Düşük Güçlü Jeneratör Yapalım

Bilmekte Fayda Var!

Elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren makineler ilke olarak bunun tersini de yapabilir. Yani bir elektrik motoru hem motor olarak hem de dinamo veya alternatör olarak çalışabilir. Piyasada çok çeşitli türde motorlar bulunuyor. Bunlar arasında doğru akım motoru (DC motor) ve adım motoru (step motor) önemli bir yere sahip. Bu motorlar yardımıyla kolayca elektrik üretmek mümkün. Elektrik-elektronikle yakından ilgilenenlerin bildiği bu yöntem, motor milinin tersten çevrilerek enerji üretilmesi fikrine dayanıyor. Bu yazıda, piyasadan kolayca temin edilebilen malzemelerle düşük güçlü bir jeneratörün nasıl yapılabileceği anlatılıyor. Birkaç watt gücündeki bu sistem ile çok çeşitli uygulamalar yapılabilir. Örneğin LED’li veya akkor lamba çalıştırılabilir, birkaç adet kalem pil şarj edilebilir ya da motor miline bağlanan bir pervane ile rüzgâr jeneratörü yapılabilir.

Elektromanyetik İndüksiyon 

Bütün elektrik motorları elektromanyetizma yasalarına göre çalışır. Bir elektrik motoru yardımıyla nasıl elektrik üretilebileceği Faraday yasası ile açıklanır. İletken bir tel, Şekil 1’deki gibi, sabit manyetik alan içerisinde v hızıyla hareket ettirilirse iletken uçlarında bir gerilim indüklenir. Bir başka deyişle iletkenin yatay eksendeki hareketi esnasında manyetik kuvvetten kaynaklanan bir elektromotor kuvvet (emk) oluşur. Bu emk, Lorentz kuvveti olarak bilinen kuvvetin etkisiyle iletkendeki elektronların harekete zorlanması sonucunda meydana gelir.

Şekil 1: Gerilim indükleme

İndüklenen gerilimin değeri aşağıdaki formülde görüldüğü gibi manyetik alanın büyüklüğüne, iletkenin uzunluğuna ve hareket hızına bağlı olarak değişir.

Şekil 2’de görüldüğü gibi iletken bir çerçeve, mıknatısın N-S kutupları arasında w açısal hızıyla döndürülecek olursa, çerçevede alternatif bir gerilim indüklenir. İletkenin iki ucu fırça-bilezik sistemi yardımıyla bir lambaya bağlanırsa, oluşan kapalı devreden bir akım geçer ve lamba ışık yayar. Böylece, mili tersten çevrilen bir motorun jeneratör olarak çalışabileceği görülmüş olur.

Şekil 2: Alternatif gerilim üretme

DC gerilim üretme mantığı Şekil 2’deki sisteme çok benzer. AC jeneratörde bilezik, halka şeklinde tek bir parçadan oluştuğu halde, DC jeneratörde kolektör olarak adlandırılan iki veya daha fazla dilimden oluşur. Böylece, iletken çerçeve Şekil 3’teki gibi mıknatısın kutupları arasında döndürüldüğünde fırça-kolektör sistemi sayesinde lambadan hep doğru akım geçer.  

Şekil 3: Doğru gerilim üretme

İletken çerçeve yerine, sarım sayısı fazla olan bir bobin kullanılırsa bobinde indüklenen gerilimin genliği büyük değerlere erişebilir. Mıknatıs, bobin ve fırça-kolektörden oluşan bir jeneratörü elle yapmak hayli uğraştırıcı olduğundan hazır bir motor kullanmak daha uygun olur. Jeneratörde doğru akım motoru kullanılırsa çıkış gerilimi DC; adım motoru kullanılırsa AC olur. Aşağıda bu iki motor türü ile nasıl enerji üretilebileceği anlatılıyor. İlk etkinlik için gerekli malzemeler şunlar:

• 1 adet mini DC motor
• 1 adet çevirme kollu dişli çark sistemi (1000-1500 devir/dakika dönüş sayısı sağlayabilen)
• 1 adet mandren (mil bağlantı aparatı)
• 1 adet çevirme kolu (ahşap veya plastik)
• 1 adet kırmızı LED (5 mm veya 3 mm)

DC Motor

Bir doğru akım motoru, stator ve rotor olmak üzere iki kısımdan oluşur. Stator, motorun manyetik alan sağlayan hareketsiz bölümüdür; elektromıknatıs şeklinde veya sabit mıknatıslı olabilir. Sarımlardan oluşan rotor ise motorun hareketli kısmını oluşturur. Şekil 4’te düşük güçlü doğru akım motorları görülüyor.   

Şekil 4: DC motorlar

Şekil 5’te farklı tiplerde rotor örnekleri ve kolektör yapısı görülüyor. Bu tip DC motorlar fırçalı doğru akım motoru olarak adlandırılır. Fırça yapısı ve statordaki sabit mıknatıslar ise Şekil 6’daki gibi.  

Şekil 5: Rotor çeşitleri

Şekil 6: Stator ve fırça yapısı

Bir DC motor yardımıyla kolayca elektrik üretilebilir, fakat motorun devir sayısını yükseltmek amacıyla dişli çark grubuna ihtiyaç duyulur. Aksi takdirde indüklenen gerilim çok düşük olur. Dişli çarklar, pilli oyuncak arabalardan sökülebilir. Şekil 7 ve 8’de farklı tiplerde dişli çarklar görülüyor.   

                              Şekil 7: Dişli çarklar                                                                             Şekil 8: Dişli çarklar ve çevirme kolu

 

Bu tür çark sistemlerinde mekanizmanın kolayca çevrilebilmesi için mutlaka bir çevirme kolu bulunması gerekir. Böylece, çevirme kolu bir tur döndürüldüğünde motor milinin yüzlerce kez dönmesi mümkün olur. Piyasada mandren adıyla satılan bağlantı parçası yardımıyla dişli çarkların çevirme koluna bağlantısı kolayca yapılabilir.

Şekil 9: Mandren

DC motorun mili, çevirme kolu yardımıyla 1000-1500 devir/dakika gibi yüksek hızlarda döndürüldüğünde motor uçlarında ölçülen gerilim 3-5V seviyelerine ulaşabilir. Kullanılan motorun türüne göre çıkış gerilimi daha yüksek değerde de olabilir. LED lambamızı motor çıkışlarına bağladığımızda ışık elde edebiliriz. Fırça-kolektör düzeneği sayesinde jeneratörün çıkış gerilimi doğrultulmuş halde olduğundan ilave bir doğrultucu devresine gerek kalmaz. Uygun güçte bir motor kullanılırsa jeneratör çıkışından 0.3-0.5A seviyesinde akım çekilebilir. Jeneratörden akım çekildiği esnada çıkış geriliminde ve devir sayısında bir miktar düşüş gözlenir. Aynı zamanda mekanizmayı çevirmek de zorlaşır.

Şimdi, ikinci etkinliğimize geçebiliriz. Adım motoru ile yapacağımız etkinlik için şu malzemelere ihtiyacımız olacak:

• 1 adet adım motoru (step motor)
• 1 adet çevirme kolu (ahşap veya plastik)
• 4 adet 1N4148 diyot
• 2 adet köprü doğrultucu (1A 100V vs.)
• 1 adet 1000uF/35V kondansatör
• 1 adet kırmızı LED (5 mm veya 3 mm)
• Dijital multimetre

Adım Motoru

Adım motoru (step motor), elektronik sektöründe yaygın olarak kullanılır. Genellikle hassas konum kontrolü gereken uygulamalarda, örneğin yatay ve düşey eksende harekete ihtiyaç duyan robot uygulamalarında tercih edilir. Yazıcı, disket sürücü gibi elektronik cihazlar içerisinde de bulunur. Adım motorları özel yapıları sayesinde çok küçük açılarla hareket etme yeteneğine sahiptir. Adım motoru kullanılarak bir robot kolu istenilen açılarla döndürülebilir. Örneğin adım sayısı 200 olan bir adım motoru, 1,8 derecelik hassasiyetle dönebilir. Şekil 10’da farklı tiplerde adım motorları görülüyor.

Şekil 10: Adım motoru çeşitleri

Adım motorunun iç yapısındaki sarımlar ve çok kutuplu mıknatıs ise Şekil 11’de görülüyor. Rotor sabit mıknatıstan oluştuğu için bu tür motorlarda bilezik, fırça veya kolektör bulunmaz. 

Şekil 11: Adım motorunun iç yapısı

Kullanılan adım motorunun türüne göre kablo sayısı 4, 5 veya 6 adet olabilir. İki kutuplu (bipolar) motorlarda birbirinden bağımsız bobin çiftleri bulunurken, tek kutuplu (unipolar) motorlarda bobinlerin birer ucu ortak uç olarak dışarı çıkarılır. Şekil 12’de görülen 5 ve 6 kablolu motorlar unipolar, 4 kablolu motor ise bipolar türdedir.   

Şekil 12: Kablo bağlantıları

Bir adım motorunun asıl görevi hassas kontrol işlemlerini gerçekleştirmek olsa da elektrik üretiminde adım motorları rahatlıkla kullanılabilir. DC motorlardan farklı olarak, çok düşük devir sayılarında bile yüksek gerilimler üretebilirler. Örneğin bir DC jeneratörün kullanılabilir seviyede gerilim üretmesi için 1000-1500 devir/dakika gibi yüksek hızlara çıkmak gerekirken, adım motorları ile 200 devir/dakika hızda bile hayli yüksek gerilimler üretilebilir. Bu özelliği ile herhangi bir dişli kutusu veya makara sistemi kullanmadan jeneratör yapma imkânı verir. Şekil 13’te görülen çevirme kolu ile motor mili saniyede 2-3 kez çevrildiğinde, üretilen alternatif gerilimin tepe değeri 3-5V seviyesine ulaşabilir. LED lambamızı motor çıkışlarına bağladığımızda ışık elde edebiliriz.    

Şekil 13: Çevirme kolu montajı

Adım motorunun çıkışı AC olduğundan, doğru akımla çalışan cihazları çalıştırabilmek için uygun bir elektronik devre kullanmak gerekir. Elektronik devre, alternatif gerilimi doğrultmaya ve istenirse büyük kapasiteli bir kondansatörü şarj etmeye yarar. Kapasite değeri 1000uF (uF=mikro farad) olabileceği gibi 0.1F veya 1F da olabilir. Elektronik devre şeması, kullanılan adım motorunun tek kutuplu veya iki kutuplu olmasına göre farklılık gösterir. Şekil 14’te 4 ve 6 kablolu motorlar için kullanılması gereken doğrultucu devreler görülüyor.

Şekil 14: Doğrultucu devreler

Devre bağlantısını doğru şekilde yapabilmek için öncelikle adım motorunun uçlarını tespit etmek gerekir. Bu iş bir ohm-metre yardımıyla kolayca yapılabilir. Ohm-metrenin probları, adım motorunun herhangi iki kablosuna dokundurulduğunda düşük direnç görülüyorsa o uçlar bobin uçlarını gösterir. Çok yüksek direnç görülüyorsa uçlar arasında fiziksel bağlantı olmadığı anlaşılır. Böylece birkaç ölçüm neticesinde uç tespiti tamamlanır.   

Adım motoru kullanılarak kolayca elektrik üretilebilmesi, güzel bir uygulama yapma fırsatı da verir. Motorun miline Şekil 15’teki gibi bir rüzgâr gülü bağlanırsa, jeneratörün ürettiği gerilim rüzgâr şiddetiyle orantılı olur.

Şekil 15: Rüzgâr jeneratörü

Çıkış geriliminin 10-15V kadar yüksek olması için Şekil 16’da görülen güçlü bir adım motoru kullanılabilir. Böylece düşük devir sayılarında yüksek akım sağlayabilen basit ve verimli bir rüzgâr jeneratörü yapmak mümkün olur.

Şekil 16: Kare kesitli adım motoru

Şekil 17’de iki adet kalem pili şarj eden bir rüzgâr jeneratörü görülüyor.

Şekil 17: Adım motorlu rüzgâr jeneratörü