Farklı Malzemelerin Akım-Gerilim Eğrilerinin Yorumlanması

Elektronik ortamda bir materyalin I-V karakteristiği ürünün kullanılabilirliği açısından büyük öneme sahiptir. Cihazların çalışma parametreleri ve verimliliğini artırmak yönünde büyük öneme sahip bu karakteristik yapıyı; özellikle güneş hücreleri, piller ve sinirsel elektrotlar üzerinde incelemeye aldık.

A- A+

17.03.2017 tarihli yazı 12379 kez okunmuştur.

Akım Gerilim Fotovoltaik Hücre Pil Elektrot Güç Enerji Elektronik

Fotovoltaik Hücrelerin Akım-Gerilim Eğrileri

Fotovoltaik hücreler, ışık enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren fotoelektrik cihazlardır. Yani ışığa maruz kaldıkça güç üretirler. Güneşten gelen ışınlar, belirli bir enerjiye sahiptirler ve bu ışınlar fotovoltaik hücrelerin temel yapısını oluşturan yarı iletken malzemelere ulaştığında serbestçe hareket eden yüklerin oluşmasını sağlar.

Fotovoltaik hücreler güneş ışınlarına maruz kaldığında oluşan serbest yüklerin hareketleri sayesinde belirli oranda akım üretirler ve bu akım yük direnci ile oluşturulmuş devrede güç üretilmesini sağlar. Hücreler akım ürettiğinde I-V eğrisi yük anahtarlamasıyla elde edilir. Yük anahtarlama, bir güç kaynağına bağlı farklı direnç yüklerinin üzerinde ölçülen gerilim ve akım değerlerini kapsamaktadır. Bir devrede bulunan fotovoltaik hücrenin akım üretip üretemediğini görmek için yük anahtarlama yöntemi kullanılarak I-V karakteristiği incelenmelidir. Basit olarak fotovoltaik hücrenin değişken direnç üzerinde oluşturduğu I-V karakteristiği Şekil 1'de görülmektedir.

Şekil 1: Fotovoltaik hücrede güneş ışınlarının etkisiyle oluşan I-V eğrisi.
Isc kısa devre akımı, Voc açık devre gerilimidir.

Yük direncinin 0 ohm (kısa devre) olduğu durumda fotovoltaik hücrenin ürettiği akım maksimum dur ve gerilim sıfırdır. Akımın maksimum olduğu bu değer Isc olarak adlandırılmakta. Tam tersi durum yani yük direncinin sonsuz (açık devre) olduğu anda devrede akım oluşmazken gerilim maksimum seviyesindedir. Gerilimim maksimum olduğu bu seviye Vocolarak adlandırılmakta.

Şekil 1'de görüldüğü üzere, normal şartlarda güneş hücreleri çok küçük direnç değeri taşıyan yükler için akım kaynağı olarak davrandığını görmekteyiz. Aynı zamanda birazdan anlatacağımız üzere güneş hücreleri gerilim kaynağı olarak da davranabiliyor.

Pillerin Akım-Gerilim Eğrileri

Piller, kimyasal maddeler tarafından üretilirler ve kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine elektrokimyasal reaksiyonlar vasıtasıyla dönüştürmektedirler. Örnek verecek olursak Lityum-İyon ve Nikel-Kadmiyum piller kimyasal yapı ve bileşenleri üzerinde belirli bir gerilim ve kapasite değerleriyle derecelendirilmiş pillerdir. Pil bir güç kaynağı olduğu için, I-V eğrisi anahtarlama kullanılarak Şekil 2’de gösterilmiştir.

Şekil 2: İdeal ve gerçek durumlarda pillerin I-V karakteristiği.

İdeal bir pil sabit gerilim kaynağı gibi davranabilir fakat gerçekte işlevsel olarak kullanılacak pilin I-V eğrisi şekilde görüldüğü üzere eğimlidir. I-V eğrisinde oluşan bu eğim direncin etkisi olarak oluşmakta. Bu nedenle gerçek pil dahili bir dirençle seri olarak gösterilmektedir. Kullanıma uygun piller gibi güneş pillerinin I-V karakteristiği ideal şartlardan sapmalar göstererek belirli miktarda enerji depolayabiliyor.

Fotovoltaik hücrelerin ve pillerin ideal ve gerçek ortamda oluşturdukları I-V karakteristiğini inceledik. Aynı zamanda ideal gerilim veya akım kaynağı olarak güç sağlayan cihazların karakteristiğini de gördük.

Daha önceleri akım gerilim karakteristiği, cihazların doğrusal bileşenleri kullanılarak çıkartılmaya çalışıyordu. I-V karakteristiğinin elde edilmesi, mühendisler için cihazların kullanılabilirliğini artırmak yönünde önemli gelişme sağladı. Bu bölümde ise memelilerde elektrik darbeleri göndermek için kullanılan elektrotun I-V karakteristiği incelenecektir.

Sinirsel Uyarıcı Elektrot

Elektrot, devrede metalik yapıda olmayan kısımlarda iletim sağlayan malzemelerdir. Örneğin piller bir elektrolit içerisine yerleştirilmiş elektrotlardan oluşur. Elektrotun içyapısındaki materyalleri incelemek için elektrokimyacılar, gerilim süpürme metottu olarak da bilinen dönüşümlü voltametri yöntemini kullanarak I-V karakteristiği elde ederler. Dönüşümlü voltametri, elektrokimyasalmaddelerin iletim anında gerçekleştirdiği kimyasal işlemlerdeki verilerin elde edilmesinin yanında bu işlemlerin hızını da inceleyebildiği için en sık kullanılan yöntemdir. Bir elektrotun I-V eğrisinin parametrelerinin belirlenmesi için 3 elektrotlu sistem kullanılır. Elektrotlar tuz çözeltisinin (NaCl)içerisine konur ve referans elektrotu için zıt kutuplu platin elektrot vardır. Biyolojik uyarılma uygulamalarının incelenmesi için kullanılan iridyum oksit elektrotun I-V eğrisi ve dönüşümlü voltametri grafiği Şekil 3’te gösterilmiştir.

Şekil 3: Tuz çözeltisine yerleştirilmiş iridyum oksit elektrotun I-V karakteristiği (mavi) üzerine kondansatör (yeşil) ve direncin (kırmızı) etkisi gösterilmekte.

Bu grafik iridyum oksit elektrotun dönüşümlü voltametri eğrisini göstermektedir. Tuz çözeltisinin içerisindeki iridyum oksit elektrot direnç gibi davranmak yerine kondansatör gibi yük saklayabilir yapıda olduğu görülmektedir. Yük saklama özelliği, yapısal olarak sahip olduğu diğer özelliklerinden farklı olarak, yükün dokulara enjekte edilmesi gerekli verilerin elde edilmesindeki en önemli özelliğidir.