Bobin Nedir?

İçinden elektrik akımı geçebilen yalıtılmış tel ile bu telin sarılı bulunduğu silindirden meydana gelen aygıta bobin denir. Bir elektromanyetik bobin veya da kısaca bobin bir endüktans veya elektromıknatıs  oluşturacak şekilde, genellikle bir nüve denilen dayanıklı yalıtkan üzerine izoleli iletken (yalıtılmış bakır tel) tellerin sarmal bir şekilde yan yana ve üst üste sarılmasıyla elde edilen devre elemanıdır.

Tel ardışık şekilde ve belli bir çapta sarılır. Teller birbiri üzerine sarılırken kısa devre meydana gelmemesi için yalıtılırlar (yalıtım için vernik tercih edilir). Bobin sarımlarında genel olarak üzeri vernikli (izoleli, emaye bobin teli) bakır tel kullanılır.

Bobin DC akım altında sadece sarım telinin uzunluğundan ileri gelen omik direnç gösterir. DC gerilim ile çalışmada sargı telleri etrafında sabit manyetik alan oluşur. Bu durumda bobin direnç gibi davranır. Bobinin DC’ deki direnci, sarımında kullanılan telin direnci kadardır. AC akım altında   ise akıma karşı gösterdikleri direnç artar. Çünkü bobinde manyetik alan şiddeti değiştikçe bobinde akıma karşı koyan ek direnç etkisi meydana gelir. AC akımın salınımı (frekans) yükseldikçe akıma karşı gösterdiği direnç de artar. Bobinlerin elektriksel değerine endüktans denir. ‘L’ harfiyle gösterilir. Bobinin birimi henry (H) dir.

Bobinin yapısında nüve, sipir ve mandren bulunur. Bobin endüktansını etkileyen bazı faktörler vardır. Telin sargı çapı, sargı sayısı, kalınlığı ve telin üzerine sarıldığı nüvenin fiziksel özelliği bobin endüktansını etkiler. Bobinler, çeşitli ölçü ve görünümdeki parçalar üzerine sarılır. Bobin iletkeninin üzerine sarıldığı bu parçalara karkas veya mandren denir. Bobinlerde mandren içerisinde sabit veya hareketli bir parça daha bulunur. Bobinin mandreni içerisinde bulunan parçaya nüve denir. Mandren ve nüve kullanılmadan yapılmış bobinler de vardır. Nüve malzemesi yerine hava da olabilir. Bu çeşit bobinler hava nüveli bobinler olarak adlandırılır. Bobin telinin her bir sarımına tur, sarım veya spir denir.

Bobin  ile kondansatör arasındaki benzerlik; her iki devre elemanı  da elektrik enerjisini harcamayan reaktif devre elemanlarıdır. Kondansatörler elektrik yüklerini depolayabilir. Bobinler de kondansatörler gibi elektrik enerjisini çok kısa süreliğine tutabilme özelliğine sahiptir. Bobinlerin kondansatörlerde olduğu gibi AC akım ve DC akım altındaki çalışma davranışları çok farklıdır. Bu iki devre elemanı arasındaki fark; kondansatör devreye bağlı iken gerilimi faz farkı (geri bırakırken), bobin ise gerilimi ileri kaydırır. Bobin ve kondansatör gerilim ve akım arasında yarattığı faz farkı uygulamalarda farklı şekillerde fayda ve zararlara sebep olur.

• Bobinlerde Zıt Elektromotor Kuvveti (EMK)

Bobine AC akım uygulandığı zaman bobin etrafında meydana gelen farklı yönlerdeki manyetik alanların bobin üzerinde iki etkisi olur.

1- Uygulanan AC akımın değerinin sıfırdan maksimum değere doğru artışı sırasında bobinin manyetik alanının kendisini meydana getiren kuvvete karşı koyarak bu akımı azaltmaya çalışmasıdır.

2-  AC akım değeri maksimum değerden sıfıra doğru azalırken, bu defa bobinin manyetik alanının kendisi üzerinde gerilim meydana getirerek (indükleyerek) akımın azalışını yavaşlatmaya çalışmasıdır.

İkinci etki sırasında bobinin manyetik alanının kendisi üzerinde meydana getirdiği gerilime zıt EMK denir. Bobinler zıt EMK ile akımın geçişini geciktirir ve AC özellikli akımların 90º geri kalmasına sebep olurlar.

• Bobin Endüktansını Etkileyen Etkenler

Bobinlerde sarım sayısı, nüvenin cinsi, tel kesiti, bobinin biçimi, bobin çapı, sargı katı sayısı, sarımlar arası aralık, sargı tipi ve uygulanan AC akımın frekansı gibi etkenler endüktans değerini değiştiren etkenlerdir.

• Bobinlerin AC ve DC Akım Karşısında Davranışları

Bir bobine DC akım uygulandığı zaman indüktif bir akım meydana gelmez, sadece sabit bir manyetik alan meydana gelir. Bu manyetik alana yaklaştırılan nikel, demir, kobalt gibi maddeler bobin tarafından çekilir. İçinde nüve olmayan bobinlerin çekim gücü az olur.

DC akımın tersine bobine AC akım uygulandığı zaman, sarım etrafında meydana gelen farklı manyetik alanlardan dolayı akım dolanımına engel olan bir etki ortaya çıkar. Bobinin endüktansına bağlı olarak değişen karşı koyma şiddetine indüktif reaktans denir.

BOBİN ÇEŞİTLERİ

Sabit ve ayarlı olmak üzere iki tip bobin çeşidi vardır.

SABİT BOBİN

• Hava Nüveli Bobin
• Ferrit Nüveli Bobin
• Demir Nüveli Bobin
• Toroid Bobin
• SMD Bobin

AYARLI BOBİN

• Kademeli Bobinler
• Nüvesi Hareketli Bobinler
• Sargı Ayarlı Bobinler (Varyometre)

DOĞRU AKIM DEVRELERDE BOBİN

Doğru akım (DC) devresinde bobin silindir üzerine sarılmış ve dışı izole edilmiş iletken telden meydana gelir. Bu nedenle gerçek bobin, telin öz direncinden dolayı bir omik dirence de sahiptir.

Doğru Akımda Bobinin Kullanıldığı Yerler

Doğru akımda (DC) bobin; elektrikte motor, röle, elektromıknatıs, elektronikte ise filtre ve regüle devrelerinde kullanılır. Bobinin doğru akımda (DC) dar bir kullanım alanı vardır. Alternatif akımda (AC) ise daha geniş bir kullanım alanına sahiptir.

Bobinde Akımın Yükselişi

Bobinde akım yükselişi seri bir R-L devresinde yani gerçek bobine aşağıdaki şekil a’ da görüldüğü gibi DC bir gerilim uygulandığı zaman, ilk anda bobin akımdaki değişikliğe karşı koyar. Bundan dolayı akım yavaşça yükselir. Faraday kanunu (Faraday Yasası) ve Lenz Kanun’ larına göre akım yükselirken empedans miktarı akımın değişim oranına bağlıdır. Akım değişikliği ne kadar fazla olursa direnç o kadar fazla olur. Akım, direncin tek başına alacağı değere kadar çıkar. Eğer akımda değişim olmaz ise  bobinin empedansı yoktur.

Bu yükselme oranı L/R zaman sabitesi ile karakterize edilir. Aşağıdaki şekil b’ de görüldüğü gibi logaritmik bir eğri şeklinde olur. Bu olay çok kısa sürede meydana gelir.

Bobinde Akımın Azalışı

Bobine uygulanan akım bobin sargıları tarafından meydana getirilen manyetik alanda potansiyel enerji olarak depolanır. Bu enerji sayesinde devre akımı kesilse dahi bobin üzerinde kalan manyetik alan bobin uçları arasında bir elektromotor kuvvet (EMK) kalır. Bu durumdaki bobinin uçları arasına örneğin ampul bağlansa, ampul yanmaya ve manyetik alan azalmaya başlar. Manyetik alan bittiği anda ampul söner. Bitiş süresi akımın yükselişinde de olduğu gibi bobinin indüktansına (L) bağlıdır.

Bobin Bağlantıları

Bobinlerin bağlantıları aynı dirençlerde olduğu gibi hesaplanır.

• Bobinlerin Seri Bağlantısı

Seri bağlanan bobinlerin toplam indüktansı aritmetik toplama ile hesaplanır.

L_T= L₁ + L₂ +…+L_n formülü uygulanır.

• Bobinlerin Paralel Bağlantısı

Toplam indüktans, bobinlerin indüktans değerlerinin çarpmaya göre terslerinin toplamının yine çarpmaya göre tersi alınarak bulunur.

• Bobinlerin Karışık Bağlantısı

Seri veya paralel bobinler kendi aralarında tek bobin haline getirilir. Sonra toplam indüktans değerleri hesaplanır.

Örnek soru; Aşağıdaki devrede A-B noktaları arasındaki eşdeğer indüktansı hesaplayalım.

Çözüm: Önce paralel olan L₁ ve L₂ bobinlerinin ortak indüktanslarını hesapladığımızda:

Seri duruma gelen iki indüktansın toplamını bulalım:

L_T = L_e1 + L₃ ⇒ L_T = 0,2 + 0,5 = 0,7 Henry olarak bulunur.

ALTERNATİF AKIM DEVRELERDE BOBİNLER

Alternatif akım (AC) sürekli yönü ve şiddeti değişen akımdır. Alternatif akımda bazı devre elemanları (bobin, kondansatör (kapasitör), yarı iletken devre elemanları) doğru akım devrelerinden daha farklı davranış gösterirler.

Basit bir örnekle anlatıldığında; kondansatör doğru akım devresi üzerinde geçen akım miktarına bağlı olarak belli bir süre sonra dolar. Kondansatör dolduktan sonra üzerinden akım geçirmez. Halbuki alternatif akım devresinde akım sürekli yön değiştirdiği  için bir kondansatörden sürekli akım geçer.

Bobin ve kondansatörün alternatif akım devresinde karakteristik özellikleri:

Bobinler, alternatif akımdaki özelliğinden dolayı AC motorlar, doğrultma devreleri, transformatörler, flüoresan lambalar, indiksiyon fırınları gibi benzeri yerlerde ve elektroniğin farklı dallarında farklı amaçlar için kullanılırlar.

Endüktans

Bobin doğru akıma karşı devreye enerji verildiği ilk anda nispeten büyük bir zorluk gösterir. Ancak kısa bir süre sonra bu zorluk telin direncinden ibaret olur. Bir bobin uçlarına alternatif akım uygulandığı zaman ise durum böyle değildir. Alternatif akım bobin uçlarında yönü ve şiddeti sürekli değişen bobin bir manyetik alan maydana getirir. Bu manyetik alan bobin üzerinden geçen akım yönüne ters yönde bir akım geçirmek ister. Bu sebeple bobin uçlarında akım aniden yükselmez. Buna telin endüktans etkisi veya bobinin endüktansı denir.

Endüktans birimi Henry (H)’dir. Uygulamada H’nin ast katları kullanılır.

1 mili Henry = 1mH = 10^-3H ya da 1H = 10³ mH

1 mikro Henry = 1µH = 10^-6H ya da 1H = 10⁶ µH dir.

Eğer bobinden geçen akım sabit bir akım ise bobin etrafında meydana gelen manyetik alanın şiddeti de sabittir.  Bir bobinden geçen akım değişkense bobinde meydana gelen alan şiddeti de değişken olacaktır. Bir bobin, kendi değişken alanının etkisi ile kendi üzerinde bir EMK (elektromotor kuvvet) indükler. İndüklenen bu EMK’ye zıt EMK denir.

Endüktans, bir bobinin fiziksel özellikleri ve üzerinden geçen akımın değişim hızına (amper/saniye) bağlı olarak üzerinde enerji depolama veya kendi üzerinde EMK indükleme kapasitesi olarak da tanımlanabilir.

Bir bobinin endüktans hesabı;

Bu endüktans formülü;

• L : Bobin endüktansı, Henry (H)
• μ : Manyetik geçirgenlik Henry/metre (H/m)
• N : Sarım sayısı,
• A : Bobin kesit alanı, santimetrekare (m²)
• l : Tel uzunluğu, santimetre (m) ifade eder.

Soru: Nüvesinin bağıl geçirgenliği μr = 200 olan bir bobinin sarım sayısı N =10 , bobin kesit yarıçapı r = 1cm, tel uzunluğu l =10cm havanın manyetik geçirgenliği μ_o 1,256.10^-6 H / m  ise;

Cevap:

olarak hesaplanır.

Alternatif Akım da (A.C) Gösterdiği Özellikler

Bilindiği üzere bobin alternatif akımın değişimine karşı zorluk göstermektedir. Aşağıdaki şekilde saf endüktif devrenin toplam gerilimine, bobin akımı bobin geriliminin devrenin toplam gerilimine, bobin akımının da devrenin akımına eşit olduğu görülür. Ancak bobin gerilimi ve akımı arasında faz farkı vardır. Şekildeki vektör diyagramda gösterildiği gibi bobin akımı bobin geriliminden 90^o (p / 2 ) geridedir.

Saf endüktif devrede akım ve gerilimin dalga şekilleri aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Burada kalın sürekli çizgi v_L bobinin ani gerilimini, ince sürekli çizgi ise i_L bobinin ani akımını ifade eder. i_L bobin akımı v_L bobin geriliminden 90° geridedir.

Saf endüktif devrede ani güç ani akım ve ani gerilim değerlerinin çarpımıyla (p = v.i) bulunur. Şekil incelendiğinde; ani akım ve ani gerilimin her ikisi de pozitif veya negatif olduğunda ani gücün pozitif, herhangi birinin negatif olduğunda ani gücün negatif ve herhangi birinin sıfır olduğunda ani gücün sıfıra eşit olduğu görülebilir.

Her bobin, alternatif akım devrelerinde frekansla doğru orantılı olarak değişen bir direnç gösterir. Bu dirence endüktif reaktans denir Endüktif reaktans X_L ile gösterilir ve birimi ohm (W) ’dur. A.C devrelerde endüktif reaktans;

X_L = 2π . f . L formülü ile hesaplanır.

Burada;

• XL :endüktif reaktansı, ohm (Ω)
• f: A.C gerilimin frekansı, Hertz (Hz)
• L: bobin endüktansını Henry (H) ifade eder.

Örnek: Şekilde görülen devrede bobinin endüktif reaktansı ve devre akımı hesaplanırsa:

Alternatif Akım da (AC) Seri ve Paralel Bağlantıları

Bobinlerin AC devrelerde seri ve paralel devre bağlantılarında eş endüktif reaktansları, direnç devreleri ile aynı yöntemlerle hesaplanır.

• Alternatif Akım da Seri Bağlantıları

Alternatif akım devrelerine bobinler devreye seri bağlandıklarında devrenin toplam endüktansı her bir bobin endüktansının toplanması ile bulunur.

Şeklimizde görüldüğü gibi seri bir devrenin toplam endüktansını bulmak için devredeki bobinlerin endüktansları toplanarak bulunur.

L= L₁+L₂+L_n

Soru: Şekildeki devrede üç bobinin endüktansları sırası ile L₁= 2mH, L₂= 2.10-2 H ve L₃ = 5 mH şeklindedir. Devrenin toplam endüktans hesabı;

Cevap:

L₂ = 2.10-2H = 2.10-2 .1000 = 20mH

L = L₁+ L₂ + L₃ = 2 + 20 + 5 = 27mH

• Alternatif Akım da Paralel Bağlantıları

Bir devredeki paralel bağlı bobinlerin toplam endüktansı, paralel bir direnç devresinin toplam direncinin bulunduğu gibi bulunur. Bobinler devreye paralel bağlanırsa bobinlerin devreye uyguladıkları toplam endüktans, endüktans değerlerinin terslerinin toplanması ile bulunur. Böylece toplam endüktans en küçük endüktans değerine eşit veya daha küçük olur.

Şekilde görüldüğü gibi, bir devredeki toplam endüktansın tersi (1 / L) devredeki bobin endüktanslarının terslerinin toplamına eşittir.

Soru: Şekildeki devrede üç bobinin endüktansları sırası ile 2mH, 4mH, ve 6mH’dir. Devrenin toplam endüktans hesabı;

Cevap:

Nüvenin Endüktansa Etkisi

Endüktansı etkileyen etkenlerden biri bobinin üzerine sarıldığı nüvedir. Nüvenin manyetik geçirgenliği artarsa bobin üzerinde oluşan manyetik alan şiddeti artacağından endüktans da artar. Örneğin yumuşak demir nüve üzerine sarılan bir bobinin üzerinde meydana gelen manyetik alan çizgileri sayısı, nüve olarak hiçbir malzeme kullanılmayan, yani nüvesi hava olan bir bobin üzerinde oluşan manyetik alan çizgileri sayısından daha fazladır.

Nüvenin endüktansa etkisi, nüvenin manyetik geçirgenliği ile doğru orantılıdır.