Fizik Kurallarıyla Bitmiş Pillerinizden Daha Fazla Enerji Elde Edin

Gece köpeği gezdirirken, giderek sönükleşen küçük el feneriniz birdenbire söner. Karanlıkta eve tökezleyerek dönmek yerine, içindeki pillerden bir şekilde biraz daha enerji sıkıştırabilseniz ne kadar harika olurdu, değil mi?

Bu, kulağa geldiği kadar çılgınca bir şey değil. Pille çalışan bir cihaz çalışmayı durdurduğunda, pilin 'bittiğini' söyleriz — ama aslında bitmiş değildir. Hala kimyasal enerji barındırır ve voltajı sıfır değildir; sadece ampulden veya LED’den (ya da elinizdeki herhangi bir yükten) akım geçirecek kadar yüksek değildir.

Ancak biraz fiziksel hileyle, o ışığın gerçekten daha uzun süre yanmasını sağlayabilirsiniz. Çok daha uzun süre! Bu artık enerjiden yararlanmak için bir transformatör ile bir transistörü birleştiren basit bir elektrik devresini nasıl kuracağınızı size göstereceğim. Bu devreye şakacı bir şekilde 'joule thief' devresi denir. Anladınız mı?

Bunu yapmak sadece eğlenceli ve hayret verici olmakla kalmaz, aynı zamanda Faraday’ın indüksiyon yasasının da harika bir örneğidir; bu yasa, elektrik jeneratörlerinde ve hatta indüksiyonlu ocaklarda da kullanılan ilkenin aynısıdır. Hadi başlayalım!

Basit bir pil ve bir ampul

Çok basit bir devreyle başlayacağım. Bu, tek bir bakır tel aracılığıyla küçük bir akkor ampule bağlanmış 1,5 voltluk bir AA pil.

Bu tam bir devredir. Elektrik akımı pilin bir ucundan çıkar, içinde tungsten filaman bulunan bir ampulden geçer ve ardından pilin diğer ucuna geri döner. Bu filaman çok ince olduğu için akım onu yaklaşık 4.500 derece Fahrenheit’e kadar ısıtır ve böylece filaman beyaz-sıcak bir şekilde parlar. (Neyse ki tungsten, tüm saf metaller arasında en yüksek erime noktasına sahiptir.)

Devre kapalı olduğu sürece — ki bu, bir el fenerinde anahtarın açık konumda bırakılması anlamına gelir — akım akmaya devam eder ve pilin kimyasal potansiyel enerjisini kademeli olarak tüketir. Gerilim düştükçe, üretilen akım da azalır. Bir noktada, ışık üretmek için yeterli akım kalmaz.

Bir bakıma bu devre de bir 'joule thief'tir. Anahtarı açık bırakırsanız, ışık söndükten sonra bile akım akmaya devam eder ve pilin kalan enerjisini tüketir. Ama pili bitiren ve ışık üretmeyen bir 'joule thief'i kim takar ki?

LED'ler ve akkor lambalar

Günümüzde çoğu cihaz, akkor ampuller yerine LED’ler kullanmaktadır. Bir LED, nesneleri ısıtarak ışık üretmez; bunun yerine, bir enerji boşluğuna sahip katı hal cihazıdır. Akımdaki elektronlar daha düşük bir enerji seviyesine düştüklerinde, fazla enerjiyi ışık olarak salarlar. Bu, çok daha verimlidir; çünkü israf edilen termal enerji yoktur. Tek dezavantajı, beyaz bir LED'in 3 volt gerektirmesidir; bu nedenle artık iki adet AA pil kullanmamız gerekiyor.

Piller bitmeye başladıkça, sonunda 3 voltluk eşiğin altına düşerler. Hala 2,8 voltunuz olabilir, ancak ışık hiç yanmaz. İşte burada Joule Thief’in sihri devreye girer. Aslında, 3 voltluk bir LED'i sadece tek bir 1,5 voltluk pil ile yakabiliriz! Ancak önce ihtiyacımız olan iki şey var: bir transformatör ve bir transistör.

Dönüştürücü

Elektrik akımı oluşturmanın birden fazla yolu vardır. Evet, pil bu işi görür, ancak manyetik alan da kullanabilirsiniz. Bu, Faraday yasasıdır. Bu yasa, bir tel döngüsünün değişen manyetik alana maruz kaldığı durumda, o telde bir gerilim indükleneceğini belirtir.

Aslında, bir transformatör tam da bu şekilde çalışır. Ortak bir çekirdeğin etrafına sarılmış iki tel bobini vardır. Teller yalıtılmıştır, bu yüzden birbirleriyle temas etmezler; iki ayrı devre söz konusudur. Ancak bir bobinden akım geçirildiğinde manyetik bir alan oluşur ve bu alan herhangi bir şekilde değiştiğinde, ikinci bobinde bir akım oluşur.

İşte kullanacağım kendin yap transformatörü. (Burada iki kablo grubu var, ama ikisi de kırmızı — farklı renkler kullanmalıydım.) Demir halka, manyetik alanın gücünü artırarak transformatörün daha verimli çalışmasını sağlıyor.

Açıkça belirtmek gerekirse: İkinci bobinde gerilim indükleyen, manyetik alanın kendisi değildir. Asıl neden, manyetik alandaki değişimdir. Bir bobindeki akımı açtığınızda veya kapattığınızda, diğer bobinde bir gerilim dalgalanması meydana gelir. Akımı açıp açık bırakırsanız, bu gerilim sıfıra düşer.

Aslında, indüklenen gerilimin büyüklüğü kısmen değişim hızına bağlıdır. Manyetik alanı yavaşça azalttığınızda düşük bir gerilim elde edersiniz; hızlıca kapattığınızda ise yüksek bir gerilim elde edersiniz. Ayrıca, ikincil bobinde daha fazla tel sargısı kullanarak da daha yüksek bir gerilim elde edebilirsiniz.

İşte bu sihirbazlık numarasının sırrı da bu. Bir transformatör kullanarak, LED’e bağlı ikincil devrede, pilden başladığınız voltajdan daha yüksek bir voltaj elde edebilirsiniz. Dolayısıyla şimdi tek ihtiyacımız olan şey, birincil devreyi tekrar tekrar ve hızlı bir şekilde açıp kapatmanın bir yolu. İşte burada devreye transistör giriyor!

Transistör

En temel düzeyde, bir transistörü elektrik için bir vana olarak düşünebilirsiniz. Akımı kesebilir ya da geçmesine izin verebilir. Ve transistörün geçidi … bekleyin … bir elektrik akımı tarafından kontrol edilir. Evet, bu biraz akıl almaz bir durum. Sanki bir musluğu açıp su akışı oluşturmak için bir su akışına ihtiyaç duyuyormuşsunuz gibi.

Ancak Joule Thief'in nasıl çalıştığı konusunda bilmeniz gerekenler hemen hemen bu kadar. Transistör, akımı saniyede binlerce kez açıp kapatır; bu sayede temelde salınımlı bir akım oluşturur ve transformatörün daha yüksek bir gerilim üretmesini sağlar.

Joule hırsızı

Artık tam devreyi kurmaya hazırız. İnternette bu tür bir devreyi kurmaya yönelik pek çok öğretici var, ancak ben çok basit bir versiyonu kullanacağım. 

Böylece pil, transformatördeki birincil (mavi) bobinden bir akım geçirir; bu da manyetik bir alan oluşturur ve dolayısıyla ikincil (kırmızı) bobinde bir akım dalgalanmasına yol açar. Bu indüklenen akım daha sonra transistöre girer ve birincil akımı kapar; ancak bu da yine manyetik alanda bir sıçramaya neden olur. Her seferinde ikincil bobinde 3 voltluk bir ani yükseliş meydana gelir ve LED yanar. Ancak pil bunu sürdüremez, çünkü voltajı sadece 1,5 volttur ve bu da transistörü tekrar ilk döngüye geri döndürür. Ve böyle devam eder.

Aşağıda benim kullandığım Joule Thief'in bir fotoğrafı var. Gördüğünüz gibi, sadece tek bir 1,5 voltluk pil var; bu, LED’in ihtiyaç duyduğu gerilimin yarısı kadar. Bu fotoğrafı çektiğimde, ışık zaten birkaç gündür kesintisiz yanıyordu. Ve pil tamamen bitene kadar yanmaya devam edecek.

Tabii ki, geceleri köpeği gezdirirken böyle bir aleti yanınızda taşımayacaksınız. Ama biliyor musunuz? Üst düzey cep fenerlerinde genellikle tek bir pil ile çalışabilmeleri için bir 'joule thief' devresi bulunur. Tüm bu sistem, 'boost dönüştürücü' adı verilen minik bir devre kartı üzerine minyatürleştirilmiştir.

DC güç kaynağıyla salınım oluşturmaya yönelik bu yöntem, diğer cihazlarda gerilimi yükseltmek için de kullanılır. Örneğin, güneş panelleri genellikle gece kullanmak üzere elektrik enerjisini depolamak amacıyla ev akülerine bağlanır. Ancak bulutlu bir günde paneller yalnızca 10 voltluk bir gerilim üretebilir ve bu da 12 voltluk bir aküyü şarj etmeye yetmez. Bu nedenle bu sistemlerde genellikle bir yükseltici dönüştürücü bulunur.

Gördün mü? Bu sadece laboratuvarda yapılan şık bir numara değil. Joule hırsızları dışarıda, tam da senin mahallende pusuda bekliyorlar. Ve bu iyi bir şey!

Bu makale ilk olarak WIRED sitesinde yayınlanmış ve Samet Kelebek tarafından İngilizce'den çevrilmiştir.