Arduino Eğitimleri - 2. Ders - Arduino Öğrenimi İçin Gerekli Olan Elektrik Bilgileri ve İlk Devremiz

Amaçlar:

1. Arduino öğrenimi için gerekli olan elektrik ve elektronik bilgilerinin öğrenilmesi.

2. Elektriğin öğrenilmesi

3. Elektrik akımının öğrenilmesi. (AMPER - I)

4. Direncin öğrenilmesi (OHM)

5. Gerilimin öğrenilmesi (Pil)

6. Anot ve Katotun öğrenilmesi.

7. Basit bir devre tasarımının yapılması.

Arduino Öğrenimi İçin Elektrik-Elektronik Bilgileri

Arduino eğitimine geçmeden önce bunun bir elektrik devresi olduğunu, elektrikle çalışan bir çip olduğunu bilelim.

Bunun için gerekli olan bazı elektrik ve elektronik bilgilerini açıklayalım. Bu bilgiler, devrelerin nasıl çalıştığını anlamamıza yardımcı olacak ve Arduino projelerini daha rahat yapmamızı sağlayacaktır.

1) Elektrik - Elektronik Nedir?

a) Elektrik, atomlardaki elektronların hareketi veya denge durumlarındaki değişiklikler sonucu oluşan bir enerjidir. Elektrik enerjisi, elektrik yüklerinin hareketiyle iletilir ve bu hareket, elektrik akımı olarak bilinir.

Elektrik, günlük yaşamımızda kullandığımız enerji kaynağıdır ve hem ışık hem de ısınma gibi birçok farklı işlevi yerine getirebilir. Ayrıca, elektriğin farklı biçimleri, farklı teknolojik cihazlarda da kullanılır.

b) Elektronik, özellikle sinyallerin işlenmesi, iletilmesi ve kontrol edilmesi ile alakalıdır. Transistörler, diyotlar, entegre devreler gibi bileşenler elektronik devrelerde kullanılır ve bu devreler genellikle dijital veya analog sinyalleri işler.

Biz önce elektriği öğreneceğiz, daha sonra elektronik alanında ilerleyeceğiz.

2) Elektrik Akımı (Current)

Elektrik akımı, elektrik yüklerinin bir iletkenden (mesela bir tel) geçişidir. Düşün ki, akım, bir nehirdeki suyun hareketi gibidir. Elektronlar bu akımı oluşturur.

• Birimi: Amper (A)

• I harfi ile gösterilir.

• Akımın nasıl hareket ettiğini düşün: Elektronlar, bir devrede pozitif kutuptan negatif kutuba doğru hareket ederler.

3) Gerilim (Voltage)

Gerilim, elektrik yüklerini hareket ettirecek olan kuvveti ifade eder. Elektrik akımının hareket etmesini sağlayan itici güçtür. Bunu bir su pompası gibi düşünebilirsin. Pompa suyu hareket ettiriyorsa, gerilim de akımı hareket ettirir.

• Birimi: Volt (V)

• Devredeki gerilim farkı: Elektronlar, yüksek gerilimden düşük gerilime doğru hareket eder.

Pil, bir devrede gerilim sağlar. Pilin pozitif ve negatif uçları arasındaki potansiyel fark (voltaj), devredeki elektrikleri itmeye başlar ve böylece akım akar.

Örneğin, 1.5V'luk bir pil, uçları arasındaki gerilim farkını 1.5V olarak sağlar. Bu gerilim, devredeki akımın hareket etmesini sağlar.

Pilin Çalışma Prensibi

Bir pilin iki kutbu vardır:

1. Pozitif kutup (+): Elektronların eksik olduğu kutup. (KATOT)

2. Negatif kutup (-): Elektronların fazla olduğu kutup. (ANOT)

3. Elektrolit, pillerde iyonların hareketini sağlayarak elektrik akımının iletilmesini sağlar.

Peki Pil Bu Enerjiyi Nasıl Üretir?

Pilde Elektrik Akımının Üretilmesi:

1. Kimyasal Enerji: Pilin içinde, elektrotlarda (anot ve katot) yer alan kimyasal maddeler, kimyasal enerji depolar. Bu kimyasal enerji, pilin içinde bulunan maddelerin, örneğin metallerin ve elektrolitlerin birbirleriyle reaksiyona girmesiyle açığa çıkar

   
   

2. Kimyasal Reaksiyonlar:

   
   

   Reaksiyon: İki veya daha fazla maddenin birbiri ile etkileşmesi sonucu kendi özelliklerini kaybederek yeni özellikte maddeler oluşturmasıdır.

   
   

   • Anotta (negatif elektrot) bir reaksiyon gerçekleşir. Burada, örneğin çinko (Zn) atomları elektron kaybeder. Bu, çinko atomlarının iyonlaşmasına ve elektronların dış devreye akmasına yol açar.

     
     

   • Katotta (pozitif elektrot) ise reaksiyon meydana gelir. Burada, örneğin manganez dioksit (MnO₂), dış devreden gelen elektronları alarak reaksiyona girer.

Pil, bu iki kutup arasındaki gerilim farkı ile elektrikleri hareket ettirir. Bu, elektrik akımını oluşturur ve bu akım devredeki bileşenleri (LED, direnç, motor vb.) çalıştırır.

6) Led Nedir? Nasıl Çalışır?

LED (Light Emitting Diode) iki uçlu bir yarı iletken cihazdır. Yarı iletken (semi-conductor), elektrik akımını iletme kapasitesi bakımından iletkenden (örneğin bakır gibi) daha düşük, fakat yalıtkandan (örneğin plastik veya cam gibi) daha yüksek olan malzemelerdir.

Diyot, elektrik akımının sadece bir yönde geçmesine izin veren, iki uçlu bir yarı iletken bileşendir.

Yarı iletkenler, elektriksel özelliklerini dış etkenlere göre değiştirebilirler, bu da onları elektronik devrelerde çok değerli kılar.

LED'deki Anot ve Katot:

1. Anot (Pozitif uç):

   • LED'in uzun bacağı genellikle anottur.

   • Pozitif kutba bağlanır.

   • Elektrik akımı, anottan katota doğru hareket eder.

   • Anot, elektronları katota gönderen kutuptur.

     
     

2. Katot (Negatif uç):

   
   

   • LED'in kısa bacağı genellikle katottur.

   • Negatif kutba bağlanır.

   • Elektronlar katottan anota doğru hareket eder, ancak LED'in iç yapısına göre akımın doğru yönü anottan katota olmalıdır.

   • Elektronlar katottan anota doğru hareket ederken ışık üretir.

LED'lerde Neden Anot ve Katot Var?

Anot ile katot kutuplarına sahip olmasının nedeni, elektrik akımının doğru yönde geçmesini sağlamaktır. LED'ler, elektrik enerjisini ışığa dönüştüren bir tür diyottur. Diğer diyotlar gibi, LED'lerin de bir anot ve bir katot ucu vardır, ancak bunlar, LED'in doğru şekilde çalışabilmesi için çok önemlidir.

• LED'ler diyot türündendir, yani sadece bir yönde akıma izin verir. Diğer diyotlar gibi, LED'lerin de iki terminali vardır: anot ve katot.

• Elektronlar anottan çıkarak katot yönüne doğru hareket ederler. Bu süreç sırasında, yarı iletken malzemede bir elektron boşluğu (pozitif yüklü yer) oluşur ve bu elektronlar bu boşluklarla birleşir. Bu birleşme sonucu, ışık meydana gelir.

  
  

Doğru Yönlü Bağlantı:

• Anot (uzun bacak), pozitif kutba bağlanmalı, katot (kısa bacak) ise negatif kutba bağlanmalıdır.

• Eğer LED'in uçları ters bağlanırsa (yani katotu pozitif kutba, anotu negatif kutba bağlarsak), LED çalışmaz. Çünkü diyotun çalışma prensibi gereği, akım ters yönde geçerse ışık üretilmez.

7) Direnç (Resistance)

Direnç, akımın geçişine karşı gösterilen engeldir. Yani, bir su borusuna bir daralma koyduğunda suyun akışını engellemiş olursun, işte direnç de benzer şekilde akımın geçişini engeller.

• Birimi: Ohm (Ω)

• Mesela bir LED: LED’ler genellikle çok fazla akım almayı sevmezler, bu yüzden devrede bir direnç kullanarak fazla akımın geçmesini engelleriz.

Ohm Kanunu (V = I × R):

Ohm Kanunu, gerilim (V), akım (I) ve direnç (R) arasındaki ilişkiyi açıklar. Bu kanun şunu söyler:

• Bir devrede, gerilim (V), akım (I) ile direnç (R) çarpımına eşittir.

• V: Gerilim (Volt)

• I: Akım (Amper)

• R: Direnç (Ohm)

  
  

Direnç ohm olarak ölçülür ve Yunan alfabesindeki omega harfi (Ω) ile gösterilir. Ohm, adını gerilim, akım ve direnç arasındaki ilişkiyi inceleyen bir Alman fizikçi olan Georg Simon Ohm'dan (1784-1854) almıştır.

Volt ve Amper İlişkisi

Volt ve amper birbirinden farklı iki büyüklük olduğu için farklı birimleri vardır:

• Volt: Elektronları hareket ettirebilmek için gereken potansiyel farkı (enerji) ifade eder. Birimi volt (V) ile ölçülür.

• Amper: Elektronların hareketi ile oluşan akımın büyüklüğünü ifade eder. Birimi amper (A) ile ölçülür

Bir devrede voltaj elektronları hareket ettiren enerjiyi sağlar, ancak akım, bu enerjiyi kullanarak iletken boyunca elektronların hareketini ifade eder.

Bir su borusunu düşünün:

• Volt, borudan geçen suyun basıncı gibidir. Ne kadar yüksekse, suyu daha hızlı itebilir.

• Amper, borudan geçen su akışının miktarı gibidir. Yani, suyun her saniye ne kadar hareket ettiğini gösterir.

  
  

Bu analojiyi elektrik devresine uyarladığınızda:

• Volt (basınç): Elektronları hareket ettirebilmek için gerekli enerji (gerilim) farkıdır. Bunu pil sağlar.

• Amper (su akışı): Elektronların devredeki hareketidir. Yani elektronların hareket hızını ifade eder. Elektronlar, voltajın sağladığı enerji farkıyla hareket etmeye başlar, ancak bu hareketin hızı ve miktarı devredeki direnç gibi diğer faktörlere bağlıdır.

8. Devre (Circuit)

Bir devre, elektriğin bir kaynaktan (mesela batarya) çıkıp, bir dizi bileşen üzerinden geri dönmesini sağlayan bağlantıdır. Elektrik akımı, bir devre içinde dolaşır.

Örneğin:

• Batarya: Elektrik enerjisini sağlar.

• LED: Işık verir.

• Direnç: Akımın aşırı geçmesini engeller.

  
  

Bir devre genellikle 3 bileşenden oluşur:

1. Enerji kaynağı (batarya veya güç kaynağı)

2. Elektronik bileşenler (LED, direnç, vs.)

3. Bağlantılar (kablolar)

   
   

   

Anahtarın görevi kablo bağlantısını kesmektir.

9) Basit Devre Örneği: LED Yakma - Gerekli Malzemeler

Bu örnek, devrenin nasıl çalıştığını anlaman için çok basit bir örnek:

Bu basit devre, LED’in yanıp sönmesini sağlar.

Bu devreyi yapmak için aşağıdaki bileşenlere ihtiyacımız olacak:

1. Ampul: Elektrik akımıyla ışık üreten bileşendir.

2. Batarya (Pile): Ampulü çalıştırmak için enerji sağlayacak.

3. Kablolar: Elektriği ileten malzeme, devredeki bileşenleri bağlamak için kullanılır.

Hangi Pili Seçmeliyim?

• 3V Pil: Düşük güç gereksinimi olan devreler (LED, sensörler vs.)

• 5V Pil: Arduino ve benzeri 5V cihazlar için uygun.

• 9V Pil: Daha güçlü devreler ve motorlar için tercih edilebilir.

Burada 1.V pil LED'i çok cılız yakıyor. 9V pil ise direkt patlatıyor. 3V pil hemen patlatmıyor ancak bir süre sonra o da patlatıyor.

Bu nedenle 3V pili seçip direnç ile ayarlamalıyız.

Direnci Nasıl Ayarlamalıyım?

Eğer 1.5V pil ile 3V pil arasında bir denge bulmak istiyorsan ve pilin voltajının yeterince iyi çalışmasını istiyorsan, bir direnç kullanarak akımı sınırlayabilirsin. Direnç, devredeki voltaj farkını dengelemeni sağlar, böylece pil voltajı ile bileşenlerin gereksinimleri arasındaki dengeyi kurabilirsin.

Direnç Hesaplama

Eğer bir LED kullanıyorsan ve 3V'luk bir pil ile LED'in voltaj farkını dengelemek istiyorsan, önce uygun bir direnç değeri hesaplamalısın.

Özetle bize 3 şey lazım:

1- Pilin voltajı , 2 - LED'in kaç voltajda çalıştığı yani çalışma gerilimi, 3 - LED'in çalışma akımı yani LED'in ışık yayması için gerekli olan akım (elektron) miktarı.

Çünkü devreden her akım geçmesi demek LED'in yanacağı anlamına gelmez. Bir eşiğin aşılması gerekir.

• Pil Voltajı: 3V - Pilin ürettiği akımdır.

• LED'in Çalışma Gerilimi: 2V - LED'in çalışma gerilimi, LED'in ışık yaymaya başlaması için gereken minumum gerilimdir. Bu gerilim, LED'in içindeki yarı iletken malzemelerin belirli bir enerji seviyesini aşması gerektiği anlamına gelir. LED'in çalışma gerilimi 2V olduğunda, LED'in ışık yaymaya başlaması için en az 2V'luk bir gerilim gereklidir.

• LED'in Çalışma Akımı: 20mA (tipik bir LED için) LED'in çalışma akımı, LED'in ışık yaymaya başladığında devreden geçen akım miktarıdır. Tipik olarak, LED'ler için 20mA (miliamper) akım değeri kullanılır. Bu, LED'in düzgün bir şekilde çalışabilmesi için gereken akım seviyesidir.

  
  

O halde şöyle özetleyelim elimizde 3 V pil var 2V ile çalışan LED var. LED için gerekli olan akım da 20 miliamper. Ohm Kanunu'na göre, direnç değeri şöyle hesaplanır:

Bu durumda, 50Ω’luk bir direnç kullanarak LED’in doğru şekilde yanmasını sağlarsın.

Özetle:

1. Elektrik Akımı (Amper): Elektronların hareketi.

2. Gerilim (Volt): Elektronları hareket ettiren güç.

3. Direnç (Ohm): Elektronların geçişine karşı koyan engel.

4. Devre: Elektriğin bir kaynaktan gidip geri geldiği yol.

   
   
   
   

Şu anda temel bilgileri öğrendin. Arduino’nun ve devrelerin temel mantığını kavraman bu seviyede oldukça yeterli olacaktır. Zamanla daha karmaşık projelere geçtikçe, bu temel bilgileri daha derinlemesine öğreneceğiz.

2. DERS ÖZET VİDEO:

   
   

2. DERS GÖREVİ:

   
   

KIRMIZI BİR LED'İ BİR DEVRE KURARAK YAK.