DC Devre Analizi

DC devre analizi, ohm kanunu, Kirchoff kanunları ve benzeri yöntemler ile DC devreleri anlamak ve çözümlemektir. Bir elektrik veya elektronik devrede voltaj, akım ve direnç arasındaki temel ilişkiye Ohm Yasası denir.

Tüm malzemeler atomlardan oluşur ve tüm atomlar proton, nötron ve elektronlardan oluşur. Protonlar, pozitif bir elektrik yüküne sahiptir. Nötronların elektrik yükü yoktur (yani Nötrdürler), Elektronların ise negatif elektrik yükü vardır. Atomlar, atom çekirdeği ile dış kabuğundaki elektronlar arasında var olan güçlü çekim kuvvetleriyle birbirine bağlıdır.

Bu protonlar, nötronlar ve elektronlar atomun içinde bir arada olduklarında mutlu ve kararlıdırlar. Ama onları birbirinden ayırırsak, reform yapmak isterler ve potansiyel fark olarak adlandırılan bir çekim potansiyeli uygulamaya başlarlar.

Şimdi kapalı bir devre oluşturursak, bu gevşek elektronlar hareket etmeye başlayacak ve çekimleri nedeniyle bir elektron akışı yaratarak protonlara geri sürüklenecek. Bu elektron akışına elektrik akımı denir. Elektronlar, içinden geçtikleri malzeme elektron akışında bir kısıtlama oluşturduğundan devreden serbestçe akmazlar. Bu kısıtlamaya direnç denir.

O zaman tüm temel elektrik veya elektronik devreler, Voltaj, ( v ), Akım, ( i ) ve Direnç, ( Ω ) olarak adlandırılan üç ayrı fakat birbiriyle çok ilişkili elektrik niceliğinden oluşur.

Elektrik Gerilimi

Voltaj (  V  ), elektrik yükü şeklinde depolanmış bir elektrik kaynağının potansiyel enerjisidir. Voltaj, elektronları bir iletken boyunca iten kuvvet olarak düşünülebilir ve voltaj ne kadar yüksek olursa, elektronları belirli bir devre boyunca “itme” yeteneği o kadar büyük olur. Enerji iş yapma yeteneğine sahip olduğundan, bu potansiyel enerji, elektronları bir devre etrafında bir noktadan veya düğümden diğerine elektrik akımı şeklinde hareket ettirmek için joule cinsinden gerekli iş olarak tanımlanabilir.

Daha sonra, bir devredeki herhangi iki nokta veya bağlantı (düğümler olarak adlandırılır) arasındaki voltaj farkı , Potansiyel Fark (pd) olarak bilinir ve genellikle Gerilim Düşmesi olarak adlandırılır.

İki nokta arasındaki potansiyel fark Volt cinsinden , devre sembolü V veya küçük harf “ v ” ile ölçülür , ancak Enerji , E küçük harfli “ e ” bazen üretilen bir emk’yi (elektromotor kuvveti) belirtmek için kullanılır. O zaman voltaj ne kadar büyük olursa, basınç (veya itme kuvveti) o kadar büyük olur ve iş yapma kapasitesi o kadar büyük olur.

Sabit bir voltaj kaynağına DC Voltajı denir ve voltajı zamanla periyodik olarak değişen bir voltaj AC voltajı olarak adlandırılır. Voltaj, volt cinsinden ölçülür; bir volt, bir Ohm’luk bir direnç aracılığıyla bir amperlik bir elektrik akımını zorlamak için gereken elektrik basıncı olarak tanımlanır. Voltajlar genellikle, mikrovolt ( μV = 10 -6 V ), milivolt ( mV = 10 -3 V ) veya kilovolt ( kV = 10 3 V ) gibi voltajın alt katlarını belirtmek için kullanılan öneklerle Volt cinsinden ifade edilir. Voltaj pozitif veya negatif olabilir.

Piller veya güç kaynakları, elektronik devrelerde ve sistemlerde çoğunlukla 5v, 12v, 24v vb. sabit bir DC (doğru akım) voltaj kaynağı üretmek için kullanılır. AC (alternatif akım) voltaj kaynakları, ev içi ve endüstriyel güç ve aydınlatma ile güç iletimi için mevcuttur.

Genel elektronik devreler, 1,5V ile 24V DC arasındaki düşük voltajlı DC pil kaynaklarıyla çalışır. Sabit voltaj kaynağı için devre sembolü, genellikle kutup yönünü gösteren artı, + ve eksi, – işaretiyle birlikte bir pil sembolü olarak verilir. Alternatif voltaj kaynağının devre sembolü, içinde sinüs dalgası olan bir dairedir.

Gerilim Sembolleri

dc devre analizi

Bir su deposu ile bir voltaj kaynağı arasında basit bir ilişki kurulabilir. Su tankı çıkışın üzerinde ne kadar yüksekse, daha fazla enerji serbest bırakılırken suyun basıncı o kadar yüksek olur, voltaj ne kadar yüksek olursa, daha fazla elektron serbest bırakılırken potansiyel enerji o kadar yüksek olur.

Voltaj her zaman bir devredeki herhangi iki nokta arasındaki fark olarak ölçülür ve bu iki nokta arasındaki voltaj genellikle ” Gerilim düşüşü ” olarak adlandırılır. Akım olmadan bir devrede voltajın var olabileceğini, ancak akımın voltajsız ve dolayısıyla DC veya AC açık veya yarı açık devre durumunu sevse de herhangi bir kısa devre koşulundan nefret ettiği için herhangi bir voltaj kaynağı olmadan var olamayacağını unutmayın.

Elektrik Akımı

Elektrik Akımı , (  I  ) elektrik yükünün hareketi veya akışıdır ve ağırlıkla i sembolü olan Amper cinsinden ölçülür. Voltaj kaynağı tarafından “itilen” bir devre etrafındaki elektronların (bir atomun negatif parçacıkları) sürekli ve düzgün akışıdır (sürüklenme olarak adlandırılır). Gerçekte, elektronlar kaynağın negatif (–ve) terminalinden pozitif (+ve) terminaline akar ve devrenin anlaşılmasını kolaylaştırmak için geleneksel akım akışının akımın pozitif terminalden negatif terminale aktığını varsayar.

Genel olarak devre şemalarında, devreden geçen akımın akışı, akımın gerçek yönünü belirtmek için genellikle I sembolüyle veya küçük harf i ile ilişkili bir ok içerir. Bununla birlikte, bu ok genellikle gerçek akışın yönünü değil, geleneksel akım akışının yönünü gösterir.

Konvansiyonel Akım Akışı

dc devre analizi

Geleneksel olarak bu, bir devre etrafındaki pozitif yükün akışıdır ve pozitiften negatife doğrudur. Soldaki diyagram, pozitif yükün (delikler) güç kaynağının pozitif kutbundan akan vegüç kaynağının negatif kutbuna dönen kapalı bir devre etrafındaki hareketini göstermektedir. Pozitiften negatife bu akım akışı genellikle geleneksel akım akışı olarak bilinir.

Bu, elektrik akımının yönünün bir devrede aktığı düşünülen elektriğin keşfi sırasında seçilen gelenekti. Bu düşünce çizgisine devam etmek için, tüm devre şemalarında ve şemalarında, diyot ve transistör gibi bileşenlerin sembollerinde gösterilen oklar, geleneksel akım akışı yönünü gösterir.

Daha sonra Konvansiyonel Akım Akışı , elektrik akımının pozitiften negatife ve gerçek elektron akışının tersi yönünde akışını verir.

Elektron Akışı

dc devre analizi

Devre etrafındaki elektronların akışı, negatiften pozitife olan geleneksel akım akışının yönünün tersidir. Bir elektrik devresinde akan gerçek akım, pilin negatif kutbundan (katot) akan ve geri dönen elektronlardan oluşur.

Bunun nedeni, bir elektron üzerindeki yükün tanım gereği negatif olması ve dolayısıyla pozitif terminale çekilmesidir. Bu elektron akışına Elektron Akımı Akışı denir. Bu nedenle, elektronlar aslında bir devrenin etrafında negatif terminalden pozitife doğru akar.

Hem geleneksel akım akışı hem de elektron akışı birçok ders kitabı tarafından kullanılmaktadır. Aslında, yön tutarlı bir şekilde kullanıldığı sürece akımın devre etrafında hangi yönden aktığı önemli değildir. Akımın akış yönü, akımın devre içinde ne yaptığını etkilemez. Genel olarak geleneksel akım akışını anlamak çok daha kolaydır. Pozitiften negatife.

Elektronik devrelerde akım kaynağı, içinde yönünü gösteren bir ok bulunan bir daire olarak verilir.

Akım Amper cinsinden ölçülür ve amper, devrede belirli bir noktadan bir saniyede geçen elektron veya yük ( Coulomb cinsinden Q ), ( Saniye cinsinden t ) sayısı olarak tanımlanır.

Elektrik akımı genellikle, mikro amper (  μA = 10 -6 A  ) veya miliamper (  mA = 10 -3 A  ) belirtmek için kullanılan öneklerle Amper cinsinden ifade edilir . Elektrik akımının, devre etrafındaki akış yönüne bağlı değer olarak pozitif veya değer olarak negatif olabileceğini unutmayın.

Tek bir yönde akan akıma Doğru Akım veya DC, devrede ileri geri değişen akıma Alternatif Akım veya AC denir. AC veya DC akımın yalnızca bir voltaj kaynağı ona bağlandığında bir devreden akıp akmadığı, “akışı” hem devrenin direnci hem de onu iten voltaj kaynağı ile sınırlıdır.

Ayrıca, alternatif akımlar (ve voltajlar) periyodik olduğundan ve zamanla değiştiğinden, I rms olarak verilen “etkin” veya “RMS”, (Kök Ortalama Kare) değeri , DC akımı Iortalama ya eşdeğer aynı ortalama güç kaybını üretir. Akım kaynakları, kısa veya kapalı devre koşullarını sevmeleri, ancak akım akmayacağı için açık devre koşullarını sevmemeleri bakımından voltaj kaynaklarının tam tersidir.

Su tankı ilişkisini kullanarak, akım, boru boyunca aynı olan akışla borudan geçen su akışına eşdeğerdir. Suyun akışı ne kadar hızlı olursa, akım o kadar büyük olur. Akımın voltaj olmadan var olamayacağını unutmayın, bu nedenle DC veya AC herhangi bir akım kaynağı kısa veya yarı kısa devre durumunu sever, ancak akmasını engellediği için herhangi bir açık devre koşulundan nefret eder.

Direnç

Direnç (  R  ), bir malzemenin akım akışına veya daha spesifik olarak, bir devre içindeki elektrik yükünün akışına direnme veya engelleme kapasitesidir. Bunu mükemmel bir şekilde yapan devre elemanına “Direnç” denir.

Direnç, Kilo-ohm (  kΩ = 10 3 Ω  ) ve Mega-ohm (  MΩ = 10 6 Ω  ) belirtmek için kullanılan öneklerle birlikte Ohm cinsinden ölçülen bir devre elemanıdır, Yunan sembolü ( Ω , Omega ) ile temsil edilir. Direncin sadece pozitif değerde ve negatif olamayacağını unutmayın.

Direnç Sembolleri

dc devre analizi

Bir direncin sahip olduğu direnç miktarı, içinden geçen akımın, devre elemanının “iyi iletken” – düşük direnç veya “kötü iletken” – yüksek direnç olup olmadığını belirleyen voltajla ilişkisi ile belirlenir. Düşük direnç, örneğin 1Ω veya daha azı, devrenin bakır, alüminyum veya karbon gibi malzemelerden yapılmış iyi bir iletken olduğu anlamına gelirken, 1MΩ veya daha yüksek direnç, devrenin cam, porselen gibi yalıtkan malzemelerden yapılmış kötü bir iletken olduğu anlamına gelir.

Öte yandan silikon veya germanyum gibi bir “yarı iletken”, direnci iyi bir iletken ile iyi bir yalıtkan arasındaki yolun yarısında olan bir malzemedir. Bu nedenle “yarı iletken” adı. Yarı iletkenler Diyot ve Transistör vb. yapmak için kullanılır.

Direnç, doğada doğrusal olmayabilir, ancak asla negatif olamaz. Doğrusal direnç , direnç üzerindeki voltaj, içinden geçen akımla doğrusal olarak orantılı olduğu için Ohm Yasasına uyar . Doğrusal olmayan direnç, Ohm Yasasına uymaz, ancak üzerinde akımın bir miktar gücüyle orantılı bir voltaj düşüşü vardır.

Direnç saftır ve bir direncin AC empedansı DC direncine eşit olduğu için frekanstan etkilenmez ve sonuç olarak negatif olamaz. Direncin her zaman pozitif olduğunu ve asla negatif olmadığını unutmayın.

Direnç, pasif devre elemanı olarak sınıflandırılır ve bu nedenle güç sağlayamaz veya enerji depolayamaz. Bunun yerine dirençler, ısı ve ışık olarak görünen gücü emer. Bir dirençteki güç, voltaj polaritesi ve akım yönünden bağımsız olarak her zaman pozitiftir.

Çok düşük direnç değerleri için, örneğin mili-ohm, (  mΩ  ) bazen  direncin ( R  ) kendisinden ziyade direncin tersini ( 1/R )  kullanmak çok daha kolaydır  . Direncin karşılığına İletkenlik denir ve bir iletkenin veya cihazın elektriği iletme yeteneğini temsil eder.

Yüksek iletkenlik değerleri, bakır gibi iyi bir iletken anlamına gelirken, düşük iletkenlik değerleri, ahşap gibi kötü bir iletken anlamına gelir. İletkenlik için verilen standart ölçü birimi, Siemens sembolüdür ( S ).

İletkenlik için kullanılan birim, ters çevrilmiş bir Ohm işareti ℧ ile sembolize edilen mho’dur (ohm geriye doğru yazılır) . Güç ayrıca şu şekilde iletkenlik kullanılarak ifade edilebilir: P = i 2 /G = v 2 G .

dc devre analizi

Özetle

Sabit dirençli lineer bir devrede voltajı arttırırsak akım yükselir ve benzer şekilde voltajı düşürürsek akım düşer. Bu, voltaj yüksekse akımın yüksek, voltaj düşükse akımın düşük olduğu anlamına gelir.

Aynı şekilde, direnci arttırırsak belirli bir voltaj için akım düşer ve direnci düşürürsek akım yükselir. Bu, direnç yüksekse akım düşük, direnç düşükse akım yüksek demektir.

O zaman bir devre etrafındaki akım akışının voltajla doğru orantılı (  ∝ ) olduğunu, (  V↑ I↑ ‘ye  neden olur   ), ancak dirençle ters orantılı (  1/∝ ) olduğunu görebiliriz, (  R↑ I↓ ‘ye  neden olur   ).

Üç konunun temel bir özeti aşağıda verilmiştir.

  • Voltaj veya potansiyel farkı, bir devredeki iki nokta arasındaki potansiyel enerjinin ölçüsüdür ve genellikle ” voltaj düşüşü  ” olarak adlandırılır  .
  • Bir kapalı döngü devresine bir voltaj kaynağı bağlandığında, voltaj devre etrafında akan bir akım üretecektir.
  • DC gerilim kaynaklarında +ve (pozitif) ve -ve (negatif) sembolleri gerilim kaynağının polaritesini belirtmek için kullanılır.
  • Voltaj Volt cinsinden ölçülür ve voltaj için V veya elektrik enerjisi için E sembolüne sahiptir .
  • Akım akışı, bir devre boyunca elektron akışı ve delik akışının birleşimidir.
  • Akım, devre etrafındaki sürekli ve düzgün yük akışıdır ve Amper veya Amper cinsinden ölçülür ve I sembolüne sahiptir .
  • Akım Voltajla Doğru orantılıdır (  I ∝ V )
  • Alternatif akımın efektif (rms) değeri, dirençli bir elemandan akan doğru akıma eşdeğer ortalama güç kaybına sahiptir.
  • Direnç, bir devre etrafında akan akıma karşı dirençtir.
  • Düşük direnç değerleri bir iletken anlamına gelir ve yüksek direnç değerleri bir yalıtkan anlamına gelir.
  • Akım Dirençle Ters Orantılı (  I 1/∝ R  )
  • Direnç Ohm cinsinden ölçülür ve Yunan sembolü Ω veya R harfine sahiptir .
MiktarSembolÖlçü birimiKısaltma
VoltajV veya EVoltV
AkımIAmperA
DirençROhmΩ

DC Devreleri ile ilgili bir sonraki içerikte, elektrik devrelerinde Voltaj, Akım ve Direnç arasındaki ilişkiyi açıklayan ve elektronik ve elektrik mühendisliğinin temeli olan matematiksel bir denklem olan Ohm Yasasına bakacağız. Ohm Yasası şu şekilde tanımlanır: V = I*R .