AC mi DC mi: Hangisi Daha İyi?

Rivayete göre , rock grubu AC/DC adını Young kardeşlerin evindeki eski bir dikiş makinesinin etiketinden almış. Bu, makinenin hem alternatif akım hem de doğru akımla çalışabileceği anlamına geliyor olmalı. Günümüzde evlerimizdeki tüm yeni elektronik cihazlar, hatta akkor ampullerin yerini LED'lerin almasıyla aydınlatma armatürleri bile yalnızca doğru akımla çalışıyor.

Ama durun. Duvar prizinizden çıkan elektrik alternatif akımdır. Bu, her cihazın AC gücünü DC'ye dönüştürmesi ve ayrıca voltajı dijital devrelerde kullanılan çok daha düşük seviyelere düşürmesi gerektiği anlamına gelir. Öyleyse, şu soruyu sorabilirsiniz: Evinizde DC prizleri olması daha mantıklı olmaz mıydı?

Harika bir soru ve aslında elektriklenmenin ilk günlerinde büyük bir tartışmayı da tetikleyen bir soru. Thomas Edison DC devrelerini tercih ediyordu, ancak Nikola Tesla AC devrelerinin doğru yol olduğunu düşünüyordu. Tesla bu tartışmayı açıkça kazandı. Bakalım neden!

Elektrik, metal tel gibi iletken bir malzemeden geçen elektron akışıdır. Elektrik şebekesini, içlerinden akım geçen nehir ve derelerden oluşan bir sistem olarak düşünebilirsiniz. Bir nehirde, yükseklik farkı suyun aşağı doğru hareket etmesine neden olur; bir enerji hattında ise akımı yönlendiren kuvvet voltajdır ; yani bir devredeki iki nokta arasındaki potansiyel enerji farkıdır.

Bu benzetme doğru akım için de geçerli. Ancak çoğu şebekede elektrik enerjisi alternatif voltajla iletilir. Bu, negatif ve pozitif kutupların ileri geri hareket etmesi ve elektronların sürekli bir akış halinde hareket etmek yerine sürekli ileri geri sallanmasına neden olması anlamına gelir.

Tahmin edebileceğiniz gibi, bu durum alternatif akımla başa çıkmayı daha karmaşık hale getiriyor. Edison'un haklı bir noktası vardı: Doğru akım çok daha basit. Aslında herkes bir DC devresi yapabilir. Tek ihtiyacınız olan bir pil ve pozitif ve negatif elektrotları bağlamak için bir tel. Hatta kendi pilinizi bile yapabilirsiniz. Çinko ve bakır gibi iki farklı metal alın ve bunları bir patatesin zıt uçlarına yerleştirin. Patates suyundaki asit iki metalle farklı tepkimeye girerek küçük bir LED'i yakmaya yetecek kadar küçük bir voltaj oluşturur. DC kolaydır.

Örneğin, bir DC tost makinesi yapmak istediğinizi varsayalım. Tost makinesi, içinden akım geçtiğinde ısınan bir telin bulunduğu bir kutudur. Diyelim ki bu tost makinesi 1.000 watt güce ihtiyaç duyuyor. Güç mü? Bu, enerjinin zaman ( t ) oranıdır ( E ). Yani, bir tele 1 saniyede 1 joule enerji verirseniz, bu 1 watt güç ( P ) anlamına gelir:

Özellikle elektrik gücü için, bunu elektrik akımı ( I ) ile voltajın ( V ) çarpımı olarak hesaplayabiliriz:

Bununla birlikte basit bir tost makinesi devre şeması çizebiliriz:

Tost makinesinin içindeki nikrom tel iyi bir iletken değildir . Akım akışını engelleyerek telin ısınmasına neden olur. Yani temelde elektrik enerjisini ısı enerjisine dönüştüren bir cihazdır. Yukarıdaki şemada R , ohm cinsinden ölçülen direnç miktarını temsil eder.

Diyelim ki DC güç kaynağımız 10 voltta çalışıyor. Bunu, ekmeğimizin güzelce kızarması için gereken direnç seviyesini bulmak için kullanabiliriz. Bir direnç için akım ( I ) ve voltaj ( V ) arasında Ohm yasası adı verilen bir ilişki vardır ve bu da bize güç için şu ifadeyi verir:

10 voltta, 1.000 watt'lık bir güç elde etmek için 0,1 ohm'luk (ki bu çok küçük bir değer) bir dirence ihtiyacımız var. Ama durun, devrede direnç oluşturan tek şey içindeki ısıtma elemanı değil. Duvara taktığınız güç kablosunun da direnci var. Kablonun içindeki bakır tel iyi bir iletkendir, ancak kablonun uzunluğu direnci artırır.

İşleri kolaylaştırmak için, güç kablosunun da 0,1 ohm'luk bir dirence sahip olduğunu, yani devredeki toplam direncin 0,2 ohm olduğunu varsayalım. Bu, daha düşük bir elektrik akımı elde edeceğimiz ve tost makinesinin gücünün sadece 250 watt olacağı anlamına gelir. Bu da, kızarmış ekmek gibi bir şey olmayacak.

Bunu düzeltmek için güç kaynağının voltajını artırmamız gerekiyor. Bunu 100 volta çıkaralım. Bu durumda tost makinemiz 10 ohm olabilir, yani 0,1 ohm'luk güç kablosu pek önemli olmayacaktır. Evinizdeki 90 cm'lik bir güç kablosu için sorun değil. Peki ya elektrik santralinden şehrinize giden iletim hatları? Bunlar 100 kilometreden uzun olabilir.

Çok daha uzun kablolar çok daha fazla direnç sağlar, bu da kabloların ısınıp enerji israfına yol açacağı anlamına gelir. Çözüm yine daha yüksek voltajlı bir kaynak kullanmaktır. P = IV'ü hatırlıyor musunuz? Bu, aynı gücü, çok yüksek bir voltaj ve çok düşük bir akım kullanarak da sağlayabileceğiniz anlamına gelir.

Evet, bir problemi çözüyorsunuz ve bu da başka bir problem yaratıyor. Diyelim ki duvar prizi 10.000 volt DC. Peki, telefonunuzu şarj etmek istiyorsunuz ve 5 volt DC'ye ihtiyacı var. Bunu nasıl yaparsınız? Tamam, bunu çalıştırmanın bir yolu var. Telefonunuza seri olarak büyük bir direnç bağlayabilirsiniz ve bu da elektrik enerjisini ısıya dönüştürür. Ama yine de, bu sadece enerji israfı.

Peki alternatif akıma geçersek ne olur? Unutmayın, AC devreleri pozitif ve negatif kutupların yer değiştirmesiyle oluşturulur, böylece voltaj pozitif ve negatif değerler arasında değişir (yani elektron akışının yönü değişir). İşte iki akım türü için voltajın zamana bağlı bir fonksiyonu grafiği.

DC kaynağının sabit bir voltajı vardır, yani yukarıdaki düz mavi çizgi budur. AC kaynağının (kırmızı) voltajı +10 ile -10 volt arasında salınır ve voltajın gerçekten sıfır olduğu zamanlar vardır. Bu uydurma örnekte, voltajın yarım saniyede sekiz kez değiştiğini görebilirsiniz. Gerçek ev tipi AC akımı değişkenlik gösterir, ancak ABD'de ortalama 120 volt (artı ve eksi) ve 60 hertz frekansındadır.

Ekmek kızartma makinemizi alıp 60 Hz'lik bir AC prize takarsak, gayet iyi çalışır. Sadece bir teli ısıtarak çalıştığı için, DC veya AC akım olması fark etmez; her iki durumda da ısınır. Akkor ampuller için de aynı şey geçerlidir. Aslında, ekmek kızartma makinelerinden çok da farklı değillerdir; sadece ampuldeki ince tungsten tel o kadar ısınır ki (2.500 dereceye kadar) parlar ve ışık üretir.

AC'de de uzun elektrik hatlarıyla ilgili aynı sorunla karşı karşıyayız. Sıcak tellerden çok fazla enerji kaybetmemek için yüksek voltaj ve düşük akıma ihtiyacınız var. Ancak AC'nin güzel bir avantajı var: Yüksek voltajı alıp düşük voltaja çevirmek kolaydır. Bu, akımın salınımlı yapısı ve Faraday'ın endüksiyon yasası sayesinde mümkündür.

Faraday yasası, bir tel halkasının içindeki manyetik alanın şiddetini değiştirirseniz elektrik akımı üreteceğinizi söyler. Aşağıdaki klipte, bir tel bobinine güçlü bir mıknatıs soktuğumda veya çektiğimde, akım seviyesinin (amper cinsinden ölçülür) yükseldiğini görebilirsiniz.

İki tel bobini kullanarak bunu mıknatıssız da yapabilirsiniz. Aşağıdaki videoda, küçük bir düğme pili birincil bobine bağlayıp söküyorum. (Bobinleri göremiyorsunuz, ancak ön plandaki küçük gri kutunun içindeler.)

İkincil bobin herhangi bir güç kaynağına bağlı değil. Ancak birincil bobindeki değişen akım, değişen bir manyetik alan oluşturuyor ve bu da ikincil bobinde bir akım indüklüyor. Bu küçük pille bile büyük bir indüklenmiş akım elde ettiğimi görebilirsiniz. Şuna bir bakın:

Ama hepsi bu kadar değil! İkinci bobinde indüklenen voltajı , her bobindeki döngü sayısının oranını değiştirerek değiştirebiliriz. İndüklenen bobinde 100 döngü ve birincil bobinde 1.000 döngü varsa, indüklenen voltaj 100/1.000 veya girişin 0,1 katı olacaktır. Bunu tersine çevirirseniz, girişin 10 katı bir çıkış voltajı elde edebilirsiniz.

Biz buna transformatör diyoruz (çünkü voltajı dönüştürüyor). Oldukça önemliler. İşte küçük bir tanesinin içi:

Bu, tüm cihazlarınızın duvar prizine takmak için kullandığı "güç kaynaklarından" biri. İki bobin yan yana ve sağdakinin soldakinden daha fazla "dönüşü" olduğunu görebilirsiniz. Yani, 120 voltluk bir AC girişiniz varsa, çıkış daha düşük olacaktır (bu durumda 12 volt). Orada, düşük voltajlı AC'yi alıp DC çıkışa dönüştüren başka bir şey daha var; buna voltaj doğrultucu denir.

Açık olmak gerekirse, bir DC devresinde AC transformatörü kullanamazsınız. Yani teknik olarak bir DC girişini alıp AC'ye dönüştürmek ve sonra da dönüştürmek mümkün; ama evlere AC gücü sağlayabilecekken neden ekstra bir şey yapalım ki? Biz de tam olarak bunu yapıyoruz. O devasa yüksek gerilim iletim hatlarını gördüğünüzde, bunların süper yüksek gerilimli AC devreleri olduğunu görürsünüz.

İşte nasıl çalıştığı: Fosil yakıtlarla veya hidroelektrikle çalışan bir elektrik santraliniz var. Bunu AC çıkışa dönüştürmeniz ve ardından voltajı 100.000 volt gibi çılgın bir değere çıkarmanız gerekiyor. Bu, çok düşük akımda uzun elektrik hatlarına gönderebileceğiniz ve böylece çok fazla güç kaybı olmayacağı anlamına geliyor.

Bir elektrik hattı şehre ulaştığında, bir trafo merkezine gider. Bu, aslında AC voltajını 10.000 volt gibi daha yönetilebilir bir seviyeye düşüren dev bir trafodur. Son olarak, akım evinize giren 240 voltluk AC'ye ulaşmak için bir trafodan daha geçer. Çamaşır kurutma makineleri gibi büyük ev aletleri 240 V'un tamamını kullanır ve elektrik prizleriniz için bu değer yarıya indirilerek 120 V'a düşürülür.

Ama bunların hiçbiri DC güçle mümkün olmazdı. Pratik olmazdı. AC harika!