BUTUNSiNAVLAR.COM
        Giriş     Üye OL
Dönüştürücüler Transduserler, Transduserlerin Temel Tipleri, çeşitleri, Transduserlerin görevleri, Transduserlerin çalışma mantığı, Dönüştürücü yapısı, ders notları

Dönüştürücüler Transduserler

1.3. Dönüştürücüler (Transducers)

İnsanlar çevrelerindeki değişiklikleri duyu organları vasıtası ile algılarlar ve buna bağlı olarak da hareket eder. Örneğin üşüdüğümüzde ısıtıcıyı, ortam karanlık olduğunda da ışığı açarız. İşte tüm bu fiziksel ortam değişikliklerini (ısı, ışık, basınç, ses, vb.) algılayan cihazlara sensör, algıladığı bilgiyi elektrik enerjisine çeviren cihazlara transduser denir.

Veriler elektrik sinyaline dönüştürüldükten sonra elektronik devreler tarafından yorumlanarak mekanik aletler kumanda edilebilmektedir. Bu sayede hem günlük hayat, hem de endüstriyel üretim süreçleri çok daha kolaylaşmaktadır. 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 transduserdir. Bu yüzden bu iki kelime benzer anlamlı kabul edilebilir.

1.3.1. Transduserlerin Temel Tipleri

Ortamda oluşan fiziksel bir değişiklikten dolayı mekanik bir makineyi veya elektronik bir devreyi çalıştırmamız gerektiğinde sensörleri kullanırız. Ancak tespit edeceğimiz değişikliğe uygun dönüştürücü kullanmalıyız. Örneğin ortamdaki sıcaklık değişimini algılamak için ısı sensörlerini, ışık değişimini algılamak için optik sensörleri kullanmalıyız. Algılayıcıları birbirinden farklı birçok sınıfa ayırmak mümkündür. Ölçülen büyüklüğe göre, çıkış büyüklüğüne göre, besleme ihtiyacına göre vb. Bu özellikleri kısaca inceleyelim:

1.3.1.1. Giriş Büyüklüklerine Göre

Algılayıcılarla ölçülen büyüklükler 6 gruba ayrılabilir. Bunlar:

  • Mekanik: Uzunluk, alan, miktar, kütlesel akış, kuvvet, tork (moment), basınç, hız, ivme, pozisyon, ses dalgaboyu ve yoğunluğu.
  • Termal: Sıcaklık, ısı akısı.
  • Elektriksel: Gerilim, akım, direnç, endüktans, kapasitans, dielektrik katsayısı, polarizasyon, elektrik alanı, frekans vb.
  • Manyetik: Alan yoğunluğu, akı yoğunluğu, manyetik moment, geçirgenlik.
  • Işıma: Yoğunluk, dalga boyu, polarizasyon, faz, yansıtma, gönderme.
  • Kimyasal: Yoğunlaşma, içerik, oksidasyon/redaksiyon, reaksiyon hızı, pH miktarı.

1.3.1.2. Çıkış Büyüklüklerine Göre

Çıkış büyüklükleri AC, DC, analog, dijital olabilmektedir. Analog çıkışlara alternatif olan dijital çıkışlar bilgisayarlarla doğrudan iletişim kurabilir. Bu iletişimler kurulurken belli bazı protokoller kullanılır.

1.3.1.3. Besleme İhtiyacına Göre

Algılayıcılar besleme ihtiyacına göre iki sınıfa ayrılabilir. Bunlar:

• Pasif Algılayıcılar

Hiçbir şekilde dışardan enerji almadan (besleme gerilimine ihtiyaç duymadan) fiziksel ya da kimyasal değerleri bir başka büyüklüğe çevirir. Bu algılayıcı tipine örnek olarak Termocouple (T/C) ya da anahtar gösterilebilir. T/C aşağıda etraflıca anlatılacaktır. Anahtar ise bilindiği gibi mekanik bir hareketi elektriksel bir kontağa dönüştürmektedir.

• Aktif Algılayıcılar

Çalışmaları için haricî bir enerji beslenmesine ihtiyaç duyar. Bu algılayıcılar tipik olarak zayıf sinyalleri ölçmek için kullanılır. Aktif algılayıcılarda dikkat edilmesi gereken nokta giriş ve çıkışlardır. Bu tip algılayıcılar dijital ya da analog formatta elektriksel çıkış sinyali üretir. Analog çıkışlılarda, çıkış büyüklüğü gerilim ya da akımdır. Gerilim çıkışı genellikle 0-5 V aralığında oldukça yaygın kullanılmaktadır. Ancak 4-20 mA akım çıkışı da artık endüstride standart hâline gelmiştir. Bazı durumlarda 0-20 mA akım çevrimi kullanılmaktadır. Ancak endüstride çoğu zaman hatlarda meydana gelen bozulma kopma gibi durumlarda sistemin bu durumu kolay algılaması ve veri iletişiminin sağlıklı yapılabilmesi için 4-20 mA daha yaygın kullanılır. Çok eski algılayıcılar 10-50 mA akım çıkışlarına sahiptir. Endüstride en yaygın kullanılan 4-20 mA çevrim tipinin kullanımı bazı özel durumlar gerektirmektedir. Bu noktalar:

  • Algılayıcıların yerleştirildiği uzak noktalarda elektrik besleme geriliminin olmaması gereklidir.
  • Algılayıcılar gerilim sinyalinin sınırlı olabileceği durumlarda tehlikeli uygulamalarda kullanılmalıdır.
  • Algılayıcıya giden kablolar iki ile sınırlanmalıdır.
  • Akım çevrim sinyali göreceli olarak gürültü geriliminin ani sıçramalarına karşı korumalıdır. Ancak bunu uzun mesafe veri aktarımında yapamaz.
  • Algılayıcılar, ölçüm sisteminden elektriksel olarak izole edilmelidir.

Bu özelliklere birçok transduser tipi olmakla beraber temel transduser çeşitleri şöyle sıralanabilir:

  • Isı transduser ve sensörleri
  • Manyetik transduser ve sensörler
  • Basınç (gerilme) transduserleri
  • Optik transduser ve sensörler
  • Ses transduser ve sensörleri

1.3.2. Transduserlerin Çalışma Esasları

Transduserler, dönüştürdükleri enerjinin çeşidine göre değişik çalışma esaslarına sahiptir. Isı, ışık, ses, basınç vb. gibi büyüklükler elektriksel değere dönüştürülürken farklı yöntemler kullanılır. Örneğin sesi elektrik sinyaline dönüştürmek için mikrofon, ışığı elektrik bilgisine dönüştürmek için ise fotodiyot, fototransistör gibi optik elemanlar kullanılır. Sonuç olarak transduserler elektrik sinyaline dönüştürülecek olan enerji biçiminin özelliğine göre tasarlanır. Örnek olarak bir ses transduseri olan mikrofonun çalışmasını inceleyelim. Biz konuştuğumuzda havayı titreştirerek hava da bir basınç değişikliği oluşturuyoruz. Duyma işleminde ise bu basınç değişikliğini kulaklarımızdaki zar ile algılıyoruz. Mikrofonlar da tıpkı kulaklarımız gibi havadaki basınç değişikliğinin oluşturduğu etkiden yararlanarak sesi algılıyor ve elektrik sinyaline çeviriyorlar.

trasndücerler(dönüştürücüler) in yapısı çeşitleri çalışma mantığı

1.3.3. Değişik Tip Transduserlerin Karakteristikleri ve Uygulamaları

Yukarıda bahsettiğimiz gibi yapılacak işe göre birçok transduser çeşidi bulunmaktadır. Şimdi bunlardan kullanım alanı en yaygın olan sıcaklık ve optik transduserleri inceleyelim. Aşağıda yaygın olarak kullanılan bu transduserin özellikleri ve bunlarla ilgili uygulamalar incelenecektir.

1.3.3.1. Isı Transduser ve Sensörleri

Ortamdaki ısı değişimini algılamamıza yarayan cihazlara ısı veya sıcaklık sensörleri denir. 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. 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.

trasndücerler(dönüştürücüler) in yapısı çeşitleri çalışma mantığı

a bc

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

NTC’ler ise bulunduğu ortamın veya temas ettiği yüzeyin sıcaklığı arttıkça elektriksel direnci azalan devre elemanıdır.

trasndücerler(dönüştürücüler) in yapısı çeşitleri çalışma mantığı

ab

c

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

trasndücerler(dönüştürücüler) in yapısı çeşitleri çalışma mantığı

Bir diğer ısı transduseri ise termokupldur. Bütün iletkenler ısıtıldıklarında içlerinde bulunan elektronlarda bir hareketlenme meydana gelir. Ancak bu hareketlenme çeşitli iletkenler arasında farklılık göstermektedir. Bu maddenin ayırt edici özelliklerinden biridir. Bizde 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 DC gerilim elde ederiz. Elde ettiğimiz gerilimin değeri kullandığımız metallerin sıcaklığa verdiği tepki ile orantılıdır.

trasndücerler(dönüştürücüler) in yapısı çeşitleri çalışma mantığı

Termokupl’lar gerilim ürettikleri için aktif transduserlerdir. PTC ve NTC ise pasif transduserlerdir. Çıkış gerilimleri çok düşük olduğundan, daha çok çıkışına bir gerilim yükseltici bağlanarak kullanılır. Termokupl’un yapımında genellikle bakır, demir, konstantan, platin, mangan, nikel gibi metaller kullanılır. Termokupl’lar -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.

trasndücerler(dönüştürücüler) in yapısı çeşitleri çalışma mantığı

Şekil 1.6’da verilen devrede PTC uygulaması görülmektedir. PTC’lerin üzerinde yazılı olan direnç değeri oda sıcaklığında görülen direnç değeridir. Şekil 1.6’daki devrede ortam normal oda sıcaklığında (20 ºC) iken PTC’nin direnci düşük olacağından transistörün beyz ucu tetikleme gerilimi alamayacağından led yanmaz. PTC’yi bir havya ile ısıttığımızda PTC’nin direnci artar, dolayısıyla PTC üzerine düşen gerilim artar. Böylece transistör için gerekli olan beyz gerilimi pozitif (+) beslemeye yaklaşır ve transistör iletime geçer, led yanar. Devredeki potansiyometre ile devrenin sıcaklık algılama seviyesini (hangi sıcaklıkta iletime geçeceğini veya kalibrasyonunu) ayarlamak için kullanılır. Sonuç olarak, normal sıcaklıkta led yanmaz iken PTC ısındığında led yanar.

1.3.3.2. Optik Transduserler ve Sensörler

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

Foto dirençler 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. Işık değişimi ile kontrol etmek isteyeceğimiz tüm devrelerde kullanabiliriz. Özellikle gece lambaları ve sokak lambalarında kullanılmaktadır.

trasndücerler(dönüştürücüler) in yapısı çeşitleri çalışma mantığı

Foto diyotlar ise 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 katot’tan anota doğru akım geçiren elemanlara foto diyot denir. Foto diyot televizyon veya müzik setlerinin kumanda alıcılarında kullanılır.

trasndücerler(dönüştürücüler) in yapısı çeşitleri çalışma mantığı

İnfraruj (IR Diyot, Kızıl Ötesi Diyot) led, normal led’in birleşim yüzeyine galyum arsenid maddesi katılmamış hâlidir. İnfrared diyot görünmez (mor ötesi, kızıl ötesi) ışık yayar.

trasndücerler(dönüştürücüler) in yapısı çeşitleri çalışma mantığı

Şekil 1.7: İnfraruj led sembolü

İnfraruj led’ler televizyon veya müzik setlerinin kumandalarında, kumandanın gönderdiği frekansı televizyon veya müzik setine iletmek için kullanılır. Televizyon veya müzik setinde ise bu frekansı alan devre elemanına “Foto Diyot” denir. İnfraruj led ile normal ledin sembolleri aynıdır.

trasndüserler(dönüştürücüler) in yapısı çeşitleri çalışma mantığı

1.3.4. Belirli Endüstriyel Uygulamalar İçin Transduser Tipleri

Bu kadar çok algılayıcı çeşidi varken yapılacak endüstriyel uygulama için uygun algılayıcının belirlenmesi büyük önem kazanır. Algılayıcı seçimi statik ve dinamik karakteristikler yanında ortam etkileri ve işlevsellik gibi birkaç önemli faktöre de bağlıdır. Algılayıcı seçimi ile ilgili bilgiler aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.

trasndüserler(dönüştürücüler) in yapısı çeşitleri çalışma mantığı

Bunlarla birlikte algılayıcı seçiminde aşağıda belirtilen; ölçüm, veri toplama sistemi, bulunabilirlik ve maliyet şartları da göz önünde bulundurulmalıdır.

1.3.4.1. Ölçüm Şartları

  • Ölçümün temel amacı nedir?
  • Ölçülen büyüklük nedir?
  • Ölçüm aralığı nedir?
  • Ölçümün doğruluk seviyesi ne olacaktır?
  • Ölçülen büyüklüğün dinamik karakteristiği nedir?
  • Ölçüm sırasında ölçüm aralığının aşılması ne ölçüde olacaktır?
  • Ölçülen büyüklük bir akışkan ise fiziksel ve kimyasal özellikleri nedir?
  • Transduser nereye ve nasıl monte edilecektir?
  • Transduserin maruz kalacağı çevresel etkiler nelerdir?

1.3.4.2. Veri Toplama Sistemi Şartları

  • Veri toplama sistemi analog mu yoksa dijital mi?
  • Veri toplama sisteminin sinyal koşullama, çoğullaştırma, analog-dijital çevirme özelliği.
  • Transfer öncesi tampon bellek (buffering) özellikleri.
  • Veri kaydı ve işleme özellikleri
  • Veri toplama sisteminin doğruluk, frekans cevabı özellikleri

1.3.4.3. Bulunabilirlik Şartları

  • Tüm istekleri yerine getiren transduser piyasadan bulunabiliyor mu? Aksi takdirde var olan bir transdusere küçük değişiklikler yapmak yeterli olacak mı?
  • Yeni bir tasarım yapmak mı gerekecek?
  • Bu işi üstlenebilecek üreticiler kimlerdir?
  • Transduser zamanında teslim edilebilecek mi?

1.3.4.4. Maliyet Faktörleri

  • Önerilen transduserin maliyeti göstereceği fonksiyon ile orantılı mı?
  • Seçilen transduserin sebep olacağı test, periyodik kalibrasyon, kurulum gibi ekstra masraflar nelerdir?
  • Veri toplama sisteminde yapılması gerekecek olan düzenlemeler nelerdir?

Bu incelemeler sonunda seçilecek olan transduserler endüstriyel uygulamaların çeşitli safhalarında, bir işin otomatik olarak yapılması gereken yerlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunlardan bazılarını inceleyelim.

Güneş pilleri (fotovoltaik piller), yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarı iletken maddelerdir. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen güneş pillerinin alanları genellikle 100 cm² civarında, kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasındadır.

trasndüserler(dönüştürücüler) in yapısı çeşitleri çalışma mantığı

Güneş pilleri transistörler, doğrultucu diyotlar gibi yarıiletken maddelerden yapılmaktadır. Yarıiletken özellik gösteren birçok madde arasından güneş pili yapmak için en elverişli olanlar, silisyum, galyum arsenit, kadmiyum tellür gibi maddelerdir. Bu maddeler güneş pilleri için özel olarak hazırlandıktan sonra PN eklemine güneş enerjisi geldiğinde fotonlardaki elektron yükü PN maddeleri arasında bir potansiyel fark yani gerilim oluşturur. Bu gerilim 0,15-0,5 volt civarındadır.

Işık pilleri seri bağlanarak daha büyük gerilim, paralel bağlanarak daha büyük akım elde edilebilir. Güneş enerjisiyle çalışan hesap makinelerinde kullanılan eleman ışık pilidir.

trasndüserler(dönüştürücüler) in yapısı çeşitleri çalışma mantığı

Güneş pilleri gelişmiş ülkelerde yukarıdaki şekillerde de görüldüğü gibi hayatın her alanına girmiş durumda. Günlük hayatımızda ise daha çok hesap makinelerinde karşılaştığımız elemanlardır.

trasndüserler(dönüştürücüler) in yapısı çeşitleri çalışma mantığı trasndüserler(dönüştürücüler) in yapısı çeşitleri çalışma mantığı

Resim 1.19’daki uygulamada üzerinde hareket algılayıcı bir sensöre sahip olan otomatik bir kapı görülmektedir.

Birçok kere içinden geçmiş olduğumuz metal dedektörü cihazı manyetik sensörler vasıtası ile silah, bıçak gibi yoğun metalleri algılayarak alarm veren bir cihazdır.

trasndüserler(dönüştürücüler) in yapısı çeşitleri çalışma mantığı

Endüstriyel uygulamalarda sık sık kullanılan bir sensör türü de optik sensörlerdir. Bunların sık sık kullanılmalarının sebebi ise sağlamış oldukları avantajlardır. Optik sensörlerin avantajları:

  • Algılanan cisme temas yoktur.
  • Algılanacak cisim farklı tipte malzemeler olabilir.
  • Algılama mesafesi uzundur (Cisimden yansımalıda 1 m’ye kadar, karşılıklı tipte 60 m’ye kadar).
  • Cevap süresi kısadır (20 ms’ye kadar düşebilir).
  • Hassas konumlama yapılabilir.
  • Renk ayrımı yapılabilir.

• Uygulamada Kullanılan Çeşitleri

  1. o Karşılıklı Tip: Karşılıklı tip sensörde, cisim alıcı-verici sensör kafalarının olduğu eksene girdiğinde algılama yapar.
  2. o Reflektörden Yansımalı Tip: Reflektörden yansımalı modelde sensör kafasından yayılan ışık reflektörden yansıyarak geri döner. Cisim reflökter ile sensör arasına girdiğinde algılanır.
  3. o Cisimden Yansımalı Tip: Cisimden geri dönen ışık kazanımı
  4. o Odaklı Cisimden Yansımalı Tip: Cisim üzerine gönderilen ışın odaklanmıştır. Eğer odaktan bir kayma oluşursa algılama oluşur.

trasndüserler(dönüştürücüler) in yapısı çeşitleri çalışma mantığı trasndüserler(dönüştürücüler) in yapısı çeşitleri çalışma mantığı trasndüserler(dönüştürücüler) in yapısı çeşitleri çalışma mantığı trasndüserler(dönüştürücüler) in yapısı çeşitleri çalışma mantığı

• Uygulama Örnekleri

trasndüserler(dönüştürücüler) in yapısı çeşitleri çalışma mantığı

ab

b: Ürün bandında ilerleyen parçaların sağlamlık kontrolünde kullanılan optik sensör

TÜM DERS NOTLARI İÇİN TIKLAYIN
YORUMLAR

YORUM YAZ
Yorum yazabilmek için sağ üstten giriş yapmanız gerekir.
  Üye değilseniz,üye olmak için
 TIKLAYIN.
Lütfen sorularınızı yukarıdaki SORUSOR sekmesinden sorunuz
Buradan sorularınıza admin tarafından CEVAP VERİLMEYECEKTİR.
Max. 1000 karakter.
Sinavlara hazirlik