Osilatörler: Belli frekanslarda kare, sinüs, üçgen veya testere dişi biçiminde sinyal üretmeye yarayan, geri beslemeli amplifikatör (yükseltici) devreleridir. Diğer bir deyişle kendi kendine sinyal üretebilen elektronik bir elemandır.
Osilasyon Kriterleri
Osilasyon için öncelikle iki kapılı bir devre elemanına ihtiyaç 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
Çalışma mantığını anlatmadan önce iki konuya değinelim.
1- Negatif geri besleme: çıkıştan alınan sinyalin girişe, giriş sinyalini zayıflatıcı yönde
uygulanmasıyla gerçekleştirilir. Bu Ģekilde sistem daha kararlı ve verimli çalışması
sağlanmaktadır.
Örnek olarak ısı kontrollü çalışan elektrik sobası verilebilir. Bu sistemde ortamın
soğuk olduğunu algılayan sensör sobayı açarak ortamı ısıtmaya başlar. Belli bir ısı
değerinden sonra bu kez sensör sobayı kapatarak ortamın soğumasını bekler. Bu şekilde
sistem belli bir ısı aralığında çalışmaktadır.
2- Pozitif geri besleme: çıkıştan alınan sinyal giriş ile aynı fazda, giriş sinyalini arttırıcı
yönde girişe uygulanmasıdır. Bu sistemde çıkış sinyali giderek artmaktadır. Bu sinyal
kontrol edilmezse sisteme zarar verebilir. Pozitif geri beslemeye en güzel örnek, mikrofonla
hoparlör önünden geçerken oluşan ıslık sesidir. Mikrofon hoparlör önünde kalırsa ıslık sesi
giderek artar. Sonuç olarak sisteme veya çevreye zarar verir.
Pozitif geri besleme yaygın olarak osilatör devrelerine tercih edilmektedir. Negatif
geri besleme ise sağladığı avantajlardan dolayı birçok sistemde tercih edilmektedir. Negatif
geri beslemenin sağladığı avantajlar:
- Daha kararlı bir gerilim kazancı
- Daha iyi bir frekans tepkisi
- Daha fazla doğrusal çalışma
- Daha yüksek giriş direnci
- Daha düĢük çıkış direnci
- Daha az gürültü
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
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.
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 şarj edecek.
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.
Kullanım Yerleri ve Amaçları
Osilatörler televizyon, radyo, telsiz, AM alıcı ve vericiler, FM alıcı ve vericiler gibi sistemlerde; genel olarak elektronik haberleşme sistemlerinde ve otomasyon sistemlerinde yaygın biçimde kullanılmaktadır. Kullanım amacı üzerinde durmak gerekirse; komplike sistemlerde elemanlar görevlerini yerine getirebilmek için değişik tipte sinyallere ihtiyaç duyarlar, örneğin bir mikrodenetleyicinin yazılmış olan programı yürütebilmesi için bir kare dalga (clock darbesi) sinyal ile tetiklenmesi gerekmektedir. Yani en genel ifadeyle osilatörde amaç istenilen yerde istenilen miktarda ve istenilen türden sinyalin üretilmesini sağlamak ve elemanların ihtiyaçlarını gidermektir.
Osilatör Çeşitleri
Genel olarak osilatörler, sinüzoidal osilatörler (Harmonik salıngaç) ve sinüzoidal olmayan osilatörler (Gevşeme osilatörü) olmak üzere iki sınıfa ayrılabilir.
Sinüzoidal osilatörler, çıkışında sinüzoidal sinyal,
sinüzoidal olmayan osilatörler ise kare, dikdörtgen, üçgen ve testere dişi gibi sinyaller üretir. Kare dalga üreten osilatör devrelerine aynı zamanda "multivibratör" adı verilir.
Sinüs Dalga Osilatör
Osilatörler, bilindiği gibi kondansatör ve bobinden oluşurlar. Rezonans devresini düşünürsek, devredeki direnç sinüs dalgasını zaman geçtikçe sönümleyecektir. Ancak osilatörlerde bu durumun önüne geri besleme ile rahatlıkla geçilebiliyor. Sinüs dalga üreten osilatör, en basit osilatör çeşididir ve harmonik osilatörlerin temelini oluşturur.
Şekilde görülen osilatör devresi RC faz kaymalı osilatör olarak da bilinir ve çıkışındaki sinüs dalgası ise 1 kHz'lik bir frekansa sahiptir. Devrede, transistörün kollektör bacağındaki sinyal fazı, RC hücreleri ile kaydırılıyor.
Bu işlemin sonucu olarak da osilatörde geri besleme ile çıkıştan girişe gönderilen sinyaller ile çıkış sinyalinin sürekliliğini sağlanıyor. P1 potansiyometresi ile çıkış frekansı ayarlanırken P2 potansiyometresi ile de çıkış sinyalinin genliği ayarlanabilir.
Kare Dalga Osilatör
Kare dalga, sinüs dalgadan sonra belki de karşımıza en çok çıkan sinyal çeşididir. Dijital devrelerde, sayaçlarda, saat devrelerinde kullanılan kare dalga, elektronik dünyası için büyük önem teşkil etmektedir.
Şekilde görülen osilatör devresinde P1 potansiyometresi ile çıkış sinyalinin frekansı ayarlanabilir. Kare dalga osilatör devreleri çok çeşitlilik göstermektedir. Lojik devreleri kullanarak kare dalga üreten osilatör devreleri de mevcuttur. "Multivibratör" olarak da bilinen osilatör çeşididir.
Üçgen Dalga Osilatör
Sinüs dalga ve kare dalgadan sonra ise kullanım oranına bakılırsa üçüncü sırada üçgen dalga geliyor. Periyodiktir ve kare dalgada olduğu gibi tek harmoniklere sahiptir. Ancak üçgen dalganın artan dereceli harmoniklerinde düşüş, kare dalgaya göre daha hızlıdır.
Sinüs - Kare - Üçgen Dalga Osilatör
Değişik sinyal çeşitleri üretmek amacıyla üretilen bu özel osilatörler ise bünyesinde 4 adet 741 op-amp barındırırlar. U1 ile gösterilen 1. op-amp multivibratör göreviyle kare dalga üretir. U2 ile gösterilen op-amp ise kazancı 10 olan bir integral alıcıdır ve kare dalgadan üçgen dalga çıkışı elde eder.
U3 ile gösterilen op-amp ise kazancı 1 olan integral alıcıdır ancak çıkışındaki sinyal tam sinüs formunda değildir. Tam sinüs çıkışı elde etmek için de U4 ile gösterilen faz çevirici op-amp kullanılır.
Gevşeme Osilatörü
Üst kısımda incelediğimiz kare ve üçgen dalga üreten osilatörleri de kapsayan ve sinüsoidal olmayan işaretleri elde etmek için kullanılan osilatör çeşididir. Bu tip osilatörler, bir kapasitörü periyodik olarak deşarj eden transistör gibi doğrusal olmayan bir eleman kullanır. Mikroişlemci ve benzeri lojik sistemlerde saat sinyali üretmede kullanılmaları en büyük örnektir.
Kristal Osilatör
Piyasada osilatör denince ilk akla gelen çeşittir. Frekans kararlılığı en iyi olan osilatör tipidir. Osilatörler için çok önemli olan bu özelliğin tanımını sabit frekansta kalabilme olarak tanımlayabiliriz. Özellikle alıcı-verici devrelerinde kullanılan frekansta yayın yapabilmek için frekans kararlılığı çok iyi olmalıdır ve genellikle bu devrelerde karşımıza kristal osilatörler çıkar.
Kristal ise piezoelektrik etkiyle çalışan bir malzeme tipidir. Frekans kararlılığının maksimum seviyede olması için ise quartz kristali kullanılır.
Şekilde görülen devre kristal osilatörlerin en basit ve en genel devre yapısını teşkil ediyor. Ancak transistörlü ve op-amplı kristal osilatör devreleri de mevcuttur. Devrenin ihtiyaçlarına göre transistör veya op-amp kullanılan bu devrelerde rezonans frekansı büyük önem taşıyor.
Wien Köprü Tipi Osilatör
Wien Osilatör, hem negatif hem pozitif geri besleme kullanan bir RC osilatör olarak da bilinir. 5 Hz - 1 MHz aralığındaki kararlı-düşük frekanslarda sinyal üretmek için en sık kullanılan osilatör çeşididir. Şekilde gördüğünüz devrede seri R1-C1 ve paralel R2-C2 devreleri wien köprüsünü oluşturuyor. Yükselteç olarak da op-amp tercih edilmiş.
RC Osilatör
Daha çok alçak frekanslı devrelerde, frekans tespit edici amacıyla kurulan devredeki elemanlar sadece dirençlerden ve kondansatörlerden oluşuyorsa bu tip osilatörlere RC Osilatör denir. Bu tip osilatörlerin uygulama alanları ise 20 Hz - 20 kHz aralığındadır. Blok diyagramda görüldüğü gibi R-C devresi hem pozitif geri beslemeyi hem de frekans tespit edici devreyi sağlar. Transistörlü ve op-amplı osilatör devre çeşitleri de mevcuttur.
LC Osilatör
RC osilatör ile elde edilemeyen yüksek frekanslar, LC osilatörler aracılığıyla elde edilirler. LC osilatörler ile MHz seviyesinde yüksek frekanslı sinüsoidal sinyaller elde edilebilir. Paralel bobin ve kondansatörden oluşan devreye ise Tank Devresi adı verilir.
LC osilatörün ise çeşitli amaçlar için özel olarak geliştirilmiş çeşitleri bulunuyor. Bu çeşitli osilatörlerin en sık kullanılanları ise Kolpits ve Hartley osilatörlerdir.
Kolpits Osilatör
Kolpits osilatörler, LC osilatörün belki de en çok kullanılan çeşididir. Bu tip osilatörün devresinde C1 ve C2 gibi iki ayrı kondansatör bulunur. Kolpits osilatörün en belirgin özelliği bu iki kondansatördür. Bu yüzden tank devresinin eşdeğer kapasite değeri ve çıkıştan alınan sinyal frekansı tamamen değişiklik gösterir. Şekilde op-amplı Kolpits osilatör devresi görülüyor ancak bu devrenin transistör kullanılarak sinüsoidal çıkış elde eden çeşidi de mevcut.
Hartley Osilatör
LC osilatörün bir diğer çeşidi olan Hartley osilatörler seri ve paralel olmak üzere ikiye ayrılırlar. Şekilde seri Hartley devresi görülmektedir ve Kolpits çeşidinde olduğu gibi LC Tank devresi mevcuttur. Tank devresi, yükselteç ile gerilim kaynağı arasına seri bağlandığı için Seri Hartley ismi alıyor. Eğer bu bağlantı paralel yapılmış olsaydı Paralel Hartley ismini alacaktı.
Armstrong Osilatör
Meissner Osilatör olarak da bilinen Armstrong Osilatör, yine bir LC osilatör çeşidi olarak karşımıza çıkıyor. İlk kez radyo alıcı-verici devrelerinde kullanılan bu osilatör tipi, 1940'lı yıllara kadar çok popüler idi. Şekilde görülen Armstrong Osilatör devresinde FET kullanılmıştır.
Faz Kaydırmalı Osilatör (Phase Shift)
Yükseltici olarak transistör veya op-amp kullanan Faz Kaydırmalı Osilatör, bir RC Osilatör çeşidi olarak görülebilir. En az 180 derecelik bir faz farkı isteyen devre, yüksek frekanslarda 270 derecelik bir faz farkı da yaratabiliyor. Şekildeki op-amplı faz kaydırmalı osilatör devresinde 4 direnç ve 3 kapasitör kullanılmıştır. Her RC hücresinde ise çıkış sinyali için aşama aşama geri besleme sinyali oluşturuluyor.
KAYNAK:
1- MEGEP
2- ELEKTRİKPORT
