SEZİCİ ELEMANLAR VE DÖNÜŞTÜRÜCÜLER Ders Notları

Tem

5th

SEZİCİ ELEMANLAR VE DÖNÜŞTÜRÜCÜLER Ders Notları

Yazarlar: Mehmet YILMAZ

İbrahim Kaya

SENSÖRLER VE TRANSDÜSERLER
Elektrik mühendisliği açısından bakıldığında büyüklükler, elektriksel büyüklükler (akım , gerilim , direnç ) ve elektriksel olmayan büyüklükler olarak iki grupta toplanabilir. Bu büyüklükler üzerinde bir işlem yapmak ya da bir kontrol değişkeni olarak kullanabilmek için ölçülmeleri şarttır. Elektriksel olmayan büyüklükler çoğu zaman elektriksel büyüklüklere dönüştürülerek ölçülür. Elektriksel olmayan büyüklükleri elektriksel biçime dönüştürmek için dönüştürücülere ihtiyaç vardır. Enerjiyi bir biçimden başka bir biçime dönüştüren elemanlara dönüştürücü denir.
Başka bir deyişle dönüştürücü ( transdcuser ) , bir çeşit sezici eleman yada cihazdır. Fiziksel veya kimyasal büyüklükleri elektrik , pünomatik , ya da hidrolik çıkışlara dönüştürür. Kullanım biçimine bağlı olarak , dönüştürücüler genel olarak elektriksel ve mekaniksel dönüştürücüler olarak iki gruba ayırabiliriz.
Elektriksel etkiyle çalışan dönüştürücüler , girişlerine mekanik, kimyasal, ısı, elektro mekanik vb. formlarda giriş yapılabilen ve bu formdaki giriş değişkenlerine orantılı olarak elektriksel çıkış verirler.
Kontrol edilecek ya da ölçülecek fiziksel büyüklükleri sezen ve elektriksel forma dönüştüren çok sayıda dönüştürücüler mevcuttur. Bunlardan bazıları ;
1) Pozisyon duyarlık elemanları
2) Foto elektrik elemanlar
3) Manyetik duyarlık elemanları
4) Endüktif duyarlık elemanları
5) Kapasitif duyarlık elemanları
6) Diğer duyarlık elemanları

1.1 POZİSYON DUYARLIK ELEMANLARI
1.1.1 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.
1.1.2 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.
1.2 FOTO-ELEKTRİKSEL DÖNÜŞTÜRÜCÜLER
Üzerine düşen ışık enerjisi ile iletkenliği değişen ya da ışık enerjisini , elektrik enerjisine dönüştüren elektronik devre elemanlarıdır.
1.2.1 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 makinelarında 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.
1.2.2 FOTOSEL (PHOTOCONDUCTİVE CELL)
Üzerine düşen ışığın yoğunluğuna göre direnci değişen bir elemandır. Direnç, üzerine düşen ışıkla ters orantılı olarak değişir. LDR olarak ‘ da bilinmektedir
1.2.3 FOTODİYOT
Üzerine düşen ışık yoğunluğuna bağlı olarak direnci değişen ve tek yönde akım İleten elemandır.
1.2. 4 FOTOTRANSİSTÖR
Foto transistörlerin beyz polarması ışık şiddetisağlanır. 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.
1.2.5 LED (Light Emiting Diode )
İletime geçtiğinde ışık çıkaran diyod’dur. N Yarı iletken tabakasının yapısına göre şu renkler elde edilir.
Ga As P (Gallium, Arsenide Phosphide): Kırmızı ışık.
GA P (Gallium Phosphide): Yeşil ışık
Çoğunlukla kırmızı, yeşil, san veya beyaz renkli, dış mahfazayı oluşturan merceği vardır. Katod ucu, Anod’dan 1 mm. kadar daha kısadır.
LED doğru polarma ile çalışır. Tipik olarak, LED’e uygulanan voltajın 1.2 volt değerine ulaşmasından itibaren, akım hızla artar. Akım maksimum değerine ulaştığında, LED üzerindeki voltaj 1.6 volt’ta sabit kalır. Çoğunlukla 5 ila 5 Om A değerinde olması gereken akım, LED’e seri bağlanan bir dirençle sağlanır.
1.2.6 OPTO KUPLÖR
Elektriksel işaretleri , diğer bir devreye optik olarak aktaran devre elemanlarıdır. Sinyal iletimi ışık yoluyla olduğundan iki devre birbirini elektriksel olarak yüklemezler. Devrenin bir tarafında meydana gelen arıza diğer tarafı etkilemez.İçerisinde bir LED ile bir FOTO –eleman vardır. Ayrıca FOTOKUPLÖR olarak da anılmaktadır.
1.2.7 FOTOELEKTRİK SENSÖRLER
Bu tip elemanlar yukarıdaki açıkladığımız optik elektrik yöntemlerinin biri ya da bir kaçı kullanılarak ışık sensörleri de denen fotoelektrik sensörler yapılmıştır. Her türlü malzeme, cisim ya da insan algılama için kullanılır. Şeffaf ya da reflektif malzeme algılama, renk algılama gibi en zor uygulamalar dahil tüm uygulamalarda kullanılır. Karşılıklı reflektörlü, polarize reflektörlü, cisimden yansımalı, arka planı bastırıcılı tipte olanları vardır. Algılama mesafesi 500 metreye kadar olabilmektedir
1.2.7.1 KARŞILIKLI FOTOSEL:
Biri ışık verici diğeri ışık algılayıcı olmak üzere iki eyrı birimden oluşmaktadır.Verici birimden çıkan ışık, alıcı birim tarafından sürekli gözlenir.. Aralarına bir cisim girdiğinde ışık kesilir ve ışığa duyarlı olan diğer elemanda bir değişim olur. Bu değişimi çıkış olarak nitelendirilir. Başka bir elektronik devre bu değişimi kullanarak gerekli işlemi yapar. Bu çıkış bazen bir sayıcıyı tetikleyen pals şeklinde olabilir.
1.72.7.2 REFLEKTÖRLÜ FOTOSEL
Tek üniteden oluşur. Yani verici ışık kaynağı ile ışığa duyarlı eleman aynı birimüzerinde olup, karşıdan ışığı yansıtacak bir yansıtıcı (reflektör ) vardır. Tek tarafa elektriksel bağlantı yapıldığından montajı daha kolay ve ucuzdur. Ancak ışığı iyi yansıtan malzemelerden yansıyan ışık tarafından yanılmalar olabilir.
1.2.7.3 CİSİMDEN YANSIMALI FOTOSEL
Bu tip fotosel de reflektör bulunmaz. Işık cisimden yansır. Cismin yüzey rengi önemlidir. Siyah renkli cisimleri algılamak çok güçtür.
1.2.7.4 FİBER OPTİKLİ FOTOSEL
Alıcı ve verici yine aynı birim içindedir. Fiber optik kablo ile ışık taşınabilir olduğundan fotoselin algılama yaptığı yer ile bulunduğu yerler farklı olabilir. Montaj zorluğu olan yerler de tercih edilir.
1.2.7.5 RENK SEÇİCİ FOTOSEL
Cisimden yansımalı fotosel gibi çalışır. Siyah ile beyaz arasında 15 değişik değeri algılama yeteneğine sahiptir. Ambalaj kağıdı üzerindeki renk işaretlerini algılamak gibi işlemlerde gereklidir. Her rengin sinyal karşılığı farklıdır, bu farktan dolayı renkler ayırt edilebilir. Renk algılayan fotoseller ayarlanırken, önce algılanması istenen rengin üzerine getirilerek çıkış seviyesi belirlenir.
1.2.7.6 LÜMİNİSANS SEÇİCİ FOTOSELLER
Bu tip fotoselin diğerlerinden farkı ultra violet ışık kaynağı kullanmasıdır. Bu ışın luninisans maddeli cisimden geri yansır. Luminisans seçici fotoselin alıcı ünitesi bu geri yansımayı alıp çıkış devresini tetikler. Luminisans seçici fotosel özellikle daha geniş algılama mesafesi sağlar.
1.3 MANYETİK SENSÖRLER
Bir transformatör de spir başına meydana gelen emk sabittir. Ancak sargıları etkileyen manyetik alan şiddeti, değiştirilerek spir başına volt sabiti değiştirilebilir Primer sargıya A.C. giriş uygulandığında, aynı yönlü ve eşit sarımlı sekonder sargılarda eşit miktarda emk oluşur. Sekonder sargılar şekildeki gibi birbiriyle aynı polaritede olan uçlar şekildeki gibi seri sağlanacak olursa çıkıştan alınacak olan gerilim sıfır volt olur.
1.4 ENDÜKTİF YAKLAŞIM SENSÖRLERİ
Metal cisimlerin varlıklarını ya da geçişlerinin algılanması için kullanılır. Diğer bir ifade ile İletken malzemelerin temassız algılanması için kullanılır. yüksek anahtarlama frekansı gerektiren uygulamalarda kullanılır. Plastik ya da metal kılıf içine alınmış olup değişik çaplarda olanları vardır. Algılama mesafeleri, bağlantı tipi ve besleme voltajların göre değişik tipleri vardır. Endüktif sensörlerin içerisinde bobin , bobini besleyen bir osilatör bulunur. Osilatör bobin üzerinden sensörün ön yüzeyine yayılacak bir manyetik alan üretir. Eğer bu alana manyetik bir cisim girerse, Eddy akımları bu metal üzerinde dolaşır. Metal cisim sensöre yaklaştıkça bu akımın değeri artar ve osilatörü durdurur. Osilatörün durması sonucunda çıkış durum değiştirir. İçersinde ya transistö ya da tristör bulunur. Durum değişmesi ile iletimde olan eleman kesime gider.
Endüktif sensör seçerken aşağıdaki özellikler dikkate alınmalıdır.
1) Sensörün tipi : silindirik , kompakt , U kesit, varikont veya yüzük tip gibi değişik tipleri mevcuttur. Kullanılacağı yer dikkate alınarak seçilmelidir.
2) Algılama mesafesi: Endüktif yaklaşım sensörünün algılama mesafesi içindeki bobinin boyutu ile orantılıdır. Ancak algılanması istene cismin büyüklüğü, metalin cinsi,ortam sıcaklığı gibi diğer faktörlere de bağlıdır.
3) Elektriksel çıkış: kontak durumları normalde açık ya da kapalı olması ve kontak akımı dikkate alınmalıdır.
4) Anahtarlama frekansı: Kontağın bir konum değiştirmesi 1 hz olarak düşünülürse saniye de kaç kez açılıp kapanağı göz önüne alınarak anahtarlama frekansı tesbit edilebilir.
5) Özel koşullar: Patlama tehlikesi olan yerler gibi .
1.5 KAPASİTİF DÖNÜŞTÜRÜCÜLER
Kondansatörler iki iletken levha arasında bir yalıtkan tabakadan oluşan elemanlardır.
1.5.1 KAPASİTİF YAKLAŞIM DEDEKTÖRLERİ
Anlatılan özelliklerde biriyle iletkenliğe bağlı olmadan tahta, cam,plastik ve deri gibi malzemelerin ya da akıcı ve taneli yapıdaki malzemelerin temassız algılanması için kullanılırlar. Plastik ya da metal kılıflar içerisinde bulunurlar. Farklı çaplarda silindirik veya kompakt olanları vardır.
1.6 DİĞER DÖNÜŞTÜRÜCÜLER
1.6.1 ISI SENSÖRLERİ
Isınma ile metallerin atomik yapılarındaki elektron hareketlerinde değişmeler olur. İki farklı metalin atomik yapıları farklı olacağından, bu metaller bir noktadan birleştirilirse bu iki metal parçası arasında mili volt mertebesinde bir gerilim oluşur. Ancak bir süre sonra arasındaki bu potansiyel farkı ortadan kalkar. Bu iki farklı metalin birleşme yüzeyi ısıtılacak olursa aradaki meydana gelen potansiyel farkı ısınma ile doğru olarak artacaktır.Bu şekilde iki farklı metalin birleştirilerek ısı enerjisini elektrik enerjisine dönüştürme işlemi endüstri de 1700 C0 dereceye kadar sıcaklıkların ölçülmesinde kullanılmaktadır. Bu iki eleman, termik çift ya da termokupl olarak adlandırılmaktadır.
1.6.2 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 .
1.6.3 BASINÇ SENSÖRLERİ
Basınç, birim yüzeye uygulanan kuvvettir. Üzerine uygulanan basınçla orantılı olarak elektriksel sinyaller üreten kristaller mevcuttur. Elektronikte çok kullanılan kuartz veya baryum titanit gibi piezo-elektrik kristaller kendilerine uygulanan kuvvet ile orantılı olarak bir gerilim yaratırlar. Akış hızı, hız, statik basınç ve sıvı seviyesi gibi ölçümlerde kullanılır.
1.6.4 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.
1.6.5 Senkrolar
Senkrolar aslında yapı itibari ile motora benzerler. Çalışması ise transformatör gibidir. Dönen transformatör olara da düşünülebilir. Bundan dolayı bazen bir motor gibi bazen de trafo gibi anlatılmaktadır. Prensip olarak bir elektrik motoru şeklinde tasarlanmış elemanlardır. Stator ve rotordan meydana gelmiştir. Stator sargısı, 120 derecelik faz farkı ile sarılmış üç sargıdan meydana gelmiştir. Rotor sargısı ise iki kutupludur. Statorun içinde hareket edecek şekilde yerleştirilmiştir.
1.6.5.1 SENKRO KONTROL TRANSFORMATÖRLERİ
Bu ünitede rotorun dönme açısıyla orantılı olarak stator sargılarında da bir elektriki sinyal üretilir.