Osilatör

Osilatör Nedir?

Kare dalga veya üçgen dalga dendiği zaman akıllara genellikle osilatör elemanı gelir. Gömülü sistemlerde, elektronik devrelerde bu dalga şekillerini osilatör yardımıyla elde ederiz. Osilatör, bir yükselteç yardımıyla verdiği çıktıyı girdi olarak geri alır. Bu duruma pozitif geri besleme denirken, bu sayede sinyal her seferinde kendini yenilemiş olur.

Osilatörün çalıştığı frekans ise quartz kristali gibi maddeler kullanılarak belirlenir. Örneğin düşük frekans osilatörleri (LFO) 0.1 Hz ile 10 Hz arasında dalgalar üretirler. Yüksek frekanslarda (100 kHz-100 GHz) çalışan osilatör çeşitleri (RF Osilatör) de mevcuttur.

  

Şekil 1: Geri Besleme Modülü 

DC kaynaktan aldığı akımı bir başka devreyi yüksek güçte beslemek için AC akıma çeviren osilatörlere ise invertör yani güç çevirici adı verilir. Invertörler özellikle güneş panelleri,rüzgar türbinleri gibi yerlerde sıklıkla karşımıza çıkmaktadır.

Osilasyon Nedir?

Elektrik-elektronik sistemlerde zaman içerisinde yönü ve şiddeti belli bir düzen içerisinde değişen elektrik sinyallerine osilasyon denir. Devrenin çıkışında osilasyon oranının fazla olması ise istenmeyen bir durumdur. Bu amaçla osilasyonları azaltmak için çeşitli devreler kullanılır. Bu devrelere örnek olarak aktif-pasif elektronik filtreler gösterilebilir.

Ancak bazı sistemlerde ise osilasyon, bir ihtiyaçtır. Bu yüzden de osilasyon sinyalleri üretendevrelere de ihtiyaç vardır. Bu devrelerde osilatörler kullanılır ve devrelere osilatör devreleri denir.

Şekil 2: Osilasyon Sinyal Çeşitleri 

Peki osilasyon kriterleri nelerdir? Osilasyon için öncelikle iki kapılı bir devre elemanınaihtiyaç vardır. Aynı zamanda geri besleme yapılırken herhangi bir faz farkı (faz kayması) olmaması gerekmektedir. Bu yüzden faz açısı 0 olmalıdır. Kapalı çevrim kazancının da 1’e eşit olması gerekir.Osilatör Çalışma Mantığı Osilatörlere kendi kendine sinyal üretebilen cihazlar tanımlaması yaparsak pek de yanlış sayılmaz. Osilatörler bir kez çalışmaya başladıktan sonra AC çıkış sinyali üretmeye başlarlar. Bu sinyalin bir kısmı girişe geri beslenip, yükseltilirler ve çıkışa geri gönderilerek bir döngü haline getirilir.

Geri beslemeli bir osilatörün uygun bir şekilde çalışabilmesi için 3 koşulu sağlaması gerekir:

♦ Yükseltme
♦ Pozitif Geri Besleme
♦ Frekansa Bağımlı Olması

Şekil 3: Osilatör Devre Şeması

Osilatörün çalışma mantığını en basit şekilde bir devre kurarak da anlayabiliriz. Tek yapmamız gereken bir kapasitör (kondansatör) ve indüktörü (bobin) devrede birbirine bağlamak. Bilindiği gibi her iki eleman da enerji depo edebiliyor ancak kapasitör elektrik alan formunda depolarken, indüktör ise manyetik alan formunda depolama yapıyor.

Osilatör Blog Diyağramı

Kapasitörü şarj ettikten sonra kapasitöre seri olacak şekilde devreyi tamamlayan bir indüktör ekleyelim. Bu durumda kapasitör enerjisini indüktöre aktarmaya başlayacak ve indüktör üzerinde bir manyetik alan oluşacak. Kapasitörün enerjisi tamamen bittiğinde indüktör, devreden akan akımın devam etmesini sağlayacak ve kapasitörün diğer tabakasını şarjedecek.

Bu sefer de indüktörün manyetik alanı söndüğünde, kapasitör ters polarize olmuş bir şekilde yeniden şarj edilmiş olacak. Bu döngü aynı pozitif geri besleme durumunda olduğu gibi uzun bir süre devam edecektir. Ancak kablodaki direnç kaybı vb. sebeplerden dolayı bir süre sonra duracaktır.

Osilatör Kullanım Alanları 

Osilatörler televizyon, radyo, telsiz, FM alıcı-verici gibi sistemlerde ve daha çok elektronik-haberleşme sistemlerinde ve otomasyon sistemlerinde yaygın biçimde kullanılırlar. Video oyunlarda kullanılan sesleri üretmek için de kullanılan osilatör çeşitleri mevcuttur.

Çıkış dalga şekli sinüs dalga, kare dalga, üçgen dalga, testere dişi dalga veya periyodik aralıklarla tekrarlanan herhangi bir dalga şekli olabilir. Genelde bir osilatör, kendi giriş sinyalini kendi sağlayan bir yükselteç devresidir. Osilatör firmaları tarafından imalatı yapılan osilatör çeşitleri, ürettikleri dalga şekline, dalga şeklinin devamlılığına ve dalga şeklinin çeşitliliğine göre osilatör fiyatları belirlemektedirler.

Osilatörlerin kullanmanın amacı, istenilen yerde, istenilen miktarda ve istenilen türde sinyal üretimi sağlamak ve devrenin, elemanların ve sistemin bütün ihtiyaçlarını bu doğrultuda gidermektir.

Osilatörler devrede hangi amaçlar için kullanılır? Karışık sistemlerdeki elemanların her birinin görevlerini düzgünce yerine getirebilmesi için çeşitli sayıda sinyallere ihtiyaç duyulur. Örneğin bir mikrodenetleyici devresinde program çalıştırabilmek için kare dalga tetiklemesi gerekmektedir. Bunun en büyük örneğini ise Arduino üzerindeki osilatörde görebiliriz.

Şekil 5: Arduino Üzerindeki Osilatör

Tarihçesi 

İlk osilatörün temelleri 1892 yılında Elihu Thomson tarafından atılmış. Paralel LC devresi kuran Thomson, metal elektrodlar kullanmış. 1900 yılında ise William Duddell tarafından yeniden keşfedilen osilatör, popülaritesini bu yıllarda arttırmaya başlamıştır.

Duddell ise osilatörü, elektronik devresiyle kraliçe için bir şarkı çalarak meşhur etmiştir.Londra Elektrik Mühendisliği Enstitüsü tarafından da desteklenen Duddell daha sonra yüksek frekans ile radyoları geliştirme amacıyla osilatörleri kullanma seviyesine erişemeden çalışmasını bırakmıştır.

Şekil 6: Yüksek Isıya Dayanıklı Voltaj Kontrollü Kristal Osilatör

Ancak 1902 yılında Valdemar Poulsen, osilatörü Duddell’ın bıraktığı yerden alarak radyo frekansları seviyesinde geliştirmiştir. Bu doğrultuda 1920 yılında ilk FM alıcı-verici cihazın temellerini atmıştır.

1920 yılına kadar vakum tüp teknolojisi, pozitif geri besleme, yükselticilerin osilatörlerde kullanılması gibi çok önemli buluşlar ve geliştirmeler yapılmıştır. Özellikle General Electricfirmasının girişimlerinden sonra, 1934 yılında Lee De Forest isimli Amerikalı mucit, radyo teknolojisinin en karmaşık geliştiricisi ödülüne layık görülmüştür.

Şekil 7: Yüksek Frekansta Çalışan Kristal Osilatör

1940 yılında ise osilatörün frekans kapasitesi çok daha ileri seviyeye getirildi ve çeşitli hesaplamalar ile daha uygun bir boyuta indirgendi. 1969 yılında ise K. Kurokawa tarafından modern mikrodalga osilatörü dizaynı piyasaya çıktı ve günümüzde kullanılan osilatörlerin temeli atıldı.

Osilatör Çeşitleri

Osilatör çeşitleri, sinüzoidal osilatörler (harmonik osilatör) ve sinüzoidal olmayan (gevşeme osilatörü) osilatörler olmak üzere iki gruba ayrılır.

Osilatörlerde Frekans Kayması

Osilatörlerde aranan en önemli özellik frekans kararlılığıdır. Frekans kayması diğer bir ifade ile frekansta oluşan istenmeyen değişimler, kontrol sistemlerinde çok önemli hatalara neden olur. Frekans kaymasının sebepleri;

Besleme gerilimindeki değişmeler
Mekanik sarsıntılar
Isı değişimi
Yük değişimi

Osilatör firmaları tarafından osilatör tasarımları yapılırken bu faktörlere karşı gereken önlemler alınmalı ve frekans kayması olabildiğince engellenmelidir.

Osilatör Arızaları 

Osilatörde arıza giderme işleminde arızalı osilatör çıkış sinyali, hiç olmaması veya hatalı olması şeklinde tanımlanabilir. Yapılacak işlemler şunlardır;

Enerji Kontrolü: Arızalı bir devre de gereken enerjinin olup olmadığını kontrol edilir. Enerji kablosunun prize takılı ve sigortanın yanmamış olmasına bakılır. Batarya (pil), kullanılan sistemlerde ise bataryanın dolu ve çalışır durumda olduğunun kontrolü yapılır.

Duyussal Kontrol: Örneğin, yanık bir direnç, kopmuş teller, zayıf lehim bağlantıları, kötü bakır yollar ve atmış sigortalar genelde görülebilir. Elemanların arızalanması sırasında veya hemen sonra devrenin yanında iseniz çıkan dumanı koklayarak kontrol edebilirsiniz.

Eleman Değiştirme (yedek eleman kullanmak): Bu yöntem hatalara dayalı tahmin yürütme eğitimine, tecrübesine bağlıdır. Devrenin çalışması hakkındaki bilgiye dayanır. Belli arızaları, kusurlu devrede belli elemanlar gösterir. Bu yöntemi kullanarak şüpheli elemanı değiştirebilir ve devrenin düzgün çalışıp çalışmadığını test edebilirsiniz.

Sinyal İzleme: Bu arıza giderme yöntemi en fazla kullanılanı ve en etkili olanıdır. Temel olarak yapılacak işlem, osilatör devresinde veya sistemde izlediğimiz sinyalin nerede kaybolduğunu veya yanlış, farklı bir sinyalin ilk görüldüğü yeri tespit etmektir.