Sensörler ve Dönüştürücüler Ders Notları

Mekatronik Programı

1.     Sensörler ve Dönüştürücüler Ders Notları

                                                         Aralık - 2011

          1. SENSÖR VE TRANSDÜSER KAVRAMLARI

   Günümüzde fabrikalarda üretim, otomatik çalışan makinelerle yapılıyor. Ancak bu makinelerin kontrolü elektronik ve bilgisayarlı sistemlerle gerçekleştiriliyor. Makinelerde oluşan mekaniksel ve fiziksel değişimleri bilgisayar sistemine aktarıp bilgisayar sisteminde işlenip tekrar aynı makinenin ya da başka makinelerin kontrolünü yapmak mümkündür. İşte sensörler bu noktada devreye giriyor. Ortamda bulunan fiziksel bir değişikliği elektrik sinyallerine çevirerek elektronik sistemlere aktarmak için sensörleri kullanıyoruz. Bunlara birkaç örnek verecek olursak yapacak ürünlerin sayılmasında, kalite kontrolünün yapılmasında, ortamdaki sıcaklığın nemin ya da ışığın belli bir değer aralığında tutulmasında hep sensörleri (algılayıcıları) kullanıyoruz.

    Sensörler sadece endüstriyel firmalarda kullanılan cihazlar değildir; günlük hayatımızda da bizi değişik ortamlarda sürekli gözleyen gözler gibidir. Bizim programladığımız gibi işlerini aksatmadan yapan işçilerdir. Örneğin; ayarladığımız sıcaklığı algılayarak çalışan oda ısıtıcıları,TV kumandasından sürekli emir bekleyen televizyonun kumanda algılayıcısı, bizi gördüğünde otomatik açılan kapılar sensörlere en güzel örneklerdir.

   İnsanlar çevrelerindeki değişiklikleri duyu organları vasıtası ile algılarlar ve buna bağlı olarak da hareket ederler. Buna örnekler verecek olursak üşüdüğümüzde ısıtıcıyı açarız veya ortam karanlık olduğunda ışığı açarız. Bu işleri bizim yerimize yapacak cihazlar olsa ne güzel olurdu diye düşündüğümüz olmuştur.

   İşte tüm bu fiziksel ortam değişikliklerini (ısı, ışık, basınç, ses, vb.) bizim yerimize algılayan cihazlara “sensör”, algıladığı bilgiyi elektrik enerjisine çeviren cihazlara transdüser denir.

     Sensörlerden alınan veriler elektrik sinyaline dönüştürüldükten sonra elektronik devreler tarafından yorumlanarak mekanik aletlere kumanda edilebilir. Bu sayede hem günlük hayatımızı hem de endüstriyel üretim süreçlerini çok daha kolaylaştırmış oluruz. Biz bu modülde hep birlikte başlıca sensör ve transdüserleri tanıyarak kullanım alanlarını göreceğiz. Aslında, sensör ve transdüserleri kesin çizgilerle birbirinden ayırmak biraz zordur.

   Şöyle ki; mikrofon sesi algılayan bir sensördür. Öte yandan, ses dalgalarını, içindeki bobin aracılığıyla elektrik akımına dönüştürdüğü için bir transdüserdir.

      1.1. Çeşitleri

      Ortamda oluşan fiziksel bir değişiklikten dolayı mekanik bir makineyi veya elektronik bir devreyi çalıştırmamız gerektiğinde sensörleri kullanırız. Ancak tespit edeceğimiz değişikliğe uygun sensör kullanmalıyız. Örneğin ortamdaki sıcaklık değişimini algılamak için ısı sensörlerini, ışık değişimini algılamak için optik sensörlerini kullanmalıyız. Sensör çeşitlerini şöyle sıralayabiliriz.

• Isı Transdüser ve Sensörleri
• Manyetik Transdüser ve Sensörler
• Basınç (gerilme) Transdüserleri
• Optik Transdüser ve Sensörler
• Ses Transdüser ve Sensörleri

    Bu arada bahsetmemiz gereken bir konu da sensörlerin aktif ve pasif sensörler olarak sınıflandırılmasıdır. Pasif sensörler çalışırken dışarıdan enerjiye ihtiyaç duyan elemanlardır. Aktif sensörler ise çalışmak için dışarıdan bir enerjiye ihtiyaç duymayan elemanlardır.

2. ISI SENSÖRLERİ VE TRANSDÜSERLERİ

    Ortamdaki ısı değişimini algılamamıza yarayan cihazlara ısı veya sıcaklık sensörleri diyoruz. Birçok maddenin elektriksel direnci sıcaklıkla değişmektedir. Sıcaklığa karşı hassas olan maddeler kullanılarak sıcaklık kontrolü ve sıcaklık ölçümü yapılır. Sıcaklık ile direnci değişen elektronik malzemelere; term (sıcaklık), rezistör (direnç), kelimelerinin birleşimi olan termistör denir.

2.1 TERMİSTÖRLER

Termistörler genellikle yarı iletken malzemelerden imal edilmektedir. Termistör yapımında çoğunlukla oksitlenmiş manganez, nikel, bakır veya kobaltın karışımı kullanılır.

     Termistörler ikiye ayrılır sıcaklıkla direnci artan termistöre PTC, sıcaklıkla direnci azalan elemana da NTC denir.

 PTC

    Bulunduğu ortamın veya temas ettiği yüzeyin sıcaklığı arttıkça elektriksel direnci artan devre elemanıdır.

(a)                                                (b)                                       (c)

 Şekil 2.1:    (a)   Çeşitli PTC’ler        (b) Karakteristiği             (c) Sembolü

Kullanım Alanları

    PTC’ler - 60 ºC ile +150 ºC arasındaki sıcaklıklar da kararlı bir şekilde çalışır. 0.1 ºC’ ye kadar duyarlılıkta olanları vardır. Daha çok elektrik motorlarını fazla ısınmaya karşı korumak için tasarlanan devrelerde kullanılır. Ayrıca ısı seviyesini belirli bir değer aralığında tutulması gereken tüm işlemlerde kullanılabilir.

 PTC’nin Sağlamlık Testi

    PTC’yi Şekil 2.2’de görüldüğü ommetreye bağladığınızda ilk olarak oda sıcaklığında

PTC’nin üzerinde yazılı değeri okumanız gerekiyor. Daha sonra mum veya benzeri bir araç ile ısıttığınızda direnci yükseliyor ise PTC sağlamdır. Bunun dışında bir durum gerçekleşiyor ise PTC arızalıdır.

Şekil 2.2: PTC’nin sağlamlık testi

NTC

    Bulunduğu ortamın veya temas ettiği yüzeyin sıcaklığı arttıkça elektriksel direnci azalan devre elemanıdır.

(a)                                                (b)                                       (c)

 Şekil 2.3:    (a)   Çeşitli NTC’ler        (b) Karakteristiği             (c) Sembolü

Kullanım Alanları

    NTC’ler - 300 Cº ile +50 Cº arasındaki sıcaklıklar da kararlı bir şekilde çalışırlar. 0.1 Cº’ye kadar duyarlılıkta olanları vardır. Daha çok elektronik termometrelerde, arabaların radyatörlerin de, amplifikatörlerin çıkış güç katlarında, ısı denetimli havyalarda kullanılırlar. PTC’lere göre kullanım alanları daha fazladır.

Şekil 2.4: NTC’li dijital termometre ve NTC’li sıcaklık kontrol devresi

NTC’nin Sağlamlık Testi

    NTC’yi Şekil 2.5’te görüldüğü ohmmetreye bağladığınızda ilk olarak oda sıcaklığında NTC’nin üzerinde yazılı değeri okumanız gerekiyor. Daha sonra mum veya benzeri bir araç ile ısıttığınızda direnci azalıyor ise NTC sağlamdır. Bunun dışında bir durum gerçekleşiyor ise NTC arızalıdır.

Şekil 2.5: NTC’nin sağlamlık testi

2.2. Termokupl ( Isılçift )

    Bütün iletkenler ısıtıldıklarında içlerinde bulunan elektronlarda bir hareketlenme meydana gelir. Ancak bu hareketlenme çeşitli iletkenler arasında farklılık göstermektedir. Bu maddenin ayırt edici özelliklerinden biridir. Biz de iletkenlerin bu farklarından yararlanarak sıcaklık ölçümü yapabiliriz.

  İki farklı iletkenin birer uçları birbirine kaynak edilip ya da sıkıca birbirine bağlanıp boşta kalan uçlarına hassas bir voltmetre bağlandığında, eğer birleştirdiğimiz ucu ısıtırsak, sıcaklıkla orantılı olarak voltmetrede mV‘lar mertebesinde bir DA gerilim elde ederiz. Elde ettiğimiz gerilimin değeri kullandığımız metallerin sıcaklığa verdiği tepki ile orantılıdır.

                 Şekil 2.6: Termokuplun yapısı

   Çevresel etkenlerden zarar görmemesi için genelde birleşim noktası bir kılıf içinde bulundurulur.

   Ayrıca termokupullar gerilim ürettikleri için aktif transdüserlerdir. PTC ve NTC ise pasif transdüserlerdir. Çıkış gerilimleri çok düşük olduğundan, daha çok çıkışına bir gerilim yükseltici bağlanarak kullanılır. Termokuplun yapımında genellikle bakır, demir, konstantan, platin, mangan, nikel gibi metaller kullanılır.

Kullanım Alanları

   Termokupllar -200 ºC ile +2300 ºC arasında çalışabildiklerinden endüstride en çok tercih edilen ısı kontrol elemanlarıdır. Genellikle endüstri tesislerindeki yüksek sıcaklıkta çalışan kazanların ısı kontrolünde kullanılır.

Sağlamlık Testi

    Avometre milivolt (örneğin;200mV.) kademesine alınır. Termokuplun uçlarına avometrenin prop uçları sabitlenir. Termokuplun ucu havya yada çakmakla ısıtılır. Avometrenin ekranında gerilim değişimi olup olmadığı gözlenir. Gerilim değişimi varsa termokupl sağlamdır.

2.3 TERMOSTATLAR

   Ortam sıcaklığını sabit tutulmasını sağlamak üzere kullanılan elemanlara termostat adı verilir. Genel olarak ısıtıcı ve soğutucu sistemlerde kullanılır.

Termostat Nedir?

    Termostatlar aslında ortam etkisi ile konum değiştiren rölelerdir. Isı etkisi sonucu kontaklarının konumu değişir. Termostatlar ortamın sıcaklık değerini sabit tutmak amacı ile kullanılırlar. Genel olarak ısı üreten cihazlarda (elektrik sobası, şofben, ütü vb.), klima ve fotokopi makinelerinde ısı seviyesinin kontrolünde kullanılır.

Yapısı ve Çalışması:

   Termostatların yapısı ve çalışması çeşitlerine göre farklılıklar göstermektedir. Bu nedenle termostat çeşitleri anlatılırken her bir türün yapısı ve çalışmasından ayrıca bahsedilecektir. Ancak genel olarak ortamdaki ısı seviyesi belirli bir değerin üzerine çıkınca veya belirli bir değerin altına düşünce termostatlar devreye girer ve ısıtma sistemini çalıştırır veya durdurur.

   Genel çalışma şekilleri de söyle özetlenebilir. Tüm termostatlar kontak uçlarına sahiptir. Ortamdaki ısı değişimi sonucu otomatik olarak kontak uçları konum değiştirir ve bunun sonucu olarak ısıtma sistemini çalıştırır veya durdurur.

Çeşitleri

    Termostatların kullanım yerlerinin çok farklı olması ve ısı kontrolü yapılacak maddelerin farklılık arz etmesinden dolayı birçok türü vardır. Ortama uygun termostat seçmek çok önemlidir. Hava ortamındaki ısı değişimini ölçmek üzere tasarlanmış termostatın su ortamında kullanılması ölçme hassasiyetindeki farklılıklar yüzünden mümkün değildir. Termostatlar yapısal bakımdan üç çeşide ayrılır. Bu çeşitleri inceleyelim:

Bİ-METAL ÇİFT
    Sıcaklıkla, metallerin boyları değişir, boyunda uzama meydana gelir. Ancak bu değişim metalden metale değişmektedir. Sıcaklıkla uzama katsayıları birbirinden çok farklı iki metal çubuk birbirine sıkıca tespit edilirse bi-metal çift elde edilir. Sıcaklık arttığında uzama katsayısı düşük olan metal tarafına bükülme olur. Bu bükülme hareketinden yararlanılarak kontroller sağlanabilmektedir. Termik rölelerin çalışması, termostatların çalışması, termik sigortaların çalışmasında etken eleman bimetaldir. Isınma ile bükülen bi-metalin hareketi bir mekanik düzeneği tetikleyerek kullanılmaktadır. Ya da elde edilen hareket bir kontağın açılıp kapanmasını sağlayacak şekilde düzenlenerek bir devrenin çalışıp durmasını sağlamaktadır.

GAZLI TERMOSTATLAR

   Gazların ısı karşısında hızlı genleşme özelliklerinin kullanılması ile yapılmış termostatlardır. Gaz deposu, körük(gaz basıncı ile hareketlenen parça ve kontaklardan oluşur. Isının etkisi ile genleşen gaz körük yardımı ile kontakların konum değişmesini sağlar.

CIVA TÜPLÜ TERMOSTATLAR

  İçinde cıva ve kontak uçlarının bulunduğu bir tüpün spiral şekil verilmiş bir bimetal şeride eklenmesi ile elde edilen termostadır. Isı etkisi ile bimetal genleşip büzülünce cam tüpün içindeki civa hareketlenerek kontaklar arasını kısa devre haline getirir ya da kontaklar arasındaki iletimi keser.

2.4 YARI İLETKEN ISI SENSÖRÜ (LM35)

    Sıcaklığın gözlenmesi ve kontrolü endüstri için (özellikle gıda sektöründe) çok önemlidir. Elektronik termometreler, termistörler ve hareketli sensör uçları ile zor ulaşılan bölgelerde kullanılmayabilir. Bunun yanında termistörler ucuz ve kolay kullanımı yanında ısı değişimi karşısında lineer değişim sergilemediği için daha profesyonel uygulamalarda yanıltıcı olabilir. Bu tür uygulamalarda yarı iletken ısı sensörleri kullanılır.

   LM35 yarı iletken bir ısı sensörüdür. Küçük hassas bir sıcaklık ölçümü için LM35 sıcaklık sensörü kullanılması daha uygundur. LM35 serisi sensörlerin çıkış gerilimleri sıcaklık ile orantılı olarak değişir. Ölçüm aralığı -55 ile 150 derce arasındadır. Her bir derece için çıkış voltajı 10 mV artar. Hassasiyeti yarım derece düzeyindedir.4 ile 30 volt arasında çalışabilir.

Örnek uygulama:

LM 35 ile Röle Sürülerek Lamba Yakılması Uygulaması

  Yandaki devrede LM35 sensörünün çıkış gerilimi rölenin kontaklarını çekecek değere ulaştığında lambanın yandığını gözlemleriz.

3. MANYETİK SENSÖRLER VE TRANSDÜSERLER

    Bir tel bobin haline getirilip içinden akım geçirilirse, bu bobinin içinde ve çevresinde manyetik alan oluşur. Bu manyetik alan gözle görülmez. Ancak bu bobinin içerisindeki nüvenin hareketi ve bobinin çevresinden yaklaştırılan metaller bobinin indüktansını değiştirir. İşte bu prensipten hareketle manyetik sensörler geliştirilmiştir.

Şekil 3.1: İçinden bir akım geçen bobinin çevresinde manyetik alan oluşur

Kullanım Alanları

    Manyetik sensör ve transdüserlerin birçok kullanım alanı vardır. Bunlar günlük hayatımızda daha çok güvenlik gerektiren yerlerde metallerin (silah, bıçak gibi) aranmasında, hazine arama dedektörlerinde kullanılır. Sanayide ise kumanda ve kontrol sistemlerinde, tıp elektroniğinde, fabrikalarda, otomatik kumanda kontrol uygulamalarında, yer değişimlerinin hassas olarak ölçülmesinde kullanılır.

Çeşitleri ve Yapıları

   Bobinli manyetik sensörler: Bir bobinin içinde bulunan nüvenin konumu Şekil 3.2'de görüldüğü gibi hareket ettildiği zaman bobinin indüktansı değişmektedir. İşte bu prensipten yola çıkılarak bobinli manyetik sensörler geliştirilmiştir.

   Şekil 3.2: Bobinli endüktif sensör

Elektronik Devreli Manyetik Sensörler (Yaklaşım Sensörleri):

Şekil 3.3: Elektronik devreli manyetik sensörün iç yapısı

    Bu manyetik alanın içine metal bir cisim girerse bu bobinin indüktansı değişir. Bu indüktans değişimi sensörün içinde bulunan devrenin dengesini (rezonansını) bozar. Sensörün içinde bulunan ölçüm yapan devre sayesinde metalin yaklaştığını ve ne kadar yakın olduğunu tespit edebiliriz.

Şekil 3.4: İki farkli firmanin elektronik devreli yaklaşim sensörü

 Şekil 3.5: Hazine arama cihazi ve metal dedektörü

   Hazine arama cihazlarında sürekli manyetik alan yayılıyor, metal bir cisim bizim cihazımızın manyetik alanı içine girdiğinde cihaz bizi uyarıyor. Büyük alışveriş merkezlerinde bulunan metal arama cihazları da aynı prensiple çalışmaktadır.

Şekil 3.6: El tipi metal dedektörü ve koli arama dedektörü

Alan (Hall) Etkili Transdüserler:

               Şekil 3.7: Alan etkili transdüserler

    Alan etkili transdüserler hassas mesafe, pozisyon ve dönüş algılayıcıları olarak kullanır. Çalışma prensipleri ise iletken ya da yarı iletken malzemeden yapılmış bir levha yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi bir manyetik alan içindeyken, A ve B uçlarından DC gerilim uygulandığında, C ve D noktaları arasında bir potansiyel fark oluşur. Bu gerilimin değeri manyetik alana levhanın yakınlığı ile değişir. Bu prensipten yararlanılarak alan etkili transdüserler doğmuştur.

Şekil 3.8: Alan etkili transdüserlerin yapıları ve araçlarda alan etkili sensörlerin kullanılması

4. BASINÇ (GERİLME) TRANSDÜSERLERİ

    Her türlü fiziki kuvvet ve basınç değişimini algılayan ve bu değişimi elektriksel sinyale çeviren elemanlara basınç sensörü denir.

4.2. Çeşitleri

Basınç sensörleri, çalışma prensibine göre dört grupta incelenebilir. Bunlar:

• Kapasitif basınç ölçme sensörleri,
• Strain gage (şekil değişikliği) sensörler,
• Load cell (yük hücresi) basınç sensörleri,
• Piezoelektrik özellikli basınç ölçme sensörleri.

Kapasitif Basınç Ölçme Sensörleri:

                   

                    Şekil 4.1: Kapasitif sensörler

    Kondasatörler yapıları gereği elektrik yükü depolayabilir. Kondansatörlerin yük depolayabilme kapasiteleri ise kondansatör plakalarının boyutlarına, bu plakalar arasındaki mesafenin uzaklığına ve iki plaka arasındaki yalıtkan malzemenin özelliğine bağlıdır. Sonuç olarak kondansatör plakaları birbirinden uzaklaştırılırsa ya da esnetilirse veya iki plaka arasındaki dielektrik malzeme hareket ettirilirse, kondansatörün kapasitesi değişir. Kondansatörün kapasitesi ile beraber alternatif akıma gösterdiği direnç de değişir. İşte bu prensipten hareketle kapasitif basınç sensörleri üretilmiştir.

  Şekil 4.1.a’da esnek plakalı bir kapasitif sensör gösterilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi plakanın biri sabit diğeri esnektir. Esnek plakaya bir basınç uygulandığında basınçla orantılı olarak kondansatörün kapasitesi ve kapasitif reaktansı (kondansatörün AA’a karşı direnci) değişecektir. Bu direnç değişimi ile orantılı olarak basınç büyüklüğünü tespit edebiliriz.

  Şekil 4.1’deki diğer şekillerde de kondansatör plakalarının uzaklaşıp yaklaşması gösterilmiştir. Az önce bahsettiğimiz gibi plakaların uzaklığı da kondansatörün AA direncini değiştirdiğinden bu direnç değişimi ile hareketin miktarını bulabiliriz.

   Kapasitif prensiple çalışan sensörler basınç sensörü olarak kullanıldığı gibi yaklaşım ve pozisyon sensörü olarak da kullanılmaktadır.

Strain Gage (Şekil Değişikliği) Sensörler:

   Temel olarak strain gageler esneyebilen bir tabaka üzerine ince bir telin veya şeridin çok kuvvetli bir yapıştırıcı ile yapıştırılmasından oluşmuştur. Üzerindeki basıncın etkisinden dolayı tabakanın esnemesi ile birlikte iletken şeridin de gerilerek uzamasına sebep olacaktır. Bu uzama esnasında telin boyu uzayarak kesiti azalacaktır. Bilindiği gibi iletkenlerin kesiti azaldıkça dirençleri artacağından uygulanan kuvvete bağlı olarak iletkenin direncinde değişme olacaktır. Bu direnç değişimine bağlı olarak uygulanan kuvvetin miktarını tespit edilebilir.

Load Cell (Yük Hücresi) Basınç Sensörleri:

                     Şekil 4.6: Load cell’in iç yapısı

    Yük hücresi (load cell) daha çok elektronik terazilerin yapımında kullanılan basınç sensörüdür. Asıl çalışma prensibi strain gage gibidir. Yukarıda 4 noktadan ölçme yapan bir yük hücresi görülmektedir. Tek noktadan ya da iki noktadan ölçüm yapanları da bulunmaktadır. Şekil 4.6’da A, B, C, D noktalarındaki strain gagelerin dirençleri basınca bağlı olarak değişir. Bu değişim ile orantılı olarak da basınç miktarını tespit edebiliriz.

                   Şekil 4.7: Load cell örnekleri

Piezoelektrik Basınç Ölçme Sensörleri:

            Şekil 4.8: Piezoelektrik basinç sensörleri

    Basıncın elektrik akımına dönüştürülme yollarından biri de piezoelektrik olayıdır. Piezoelektrik özellikli algılayıcılarda kuartz (quartz), roşel (rochelle) tuzu, baryum, turmalin gibi kristal yapılı maddeler kullanılır. Bu elemanlar üzerlerine gelen basınca göre küçük değerli bir elektrik gerilimi ve akımı üretir. Bu elektrik akımının değeri basıncın değeri ile doğru orantılıdır. Piezoelektrik özellikli elemanlar hızlı tepki verdiklerinden ani basınç değişikliklerini ölçmede yaygın olarak kullanılır.

5. OPTİK TRANSDÜSERLER VE SENSÖRLER

    Işık etkisi ile çalışan elektronik devre elemanlarına genel olarak optik elemanlar diyoruz. Şimdi bunlardan bazılarını beraberce inceleyeceğiz.

Foto Direnç (LDR):

   Kalsiyum sülfat ve kadmiyum selenid gibi bazı maddeler üzerlerine düşen ışık ile ters orantılı olarak direnç değişimi gösterir. Bu maddelerden yararlanılarak foto direnç adı verilen devre elemanları yapılmıştır. Üzerine ışık düştüğünde direnci azalan, karanlıkta ise yüksek direnç gösteren devre elemanına foto direnç denir.

               Şekil 5.1: Foto direnç ve sembolü

Kullanım Alanları

    Işık değişimi ile kontrol etmek istenilen tüm devrelerde kullanabilir. Özellikle gece lambaları ve sokak lambalarında kullanılmaktadır.

Sağlamlık Kontrolü

   Avometrenizi ohm kademesine getiriniz. Foto direnci avometrenize bağladıktan sonra üzerine bir el feneri yardımı ile ışık tuttuğunuzda direncinin azaldığını ve üzerine bir kalem kapağı veya benzeri bir nesne ile kararttığınızda ise direncin arttığını gözlemlemeniz gerekiyor. Eğer direnç değişimi anlatıldığı şekilde oluşuyorsa, LDR sağlam, farklı bir şekilde ise arızalıdır.

Foto Diyot

    Foto diyotlar ışık etkisi ile ters yönde iletken olan diyotlardır. Ters polarma altında kullanılır. Doğru polarmada normal diyotlar gibi çalışır, ters polarmada ise N ve P maddelerinin birleşim yüzeyine ışık düşene kadar yalıtkandır. Birleşim yüzeyine ışık düştüğünde ise birleşim yüzeyindeki elektron ve oyuklar açığa çıkar ve bu şekilde foto diyot üzerinden akım geçer. Bu akımın boyutu yaklaşık 20 mikroamper civarındadır. Üzerine ışık düştüğünde katotdan anota doğru akım geçiren elemanlara foto diyot  denir.

       Şekil 5.2: Çeşitli foto diyotlar ve sembolü

Kullanım Alanları

   Foto diyot televizyon veya müzik setlerinin kumanda alıcılarında yaygın olarak kullanılır.

Sağlamlık Kontrolü

   Avometrenizi ohm kademesine getiriniz. Foto diyotu avometre çıkış polaritesine ters olarak bağladıktan sonra üzerine bir el feneri yardımı ile ışık tuttuğunuzda direncinin azaldığını ve üzerini bir kalem kapağı veya benzeri bir nesne ile kararttığınızda direncin arttığını gözlemlememiz gerekiyor. Eğer direnç değişimi anlatıldığı şekilde oluyorsa, foto diyot sağlamdır.

FOTOTRANSİSTÖR
    Foto transistörlerin beyz polarması ışık şiddeti sağlanır. Işık yoğunluğuna bağlı olarak, iletkenliği değiştirilmektedir. Optik okuyucularda çoğunlukla foto transistörler tercih edilmektedir. Terminalleri C (Kollektör) B (Base) ve E (Emiter) olarak belirlenir. Çoğunlukla yalnız C ve E uçlan kullanılır, B boştur.

FOTO VOLTAİK PİL (SOLARSEL)
    Güneş pili olarak bilinmektedir. Üzerine düşen ışık enerjisini, elektrik enerjisine dönüştüren bir DC üreteçtir. Metal taban üzerine yerleştirilmiş P-N yarıiletken bileşimidir. Üstte metal yüzük yer alır. Hücre, bağlantı terminalleri dışanda kalacak şekilde, pencereli bir mahfaza içine yerleştirilir. Günümüzde üzerinde çok çalışmalar yapılmaktadır. Işıkla çalışan hesap makinelerinde kullanılmaktadır. Henüz pahalı teknoloji olduğundan ev ve iş yerlerinde kullanılması yaygınlaşamamıştır. Yakın gelecekte binaların ışık gören kısımlarına güneş panelleri konularak güneş enerjisinden elektrik enerjisi üretilerek kullanılması yaygınlaşacaktır.

Optokuplör

    Optokuplör kelime anlamı olarak optik kuplaj anlamına geliyor. Kuplaj bir sistem içindeki iki katın birbirinden ayrılması ama aralarındaki sinyal iletişiminin devam etmesi olayıdır. Ayrılma fiziksel olarak gerçekleşir ama iletişim manyetik veya optik olarak devam eder. Bu durumun faydası, katlardan birinde olan fazla akım, yüksek gerilim gibi olumsuz, sisteme zarar verecek etkilerden diğer katları korumaktır.

   Işık yayan eleman ile ışık algılayan elemanın aynı gövde içinde birleştirilmesiyle elde edilen elemanlara optokuplör denir. Bu elemanlarda ışık yayan eleman olarak "LED", "Enfraruj LED" kullanılırken ışık algılayıcı olarak "foto diyot", "foto transistör", "foto tristör", "foto triyak" vb. gibi elemanlar kullanılır.

                      Şekil 5.9: Çeşitli optokuplör yapıları

 Yapısı

     Şekil 5.10’da görüldüğü gibi bir adet LED tam karşısına milimetrik olarak yerleştirilmiş bir fototransistörden oluşmuştur. LED yandığı zaman transistör iletime geçer. LED sönük ise transistör yalıtımdadır.

                 Şekil 5.10: Bir optokuplor ve içyapısı

Kullanım Alanları

    Optokuplörler daha çok, iki ayrı özellikli devre arasında elektriksel bağlantı olmadan, ışık yoluyla irtibat kurulmasını sağlayan devrelerde kullanılır. Şöyle ki; düşük gerilimle çalışan bir devreyle yüksek gerilimli bir güç devresine optokuplör aracılığıyla kumanda edilebilir. Optokuplörler 2000 ile 5000 voltluk gerilimlere dayanıklı olduğundan en hassas kontrol sistemlerinde güvenle kullanılır.

Sağlamlık Kontrolü

     Uygulamadaki optik kuplörler yukarıdaki şekildeki gibi entegre kılıf içindedir. Bir optik kuplörün sağlamlığı kontrol edilmek istenirse, öncelikle o optokuplorün kataloğunu ve iç bağlantı şemasını bulmak gerekir. Daha sonra içerisindeki LED diyodu doğru polarma ederek, “foto transistor”ün iletken olup olmadığını multimetre ile kontrol ederiz.

Uygulamada Kullanılan Bazı Optik Sensörler

   Yukarıda optik sensörlerin çalışma prensiplerini kısaca tanıttıktan sonra şimdi uygulamada kullanılan bazı sensör tiplerini ve bazı uygulama örneklerini göreceğiz. Ama unutmayınız ki optik sensörler burada bahsetmediğiz daha birçok uygulamada kullanılmaktadır. Bunlara günümüzdeki en önemli örnek dijital fotoğraf makineleri ve dijital kameralardır.

   Bir fotoelektrik sensör üzerindeki ışık kaynağı ile görülebilir ya da infrared ışık üretir. Bu ışık algılanmak istenen cisim üzerine düşürülür. Eğer fotoelektrik sensör cisimden yansımalı ya da reflektörlü tipte ise verici ile alıcı aynı sensör kafası üzerindedir ve geri dönen ışın miktarı tanımlanan eşik değerine ulaştığında çıkış verir.

Optik Sensörlerin Avantajları

· Algılanan cisme temas yoktur.

· Algılanacak cisim farklı tipte malzemelerden olabilir.

· Algılama mesafesi uzundur (Cisimden yansımalıda 1m’ye kadar, karşılıklı tipte 60 m’ye kadar).

· Cevap süresi kısadır (20ms ye kadar düşebilir).

· Hassas konumlama yapılabilir.

· Renk ayrımı yapılabilir.

Uygulamada Kullanılan Çeşitleri

Karşılıklı Tip: Karşılıklı tip sensörde, cisim alıcı-verici sensör kafalarının olduğu eksene girdiğinde algılama yapar.

        Şekil 5.11: Karşılıklı tip optik sensör

Reflektörden Yansımalı Tip: Reflektörden yansımalı modelde sensör kafasından yayılan ışık reflektörden yansıyarak geri döner. Cisim reflökter ile sensör arasına girdiğinde algılanır.

      Şekil 5.12: Reflektörden yansımalı tip optik sensör

Cisimden Yansımalı Tip: Cisimden geri dönen ışık kazanımı tanımlanan eşik değerini geçtiğinde algılama yapılır.

      Şekil 5.13: Cisimden yansımalı tip optik sensör

Odaklı Cisimden Yansımalı Tip: Cisim üzerine gönderilen ışın odaklanmıştır. Eğer odaktan bir kayma oluşursa, algılama oluşur.

      Şekil 5.14: Odaktan yansımalı tip optik sensör

6. Hareket Sensörleri

PIR Sensörler: PIR (Passive Infrared sensor), PIR (Pyroelectric Infra Red sensor) : 

Çalışma Prensibi:

    İnsanlar hareket ettiklerinde ortamda bir sıcaklık farkı oluştururlar ve etrafa kızılötesi (infrared) ışınlar yayarlar. Bu ışınlar belli mesafelere kadar güçlü bir şekilde ilerleyebilmekte ve algılama alanı içerisinde olanlar ürün üzerindeki Fresnel Lens sayesinde PIR dedektöre odaklandırılmaktadır. Bu ışınlar PIR dedektör tarafından tespit edilip değerlendirilmektedir. Bu değerlendirme sonucunda alınan sinyal gerçekten bir insanın hareketi ise hareket sensörü çıkışına bağlı olan lambaları yakmaktadır.

Pyro-elektrik sensörler bir insanın veya bir alevin ısısını algılayabilirler. İnsanlar veya sıcak kanlı hayvanlar bu tip sensörler tarafından algılanabilen kızılötesi ışık (8 - 10mm arası) üretirler. Bu özellik hırsız alarmlarının hareket algılama sitemlerinde kullanılırlar. Ortamdan gelen ışık Freshnel lens / mercek filtre yardımıyla IR ışınların kırılma açılarını tam sensör üzerine düşürerek ışınların sensör üzerine odaklanmasını ve algılama mesafesinin arttırılmasını sağlar. Lens/ mercek silindirik değil çokgen şeklindedir. İnsan veya canlı hareket ettiğinde sensör üzerine düşen ışık çokgen yapıdan dolayı kesilir tekrar gelir. Buradan hareketli bir canlı olduğu anlaşılır.

Alev algılayan pyro-elektrik sensörler yangın alarmı imalinde kullanılırlar. Bu tip UV mor ötesi detektörler bir alevin ışınlarına (185 nm – 260 nm arası) hassastırlar.  Hamamatsu, bir çakmağın alevini 5m’den algılayabilen bir detektörü pazarlamaktadır.

  

7. SES SENSÖRLERİ VE TRANSDÜSERİ

 Mikrofon

   Şekil 6.1’de görüldüğü gibi, ağzından çıkan veya herhangi bir şekilde yayınlanan ses havada basınç değişimi yaratmakta ve bu basınç değişimi, suya atılan taşın yarattığı dalgaya benzer şekilde havada bir dalga iletimi şeklinde yayılmaktadır. Ses aslında hava basıncındaki değişimdir.

Şekil 6.1: Mikrofon

      Mikrofonlar da tıpkı kulaklarımız gibi havadaki basınç değişikliğinin yarattığı etkiden yararlanarak sesi algılıyor ve elektrik sinyaline çeviriyor. Sesi elektrik sinyallerine çeviren cihazlara “mikrofon” denir.

     Bütün mikrofonların yapısı, ses dalgalarının bir diyaframı titreştirmesi esasına dayanmaktadır. Her sesin belirli bir şiddeti vardır. Bu ses şiddetinin havada yarattığı basınç ses şiddeti ile doğru orantılıdır. Gelen hava basıncının büyüklük ve küçüklüğüne göre ileri geri titreşen diyaframın bu titreşimini, elektrik enerjisine çevirmek için değişik yöntemler kullanılmaktadır. Kullanılan yöntemlere göre de mikrofonlara isim verilmektedir.

Çeşitleri

Ø Dinamik mikrofonlar

Ø Kapasitif mikrofonlar

Ø Şeritli (bantlı) mikrofonlar

Ø Kristal mikrofonlar

Ø Karbon tozlu mikrofonlar

Dinamik Mikrofonlar

    Dinamik mikrofonlar ses dalgaları ile hareket eden diyaframa bağlı bobinin sabit bir mıknatıs içinde hareket etmesinden dolayı bobin uçlarında oluşan gerilim değişimine bağlı olarak çalışır.

   Ses dalgalarıyla titreşen diyafram, bağlı bulunduğu bobini, sabit mıknatıs içerisinde ileri-geri hareket ettirir. Sabit mıknatısın kutupları arasında manyetik alan hatları vardır. Bobin iletkenleri hareket sırasında bu manyetik alan hatlarını kesmektedir. Manyetik alan içerisinde hareket eden iletkenin uçları arasında bir gerilim oluşur.

     Şekil 6.2: Dinamik mikrofon örnekleri

   

    Sürekli ileri-geri titreşim halinde bulunan bobinde de ses frekansına uygun olarak değişen bir gerilim oluşur. Mikrofon bobini uçlarında oluşan gerilim, bir ses frekans yükseltecine verildiğinde, hoparlörden aynı frekansta çıkış alınır. Böylece mikrofona yapılan konuşma veya melodi kuvvetlendirilmiş olarak sese dönüştürülür. Dinamik mikrofon bobininin direnci birkaç ohm "Ω" kadardır.

       Şekil 6.3: Dinamik mikrofonun yapısı

Dinamik mikrofon, Şekil 6.3'de görüldüğü gibi şu bölümlerden oluşmaktadır:

Ø Diyafram

Ø Diyaframa bağlı hareketli bobin

Ø Bobinin içerisinde hareket ettiği sabit mıknatıs

Ø Empedans uygunluğu sağlayan küçük bir transformatör (Bazı dinamik mikrofonlarda bulunur).

Dinamik mikrofonlar kullanım sırasında, elektriksel alandan uzak tutulmalıdır. Dinamik mikrofonlar en çok kullanılan mikrofon türüdür.

KapasitifMikrofonlar

   Şekil 6.4’te kapasitif bir mikrofonun yapısı görülüyor. Şekilde görüldüğü gibi bir sabit levha ve bir de hareketli iletken levha arasında hava boşluğu bırakılarak kapasite elde edilir. Hareketli levha aynı zamanda diyafram görevi de yapar. Kapasitif mikrofonlar şarjlı bir kondansatörün yükü değiştirildiğinde elektrik akımının elde edilmesi esasına dayalı olarak çalışır. UCC bataryası (1,5-45V) sürekli olarak beslediği için kondansatörlü mikrofon sürekli şarjlıdır. Ses dalgalar diyaframa çarptığında mekanik titreşimler meydana gelir. Titreşimin plakalar arasındaki hava aralığını daralıp genişletmesiyle kapasite değişimi sağlar. Kapasitenin değişmesi ile devreden küçük bir akım geçer. Devreden geçen akım direnç üzerinde bir gerilim düşümü meydan getirir. Bu gerilim küçük olduğu için bir yükselteç devresiyle yükseltilerek kullanılır.

Şekil 6.4: Kapasitif mikrofonun yapısı

   Kapasitif mikrofonların yüksek seslerde az distorsiyonlu olduklar için çok tercih edilir. Fakat fiyatları da kaliteleri gibi yüksektir.

Başlıca şu üstünlüklere sahiptir:

Ø 50 - 15000 Hz arasında oldukça geniş bir frekans karakteristiği vardır.

Ø Distorsiyon azdır.

Ø Empedansı büyüktür (10 - 50 MΩ).

Bu özelliklere karşın şu tip dezavantajları vardır:

Ø Diğer mikrofonlardan farklı olarak, bir besleme kaynağına ihtiyacı vardır.

Ø Yükselteç ile mikrofon arası kablonun kapasitif etkisi mikrofon kapasitesini etkileyerek parazite neden olur.

Ø Bu etkiyi azaltmak amacıyla mikrofon içine bir yükselteç konur.

     Kapasitif mikrofonların devreye bağlantısı Şekil 6.4’te görüldüğü gibi DC beslemeli olarak yapılır. Mikrofonun plâkalarına uygulanan DC, modele göre 1,5 - 48 V arasında değişmektedir. Günümüzde yaygın olarak kullanılan kapasitif mikrofonların DC beslemesinde bir ya da iki adet kalem pil bulunur.

Şeritli (Bantlı) Mikrofonlar

    Çalışmaları dinamik mikrofonlar gibi manyetik alan esasına dayalı mikrofonlardır. Şekil 6.5’te görüldüğü gibi manyetik alan içine yerleştirilmiş ince bir alüminyum ya da kalay levhaya ses sinyalleri çarpınca, manyetik alan içinde hareket eden levhada ses frekanslı akım oluşur. Şeritli mikrofonların empedeansı çok düşük, kaliteleri yüksektir. Sarsıntıdan, rüzgârdan olumsuz etkilendiklerinden kapalı ortamlarda kullanılır.

         Şekil 6.5: Şeritli mikrofonun yapısı

Kristal Mikrofonlar

    Kuartz (quartz), roşel (rochelle) tuzu, baryum, turmalin gibi kristal yapılı maddelere basınç uygulandığında üzerlerinde elektrik akımı oluşur. Bu akım, basıncın kuvvetine ve frekansına göre değişir. İşte bu esastan yararlanarak kristal mikrofonlar yapılmıştır. Kristalli mikrofonlarda, kristal madde Şekil 6.6' da görüldüğü gibi çok ince iki metal elektrot arasına yerleştirilmiş ve bir pin (küçük çubuk) ile diyaframa tutturulmuştur. Ses titreşimleri diyaframı titreştirince kristal de titreşmektedir. Kristaldeki titreşim ise AA özellikli elektriksel sinyallerin oluşmasını sağlamaktadır.

Şekil 6.6: Kristal mikrofonun yapısı

Karbon Tozlu Mikrofonlar

          Şekil 6.7: Karbon tozlu mikrofonun yapısı

   Karbon tozlu mikrofonlar Şekil 6.7’de görüldüğü gibi bir hazne içinde doldurulan karbon tozu zerrecikleri ve esnek diyaframdan oluşmuştur. Ses dalgaları alüminyum diyaframa çarpınca titreşerek karbon zerreciklerinin sıkışıp gevşemesine yol açar. Tozlar sıkışınca akımın yolu kısalacağından direnç azalır. Tozlar gevşeyince ise akımın yolu uzayacağından direnç yükselir. İşte bu işlem esnasında sesin şiddetine göre karbon tozlarından geçen akım değişken özellik gösterir. Karbon tozlu mikrofonların çalışabilmesi için bir DA besleme kaynağına gereksinim vardır. Bu tip mikrofonların empedansları 50 ohm dolayında olup çok küçüktür. Ayrıca, kömür tozları zamanla özelliğini kaybettiğinden mikrofonun hassasiyeti bozulmaktadır. İşte bu nedenle günümüzde çok kullanılan bir mikrofon tipi olmayıp, eski tip telefonlarda vb. karşımıza çıkmaktadır.

Mikrofonun Sağlamlık Testi

    Mikrofonlara sağlamlık testi uygularken öncelikle mikrofonun özelliğine göre direncine bakılır. Katalogda ya da üzerinde belirtilen direnç değerlerini avometre ile kontrol ederiz. Daha sonra mikrofonun çıkışına bir preamplifikatör (çok küçük sinyalleri yükselten yükseltici) bağlarız. Preamplifikatörün çıkışına da bir osiloskop bağlayarak mikrofona ses dalgası veririz. Uyguladığımız seslere göre osiloskop ekranın da AC titreşimler oluşuyorsa mikrofonumuz sağlamdır.

Hoparlör

    Elektriksel sinyalleri insan kulağının duyabileceği ses sinyallerine çeviren elemanlara “hoparlör” denir.

    Hoparlör elektrik akımını harekete dönüştüren bir mekanizmaya sahiptir. Bu sayede Titreşimler oluşur. Titreşimi ise ses demektir. Müzikseti, tv, mp3 çalar, ev sinema sistemi, kulaklık gibi ses çıkaran araçların hepsinde hoparlör bulunur. Peki, ama hoparlör nasıl çalışır? Bir hoparlörün çalışması elektrik akımı ve manyetik alanla alakalıdır. Her hoparlörde bir sabit dairesel mıknatıs vardır. Bir de elektrik akımıyla mıknatıslanan elektromıknatıs bulunur. Elektromıknatıs ve sabit mıknatıs birbirini itip çekerek ortaya bir titreşim çıkmasını sağlarlar.

           Şekil 6.8: Hoparlör ve sembolü

Dinamik (Hareketli Bobinli) Hoparlörler

    Dinamik hoparlörlerde yükselteçten gelen AC özellikli sinyaller hoparlör içindeki bobinin etrafında değişken bir manyetik alan oluşturur. Bu alan ile sabit mıknatısın alanı

birbirini itip çekerek diyaframın titreşimine sebep olur. Diyaframın ses sinyallerine göre titreşimi havayı titreştirir. Kulak zarı da buna bağlı olarak titreşerek sesleri algılamamızı sağlar.

 Şekil 6.9: Hoparlörün yapısı

Piezoelektrik (Kristal) Hoparlörler

    Şekil 6.10’da yapıları görülen piezoelektrik hoparlörler çizgi biçiminde, birbirine karşı polarize edilmiş, bükülgen piezooksit (kurşun, elmas, titan karışımı) maddeden yapılmıştır. Şeritlere akım uygulandığında, boyut uzayıp kısalır ve karşıdakini itip çeker. Bu titreşim ise esnek membranı hareket ettirerek ses oluşur. Piezoelektrik hoparlörler daha çok yüksek frekanslı seslerin elde edilmesinde (kolonların tivitırlarında) ve kulaklıklarda kullanılmaktadır. Aynı zamanda dijital saatlerde kullanılan hoparlörlerde buzzer olarak

piezoelektrik esasına göre çalışır.

    Şekil 6.10: Piezoelektrik hoparlörler

   Hoparlörlerin Sağlamlık Testi

    Avometre Ohm konumuna (200 ohm) alınarak yapılır. Yapılan ölçümde üzerinde yazılı olan direnç değeri (4,8,16 Ohm gibi) okunmalıdır. Bunun yanında ölçüm esnasında hoparlör bobini, membranı bir miktar titreştirmelidir. Çok küçük bir ses çıkarmalıdır.

8. YERÇEKİMİ ALGILAYICILARI

       Yerçekiminin merkezi ile cismin doğrultusu arasındaki açıyı ölçen eğim dedektörleri yol yapımında, makinelerin yerleştirilmesinde, ataletsel denizcilik sistemlerinde ve yerçekiminin referans alındığı diğer uygulamalarda kullanılır.

   

    Civa Anahtarı ( Şekil (a) ve (b) ):

    Eski ve hala popüler bir pozisyon dedektörü civa anahtarıdır. Anahtar iki elektrik kontağı ve bir damla civanın cam tüp içerisine konulmasıyla yapılmıştır. Algılayıcı çekim kuvvetiyle ilgili olarak pozisyonlandırıldığında civa kontaklardan uzaklaşır ve anahtar açılır. Anahtarın pozisyonundaki herhangi yer değişimi civanın kontaklara gitmesine ve kontakların ikisine dokunarak anahtarın kapanmasına neden olur.

(a)

(b)

(c)

     (a) Açık pozisyonunda civa anahtarı, (b) Kapalı pozisyonunda civa anahtarı, c) Elektrolit eğim algılayıcısı

Yüksek çözünürlükte bir açısal yer değişimin ölçülmesi ( Şekil (c) ):

    Hafif yay şeklini almış bir cam tüp kısmi iletkenlikte bir elektrolit ile doldurulmuştur. Tüpün uçlarında birer tane ve bir adet tüp boyunca uzatılmış bir elektrot olmak üzere tüpün içine 3 adet elektrot yerleştirilmiştir. Tüpün içinde bulunan bir hava kabarcığı tüpün salınımı ile tüp boyunca hareket edebilir. Ortadaki elektrot ile uçlardaki elektrotlar arasındaki elektriksel direnç hava kabarcığının pozisyonuna bağlıdır. Tüpün denge pozisyonundan kayması ile direnç orantılı olarak artar veya azalır. Elektrotlar AC devre ile uyartılmış bir köprü devresine bağlanarak elektrot ve elektrolitin hasar görmesi engellenmiş olur.

9. KAPASİTİF ALGILAYICILAR

   Kapasitif, ölçek (gauge), yakınlık ve pozisyon algılayıcılarının çalışma prensibi kapasitenin değişimine (kapasitör levhaları arasındaki uzaklık) iletken veya dielektrik malzemelerin varlığındaki kapasitans değişimine bağlıdır. Kapasitif algılayıcıların gerçekte bütün malzemeleri tespit etme özelliği çoğu uygulamalarda bunları cazip hale getirmektedir.

10. POZİSYON DUYARLIK SENSÖRLERİ

DİRENÇ TİPİ POTANSİYOMETRELER
    Lineer olarak çalışan ayarlı dirençler, en basit şekilde pozisyon duyarlık elemanı olarak dizayn edilebilir ve kullanılabilir. Ayarlı dirençlerin orta ucundan konuma veya pozisyona göre değişen bir gerilim alınarak, pozisyon ya da konum değişikliği saptanabilir.
ENDÜKTİF POTANSİYOMETRELER
 Endüktif potansiyometreler toroid-sargılı oto trafosu biçimde olup alternatif akım için tasarlanmıştır. Şekilde endüktif potansiyometre görülmektedir. Potansiyometrenin nüvesi, manyetik geçirgenliği yüksek olan metallerden yapılmış olup sargılar üzerinde hareket eden kontak kömürden yapılmıştır. Bu tip potansiyometrelerin dirençli potansiyometrelere nazaran daha uzun ömürlü oldukları bilinmektedir.

11. NEM SENSÖRLERİ
    Ortamdaki nem miktarına bağlı olarak, nemin artması ile gerilen veya şişen, azalması ile gevşeyen veya büzülen organik maddelerden nem sensörleri yapılmaktadır. İnsan saçı neme çok duyarlıdır. Nem miktarına göre gerilen veya esneyen insan saçının bu özelliğinden faydalanılarak nem sensörleri yapılabilmektedir. Ancak saç telinin iyi seçilmesi gereklidir. Naylon da aynı özelliğe sahiptir. Naylon sentetik bir madde olduğundan imalatı kontrol altında tutulabilir. Hassasiyetleri daha yüksek duruma getirilebilir.