: Döndürme momenti ve dönme

açısıdır

.

• Miller ve çubuklar ile mekanik enerji

nasıl

iletiliyorsa en az iki

iletkenli bir iletim

hattı

ile de elektrik enerjisi iletilir.

• Elektriksel enerjiyi manyetik dalgalar

şeklinde

hiç iletkensiz de

iletmek mümkündür.

(9)

Ato u Yapısı

(10)

Elektrik Yükü

• Elektrikli bir cismin üzerinde bulunan elektrik, elektrik

miktarı

veya

elektrik yükü

olarak isimlendirilen bir büyüklükle belirtilir.

• Elektrik yükünün

SI

'daki birimi C

oulomb

'dur (C) ve

Q veya

q ile

gösterilir.

• 1 Kulon, 625x10

16

_{adet elektronun toplam yüküne}

eşittir

_{. Buna}

göre bir elekronun

taşıdığı

negatif elektrik yükü:

(11)

Elektrik Yükü

• Elektrik yüklü bir

parçacık hem kendi

etrafında bir

elektrik

alanı

oluşturur, hem de

başka

parçacıkların

oluşturduğu elektrik

alanından etkilenir.

• Bir cismin elektrik yükü

açısından

pozitif

olması

o cismin

elektronlarından

bir bölümünü

kaybettiği

, negatif

oluşu

ise o

cismin

dışardan

başka

elektronlar

kazandığı

şeklinde

yorumlanır

.

• Genellikle cisimler, taşıdıkları negatif ve pozitif yükler birbirlerini

dengeledikleri için yüksüz görünürler. Cisimlerde pozitif

(12)

Elektrik Yükü

Noktasal iki yük

arasındaki

Lorentz

kuvveti bu iki yükü

birleştiren

doğru

boyuncadır

. Bu kuvvet

yüklerle

doğru

, yükler

arasındaki

uzaklığın

karesiyle ters

(13)

Its

ionization energy is large

;

An electron cannot leave an

atom easily when an electric

field is applied.

A valence electron of

a metal

atom has a

(14)

• Atomun

dış yörüngesinde

değişik

sayıda elektron bulunabilir. Fakat bu

elektronlar

sayısı sekizden fazla olamaz. Sekiz elektronlu

dış

yörüngelere

“

doymuş

yörünge

”

denir.

Doymuş

yörüngenin

elektronları

çekirdeğe daha

sıkı olarak

bağlıdırlar

.

Şu halde

dış

yörüngeleri doymuş olan atomlar, elektronlarını kolay kolay bırakmazlar

ve dışarıdan elektron alamazlar.

• Serbest

elektronları fazla olan maddelere, elektrik

akımını iyi ileten

anlamına gelen “

iletken

” denir. Örnek: Bütün metaller iletkendir.

• Serbest

elektronları çok az olan maddeler, elektrik

akımını iyi iletmezler

veya hiç iletmezler. Böyle serbest elektronu az olan maddelere, elektrik

akımını iletmeyen anlamına gelen “

yalıtkan

” sözcüğü kullanılır

.

(15)

Yal

ı

tkan: Bir malzemedir ve sonsuz dirence sahiptir.

Cok yüksek bir gerilim alt

ı

nda cok küçük bir ak

ı

m ak

ı

t

ı

r.

(16)

Elektrik

akı ı

birim zamanda iletkenden geçen elektrik yüküdür.

Elektrik

akı ı

birimi, iletkenin

kesitinden bir saniyede geçen

elektro iktarı

olarak

ta ı la ır

.

(17)

Elektrik Ak

ımı

Elektrik

akımı

Ampermetre ile ölçülür ve devreye seri olarak

(18)

Elektrik Ak

ımı

Pratikte akülerin

kapasitesini

ölçmek için Amper-saat (Ah)

biriminden

faydalanılır

.

3600As = 1Ah = 3600C

Örnek: Kapasitesi 100Ah olan bir aküden sürekli olarak 5 Amperlik

akım

çekilirse, akü ne kadar sürede

boşalır?

t = q / I = 100 / 5 = 20h

Elektrik

Akım

Yoğunluğu

(J)

Bir iletkenin veya telin birim kesitinden geçen elektrik

miktarı

olarak

tanımlanır

ve J ile gösterilir.

J = I / q (A / mm

2

₎

(19)

Akım Türleri

Genel olarak uygulamada iki tür

akım

sözkonusudur.

Doğru

akım

: Zamanla yönü ve

değeri

değişmeyen

akımdır

.

Sabit

doğru

akım

: Yönü ve

değeri

değişmez

Değişken

doğru

akım

: Zamanla

değeri

değişir

fakat yönü

değişmez

.

Alternatif

akım

: Yönü zamanla

değişen

akımdır

. Periyodik

akımların

(20)

DC Kaynaklar

Akü:

Kimyasal Enerji



Elektrik Enerjisi

Yak

ı

t Hücresi:

Elektromekanik Enerji



Elektrik Enerjisi

Gü eş Petekleri:

Işık

Enerji



Elektrik Enerjisi

DA Generatörü

: Mekanik Enerji



Elektrik Enerjisi

(21)

Elektrik Devresi ve Ele a ları

Elektrik devresi, elektrik

akımının

yoludur.

Bir elektrik enerjisi

kaynağı

yardımı

ile, bir elektrikli aletin

çalıştırılabilmesi

için

sürekli elektrik

akımının

geçtiği yola “elektrik devresi” denir.

Kaynak (Üreteç):

Devreden bir akımın geçmesine yani elektronların hareketine

sebep olan aygıtlara üreteç denir.

Pil, akümülatör, dinamo, alternatör v.b.

Anahtar (Devre Kesici):

İstenildiği

zaman elektrik

akımının

geçmesini veya

elektrik

akımını

keserek

alıcının

çalışmasını

durduran devre

elemanına

denir.

Alıcı

(Tüketeç):

Elektrik enerjisini istenilen

başka

bir enerjiye

dönüştüren

aygıtlara

alıcı

denir. Elektrik

sobası

, elektrik motoru, elektrik

ocağı

gibi.

Sigorta (Devre koruyucu):

Elektrik devresinden geçen

akım

şiddeti

bazen

istenilmeyen

değerlere

yükselebilir. Bu gibi durumlarda devre

elemanları

zarar

görür.

Akım

şiddetinin

belli bir

değerinin

üstüne

çıkmasını

önlemek için elektrik

devresini sigorta ile korunur.

(22)

Elektrik Devresi ve Ele a ları

Elektrik devrelerinin özelliklerine ve

amaçlarına

göre

değişik

(23)

(24)

Elektrik Devre

Elemanları

1- Pasif

Devre Elemanları

: Enerjiyi tüketir veya depolar.

• Enerji kaynağı özelliği olmayan, ancak gerilim uygulandığınnda

geçen akımın sonucu olarak, enerji harcayan ya da depolayan

elemanlardır.

Dirençler

,

Kondansatörler

,

Endüktaslar

.

Dirençler

ak

ı

m s

ı

n

ı

rlamas

ı

yaparken

‘

ısı

ve

ışık

’

ş

eklinde enerji harcarlar.

Kondansatörler elektrik enerjisini elektrik yükü

ş

eklinde, bobinler ise

manyetik alan olarak depolarlar.

2- Aktif

Devre Elemanları

:

Enerji kaynağı özelliği vardır.

• Kendileri enerji üreten ya da enerji seviyesini yükselten

elemanlardır.

Beklenen özelliklerini yerine getirebilmeleri için enerjiye

(voltaja) ihtiyaç duyan

devre

elemanlarıdır

.

Pil, dinamo: Enerji üreten,

(25)

Açık Devre –

Kapalı Devre –

Kısa Devre

Açık

Devre:

Devre

akımının

, isteyerek veya istemeden devreden geçmesini

önlediği

, devrenin bir noktadan

açıldığı

almacın

çalışmadığı

devrelerdir.

Direncin sonsuz

olduğu

durumdur.

Kapalı

Devre:

Devre

akımının

normal olarak

geçtiği

,

alıcının

, normal

çalıştığı

devredir.

Kısa

Devre:

Devre

akımının

, tüketiciye

ulaşmadan

kısa

yollardan devresini

(26)

Kapalı Devre:

(27)

Açık Devre –

Kapalı Devre –

Kısa Devre

(28)

(29)

Elektromotor Kuvvet - Potansiyel Fark - Gerilim

E = W / Q (EMK)

(Joule/Coulomb) veya

(Volt)

Elektromotor kuvvet (EMK), elektrik

akımını

oluşturan

elektriği

harekete geçiren kuvvettir.

Bir gerilim

kaynağı

tarafından

t süresinde

devreye verilen enerji W ve bu süre içersinde

devreden geçen geçen elektrik yükü

(miktarı)

Q ise E (V veya U) elektromotor kuvveti:

Benzer

şekilde,

elektrik enerjisini

başka

bir enerjiye

dönüştüren

bir tüketicide t süresinde harcanan enerji

W ve bu sürede içinden geçen elektrik yükü Q ise

(30)

Elektromotor Kuvvet - Potansiyel Fark - Gerilim

İki

nokta

arası daki

elektriksel

potansiyel fark, bu iki nokta

arası daki

bir yükün

taşı

ası

için gerekli olan

enerjiyi

ta ı lar

. Volt birimiyle ölçülür.

İki

nokta

arası daki

voltajı

değeri

fiziksel

özellikler sabit

kaldığı

sürece bu noktalar

arası daki

akı

değeriyle

doğru

ora tılıdır

.

V = W / Q

(Joule/Coulomb)

Volt

Gerilim kaynaklar

ı

bir elektrik devresine

b

ağla dıkları da

, kayna

ğı

n negatif (-)

kutbundan

çıka

elektronlar, elektrik devresi

(31)

Potansiyel Fark - Gerilim

(32)

Bas

ı

nç

Fark

ı

(33)

Gerilim Ölçümü

(34)

(35)

(36)

(37)

(38)

Güç ve Enerji

1 hp = 746 W

Enerji:

İş yapa il e yete eğidir.

(39)

= ��ç = ∗ = � =

∗ �

�

(40)

Güç Ölçümü

Güç

Wattmetre

ile ölçülür. Bir

fazlı

bir yükün

çektiği

gücü ölçmek için wattmetrenin

akı

bobini devreye seri, wattmetrenin gerilim bobini de devreye paralel olarak

ağla ır

. Wattmetrenin

akı

bobininden yükün

çektiği

akı

geçtiği

, gerilim

bobinine de yükün

uçları daki

gerilim

uygula dığı

için ölçü aletinin ibresi

Watt

çektiği

(41)

Enerji

• MKS birim sisteminde, uzunluk metre (m), kuvvet newton (N)

alındığından

iş

birimi de

newton metre (Nm) veya

kısaca

joule (joule) olur.

Uçları daki

gerilim V volt ve içerisinde t saniye süresince Q kulonluk enerji

iktarı

geçen bir

alanda görülen enerji ;

W = V . Q

Q = I . t

(42)

=

�

= ∗ = � ∗ � �� =

�

kWsaat = kW * saat = (1000Watt) (3600*saniye) = 3,600,000 Joule

(43)

Güç ve Enerji

Enerji:

İş yapa il e yete eğidir.

Güç:

Birim zamanda harcanan enerji miktar

ı

**Enerji = Güç * Zaman**

= (Joule)

P = W / t (Joule/saniye) = Watt

_{1 hp = 746 W}

**1 Joule = Watt * Saniye**

**P = V * I = Watt**

(44)

Verim

�� =

_{��ş ��}

Ç� �ş ��

(45)

(46)

(47)

Güç ve Enerji

SORU:

220 Voltluk bir enerji sisteminde bir

ısıtı ı ı çektiği akı

(48)

(49)

= ��

= � ∗ =

� ç ∗ � � =

∗ �

� =

Volt

(50)

Ohm Kanunu

(51)

(52)

Direnç

G =

�

(İletke lik –

1/



- S )

(53)

(54)

İletke

Direnci

• The higher the resistivity of a conductor, the higher its resistance.

• The longer the length of a conductor, the higher its resistance.

• The lower the cross-sectional area of a conductor, the higher its resistance.

• The higher the temperature of a conductor, the higher its resistance

(55)

(56)

(57)

Watt’lı Dire çler

Direnç üzerinde kaybedilen güç miktar

ı

:

= ∗ = � ∗

= � =

∗ �

�

• Direncin gücü, üzerinde

ısı

olarak

harcayabileceği

güç demektir.

Direnç üzerinde harcanan güç, dirençten geçen

akımla

, üzerinde

düşen

gerilimin

çarpımına

eşittir

.

(58)

Watt’lı Dire çler

(59)

(60)

Sı aklıkla Dire ç Değişi i

Direnç, sıcaklık arttıkça artar

Dirençlerin üzerinde belirtilen omik

değer

,

oda

sı aklığı daki

(20

o

_{C) direnç}

değeridir

_.

Bu formülde ki harflerin anlamlar;

T:

Metalin

katsayısı

t

₁

:

Birinci

sı aklık

R

₁

:

Direncin t1

sı aklığı daki

değeri

t

₂

:

İki i

sı aklık

(61)

Sı aklıkla Dire ç Değişi i

(62)

Sı aklıkla Dire ç Değişi i

Örnek:

(63)

(64)

(65)

D

ire çleri Seri Bağla

ası

(66)

(67)

(68)

(69)

(70)

Dirençlerin Paralel

Bağla

ası

Örnek:

E

şdeğer Dire ç Nedir

?

(71)

Dirençlerin Paralel

Bağla

ası

Örnek:

V

_R4

= ?

(72)

(73)

Dirençlerin Paralel

Bağla

ası

(74)

(75)

Gerilim Kaynak

ları ı Seri Bağla

ası

V = ?

(76)

(77)

(78)

(79)

Gerilim Bölme Prensibi

Vx = ?

(80)

(81)

(82)

(83)

Akı Böl e Pre si i

Ix = ?

(84)

Akı Böl e Pre si i

(85)

(86)

Direnclerin Seri / Paralel Devreler

Res = ?

(87)

(88)

(89)

Seri Devrede Güç

Seri devrede elemanlar üzerinde harcanan güçlerin

topla ı

devredeki

kay akları

har adığı

güce

eşittir

. Bu ifadeleri formül

haline getirir ve

ge elleştirirsek

aşağıdaki

seri devre için güç formülü

ortaya

çıkar

.

N tane direnç

ele a ı

seri devreye

ağla salar

u ları

üzerlerinde

bir güç

har a ası

ola aktır

bu harcanan güçlerin

topla ı

devredeki

kay akları

verdiği

güce

eşit

ola aktır

.

(90)

(91)

Paralel Devrede Güç

Paralel devrede kaynaktan çekilen güç elemanlar üzerinde

harcanan güce

eşittir

. Bu seri devrede, paralel devre ve

karışık

devrede de

ay ıdır

.

PT = P1 + P2 + P3 +...Pn (Watt)

PT:

Kay ağı

devreye

verdiği

güç (Watt)

(92)

(93)

Kir hoff’u Akı Ka u u

• Kirchhoffun

akımlar

kanunu bir

elektrik devresinde bir

Düğüme

giren

akımların

toplamı

, o

noktayı

terk eden yani

çıkan

akımların

toplamına

eşittir

.

• Giren

akımların

toplamı

ile

çıkan

akımların

cebirsel

toplamı

0 (

sıfır)’a

eşittir

.

(94)

Kir hoff’u Akı Ka u u

(95)

(96)

(97)

Kir hoff’u Akı Ka u u

(98)

Kir hoff’u Gerili Ka u u

Bir elektrik devresinde

herhangi bir düğümden

hareket ederek tekrar aynı

düğüme gelmek üzere –

devre elemanlarından

yalnızca bir kere geçerek –

devre üzerinden izlenen

kapalı yola

ÇEVRE

adı

(99)

Kir hoff’u Gerili Ka u u

Bir çevrede çevreyi oluşturan

elemanlar üzerindeki

(100)

(101)

(102)

(103)

Gerilim Kaynak Türleri

• DC

akı

devrelerinde

akı

DC ampermetrelerle, gerilim ise DC

voltmetrelerle ölçülür.

Bu ları

bir arada olan aletlere multimetre veya

AVO (AMPER, VOLT ve OHM) denir.

• DC ampermetreler devreye seri

ağla ır

.

(104)

Gerilim Kaynak Türleri

İdeal Doğru Gerili

(DC)

(105)

(106)

DC Gerili Kay akları

İdeal gerili kay ağı ı

iç dire i sıfırdır

ve uç gerili i çekile akı la

(107)

DC Gerili Kay akları

İdeal ol aya gerili kay ağı ı

iç dire i sıfır değildir.

Bir gerili kay ağı her za a seri ağlı ir iç dire e sahiptir.

Pilin gerilimi devreye

verdiği

akı

(108)

DC Gerili Kay akları

İdeal ol aya gerili kay ağı ı

iç dire i sıfır değildir.

(109)

DC Akı Kay ağı

İdeal akı kay ağı

uçları da sa it

ir akı verir. Akı değeri devre

ele a ları a ağlı değildir.

Uçları

arası da

geçen

akı

kendi

uçları

arası daki

gerilimden etkilenmeyen

bir

akı

kay ağıdır

.

İdeal ol aya akı

kayn

ağı da

, akı uç

(110)

(111)

(112)

Gerili Kay ağı da Akı Kay ağı a Dö üşü

I = I_1 + I_2 = 10 mA + 40 mA = 50 mA

**I_R2 = (R_T*I)/R2 = (25**

Ω*

A

)/125

Ω

= 10 mA

**V_R = I_R *R =**

A *

Ω =

V

(113)

(114)

Si üzoidal Alter atif Akı

Pozitif Alternans

Negatif Alternans

(115)

Frekans:

Alternatif

akı

veya gerilimin bir saniyede

oluşa

periyot

sayısı a

veya

(116)

(117)

Bağı lı Gerili Kay akları

Gerilim Kontrollü

Gerili Kay ağı

(118)

Bağı lı Akı Kay akları

Gerilim Kontrollü

(119)

RMS

De

ğer

Bir dirençten geçen alternatif

akı ı

, belirli bir

zamanda meydana

getirdiği

ısı

enerjisine

eşit

bir

enerjiyi,

ay ı

dirençten geçen

doğru

akı

ay ı

zamanda meydana getiriyorsa,

doğru

akı ı

değeri e

alternatif

akı ı

etkin (efektif)

değeri

denir.

(120)