Bu kısımda akım, voltaj, ve direnç ölçmelerinde uygulanan
bazı basit yöntemler anlatılacaktır. Diğer elektriksel özellikleri de kapsayan
daha karmaşık yöntemler ise Bölüm-3’de görülecektir.
1. Galvanometreler
Doğru akım, voltaj, ve direnç ölçmeleri için klasik
yöntemlerde, bir galvanometre kullanılır. Bu alet, bulunması yüzyılı geçmiş
olmasına rağmen, hala laboratuvarlarda çok kullanılmaktadır. Çalışma ilkesi
sabit bir magnetik alanda bir sarımın akım-etkisiyle hareketine dayanır. Böyle
bir düzeneğe "D'Arsonval hareketi" veya "sarımı" denir.
Şekil-22(a)’daki galvanometrede sarımda, dönmeye karşı çok
az direnç gösteren bir dik filamen kullanılmıştır. Filamene küçük bir ayna
yerleştirilir; bir ışık demeti aynadan yansıtılarak skalaya düşürülür, böylece
akım geçerken oluşan dönme hareketi algılanır ve ölçülür. Galvanometreler 10-10
A kadar küçük akımları ölçebilecek şekilde dizayn edilir.
Şekil-22: İki farklı
galvanometre tipi; (a) hareketli sarım metal bantlar arasına yerleştirilmiştir,
(b) hareketli sarımı şaft ve yatağa yerleştirilmiştir
Şekil-23:
D'Arsonval metre hareketini gösteren diyagramlar
Şekil-22(b)’deki
galvanometrede bir çift yatak arasında dönen silindirik bir yumuşak demir
üzerinde dikdörtgen şeklinde bir tel sarım bulunur, ölçülen bu sarımdan geçen
akımdır. Sarım sabit bir magnetin kutupları arasındaki hava boşluğuna
yerleştirilmiştir. Sarımda oluşan akıma-bağımlı magnetik alanın sabit magnetik
alanla etkileşmesiyle sarım dönmeye başlar; dönme derecesi, sarımdaki akımla
doğru orantılıdır.
D'Arsonval Metre,
veya, PMMC Galvanometre (PMMC: Permanent-Magnet Moving Coil): D’Arsonval metreler hem doğru akım ve
hem de alternatif akım değerlerini ölçmede kullanılabilir. Bunlarda iletkenin
uzunluğu ve magnetin kutupları arasındaki alan kuvveti sabittir. Bu durumda
akımda olabilecek herhangi bir değişiklik sarımdaki kuvvette orantılı bir
farklaşma sağlar. Basit bir D'Arsonval hareketi Şekil-23’de gösterilmiştir.
Aytron Şöntü (Shunt):
Ayrton şöntü (Şekil-24) bir galvanometrenin ölçüm aralığını değiştirmede
kullanılır; aralık direnç bağlantıları arasındaki anahtarla sağlanır. .
Aşağıda, bir şöntün direncinin nasıl seçildiğini gösteren bir örnek
verilmiştir.
Şekil-24’deki metrenin tüm skalasının 50 mA akımı gösterdiğini kabul edelim; bunun iç
direnci 3000 W dur. Metre aralığı 0.1,
1, 10, ve 100 mA olduğuna göre dört direncin değerleri nedir?
Şekil-24: Aytron
şöntü bulunan bir akım metre
Herbir bağlantıda, devrede paralel bağlı iki direnç bulunur.
Bunlardan biri metrenin ve bağlantı noktasının solunda kalan, diğeri ise
bağlantının sağında kalan dirençlerdir. Paralel dirençler arasındaki potansiyel
aynidir. Yani,
IM (RM +RL)
= IR RR
RM metrenin direnci, RL bağlantının
solundaki dirençlerin direnci, ve RR bağlantının sağındaki
dirençtir.
Kirchhoff akım kanunundan,
Ix = IM +
IR
eşitliği yazılır. Bu eşitlik ile yukarıdaki birleştirilip
yeniden düzenlenerek aşağıdaki eşitlik çıkarılır. R T toplam direnci, (RL + RR)
şöntün direncini gösterir.
1 konumundaki bağlantıda RL = 0 ve RR
= RT dir; bu durumda metreden geçen akım en yüksektir. Bu nedenle, 1
bağlantısı yapıldığında akım aralığı en düşük olmalı, ve tüm metre okuması (IM
= 50 mA) 0.1 mA (Ix = 0.1
mA) i göstermelidir. Yukarıdaki eşitliğe bu değerler konularak RR
bulunur.
Akım ve Voltaj Ölçülmesi: Şekil-25’de, bir devrenin akım ve
voltajının bir galvanometre ile ölçülmesi gösterilmiştir. Akım ölçülürken
galvanometre devreye seri olarak bağlanır (Şekil-25a). Tersine, voltaj
ölçülmesinde metre, potansiyeli ölçülecek uçlar arasına veya paralel olarak
bağlanır. R2 direncinin uçları arasındaki VAB voltajı,
metrenin A ve B noktalarından bağlanmasıyla ölçülür. Bu durumda,
VAB = IM RM
RM metrenin direnci (ve onunla seri bağlı
olan dirençlerin), IM metrede okunan akımdır. RM sabit
olduğundan, metre skalası amper yerine volta göre kalibre edilebilir.
Şekil-25: (a) Akım, I
ve (b) voltaj, VAB ölçümü için devreler
Akım Ölçmelerinde Metre Direncinin Etkisi: Bir metre veya galvanometre sarımı
elektrik akışına direnç göstereceğinden ölçülen akımın büyüklüğünü azaltacaktır.
Bu nedenle, ölçme yönteminden dolayı bir hata meydana gelir. Bu durum akım ölçmelerine
özgü bir durum değildir. Gerçekte, herhangi bir fiziksel ölçmede karşılaşılan
genel bir sınırlamadır. Yani, ölçme yöntemi ölçmenin yapıldığı sistemi bozarak
gerçek değerinden başka bir değerin ölçülmesine neden olur. Bu tip bir hata
asla tümüyle yok edilemez; ancak, önemsiz seviyelere düşürülebilir.
Şekil-25a’daki devrede basit bir ölçme işleminin bir sistemi
nasıl bozduğu ve elde edilen sonucu değiştirdiği görülebilir. Burada, anahtar 1
konumunda iken RAB direncindeki I akımının ölçülmesi istenmektedir.
Ohm kanununa göre bu akım,
VS VS
I = ¾¾¾¾¾¾¾ = ¾¾
R1 + R2 + R3 RT
denklemiyle verilir. VS kaynağın potansiyeli, RS
iç direnç, RT devrenin toplam direncidir. Akımı ölçmek için, anahtar
1 konumundan 2 konumuna getirilerek metre devreye alınır. Ölçülen I M akımı I dan farklı olur ve aşağıdaki
denklemle verilir.
VS VS
IM = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ = ¾¾¾¾
R1 + R2 + R3
+ RM RT +
RM
IM - I
Metrenin bulunduğu
haldeki relatif hata = ¾¾¾
I
Tablo-1’de, değişik metre direnci/sistemdeki diğer dirençler
toplamı oranının ölçülen akıma etkisi gösterilmiştir.
Tablo-1: Akım Ölçümlerinde Metre Direncinin Etkisi
Metre direnci, RM,
kW
|
RM, / RT
|
Ölçülen akım, IM,
mA
|
Relatif hata, %
|
Metre yok
|
0.00
|
0.100
|
0
|
1
|
0.01
|
0.098
|
-0.8
|
10
|
0.08
|
0.092
|
-.7.6
|
50
|
0.42
|
0.01
|
-29
|
100
|
0.83
|
0.055
|
-45
|
Bu ölçmedeki hata, metre direncinin çok düşük olması
durumunda en aza indirilebilir. Veya, metre yerine küçük bir hassas direnç
kullanılabilir; bu direncin uçları arasındaki potansiyel düşmesi yüksek
dirençli bir metre ile ölçülerek, Ohm kanunundan akım hesaplanır. Bir akım
metre veya bir hassas direnç, çoğunlukla cihazın sabit bir parçasıdır; bu
durumda, miktarı metreden doğrudan okunan oldukça küçük bir akım alınır.
Voltaj
Ölçmelerinde Metre Direncinin Etkisi: Bir doğru akım voltmetrenin aralığı, metrenin hareketine seri
olarak birkaç direncin bağlanmasıyla genişletilebilir; bu tür bir düzeneğe çok
dizili (multirange) voltmetre denilmektedir.
Aşağıdaki örnekte görüldüğü gibi, Şekil-25b’deki devreyle
voltaj ölçümü de sistemi, önemli bir hata yaratacak şekilde bozar.
Şekil-25b’deki R2 direncinin uçları arasındaki
voltaj düşmesi VAB , 50.0 kW
dirençli bir metre ile ölçülmektedir. (a) Ölçmeden kaynaklanan relatif hatayı
hesaplayın. (b) Metre direncinin yine 50.0 kW,
fakat diğer dirençlerin şekilde verilen değerlerin onda biri olması durumunda
hesapları tekrarlayın.
(a) S anahtarı
açıkken metre sistem dışındadır, bu durumda VAB potansiyel düşmesi Denklem(8) den hesaplanır.
(b) (a)’da olduğu
gibi, fakat R1 = 10.0, R2 = 2.0, ve R3 =
0.0100 alınarak hesaplar tekrarlanır.
Tablo-2’de, bir potansiyel ölçmesine metre direncinin etkisi
gösterilmiştir. Akım ölçmesinde karşılaşılan durumun tersine, metre direncinin
artmasıyla ölçülen potansiyelin doğruluğu da artar. Yukarıdaki örneğin (b)
şıkkında görüldüğü gibi, yine de potansiyel kaynağının direnci, verilen bir
doğruluk derecesi için gerekli metre direncini belirlemede önemli bir rol
oynar. Yani, doğruluğun ayni kalması için, kaynak direncinin artması halinde
metre direncinin de artmasını gerektirir. Bu ilişki, özellikle, bir cam
elektrotlu hücrenin potansiyel ölçümüne dayanan pH tayininde önemlidir. Burada
sistemin direnci 100 MW veya daha büyük olabilir. Bu durumda
iç direnci çok büyük olan bir potansiyel ölçme aletine gereksinim vardır.
Tablo-2: Potansiyel Ölçümlerinde Metre Direncinin Etkisi
Metre direnci, RM,
kW
|
RM, / RAB
|
Ölçülen voltaj, VM,
V
|
Relatif hata, %
|
10
|
0.5
|
0.75
|
-62
|
50
|
2.5
|
1.50
|
-25
|
500
|
25
|
1.935
|
-3.2
|
1 x 103
|
50
|
1.967
|
-1.6
|
1 x 104
|
500
|
1.97
|
-0.2
|
Direnç
Ölçümleri: Şekil-26’da
bir D'Arsonval metre ile direnç ölçümünün yapıldığı bir devre görülmektedir.
Kaynak 1.5 V luk bir kuru pildir. Devre kullanırken anahtar 1 konumuna
getirilir ve metre değişken direnç RV ile tüm skalaya ayarlanır.
Şekil-26: Bir direnç ölçme devresi
Ohm kanununa göre,
1.5 = I1 (RM
+RV)
yazılır. Anahtar iki konumuna alındığında, bilinmeyen R
direncinin de devreye girmesiyle akım I2’ye düşer, böylece,
1.5 = I2 (RM
+ RV +Rx)
olur. İki eşitlik birbirine bölünüp yeniden düzenlenerek Rx
eşitliği çıkarılır.
I1
Rx = (¾¾ - 1) (RM + RV)
I2
(RM + RV)’nin değerini metrenin ölçüm
aralığı belirler. Örneğin, metrenin ölçüm aralığı 0-1 mA ise ve metre
başlangıçta 1 mA’e ayarlanmışsa,
1.5 = I1 (RM
+ RV) = 1.00 x 10-3 (RM +RV)
(RM +RV) = 1500 W
Bundan sonra Rx bulunur.
I1
Rx = ( ¾¾
-1) 1500
I2
1.00 x 10-3
Rx = ( ¾¾¾¾¾¾ - 1) 1500
I2
Ölçülen akım ve direnç arasındaki ilişkinin doğrusal
olmadığı açıkça görülmektedir.
Digital Multimetre (DMM): Multimetre: Bir ampermetre, voltmetre ve ohmmetreden oluşan üçlü bir sistemdir. Sistemde bir fonksiyon anahtarı bulunur; bununla istenilen devre D’Arsonval’e bağlanır. (Şekil-27)
Digital multimetrenin kalbi analog/digital konverterdir.
Basit bir digital multimetrede, alternatif sinyaller ortalama değerleri verecek
şekilde düzeltilir, (analog multimetrelerde de çalışma bu şekildedir.), sinüs
dalgasının rms değeri görüntülenir.
Daha geliştirilmiş tiplerde bir rms (root mean square)
konverteri bulunur; bununla bir giriş dalgasının rms değeriyle orantılı bir
voltaj değeri üretilir.
Şekil-27: Bir digital
multimetrenin basitleştirilmiş şematik görünümü
2. Kıyaslamalı Ölçmeler
Kıyaslamalı veya Sıfırlamalı (Null)
Ölçmeler: İlgilenilen
sistemin standart bir sistemle kıyaslanmasına dayanan cihazlar daha çok
kimyasal ölçmelerde kullanılır. Sıfırlamalı cihazlar, doğrudan-okumalı
cihazlara göre daima daha doğru sonuç verirler, çünkü sıfırlamalı bir ölçümde
sistem daha az bozulur. Bu tip sistemlerin okuma aletleri daha kaba ve çevre
etkilerine karşı dayanıklıdırlar.
Tipik bir kıyaslamalı cihazda üç bileşen bulunur (Şekil-28).
Biri, null (sıfırlama)-dedektörüdür, iki sinyalin eşit olduğunu veya eşit
olmadığını gösterir. İkinci bileşen, bilinmeyen sinyalin kıyaslandığı, bir
referans standart sinyalidir. Son bileşen ise, iki sinyalden birini, %
zayıflama (attenuasyon) miktarı tam olarak bilinen bir sinyal verecek şekilde,
sürekli olarak zayıflatan bir alettir. Şekil-28’de zayıflatma referans sinyalde
yapılmaktadır; bu işlem, daha çok, bilinmeyen sinyalde yapılır. Zayıflatma
elektriksel değil mekaniktir. Bir örnek, fotometrik analiz için kullanılan ışık
demeti gücünü zayıflatan, değişken bir diyaframdır.
Şekil-28: Kıyaslamalı
ölçme sistemleri blok diyagramı
Potansiyometreler: Potansiyometre, kaynaktan en az
akımın çekildiği durumda potansiyeli doğru olarak ölçebilen bir null cihazıdır.
Tipik bir laboratuvar potansiyometresinde, referans bir voltajı bir null
noktasına ulaşılıncaya kadar zayıflatan doğrusal bir voltaj bölücü bulunur. En
basit şekliyle bölücü, metre kadranına yerleştirilmiş homojen bir dirençtir.
Çıkış voltajı bir kızak bağlantısıyla değiştirilebilir.
Daha uygun bir bölücü helezon şeklinde bükülmüş hassas bir
teldir. Helezonun bir ucundan diğer ucuna hareket ettirilen bir uçla değişken
bir voltaj elde edilir.
Bölücünün gücü kuru piller veya civa pilleri ile sağlanır,
böylece ölçülecek potansiyelden biraz daha büyük bir potansiyel verilmiş olur.
Şekil-29:
Bir laboratuvar potansiyometresinin devre diyagramı
Şekil-29’da bilinmeyen Vv potansiyelini standart
bir Vs (Wheatstone hücresi) potansiyeli ile kıyaslayarak ölçen bir
potansiyometre görülmektedir. Potansiyel ölçülmesi işleminde iki null-nokta
ölçümüne gereksinim vardır. P anahtarı önce kapalıdır, bu durumda kızak telinde
bir akım oluşur ve AC’nin uçlarında bir potansiyel düşmesi meydana gelir. Sonra
S anahtarı 1 konumuna getirilerek Wheatstone hücresi devreye sokulur, K
anahtarı kapatıldığında standart hücre çıkışı, A ve C arasındaki VAC
potansiyel düşmesine eşit olmadıkça, galvanometrede bir akım görülecektir.
Eğer VAC, VS’den büyükse elektronlar B
bataryasından C yoluyla G ve VS’nin bulunduğu devreye akacaktır. VAC’nin
Vs’den küçük olması durumunda da zıt yönde elektron akışı olur. C
bağlantısının konumu K kapalı iken, bir null koşuluna, yani galvanometre sıfırı
gösterinceye kadar, değiştirilir. Ayni işlem S anahtarı 2 konumuna getirilerek
tekrarlanılır, bu durumda bilinmeyen hücre devreye alınmıştır. Denklem(9)dan Vx
hesaplanır.
S anahtarı 1 konumunda iken:
ACs
Vs = VB
¾¾¾
AB
S anahtarı 2 konumunda iken:
ACx
Vx = VB
¾¾¾
AB
Bu iki eşitlik birbirine bölünüp yeniden düzenlenerek Vx
eşitliği çıkarılır.
ACx
Vx = Vs
¾¾¾ (51)
ACs
Böylece standart hücrenin potansiyeli ve iki kızak-teli
ayarından Vx elde edilir.
Kızak teli, her defasında Vx’in hesaplanması
yerine, doğrudan voltu verecek şekilde kalibre edilir. Kalibrasyon kızak teli,
standart hücrenin voltajına ayarlanarak yapılır. Bu hücrenin bulunduğu devrede
AB uçlarındaki potansiyel, bir null noktaya ulaşılıncaya kadar, değişken direnç
R ile ayarlanır. Böylece, C’yi null durumuna ayarlayan bilinmeyen voltaj Vx,
doğrudan, kızak teli ayarı olarak okunur. Burada iş bataryası B’ye neden
gereksinim olduğu sorulabilir. İlke olarak, iş bataryası B’nin yerine standart
Vs hücresi konularak Vx’in doğrudan okunması mümkündür.
Ancak B’den sürekli olarak akım çekildiğinin de hatırlanması gerekir; böyle bir
kullanımda bir standart hücreden sürekli olarak sabit bir potansiyel alınamaz.
Doğrusal voltaj bölücülü bir potansiyometre ile ölçülen bir
voltajın doğruluğu bazı faktörlere bağlıdır. İş bataryası B’nin voltajının,
cihazı standart bir hücreye karşı dengeye getirmek ve bilinmeyen hücre
potansiyelini ölçmek için gerekli zaman süresince, sabit kaldığı varsayılır.
B’nin iki veya daha fazla iyi durumda kuru pil (veya civa pili) veya bir kurşun
depo bataryası olması halinde, böyle bir varsayımla önemli bir hata yapılmaz.
Yine de, B’de olabilecek değişiklikleri dengeleyebilmek amacıyla cihaz her
voltaj ölçümünden önce standart hücreye karşı kalibre edilmelidir.
AB direncinin uzunluğu boyunca olan hassasiyeti ve
doğrusallığı potansiyometrenin doğruluğuna yardımcı olur. Yine de, iyi kaliteli
bir cihazın yüksek hassasiyeti, galvanometrenin devredeki dirence göre olan
hassasiyetine bağlıdır. Örneğin, galvanometrenin elektrik direnci ile
bilinmeyen hücre direnci toplamı 1000 W
olsun. Galvanometrenin 1 mA (10-6
A) i saptayabildiğini varsayalım, Ohm kanunundan minimum voltaj farkının 10-6
x1000 = 10-3 V (veya 1mv) olduğu kolaylıkla bulunur. Galvanometre
hassasiyeti 10-7 A olursa 0.1 mV’luk fark gözlenebilir. Sıradan bir
noktalayıcı-tip galvanometre bu seviyede bir hassasiyete sahiptir; daha yüksek
hassasiyetlerde (10-10 A) çalışan galvanometreler de vardır.
Bu açıklamalara göre, bir potansiyometrik ölçümün
hassasiyeti, hücrenin elektrik direncinin artmasıyla azalır. Direnci 1 MW’dan büyük olan hücrelerin potansiyelleri,
akıma-hassas bir galvanometrenin bulunduğu bir potansiyometre ile doğru olarak
ölçülemez.
Bir
Null Cihazı ile Akım Ölçme: Null yöntemi akım tayininde çok kullanılır. Devreye seri olarak
küçük, hassas bir direnç bağlanır ve uçları arasındaki potansiyel düşmesi bir
potansiyometre ile ölçülür.
Direnç
ölçmeleri; Wheatstone Köprüsü: Wheatstone köprüsü (Şekil-30), direnç ölçümünün yapıldığı, diğer
bir null aletidir. Güç kaynağı S, 6-10 V aralığında bir ac akım verir. RAC
ve RBC dirençleri, AB doğrusal voltaj bölücüsü ve C’nin konumundan
saptanır. Köprünün sağ üst kolunda birkaç direnç aralığının seçimine olanak
veren hassas dirençler bulunur. Bilinmeyen Rx direnci köprünün sol
üst koluna yerleştirilir.
Şekil-30: Direnç
ölçümü için bir Wheatstone köprüsü
D ve C arasında akım bulunmadığı, bir BD null-dedektörle
belirlenir. Dedektörde bir çift kulaklık vardır; insan kulağının
algılayabileceği, 1000 Hz lık bir ac sinyali kullanılır. Veya, dedektör bir
katot-ışını tüpü veya bir ac mikroammetre de olabilir.
Rx’i ölçmek için, null dedektör kullanılarak C
minimuma ayarlanır. ACB voltaj bölücüye Denklem(9) uygulanarak VAC
eşitliği yazılır.
AC
VAC = VAB
¾¾¾
AB
ABD devresi için,
Rx
VAD = VAB
¾¾¾¾
Rx + Rs
Null noktasında VAC = VAD’dir. Buna
göre iki denklem birleştirilip yeniden düzenlenerek R x eşitliği bulunur.
Rs AC AC
Rx = ¾¾¾¾ = Rs ¾¾¾ (52)
AB - AC BC
Köprü Devreler: Köprü devre bir null metottur; kıyaslama prensibine göre çalışır. Bilinen bir standart değer, bilinmeyen değere eşit oluncaya kadar ayarlanır.
Şekil-31: Köprü devrelerin
tanımlanması
3.
Katod - Işını Tüpü
Osiloskop, okuma aleti olarak bir
katot-ışını tüpünün kullanıldığı çok kullanılan bir laboratuvar cihazıdır.
Katot ışını tüpü bir vakum tüpüdür; sıcak katottan çıkan elektronlar
hızlandırılır ve demet halinde yüksek voltajlı anoda gönderilir.
Şekil-32’de tüpün ana bileşenleri şematik
olarak gösterilmiştir. Burada görüntü, odaklanmış bir demetteki elektronların
tüpün eğri iç yüzeyini kaplayan bir fosferesans madde ile etkileşimiyle oluşur.
Isıtılan bir katotta elektronlar meydana gelir, bunlar toprak potansiyelindedir;
potansiyeli kilovolt seviyesinde olan bir anot, elektronları bir kontrol
kafesinden ikinci bir anoda doğru hızlandırır. Bu anot demeti ekran üzerine
odaklar. Giriş sinyali yokken demet ekranın merkezinde küçük parlak bir nokta
şeklinde görülür.
Şekil-32: Bir katot
ışını tüpünün şematik görünümü
Giriş sinyalleri iki takım levhaya
gönderilir. Bunlardan bir takımı demeti yatay olarak, diğeri dikey olarak
saptırır. Böylece birbiriyle ilişkili iki tip sinyal x-y grafiğine alınabilir.
Ekran fosforesans özellikte olduğundan nokta ışıklı bir iz şeklinde hareket
eder ve kısa bir süre sonra kaybolur. Katod tüpü, nokta, tüpün yatay eksenini
periyodik olarak tarayacak şekilde çalıştırılır. Bu amaçla, testere taramalı
sinyal kullanılır. Ölçülecek sinyal sonra dik levhalara uygulanır. Sinyal DC
ise, kolaylıkla yatay hattan merkez yatay eksenin üstüne veya altına geçer.
Bir sinus dalgasında olduğu gibi
tekrarlanabilir bir sinyal alınabilmesi için her taramanın dalga üzerinde ayni
yerde başlaması gerekir; örneğin, bir maksimumda, bir minimumda, veya bir sıfır
geçiş noktasında başlamalıdır. Senkronizasyon, bir kısım test sinyalinin tarama
sinyali ile bir voltaj engeli (her maksimum veya katları için) üretecek şekilde
karıştırılmasıyla gerçekleştirilir. Bu engel taramayı başlatır. Böylece,
ekranda sürekli dalga görüntüsü oluşur.
Tipik bir laboratuvar kaydedicisi bir
"servo (yardımcı) sistem"e örnektir. Kaydedici, iki sinyali
kıyaslayıp aradaki farkı sıfıra indirecek şekilde mekanik ayarlama yapabilen
bir null (sıfır) aletidir.
Şekil-33: Bir laboratuvar kaydedicisinin
şematik diyagramı
Örnek olarak bir laboratuvar kaydedicisini inceleyelim. Kaydedilen sinyal (Vx), bir referans sinyal (Vref) tarafından beslenen potansiyometre çıkışı ile sürekli olarak kıyaslanır. Referans sinyal bir veya daha fazla civa hücresi olabilir. Bu tür bir hücrenin potansiyeli bataryanın yaşam süresi boyunca sabit kalır. Veya bunun yerine referans olarak, düzeltilmiş ve bir Zener diodu ile kararlı hale getirilmiş bir AC sinyali de kullanılabilir. Potansiyometre çıkışı ve Vx arasındaki herhangi bir fark mekanik bir chopper ile 60 saykıllık bir AC akıma çevrilir; alınan sinyal sonra yeteri derecede kuvvetlendirilerek küçük bir faz-hassas elektrik motorunu döndürür. Motor mekanik olarak hem bir kaydedici kalemine hem de potansiyometre kızağına bağlanmıştır. Motorun dönme yönü, potansiyometre ve Vx arasındaki farkın sıfıra doğru azaldığı yöndedir, sıfırda motor durur.
Motorun yön kontrolünü anlayabilmek için,
dönüşümlü bir AC motorunun iki takım sarımı olduğunu belirtmek gerekir. Bunlar
sabit (stator) ve döner (rotor) sarımlardır. Bunlardan birine, örneğin rotora,
110 V ‘luk şehir cereyanı bağlanarak sürekli dalgalanan bir magnetik alan
oluşturulur. AC amplifikatörünün çıkışı ise statorun sarımlarına beslenir.
Burada oluşan magnetik alan rotordaki alanla etkileşerek rotoru döndürür. Dönme
yönü stator akımının rotor akımına göre olan "faz"ına bağlıdır; stator
akımının fazı, Vx in Vref sinyalinden daha büyük veya
küçük olmasına göre 1800 değişir. Böylece kuvvetlendirilen fark
sinyal servo mekanizmayı (her iki yönden de) null konumuna çevirir.
Laboratuvar kaydedicilerin çoğunda, kağıt
sabit bir hızla hareket eder. Böylece, bir sinyalin zamanın fonksiyonu olarak
değişimini gösteren grafik elde edilir. Kaliteli bir laboratuvar kaydedicisi
birkaç mikro volta kadar hassas bir kayıt yapabilir.
5.
Güç Kaynakları
Genel
olarak, laboratuvar cihazlarında ve diğer elektrik elementleri için doğru akım
(DC) kaynağı gerekir. Elektrik gücü 115 V veya 220 V AC şehir akımından alınır.
Laboratuvar güç kaynağı üniteleri şehir cereyanını yükseltir veya azaltır,
akımı tek bir polaritede olacak şekilde doğrultur, ve çıkışta düzgün bir DC
sinyali oluşturur. Güç kaynaklarının çoğunda çıkış voltajını istenilen seviyede
tutan bir voltaj regülatörü (düzenleyici) bulunur.
Örneğin,
220 voltluk bir AC kaynağından 5 volt DC almak için Şekil-34 (d)’deki blok
diyagramda görüldüğü gibi, transformatör, rektifiyer, filtre ve voltaj düzenleyici
(regülatör) bulunan bir sistem gerekir.
Transformatörler: İki (veya daha fazla) indüktör bir
araya getirildiğinde elektromagnetik alanları etkileşerek bir transformatör
oluştururlar. Bir güç üretim sisteminde daima bir transformatör bulunur.
(Şekil-34a)
Alternatif akımın voltajı bir güç transformatörü ile
artırılabilir veya azaltılabilir. Sisteme 115 V AC akım verildiğinde
"birincil (primer)" sarımda oluşan değişken magnetik alan
"ikincil (sekonder)" sarımda (veya sarımlarda) akım doğmasına neden
olur; bu sarımların her birinin uçları arasındaki potansiyel:
NS
Vx =
115 ¾¾
NP
NS ve NP, sırasıyla, ikincil ve
birincil sarımlardaki sarım sayısıdır.
Çok sayıda koldan güç verilmesi olanağı da vardır. Böylece tek bir transformatörle bir cihazın birkaç bileşenine farklı güç kaynakları sağlanabilir. Basit bir transformatörün çıkış voltajı sadece % birkaç salınım yaparken, çıkıştan çekilen akım önemli derecede değişir.
Çok sayıda koldan güç verilmesi olanağı da vardır. Böylece tek bir transformatörle bir cihazın birkaç bileşenine farklı güç kaynakları sağlanabilir. Basit bir transformatörün çıkış voltajı sadece % birkaç salınım yaparken, çıkıştan çekilen akım önemli derecede değişir.
Şekil-34: AC kaynağından DC almak için gerekli enstrümanlar; (a)
transformatör, (b) rektifiyer, (c) filtre, (d) düzenleyici (regülatör) ile her
kademede dalgalı AC akımdan alınan düzgün DC akımın voltaj-zaman grafikleri
Rektifierler: Rektifier, ikincil dalgalı AC voltajı
pulslu (atımlı) DC voltaja dönüştürür. Aşağıdaki örnekte bir köprü rektifier
gösterilmiştir. (Şekil-34b)
Filtreler: Filtre, yükle paralel bağlı bir veya
daha fazla kapasitörden oluşur. Süzme (veya düzleştirme) işleminde, rektiierden
gelen alternatif akım koponentleri ayrılarak, akım dalgalanmalı en aza
indirilir. Kapasitansın dolması ve boşalması değişiklikleri çok küçük
"dalgacıklara" indirir. Bazı uygulamalarda, filtre görevini yükle
paralel bağlı bir kapasitör ve seri bağlı bir indüktör yapar; bu tip filtreye
bir "L bölgesi" denir. Kapasitans ve indüktansın özel olarak
seçilmesiyle dalgacığın pik-pik mesafesi milivolt veya daha düşük seviyelere
indirilebilir. (Şekil-34c)
Voltaj
Regülatörleri (Düzenleyiciler): Cihazların bileşenlerinde, çoğunlukla, sabit ve çekilen akımdan
etkilenmeyen DC voltajlar kullanılır. Voltaj regülatörleri bu amaca hizmet
eder.
Voltaj regülatörleri için daima kopma koşulları altında
çalışabilecek bir Zeener diodu seçilebilir; düzenlenecek giriş voltajı kopma
voltajından büyük olmalıdır. Şekil-34(d), bir regülatörün de bulunduğu bir güç
üretim sistemini ve dalgalı AC akımdan alınan düzgün DC akımın voltaj-zaman
grafiğini göstermektedir.
