Pilsiz el feneri

Bir fener düşünün ki pile ihtiyaç duymuyor, pil değiştirme derdi yok ve uzun yıllar sonra bile gücünden hiçbir şey kaybetmiyor. Günümüz teknolojisi sayesinde böyle bir fener hayal ürünü olmaktan çıktı. Pilsiz el fenerleri, yurtdışında normal el fenerleri gibi ilgi görmeye başladı bile.

Bir fener düşünün ki pile ihtiyaç duymuyor, pil değiştirme derdi yok ve uzun yıllar sonra bile gücünden hiçbir şey kaybetmiyor. Günümüz teknolojisi sayesinde böyle bir fener hayal ürünü olmaktan çıktı. Pilsiz el fenerleri, yurtdışında normal el fenerleri gibi ilgi görmeye başladı bile.

Bu yazıda kendi yaptığım pilsiz el fenerinin detaylarından bahsedeceğim. Pilsiz el fenerinin çalışma şekli diğer fenerlerden biraz farklı. Çalışması için 30 saniye boyunca sallamak gerekiyor. Bu sayede 15-20 dakika boyunca parlak bir ışık üretiyor. Yani hareket enerjisini ışığa dönüştüren bir sistem içeriyor aslında.

Fenerin ürettiği enerji Faraday yasasına göre oluşmaktadır. Bilindiği gibi Faraday yasası, değişken manyetik alan içinde hareketsiz duran iletkende gerilim indüklendiğini söyler. Bu yasaya göre fenerin enerji üretmesi için fenerin içinde güçlü manyetik alan sağlayan neodyum mıknatıslar ve gerilim indükleyen bir bobin bulunmaktadır. Ortaya çıkan enerjiyi depolamak için de bir kondansatör kullanılmaktadır.

Fenerin çalışması ile ilgili teori 1830'lu yıllarda Faraday tarafından verilmiş olsa da, yüksek enerji depolayabilecek küçük boyutlu ve büyük kapasiteli kondansatörlerin yakın zamanda üretilebilmesi sayesinde elde taşınabilecek boyutta pilsiz el feneri yapmak artık mümkün olmuştur.

Bu fenerde kullanılan kondansatörün kapasitesi 1 Farad'dır. Normalde bu değerde bir kondansatörün çok büyük boyutlu olması gerekir. Örneğin resim 1'de görülen 100 mF kapasiteli kondansatörlerden 10.000 tanesi paralel bağlanacak olursa 1 F'lık kapasite elde edilir. Ancak birim hacme çok geniş yüzey alanı sığdırabilen yeni teknoloji ile çok büyük kapasiteli ve küçük boyutlu kondansatörlerin yapımı mümkün olmuştur.

Resim 1

Resim 2'de çeşitli tip 1F'lık kondansatörler görülmektedir.

Resim 2

Fenerde kullanılan diğer önemli eleman mıknatıslardır. Resim 3'de her biri 1cm kalınlığında ve 2cm çapında 1.8 Tesla'lık neodyum mıknatıslar görülmektedir. Bu mıknatısların manyetik alanı çok güçlüdür. Fenerde bu mıknatıslardan 3 adet kullanılmaktadır.

Resim 3

Fenerin diğer önemli bir parçası da ışık yayan LED elemanıdır. Kondansatörde depolanan enerjiyi ışığa dönüştürmek için kondansatör çıkışına beyaz bir LED bağlamak gerekiyor. LED kullanılmasının nedeni, az akımla yüksek ışık şiddeti elde etmektir. Günümüzde 5-10mA akımla normal LED'lerden yüzlerce kat fazla ışık yayan LED'ler üretilmektedir.

Artık, fenerin nasıl yapıldığı konusuna geçebiliriz. Mıknatısın hareketini frenlememesi için fenerin tamamında plastik malzeme kullanılmaktadır. Öncelikle, resim 4'deki gibi plastik bir boru hazırlamak gerekiyor. Tesisat malzemesi satan bir yerden dış çapı 32mm, iç çapı 20mm olan plastik borudan 16cm uzunluğunda kestirilir. Mıknatıslar bu ölçüdeki boru içinde rahatça hareket edebilmektedir. Daha sonra borunun ortasındaki 3cm genişliğindeki kısım, tornada inceltilerek dış çapı 23mm'ye kadar düşürülür. Böylece bu kısma sarılacak bobin, boru içinde hareket edecek mıknatısa oldukça yakın olacağından bobinle mıknatıs arasındaki manyetik etkileşim de yüksek olacaktır.

Resim 4

Plastik boru hazırlandıktan sonra boru üzerine 0.25 mm çaplı bakır telden yaklaşık 1800 sarım resim 5'deki görüldüğü gibi sarılır. Bunun için yaklaşık 160 metre bakır tel gerekiyor.

Resim 5

Yukarıda bahsedildiği gibi pilsiz el fenerinde kullanılan her elektronik malzeme özel olarak seçilmektedir. Enerji depolamak için 1F'lık kondansatör, yüksek bir gerilim indüklemek için neodyum mıknatıs ve az akımla yüksek ışık sağlayan beyaz LED kullanılmadığı sürece böyle bir fenerin yapımı mümkün değildir.

Resim 6'da pilsiz el fenerinin tamamlanmış hali görülmektedir. Fenerin elektronik devresi üst üste yerleştirilmiş 2 bakır plaka üzerine monte edilmiştir. Mıknatıs boru içine yerleştirildikten sonra borunun alt ve üst kısmı uygun bir şekilde kapatılmıştır.

Resim 6

Fenerin üzerinde resim 7'de görüldüğü gibi iki tane anahtar bulunmaktadır. Biri (A-K) açma kapatma işini yapar, diğeri (Az-Çok) ışık şiddetini ayarlamak için kullanılır.

Resim 7

Şimdi sıra pilsiz el fenerinin nasıl çalıştığını denemeye geldi. Kondansatörün yeteri kadar dolması için feneri en az 30 saniye boyunca sallamak gerekiyor. Bu sırada anahtarın kapalı olması gerekiyor ki verimli bir şekilde enerji depolanabilsin. Sallama işlemi tamamlandığında anahtar A konumuna alınarak LED'in ışık yayması sağlanır. LED'in parlaklığı resim 8, 9 ve 10'da görüldüğü gibi hayli yüksektir. Fener, karanlık bir odayı aydınlatabilecek kadar ışık yaymaktadır.

Resim 8

Fener sürekli açık kaldığında yaklaşık 15-20 dakika boyunca ışık vermektedir. Tabiki LED'in yaydığı ışığın şiddeti zamanla azalmaktadır. Ancak 15 dakika sonraki ışığın şiddeti bile yeteri kadar aydınlatıcı etkiye sahip oluyor. Bu özellik tamamen LED'in kalitesi ve ışık şiddeti ile ilgili aslında.

Resim 9

Resim 10

Şimdi pilsiz el fenerinin ışık yaymasını sağlayan elektronik devreyi inceleyebiliriz. Şekil 11'de verilen devre şu şekilde çalışıyor. Mıknatısın yukarı aşağı hareketi ile bobinde alternatif bir gerilim indüklenmektedir. Bu gerilim bir köprü diyot devresi ile doğrultulduktan sonra 1F'lık kondansatöre uygulanır. Böylece plastik boruyu salladığınız sürece oluşan gerilim kondansatörü şarj eder. Kondansatörün yüksek gerilimden zarar görmemesi için kondansatöre paralel bir zener diyot bağlanmıştır. Devredeki sw2 anahtarı, �az� kademesine alındığında LED'den 5mA'lik sabit bir akım geçer. Bu sayede, kondansatör gerilimi zamanla düşse de LED'in parlaklığı dakikalarca aynı seviyede kalmaktadır. Anahtar, �çok� kademesine alındığında ise LED'den başlangıçta 20mA'lik akım geçmektedir. Böylece d
aha kısa süre boyunca daha parlak ışık yayılmaktadır.

Şekil 11

Devreye bakıldığında bobinde indüklenen gerilimin pek fazla olamayacağı düşünülebilir. Ancak, bir hafızalı osiloskop ile bobinin boşta çalışma esnasında indüklediği gerilimi incelediğimde şekil 12'deki dalga şekillerini elde ettim. Görüldüğü gibi bobinde tepeden tepeye 40V'luk bir gerilim indüklenmektedir. Bu kadar yüksek bir gerilim indüklenmesi de 1.8 T'lık neodyum mıknatıs sayesinde olmaktadır.

Şekil 12

Kondansatörün şarj olması sırasında oluşan dalga şekilleri şekil 13'de verilmiştir. Bu sonuçlar EWB simülasyonu ile elde edilmiştir. Görüldüğü gibi kondansatörden geçen sinüsoidal akım darbeleri sayesinde kondansatör zamanla dolmaktadır.

Şekil 13

Böylece ürettiğim pilsiz el fenerinin tanıtımını tamamlamış oldum. Resim 14'de de ticari olarak üretilmiş bir pilsiz el fenerinin resmi görülmektedir. Bu tür fenerler her türlü ortamda kullanılmak üzere tasarlandığından pek çok standarda uygun olarak üretilmektedir. Örneğin plastik kılıf su sızdırmaz özellikte, çarpma ve düşmeye karşı dayanıklı yapıdadır.

Resim 14

Alıcı gözüyle bakınca bu fener daha ilgi çekiyor elbette. Ancak biraz merak, biraz heves ile bu işe girişip uzun süren bir tasarım ve deney sürecinin sonunda başarıyla kendi pilsiz el fenerimi ürettim. Aslında kolay yolu seçip bir tane satın alabilirdim, ama bu durumda şu anda edindiğim bilgilerin çoğunu öğrenemeyecektim. Bu bilgileri siz Antrak okuyucularıyla paylaşarak sizin de bilgi birikiminize katkım olsun istedim. Umarım faydalı olmuştur. Herkese iyi çalışmalar dilerim.

Yavuz EROL
Fırat Üniv. Elektrik-Elektronik Müh. (Arş. Gör.)
yerol@firat.edu.tr