tesla bobini bitirme
TRANSCRIPT
1
1.GİRİŞ
Tesla bobini, Nicola Tesla’nın 1891 yılında meydana getirdiği en büyük buluşlarından
biridir. Tesla bobini yüksek gerilim, düşük akım ve yüksek frekansta alternatif akım
üretmek amacıyla kullanılan deşarj bobinleridir. Aslında bir yüksek frekanslı hava
çekirdekli transformatördür. Bu transformatör düşük AC gerilimleri 1 milyon V AC ‘ye
kadar yükseltebilir.
Maxwell 'in matematiksel olarak ışığın elektromanyetik dalga olduğunu ispatlaması,
Nikola Tesla'nın yüksek frekanslı alternatif akımla imkansız denen şeylerin
başarılabileceğine olan inancını pekiştirir. Kablosuz elektrik iletme deneylerinde de
kullansa da Tesla’nın öncelikli amacı yüksek frekanslara ulaşabilmektir. Çalışmalarını
ilerletip saniyede 20.000 devire ulaştığında jeneratörler uçup gider, parçalanır. Bu
şekilde daha yüksek frekanslara ulaşmak mümkün gözükmemektedir ama tesla yılmaz.
60 devir/sn standart ev elektriğini alıp saniyede yüz binlerce devire çıkarır. Tesla bobini
frekansı yükseltmekle kalmaz çok yüksek miktarlarda voltaj da üretebilmektedir.
Nicola Tesla ürettiği yüksek frekanslı AC gerilim ile ilk neon ve flörasan lambaları icat
etmiş ve kablosuz olarak ilettiği enerji ile birkaç yüz cm uzaklıktaki bu lambaları
yakmayı başarabilmiştir. Bu çalışmaları ile o dönemde çığır açmıştır.
1.1. Genel Teori
Bir tesla bobini geleneksel (yani demir çekirdekli) trafolardan çok farklı bir biçimde
çalışan bir çeşit transformatördür. Geleneksel bir transformatörde sarımlar birbirine çok
sıkı bir biçimde bağlanmıştır ve gerilim kazancı sarım sargıları numaraları ile
belirlenmektedir. Bu durum normal voltaj değerlerinde çalışır ancak yüksek voltajlarda
sargıların iki takımı arasındaki yalıtım kolayca bozulur. Bu da demir çekirdekli
transformatörün bozulmadan çalışmasını engeller.
2
Tesla bobini ile sargıları arsındaki alan %97 + oranında birleştirilebilen bir
konvansiyonel transformatörün aksine tesla bobin sargıları gevşek bir hava boşluğu ile
birleştirilmiştir. Böylece tesla bobinleri, kendi manyetik alanlarında primer ve sekonder
alanlarının paylaşımları yalnızca %10 - %20 civarındadır. Sıkı bağlantılı bobinler yerine
tesla bobini salınımlı gelen enerjiyi gevşek bağlantı yoluyla bir dizi RF döngüleri
devresine aktarmaktadır.
Mevcut birincil enerji kadar ikincil yani çıkış enerjisi de artar ve enerji kayıpları azalır.
Hatta önemli derecedeki kıvılcım boşluğu kayıpları iyi tasarlanmış bir tesla bobininde
birincil kısımdaki kapasitörler ile %85 oranında azaltılabilir.
Tesla, bobininin sonraki versiyonunda ilk etapta yüksek elektrik streslerini önlemek
için büyük mesafelerde elektrik alanı yaydı ve böylece serbest hava içinde çalışmasını
sağlandı. En modern tesla bobinlerinde basit toroidler kullanıldı,sekonderin üst kısmına
yakın bir yere yüksek elektrik alanı kontrol etmek ve primer sekonder sargılardan uzak
ve dışarıya doğru kıvılcım yönlendirmek için bükülmüş metal veya esnek aliminyum
hava kanalları imal edildi. Daha gelişmiş tesla bobini vericileri daha sıkı bağlı rezonans
transformatör ağı veya “ana osilatör” ekstra bobin adı verilen başka rezonans ile
beslenen çıkıntı içerir. Bazı modern üç bobinli büyütücü sistemlerde ekstra bobin
transformatörlerden biraz uzağa yerleştirilir. sekonderin üstündeki direkt manyetik
bağlantı üçüncü bobini alt uca doğru RF akımı enjekte edilerek yönledirilmesi ile
tasarlandığından beri istenilmez. Prensip ekstra bobininde enerji birikimi ve
transformatör sekonderin rolü farklı ana osilatörde oynanmasıdır, tek bir sekonderden
paylaşım rolü değildir. Gevşek bağlantı ile gerilim kazancı primer ve sekonder
indüktanslar oranının kare kökü ile orantılıdır. Çünkü ikincil sargı, birincil olarak aynı
frekansta rezozans olması nedeniyle sarılır, bu gerilim kazancı da ikincil kaçak
kapasitant için birincil kapasitör oranının karekökü ile orantılıdır. Modern yüksek
gerilim meraklıları genellikle teslaanın “tabaka” hava çekirdekli tasarımına benzeyen
tesla bobini olusturmakta. Bunlar genellikle primer tank devresi ,yüksek gerilim
kapasitör ile oluşan bir dizi LC devresi, sekonder bobin içeren bir dizi rezonans devre,
terminak kapasitans veya ”top load “ dan oluşmaktadır. Teslanın daha geilşmiş
tasarımı , ikincil LC devresi hava çekirdekli transformatörün sekonder bobinine
yerleşitirilmiş seri haldeki sarmal rezonatörlerden oluşmaktadır. En modern bobinler
primer ve sekonder rezonatörün ikisini içeren tek bir sarmal bobin kullanılır. Primer LC
3
devresi sekonder LC devresi ile aynı frekansta rezonans olacak şekilde ayarlanmıştır.
Daha önce yağ yalıtımlı tesla bobinleri yüksek voltajlı terminallerden hava çıkışını
önlemek için büyük ve uzun yalıtkanlara ihtiyaç duyar.
Daha modern, büyük bir tesla bobini çok yüksek pikteki güçlerde çalışabilir. (milyon
wattlara kadar). Bu sayede, ayarlanabilir ve dikkatli bir şekilde çalıştırılabilir, sadece
verim ve ekonomi açısından faydalı değil, aynı zamanda güvenlik açısından da bu
önemlidir.Eğer yanlış ayar nedeniyle, maksimum gerilim noktası terminali aşağıda
oluşursa, ikinci tel boyunca, bir kıvılcım meydana gelebilir ve bobin teline, desteklere,
yakındaki objelere zarar verebilir.
Ait tarafta tesla deneyleri ve birçok devre yapılandırmaları görülebilir. Tesla bobini
primer sargısına, kıvılcım boşluğu ve tank kondansatörü seri olarak bağlanmış. Her
devrede, AC besleme transformatörü voltajı kıvılcım boşluğunu yıkana kadar tank
kapasitörünü şarj ediyor. Boşluk aniden ateşlenir ve şarj olmuş tank kapasitörünün
deşarj olması, primer sargı içerisinden izin verir. İlk boşluk ateşlenir, bu elektriksel
davranış diğer devrelerde de aynıdır. Deneyler sonucunda hiçbir devrenin diğeri
üzerinde performans avantajı saptanmamıştır.
4
Şekil 1.1. Tesla bobininin genel görünüşü
Resimde görüldüğü gibi tesla bobini altında birinci sarmal, üstte ise ikinci sarmal olan
bir tür bir transformatördür. En üst noktasında ise alüminyum toroid görünmektedir
bu toroid ise yüksek frekansta, düşük akım ve çok yüksek değerlerde voltaj çıkışı
verir. Fiziksel olarak Tesla bobini bu şekildedir.
Şimdide şebeke geriliminden Tesla bobinine kadar gelen tasarımın en kaba ve genel
haliyle devre şemasını verelim.[1]
5
Şekil 1.2. Genel olarak bobinin devre şeması
6
2. TESLA BOBİNİ TASARIMI
Tasarladığımız Tesla bobininde temel olarak 3 kattan bahsedebiliriz. Bunlar; devrenin
giriş katı olan şebeke geriliminin sürücü devresine uygun voltaj sağlayabilmesi
açısından oluşturduğumuz güç katı, ikinci olarak, sürücü devremizin bulunduğu
yüksek gerilim transformatörüne uygun gerilim ve akım değerlerininin sağlandığı
kısım, üçüncü olarak ise doğrultucu katını takiben bulunan klasik tesla bobini
sarmallarının bulunduğu çıkış katıdır. .
2.1. Güç Katı
Bu kısım, şehir şebekesi olan 220V AC gerilimin sürücü devresini beslemek için 15
Volt 4 Ampere dönüşütürüldüğü kısımdır. Bu işlemi yapmak için, bu değerleri
alabileceğimiz özel olarak tasarlanmış, dışarıdan temin ettiğimiz bir güç kaynağı
kullandık.
Şekil 2.1. 15V-4A çıkış değerleri sağlayan güç kaynağı
7
2.2. Sürücü Devresi
Bu devre yapısı tasarımımız için gerekli olan tetikleme aralığını belli frekans
değerleri arasında sağlayacak olan yapıdır. Sürücü katında NE 555 entegresi
kullanılarak Tesla bobini için sinyal üreteci tasarladık.
Şekil 2.2. NE 555 entegresi ile sürücü katı
NE 555 entegresi hakkında biraz daha bilgi sahibi olmak ve tasarımımızın yapısına
daha da hakim olmak adına bu entegrenin bacak bağlantılarını ve fonksiyonlarını
incelemekte fayda gördük.
Şekil 2.3. NE 555 Sinyal üretecine ait giriş ve çıkış grafikleri
8
555 entegresi, zamanlayıcı, pals üreteci, darbe genişlik modülasyonu (PWM), darbe
konum modülasyonu (PPM), lineer rampa sinyali üreteci vb uygulamalarda kullanılır.
555 entegresinin 8 ve 1 numaralı uçları besleme, 3 numaralı ucu çıkış, 2 numaralı ucu
ise tetikleme amacıyla kullanılmaktadır. Tetikleme sinyallerinde çıkan ve inen olmak
üzere iki kenar vardır. Tetikleme elemanın katalog özelliklerinde de belirtildiği gibi, bu
kernarlardan biri ile yapılır. 555 entegresi, üretici firma kataloğunda belirtildiği üzere
inen kenar ile tetiklenir.
Yükün bir ucu 3 numaralı çıkış ucuna, diğer ucu şaseye ya da Vcc ye bağlanır.
Normalde çıkış ucu sıfrıdır ve şase potansiyelindedir. Bu durumda Vc ile çıkış arasına
bağlanan yük gerekli polarmayı alarak çalışır. Aynı şekilde şase ile çıkış arasına
bağlanan yükün her iki ucu şase potansiyelinde olacağı için yük çalışmaz.
Şekil 2.4. NE 555 entegresinin bacak bağlantıları
1. Ground: Toprak bağlantısı
2. Trigger: Bu bacak monostable uygulamalarında tetikleme ayağı olarak kullanılır.
Alttaki karşılaştırıcının – girişine bağlanmış olan bu ayakta 1/3 Vcc altında bir
gerilim olunca flip-flopun flop un set bacağı lojik 1 olur ve dolayısıyla flip-flop un Q
çıkışı lojik 1 olur.
3. Output: Çıkış bağlantısı
4. Reset: Bu ayak lojik 0 olunca devre reset yapar ve Q çıkışı lojik 0 olur. Reset ayağı
diğer pinlere bağlı değildir.
9
5. Control: 2/3 Vcc gerilim alan noktaya bağlanmış olan bu ayaktaki gerilim
değiştirilerek arzu edilirse zamanlama periyodu değiştirilebilir. Normalde küçük bir
kapasite ile toprak hattına bağlanır.
6. Threshold: 2/3 Vcc üzerinde gerilim olduğunda flip-flop reset atar.
7. Discharge: npn transistörün kolektör ayağına bağlanmıştır. Transistör iletimde
olunca (beyz gerilimi pozitif olunca) bu ayak toprak hattına bağlanır.
8. Vcc: +4.5V ile +16V arasında bir gerilim verilir.
Sinyal üretecinin çıkışına bağladığımız transistör yardımıyla işareti güçlendirerek
(Şekil 2.2.) yüksek gerilim transformatörümüze sinyalimizi gönderdik. Bu transistör,
transformatörümüzün yaklaşık 1kV lık çıkış gerilimi vermesine yardımcı olur.
Yüksek gerilim transformatörü ise temel olarak Nicola Tesla tarafından belirlenen
esas işin yapıldığı, tesla sarmallarının bulunduğu son aşamaya giriş değeri vermemizi
sağlar.
Şekil 2.5. Yüksek gerilim transformatörü
10
Transformatörümüzün çıkışına ise AC işareti DC işarete dönüştürmek amacıyla
doğrultucu da yerleştirdik. Çünkü hem, tesla bobinin ikincil devresindeki primer
sarımın gerekli voltaj değerine ulaşması, hem de devrenin ilerleyen aşamalarında DC
gerilim ile çalışan kapasitörlerin kullanılması nedeniyle doğrultucuya ihtiyaç duyulur.
Devre şeması ve doğrultucu kutumuz aşağıdaki gibidir.
Şekil 2.6. Doğrultucu devresi
Şekil 2.7. Doğrultucu devre şeması
11
2.3. Tesla Bobini Sarmallarının Bulunduğu Çıkış Katı
Aşağıdaki şekilden de görüleceği üzere Tesla bobini; çekirdeği hava boşluğundan
oluşan, yüksek voltajlı bir rezonans trafosu olup 6 bileşenden oluşur. Bileşenlerden
birincisi; çekirdeği demirden oluşan, yüksek voltajlı birincil trafo ki bu daha önceki
aşamada ele aldığımız yüksek gerilim transformatörüdür; ikincisi bir yüksek voltaj
kapasitörüdür. Üçüncü bileşen, birbirinden hava boşluğu ile ayrılmış iki telden oluşan
'kıvılcım boşluğu,' dördüncüsü; 10-15 sarımlık, kalın bir telden oluşan birincil bobin,
beşincisi; reçine kaplı ince telden sarılmış, yüzlerce sarımlık 'ikincil bobin'dir.
Birincil bobin, ikincil bobinin dip tarafında yer alır ve bu ikisi birlikte, çekirdeği hava
boşluğundan oluşan ikincil bir trafo oluşturur (birinci trafonun çekirdeği demir).
Altıncı bileşen ise, genellikle alüminyumdan oluşan simit şeklinde bir metal olup,
ikincil bobinin tepesine yerleştirilmiştir. Sistem çalışırken oluşan yüksek voltaj
kıvılcımları, bu toroidden kaynaklanır ve tüm yönlerde havaya dağılır.
Şekil 2.8. Tasarımın son katı
Birincil trafo 220V AC'lik gerilimi 10,000 V'un üzerine çıkarır ve bu gerilim, yüksek
voltaj kapasitörünü doldurur. Kapasitör, birincil bobin ile trafonun çıkışı arasında seri
olarak bağlıdır. Dolayısıyla, voltaj yeterince yükseldiğinde, kıvılcım boşluğunu aşan
bir kıvılcım sıçraması oluşur. Kıvılcım, yolu üzerindeki havayı iyonlaştırıp iletken
hale getirir. Dolayısıyla bu kıvılcım, trafoyu kısa devre yaparken, kapasitörle birincil
sarım arasındaki devreyi de kapatır. Kapasitörde depolanmış olan enerji, birincil
sarım üzerinden akmak zorunda kalır. Kapasitörün yüklenmesi ve kıvılcım
12
boşluğunun ateşlenmesi birbirini hızla izler. kıvılcım boşluğu saniyede 120 ile 1000
kez arasında ateşlenebilir. Fakat en yüksek enerji patlamaları 120 Hertz civarında yer
alır.
Enerji birincil bobine aktarıldığında, bu bobini sarmalayan bir elektromanyetik alan
oluşur. İkincil bobin, bu değişen elektromanyetik alanın enerjisini emer ve birincil
bobinde oluşmuş olan voltajı daha da yükseltir. İkincil bobindeki voltaj, küçük
bobinler için yüz binlerce, büyükler içinse milyonlarca voltu bulabilir. Dolayısıyla,
ikincil bobini etkin bir şekilde topraklamak büyük önem taşır. Toprak ve toroid
aslında bir kapasitörün, ikincil bobinle birbirine bağlanmış, zıt yüklü iki plakası
gibidir: İkincil bobinde oluşan yüksek gerilim altında, birbirine zıt yükler toprağa ve
toroidden havaya fışkırır.[2]
Devrede öncelikle yüksek gerilim trafosu kondansatörü doldurur. Birincil
kondansatörün gerilimi atlama aralığının (spark gap) gerilime eşit olduğunda bu
aralıkta atlama yani kısa devre olur. Böylece kapasite ile birincil bobin parelel
duruma gelir. Böylece birinci paralel rezonans devresiyle, ikincil bobin ve yüksek
gerilim çıkışının toroid ya da küresel elektrotun rezonans devresi rezonansa girer.
Yani çıkış olarak frekansı rezonans frekansına eşit, yüksek frekanslı yüksek gerilim
elde edilir.[3]
Devrenin ihtiyaç duyduğu gerilimi 8 KV’lık 6,6 nF değerindeki paralel kapasitörler
ile sağlanır. Ne kadar çok ve kapasite değeri yüksek kapasitör kullanılırsa o kadar da
güç artacaktır. Bu devrede renozansı arttırmak amacıyla kapasitörler paralel olarak
bağlanmıştır.
13
Şekil 2.9. Devrede kullanılan kapasitörler
Tesla bobinin çalışması için gereken en önemli mekanizmalardan biri de spark gap
mekanizmasıdır. Kıvılcım atlaması olarak da tanımlanan bu mekanizma aralarında
1,5 mm kadar açıklık bulunan ve yönleri birbirlerine bakan iki adet metal çubuktan
oluşur. Bu mekanizma sayesinde yüksek gerilim metallerin arasındaki 1,5 mm’lik
açıklıkta bulunan havayı iletken gibi kullanır ve yüksek gerilim metal çubukların
birinden diğerine geçer. Bu işlemi yapabilmek için gerilimin frekansı aşırı derecede
yükselir. Bu sayede de tesla bobinin ihtiyaç duyduğu Tera Hertz’ler seviyesinde
frekans elde ederiz.
14
Şekil 2.10. Spark gap (Atlama aralığı)
Spark gap mekanizmasından sonra ikincil devrenin yani tesla bobinin çıkış primer ve
sekonder sargıları kullanılır. Primer sargı sayısı 5’dir ve üzeri izoleli 15 mm2’lik bakır
kablodan oluşur. Primer sargı plastik bir silindirin üzerine sarılır.
15
Şekil 2.11. Tesla bobininin birincil sargıları
Sekonder sargı ise xxx çaplı pvc su borusuna 0,5 mm2'lik bakır tel aralarda boşluk
olmadan sarılır. Bu sarım 280 turdur. Bakır telin pvc su borusuna sarımı oldukça
zahmetli olduğu için ve sarım esnasında telin aralarında boşluk kalması durumunda
bobinin manyetik alanı bozulacağı için bu bobinaj makinesi ile sarılması daha
uygundur. Bu eleman ile 50-60 KV'lık çıkış elde edilmektedir.
Kullanılan pvc su borusunun etrafı primer sargı ile çevrilen tarafı bakır tel ile
sarılmamalıdır. Aksi halde primer ve sekonder sarımlar arasındaki manyetik alan
bozulur.
16
Şekil 2.12. Tesla bobininin ikincil sargıları ve tasarımın son hali
17
3. TESLA BOBİNİN KULLANIM ALANLARI
Bu bölümde, öncelikle Tesla’nın bu tasarımdaki amacını ele alarak başlayalım
ardından kullanım alanlarını detaylı bir şekilde ele alacağız.
Tesla, Maxwell’in ışığın matematiksel olarak dalga olduğunu ispatlamasıyla yüksek
frekanslı alternatif akım üretmenin mümkün olduğunu görmüştür. İlk deneylerinde
frekansı 20000 devire kadar çıkarabilmiş, fakat jeneratörler bu frekansa
dayanamamıştır. Tesla’da sonunda ürettiği bobinle elektriği istediği frekansa ve
gerilime çıkarmıştır. Peki Tesla’nın bu bobini yapmaktaki amacı nedir? Tesla’nın
hayatı boyunca en büyük amacı elektriği kablosuz iletmekti. Nitekim Tesla bunu bu
bobinle lokal olarak başarmış, daha sonra yaşanılan olumsuzluklar nedeniyle bu
projesini devam ettirememiştir.
Tesla bu yüksek frekans çalışmalarını neon ve flüoresan lambanın icadında, ilk X-ray
fotoğrafın çekiminde, MR cihazlarının temellerinin atılmasında kullanmıştır. Bugün
de eş zamanlı yıldırımlar oluşturulmasında ve malzemelerin yüksek gerilime
dayanıklılık testlerinde aktif olarak kullanılmaktadır.
3.1. Neon – Florasan Lambalarda Kullanımı
Birçok buluş gibi florasan lambalar da Nicola Tesla tarafından icat edilmiş
günümüzde ise bu tasarım yıllar geçtikçe geliştirilmiştir.
18
Şekil 3.1. Florasan lambanın şebekeye bağlanması
Starter
Neon gazı ile doldurulmuş, küçük bir gazışıl lambadır. Starter lambasına paralel bağlı
kondansatörün görevi radyo parazitlerini giderici ( önleyici ) olarak çalışır ve voltaj
darbesi zamanını uzatır. Starterin görevi ise floresan ampul devresinin otomatik olarak
çalışmaya başlamasını sağlamaktır. Floresan ampul çalışmaya başladıktan sonra starter
devreden çıkar. Starter nasıl çalışır? Starter lambasının biri ya da herikisi bir bimetal-
termik elemandır. Starter 160 V civarında yani düşük gerilimde ışıldar ve elektrodu
ısıtır. Isınan bimetal elektrot kıvrılarak akım devresini kapatır. Bu durumda akım şok
bobini ( balast ) üzerinden ve lamba flemanlarından geçerek flemanları ısıtır. Bimetal
elektrot bu arada soğuyarak eski durumuna döner ve akım devresini açar. İşte bu açma
anında yüksek bir gerilim oluşarak floresan lamba ateşlenir.
Şekil 3.2. Starter
19
Floresan Tüp
Bir floresan lamba ya da floresan tüp bir gaz deşarj lambası olup, civa buharını uyarmak
için elektriği kullanır. Uyarılan civa atomları kısa dalga ultraviyole ışını oluşturur, UV
ışını ise fosforun parıldamasına neden olarak, görünür ışığın oluşmasını sağlar.
Şekil 3.3. Florasan tüp
Balast
Balastın görevleri; Starterin açması anında, balast trafosunun özindüksiyonu nedeniyle
yaklaşık olarak 1000 V gibi yüksek bir gerilim oluşturarak floresan lambanın
ateşlenmesini sağlar. Floresan tüp ateşlendikten sonra balast trafosunun endüktif direnci
nedeniyle süratle gerilim 100 V gibi bir ışıldama gerilimine düşer. Gerilim bu kademeye
düşünce starter artık ışıldayamaz. Balast trafosunun endüktansı nedeniyle işletme anında
bir faz kayması oluşacaktır, bu değer kompanzasyonla düzeltilir. Bu yüzden
aydınlatmada balastların varlığının kompanzasyon gerektirebileceği unutulmamalıdır.
Girişte paralel bağlı kondansatörün görevi ise bireysel olarak bu balastın, şebeke
tarafından bakıldığında, endüktif özelliğini ortadan kaldırmak yani bireysel
kompanzasyonunu sağlayıp, güç faktörünü düzeltmek içindir.
20
Şekil 3.4. Balast
Bu lambalarda Tesla Bobini, florasan lambaların ilk çıkış yıllarında balast bobininde
oluşan 1000 Voltluk yüksek pik voltaj değerini oluşturmak için kullanılmıştır. Yüksek
frekanslarda oluşan bu gerilim de tüp içerisindeki cıva buharının ısınıp ışıma yapmasını
sağlar.[4]
3.2. MRG Cihazının Tanımı ve Çalışma Prensibi Gereği Kullanılan Bobinler
3.2.1. MRG’nin Tanımı
MRG doku kontrast çözümleme gücü en yüksek olan radyolojik görüntüleme
yöntemidir. Bu yeni teknoloji ile sağlanan görüntüler sağlıklı ve hastalıklı doku
arasındaki farkı anlamak için çok iyi bir tekniktir.Bu özelliği ile başta santral
sinir sistemi olmak üzere vücuttaki tüm yumuşak dokuların incelenmesinde
kullanılır.Manyetik rezonans görüntüleme(MRG) ile vücudun içini kesitsel olarak
görüntüleyebiliriz. Bu da doktorlara modern ve iyi bir tıbbi destek sağlamaktadır. Olan
manyetik görüntü doktora, incelenen vücut dokusunun özellikleri,boyutu ve yeri
hakkında birçok detaylı bilgi verir.Bu bilgi hızlı ve doğru tanıya varabilmek için çok
yardımcı olabilir. MRG de X ışını kullanılmaz. İnsan vücudu da dahil prosedür
tamamen atomların manyetik özelliklerine dayanmaktadır. MRG tarayıcısının yarattığı
gibi güçlü bir manyetik alan içinde vücut dokusundaki atom çekirdekleri tarafından
elektrik sinyalleri salınmaktadır.Bu sinyaller hastanın etrafında bulunan dairesel bir
anten aracılığıyla yakalanmaktadır.Sinyallerin fazlalığı doku tipine göre değişmektedir.
21
Bilgisayar inceleme altındaki vücut alanlarına karşılık gelen noktalara sinyalleri
yerleştirir ve bunları ekranda bir görüntü haline getirir.[5]
3.2.2. MRG’nin Tarihi Gelişimi
Manyetizm’in ortaya çıktığı Manisa’da doğal manyetik demir oksit bol miktarlarda
bulunmaktaydı ve ilk defa orada bu elementin davranış özelliği gözlendi. Elektrik ve
manyetizm konusunda bilimsel çalışmalar ise 18.yüzyılın sonlarına doğru başladı. Bu
alanda çalışmalar yapan önemli ilk isimler: Amphere, Bohr, Coulomb, Curie, Faraday,
Gauss, Hertz, Oersted, Tesla ve Weber’dir. Daha sonrasında bu alandaki gelişmeler
hızlı bir gelişme gösterdi. İlk defa 1939 yılında Dr. İsador Rabi ve arkadaşları MRG’yi
gözlediler.1946 yılında ise Harvard üniversitesinden Edward M.Purcell ve Stanford
üniversitesinden Felix Bloch birbirlerinden bağımsız olarak parafin,mum ve suyun
MRG özellikleriyle ilgili yaptıkları deneysel çalışmalarla 1952 yılında Nobel
ödülünü kazandılar.Daha sonra Kayseri’den ABD’ye göçmen olarak giden Ermeni
asıllı Raymond Damadian 1971 yılında Paul Lay-uterbur 1973 te MRG ile insan
vücudunun görüntülünebileceğini gösterdiler. 1980 yılında Aberdeen grubu tarafından
görüntü elde edilmesinde iki boyutlu Fourier Transform tekniğinin kullanımı ortaya
kondu. 1984 yılında ilk defa MRG’de kontrast madde kullanılmaya başlandı. 1986
yılında hızlı görüntüleme yöntemleri kullanılmaya başlanmıştır.
Türkiye’de ilk defa 1989 yılında İzmir’de Dokuz Eylül Üniversitesi Tıp Fakültesi
radyodiagnostik anabilim dalında kullanılmaya başlanmıştır. Ülkemizde 150’ye yakın
MRG kuruldu. Yurt çapında hızla yayılan MRG ünitelerinin sadece İstanbul’da
bulunanların sayısı birçok Avrupa ülkesindeki toplam MRG ünitesi sayısının üzerine
çıkmıştır.[5]
3.2.3. MRG’in Yapısı
Sabit manyetik alanı oluşturan mıknatıslar
Bir MR cihazının en önemli parçası sabit (dış) manyetik alanı oluşturan mıknatısıdır.
Manyetik güç birimi Tesla ya da gauss ile ifade edilir. (tesla=10000 gauss)
22
Dünyanın da sabit bir manyetik alan yönü bulunmaktadır ve bu 0.3 ile 0.7 gauss arasında
değişmektedir. MR sistemlerinde kullanılan mıknatısların manyetik alan gücü ise
genellikle 0.3 tesla ile 1.5 Tesla arasında değişmektedir. MR cihazlarında çeşitli tipte
mıknatıslar kullanılabilir. Bunları özelliklerine göre üç ana grupta sınıflandırıyoruz.
1-Permanent Magnetler: Bu tür magnetler hepimizin bildiği doğal çubuk
mıknatısların büyütülmüş şekli gibidir. Bunlar doğal mıknatıslardır.Manyetik alan
oluşturmak için herhangi bir enerji gereksinimi göstermezler ki bu durum permanent
manyetlerin önemli bir avantajını oluşturur. Ayrıca soğutulmaya ihtiyaç
duymadıklarından maliyetleri çok ucuz olmaktadır.Ancak önemli iki
dezavantajları vardır.Bunlardan birincisi termal instabiliteleri vardır ki bu durum
manyetik alan gücünü kısıtlayıcı bir faktördür.İkincisi ise doğal mıknatıslarla
oluşturulacak bir MR magneti çok ağır olmaktadır. Örneğin 0.3 Tesla gücündeki bir
permanent magnet yaklaşık olarak 100 ton’dur. Bunun sebebi ise demir, neodium ve
brom gibi maddelerin tuğla gibi dizilip kullanılmasından dolayıdır. Bu magnetlerin
kullanılacağı cihazlarda yerleştirilen madde manyetik alana dik olarak yerleştirilmelidir.
2-Resistive Magnetler: Sarmal bir telden geçirilen elektrik akımı sonunda manyetik alan
oluşturan mıknatıs şeklidir. Dolayısıyla bunlara elektromagnet adı da
verilmektedir.Ayrıca bu tür magnetleri demir çekirdekli ve hava çekirdekli olmak
üzerede ikiye ayırmaktayız.Demir çekirdekli yapılar içlerinde C ve H atomlarını ve de
demir bir blok içermektedir. Bu demir bloğun çevresi genellike bakır bir telle
sarılmıştır.Hava çekirdekli magnetlerin içerisinde ise metal blok bulunmamaktadır ve
iletken teller boşluğa sarılı şekildedir. Bu tür magnetlerin manyetik alan üretmesi için
sürekli bir elektrik akımına ihtiyaç vardır, dolayısıyla elektrik enerjisiyle çalışırlar.
Sürekli elektrik akımı magneti oluşturan tel sarmalının ısınmasına neden
olduğundan sistemin sağlıklı çalışabilmesi için bir de elektromanyetin soğutulması
gerekmektedir.Permanent magnetlerle karşılaştırıldıklarında elektromanyetler daha
yüksek magnetik alan üretebilirler. Ancak bunları çok yüksek manyetik alan üretmekte
kullanmak akılcı bir yaklaşım değildir, çünkü oluşan ısıyı gidermek büyük sorunlar
yaratmaktadır. Bu magnetin kullanıldığı cihazlarda yerleştirilen madde manyetik alana
paralel olarak yerleştirilmelidir.
23
3-Superconductive Magnetler: Superconductive magnetler bugün için dünyada en
yaygın olarak kullanılan magnetlerdir. Çünkü superconductive magnetler ile diğer
magnet tiplerinden daha güçlü manyetik alan elde edilebilmektedir. Bu magnetlerde
kullanılan akım taşıyıcılar özel süper iletken metallerden yapılmıştır.Ancak bu süper
iletkenlerden sürekli elektrik akımı geçirecek olursak bunlarda iletken
özelliklerini kaybederler.Bu nedenle etkin ve hızlı bir şekilde soğutulmaları
gerekmektedir.Bu amaçla Cryogen ‘ler (helyum,nitrojen) kullanılır.Süper iletken
magnetler mükemmel bir manyetik alan homojenitesine sahiptirler ve oldukça yüksek
manyetik alanlar üretebilirler.En önemli dezavantajları ise çok pahalı
soğutma elementleri (cryogen) kullanılmasına ihtiyaç duymalarıdır. Bu tür magnetlerde
de resistive magnetlerde olduğu gibi yerleştirilen madde cihaza paralel olmalıdır.
3.2.4. MR Cihazında kullanılan RF Bobinler
MR görüntüleme de kullandığımız RF pulse’un verilmesinde ve uyarilmış protonlardan
gelecek olan sinyallerin kaydedilmesinde RF coil adını verdiğimiz sistemler
kullanılmaktadır. Bunlar amaca yönelik çeşitli özellik ve tiplerde olabilmektedirler.
1-Volüm Coiller: Bu coiller bütün MR cihazlarında mevcuttur. Bunlar vücudu
çepeçevre sararlar. Vücut coili MR cihazının sabit bir parçasıdır.
Geniş vücut bölgelerinin görüntülenmesinde bu coil kullanılmaktadır.
2-Shim Coiller: Bunlar superconductive, rezistiv magnetlerde ana magnetin iç kısmında
bulunmaktadır. Bunlar özellikle elektro magnetlerin homojen bir manyetik alan
üretmesini sağlamak amacıyla kullanılan elektrik ve mekanik düzeneklerdir.Eğer hastaya
uyguladığımız güçlü manyetik alan homojen olmaz ise çıkacak olan kesitte uzaysal
lokalizasyonlarda hatalar olacaktır.
3-Gradient Coiller: Bunlar sabit manyetik alanda sistematik biçimde manyetik alan
gücünü değiştiren ve bu amaçla lineer magnetik alan üreten sistemlerdir. Kullanım
amaçları MR tetkikinde incelenecek olan kesit bölgesini tespit etmektir.Uzaysal
24
boşlukta 3 düzlem (transvers, sagital, koronal) bulunduğu için gradient coillerde bu 3
düzlem yönünde 3 takımdan oluşur.
4-Yüzey Coiller: Bunlar doğrudan dogruya incelenecek vücut bölgesi
üzerine konularak kullanılan coillerdir. Bu coiller sadece sinyal kaydedici olarak işlev
görürler. Bu nedenle bunların kullanıldığı durumlarda RF darbesi vücut bobini
tarafından gönderilir.
3.2.5. MRG’nin Temel Fiziği
MRG’nin fizik prensiplerini öğrenebilmek için öncelikli olarak temel fiziğini
basitçe öğrenmemiz gerekmektedir. Atom çekirdeğinin temel yapısını , proton ve nötron
adı verilen nükleonlar oluşturmaktadır. Proton ve nötronlar kendi eksenleri etrafında
devamlı olarak bir dönüş hareketi göstermektedir.Bu dönüş hareketine spin hareket adı
verilmektedir. Bu dönüş hareketi sayesinde nükleonlar, çevrelerinde doğal bir manyetik
alan yaratırlar. Eğer çekirdekte iki nükleon birden varsa bunlar birbirlerinin spin
hareketlerini yok ederler ve buna bağlı olarakta doğal manyetizasyon olmaz. Bu nedenle
sadece tek sayıda nükleonu bulunan çekirdeklerde doğal manyatizasyon ya da bir başka
deyişle manyetik dipol hareketi bulunmaktadır. İşte rezonans etkisini oluşturulmasında
altta yatan temel kavram budur. MRG’de sinyal kaynağı olarak manyetik dipol
hareketine sahip yani proton ve nötron sayıları çift ve eşit olmayan çekirdeklerden
yaralanılır. Bu özelliğe sahip hidrojen, karbon, sodyum ve fosfor atomları
doğada bulunmaktadır. Bunlardan hidrojen atomu tek bir protondan ibaret çekirdek
yapısı ile en güçlü manyetik dipol hareketine sahip olması, su ve yağda daha yoğun
olmak üzere biyolojik dokularda yaygın olarak bulunması nedenleri ile MRG’ de sinyal
kaynağı olarak tercih edilmektedir. Normalde dokular içinde rastlantısal olarak dağılmış
ve net manyetizasyonu O olan H çekirdeklerinin dipolleri, güçlü bir manyetik alan içine
yerleştirildiklerinde, manyetik alana paralel ve antiparalel şekilde dizilirler. Manyetik
alana paralel dizilim gösteren protonların sayısı, antiparalel dizilim gösterenlere göre
biraz daha fazla olduğundan manyetik alana paralel net bir vektörel manyetizasyon
ortaya çıkar. Protonlar manyetik alanda paralel ve antiparalel şekilde dizilirken; bir
25
yandan kendi etraflarındaki spin hareketini sürdürür, bir yandanda içine yerleştirdikleri
manyetik alanın gücü ile orantılı olarak değişen salınım hareketi gösterirler. Bu hareket
bir topacın hem kendi ekseni etrafında hemde vetöriyel aks etrafında dönüş hareketi
gösterirler. Yani dış manyetik alan gücü ne kadar yüksekse protonların salınım hızı da
o kadar o oranda yüksek olacaktır. Precession hareketi ana manyetik alan gücüyle ilişki
olarak lormor frekansı adı verilen bir frekansta gerçekleşir.
3.3. Malzemelerin Yüksek Gerilime Dayanıklılık Testleri ve Tesla Bobininin
Kullanımı
Günümüzde havai hatlarda elektrik enerjisi taşımak için yüksek gerilim düşük akım
değerlerine ihtiyaç vardır. Bu değerler de belirli transformatörler aracılığı ile yükseltilip
iletilir. Ayrıca bu yüksek gerilimi ileten kabloların kaplamasında kullanılan yalıtkan
malzemelerin, kilovoltlar mertebesindeki yüksek gerilimlere karşı dayanaklılık
sınırlarının tespit edilmesi gerekir. İşte bu noktada ise Tesla bobininin kullanılması bu tür
çalışmalar için son derece uygundur. Bu tasarım hem özel bir yüksek gerilim
transformatörü, hem de dayanıklılık testlerinde istenilen voltaj değerlerine çıkabilecek bir
test devresi elemanıdır. Bu konuda yayınlanmış bir çalışmadan detayları vereceğiz.
3.3.1. Test Gerilimlerinin Üretilmesi
Elektrik mühendisliğinde ve uygulamalı fizikte çeşitli uygulamalar için yüksek gerilimler
kullanılır. Örnek olarak, elektron mikroskoplarında ve X ışınlarının üretilmesinde 100 kV
veya daha yüksek gerilimlere gereksinim vardır. Elektrostatik filtrelerde, nükleer fizikte
parçacıkların hızlandırılmasında ve benzeri alanlarda birkaç yüz kilovolt ve hatta
megavolt mertebelerinde yüksek doğru gerilimler kullanılır. Megavolt mertebesindeki
yüksek alternatif gerilimler çok yüksek gerilimle (400kV ve daha yüksek gerilimlerle)
iletim yapılan şebeke donanımlarının deneylerinde kullanılır. Darbe gerilimleri, güç
sistemlerinde oluşan bağlama ve yıldırım aşırı gerilimlerinin benzetiminde kullanılır.
Ayrıca, yüksek alternatif gerilimler, yüksek gerilim donanımlarının yalıtım ve dayanma
deneylerinde yaygın olarak kullanılır. Bu nedenle yüksek gerilim laboratuvarlarında
deney amaçları için yüksek gerilimlerin üretilmesi zorunludur. Yüksek gerilim
26
laboratuvarlarında deney amacıyla yaygın olarak kullanılan deney gerilimlerini üç gruba
ayırabiliriz.
Yüksek Alternatif Gerilimler: Yüksek gerilim laboratuvarlarında alternatif gerilimler
gerek alternatif gerilimle yapılan deneylerde ve gerekse doğru ve darbe gerilimlerin
üretilmesinde kullanılır. Alternatif deney gerilimi, frekansı genellikle 40 ile 62 Hz
arasında olan bir alternatif gerilim olmalıdır.
Yüksek Doğru Gerilimler: Yüksek gerilim laboratuvarlarında yüksek doğru gerilimler,
kondansatör veya kablo gibi kapasitesi büyük olan aygıtların deneylerinde veya fiziksel
incelemelerde kullanılır. Ayrıca tıbbi elektrik (röntgen tesisleri) ve elektrostatik baca
gazı filtresi, püskürtme boya tesisleri gibi çeşitli teknik uygulamalarda da yüksek doğru
gerilimler kullanım alanı bulur. Bizim çalışmamızda da yüksek doğru gerilimin,
yalıtkan malzeme üzerindeki etkisini incelemek için kullanılmıştır. Doğru gerilim
genellikle doğrultuculardan, bazı durumlarda ise elektrostatik üreteçlerden elde edilir.
Yüksek gerilim laboratuvarlarında deney cismine uygulanan deney gerilimi, dalgalılık
katsayısı yani gerilimin en büyük ve en küçük değerleri arasındaki farkın yarısının
gerilimin ortalama değerine oranı %5’i geçmeyen bir doğru gerilim olmalıdır.
Darbe Gerilimleri: İç ve dış aşırı gerilimlerdeki zorlanmaları incelemek ve delinme
olayı ile ilgili temel araştırmaları yapabilmek için yüksek darbe gerilimlerine
gereksinim vardır. İletim sisteminde kullanılan yalıtkanın (ve diğer kullanılan
elemanların) anahtarlama veya ani boşalmalar (arıza durumları, yıldırım düşmesi vb.)
karşısında gösterdiği davranışları görmek amacıyla kullanılır. Darbe gerilimleri,
genellikle yüksek gerilim kondansatörlerinin dirençler ve kondansatörler üzerinden,
çoğu kez çok katlı devreler üzerinden boşalması sırasında üretilir.
Yüksek gerilim testi geliştirilmiş yalıtım malzemelerinin dielektrik niteliklerinin
kesinleştirildiği son adımdır. Benzer şekilde komple yüksek gerilim sistemi veya
cihazının güvenirliliği ve performansı test edilir.
AC 220V
C RL
D1 D2
D3 D4
27
3.3.2. Test Düzeneğinin Devre Şeması
Hazırlanan polyester örneklerin deliniminde kullanılacak olan devre şeması şekil 3.5.
(a) da görülmektedir. Bu devre hazırlanırken tam dalga doğrultucu kullanılmıştır.
Bunun nedeni dalgalılığın % 5 den az olmasının istenmesidir. Doğrultma devresinin
girişine gelen alternatif gerilim, çevirme oranı 1:200 olan tek fazlı yağlı tip trafodan
sağlanmaktadır. Kullanılan trafonun tek fazlı olmasından dolayı köprü tipi tam dalga
doğrultucu kullanılmıştır. Şemadaki diyotların, kondansatörün ve direncin yapımı bir
sonraki başlıkta ele alınmıştır.
(a) Tam dalga köprü tipi doğrultucu devre
(b) Deney seti şeması
Şekil 3.5. Doğrultucu devre ve deney seti
TrafoŞebeke gerilimi
Tam dalga DC gerilim üreteç devresi
Varyak
Örnek
28
Şekil 2.11. (b)’ de deney seti şemasında görülen varyak şebeke gerilimini % 0 ile % 100
arasında ayarlamamızı sağlamaktadır. Böylece şebeke gerilimi, yüksek gerilim
devresine kontrollü olarak çeşitli değerlerde verilebilmektedir.[6]
29
4. SONUÇ
Tesla üretecinin çıkış gerilimi, 50 kV’luk bir yüksek gerilim voltmetresi ile
ölçülmüştür. Güç katı giriş gerilimi 100 V civarında iken Tesla üretecinin
rezonanstaki çıkış gerilimi 18,5 kV seviyelerine çıkabilmektedir. Şekil 4.1.’da Tesla
üreteci rezonansta iken gözlemlenmiş sinyaller görülmektedir. Şekil 9’da kare dalga,
sinyal üretme katının çıkışını; sinüs dalgası ise geri besleme frekansını
göstermektedir.
Şekil 4.1. Rezonansta geri besleme ve sürme sinyalleri
Yarı-iletken tetiklemeli Tesla bobinlerinin en büyük avantajı çalışma frekanslarının
değiştirilebilmesidir. Tesla bobinlerinde ikincil kapasite çok fazla etmene bağlıdır ve
farklı ortamlarda, farklı noktalarda ve farklı şekillere sokulduğunda rahatlıkla
değiştirilebilirler. Klasik tipteki Tesla bobinlerinin aksine bu tip rezonans değişimi
30
durumlarında, yapının önemli elemanlarının değerlerini değiştirmeye gerek kalmadan
sadece sinyal üretecinin frekansını değiştirmek yeterlidir.
Tesla bobinlerinin en büyük sorunlardan biri verimlerinin düşük olmasıdır. Elektronik
elemanlar kullanılarak verimleri arttırılmış olsa da hala diğer sebeplerden dolayı
verimleri düşüktür. Yapılabilecek ayrıntılı çalışmalarla gücün büyük kısmının ikincil
bobine aktarılması için gerekli olan manyetik kuplaj değerinin arttırılması
sağlanabilir.
31
KAYNAKÇA
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Tesla_coil
2. http://demonte.blogcu.com/tesla-bobini/5456191
3. http://www.elektrikport.com/teknik-kutuphane/tesla-bobininin-incelenmesi/4411#ad-
image-0
4. http://www.kontrolkalemi.com/forum/aydinlatma/20427-floresan-lambanin-calisma-
mantigi.html
5. Alptekin, E.Ö., Manyetik Rezonans Görüntüleme, 2004-2005 Güz Dönemi.
http://www.baskent.edu.tr/~bmeweb/20493123.htm
6. Kaytuoğlu, O., Erdoğan, L., Bayındır, O.G., Kaya, A.Y., DC Gerilim Üreteci
Kullanarak Yalıtkan Ömür Hesabı, İstanbul Üniversitesi, 2002.