Temel Elektronik
Osilatörler konusuna kristal osilatörler ile devam ediyoruz.
En sonunda Temel Elektronik Köşesi Yazıları böylece Bitmiş Oluyor. Gelecek ay yeni bir köşe ile yazarımız karşınızda olacak.
GERİ BESLEME VE OSİLATÖRLER � 6:
Bu ay ki konumuz Kristal osilatörler.
Bir osilatör, bir alıcı yada verici sabit bir frekansta çalışacaksa yani çalıştığı frekansta az da olsa bir değişiklik olmayacaksa o zaman devredeki osilatörün kristalli olması en iyi yöntemdir. Kristal osilatörün ana parçası olan piezoelektrik kristal çoğunlukla kuvars madeninden yapılır. Kuvars, çeşitli büyüklüklerde kesilerek, yontularak çeşitli frekanslar için üretilir. Osilatör için üretilmiş bir kuvars yuvarlak vitamin haplarına yada küçük dikdörtgen prizmaya benzer.
Bir kuvars kristaline basınç uygularsak iki kenarı arasında bir gerilim oluşturur. Kuvars benzeri maddelerle yapılmış çakmaklar buna bir örnektir. Tersi biçimde bir kuvars kristaline DC gerilim uygularsak bu kez de burkulur. Tersi bir gerilim uygularsak diğer yönde burkulur. AC bir gerilim uygularsak, uygulanan AC gerilimin frekansında her iki yöne burkulur yani titreşir. Uygulanan AC gerilimim frekansı, kristalin bir kesim özelliği olan rezonans frekansında ise o zaman en büyük titreşim elde edilir.
Yukarıdaki paragrafta anlattığım gibi kristalin hareketleri mekaniktir. Bu mekanik hareketi sağlayan kristalin elektriksel modeli ise aşağıdaki şekildedir.
Bu şekil sol tarafı bir seri rezonans devresidir. Bu seri kısım kristalin hiç bir bağlantı ucu olmayan halini temsil eder. Sağ taraftaki Cj ise kristalin bağlantı elektrotları ve elektrotları elektronik devreye bağlayan bağlantı telleri arasındaki kapasiteyi temsil eder. Piezoelektrik kristallerin Q değerleri çok yüksek olur tipik bir değer olarak 5000 diyebiliriz.
Şeklin sol tarafına dönecek olursak L ve C kristalin rezonans frekansıdır ve kesim şekli ile büyüklüğü ile belirlenir. R direnci ise kristalin mekanik salınımına yaptığı direnmedir. R direnci ihmal edilirse seri kısmın rezonans frekansı;
Sağ tarafta seri rezonans devresine paralel bir Cj kondansatörü var. Bu kondansatörün değeri seri rezonans kısmındaki kondansatörden çok büyüktür. Bir örnek verecek olursak, tipik bir kristalde C=0,025pf Cj=3,5pf gibi. Bu durumda kristalin paralel devre olarak rezonans frekansı;
Paralel rezonansta oluşan frekans, seri rezonansta oluşan frekanstan biraz daha yüksektir. Tipik olarak seri rezonans frekansı paralel rezonans frekansının 0,9 daha düşüğüdür. Kristali paralel rezonansta çalıştırmanın bir avantajı vardır. Cj kondansatörü kristalin bağlantıları ile ilgili olduğu için kristale dışarıdan ayarlı bir kondansatör takarak (trimer kondansatör) frekansı çok az aşağı yada yukarı çekmek mümkündür. Bu değişim çok fazla olmamak koşulu ile ince ayar için çokça kullanılır.
Kristal bir kütleye sahiptir. Bu nedenle ısındığı yada soğuduğu zaman hacmi dolaysıyla frekansı değişir. bu değişim az olmasına rağmen hassas devrelerde istenmez. ısıya bağlı frekans kaymasını önlemek için kristaller sabit ısıda çalıştırılır. Sabit ısı, içinde kristal ve termostatlı ısıtıcı bulunan küçük fırınlarla (crystal owen) sağlanır.
Aşağıda çeşitli kristal osilatör devreleri görülmektedir.
Yukarıdaki devrede kristal paralel rezonans devresi olarak çalıştırılır. Bu durumda kristal çok yüksek empedans gösterecektir. FET transistörün akaç tarafındaki L C kristal frekansına yakın bir değere ayarlanır.
Yukarıdaki devrede kristal seri rezonans devresi olarak çalışır. Dikkat edilirse kristal devrede geri besleme elemanı olarak kullanılmaktadır. Kristal rezonans frekansında minimum empedans gösterecek ve maksimum geri besleme yapacaktır. Devrenin diğer malzemelerden olabilecek kararsız durumları osilatörün çalışma frekansını etkilemeyecektir.Cc kondansatörü büyük değerli örneğin 10nF gibi seçilir. RFC ise büyük değerli çok turlu bir bobin olup osilatörün frekansına yüksek empedans göstererek besleme kaynağından kısa devre olmasını engeller.
Düşük frekanslarda kristal osilatörlere bir örnek olarak işlemsel yükselteçli yukarıdaki devreyi verebiliriz. Bu devrede de kristal seri rezonans olarak kullanılır. Çıkıştaki diyotlar çıkış sinyalini kırparak kare dalga şeklini almasını sağlar. Devre çıkışında kare dalga olması istenmezse diyotlar takılmamalıdır.
Overtone piezoelektrik kristal:
Bir kristal osilatörün kesim biçimi, kristalin çalışma frekansı ile doğrudan ilişkilidir. Bundan dolayı kristaller iki tür kesilerek üretilirler. Birincisi ana frekans üreten kristaller. bu tür kristaller genel olarak en çok 50Mhz´ye kadar yapılır. İkincisi ise ana frekansının üzerinde çalışan kristaller (over tone). Over tone kristaller en az 50Mhz yada daha üzeri frekansta çalışacak şekilde üretilir. Over tone kristaller, ana frekansta çalışan bir kristalin kalınlığından daha fazla kalınlığa sahiptir. Örneğin 20Mhz´de çalışan bir kristal 1mm kalınlığında olsun. 30Mhz overton çalışan bir kristal en ve boyu sabit kalmak üzere 3mm kalınlığa sahiptir. Yüksek frekansta çalışan ana frekansa sahip kristal üretilmemektedir. Bunun nedeni, kristalin kalınlığının çok incelmesinden oluşan üretim güçlükleridir. Bu kristallerin bir özelliği de ana frekansın hep tek katı (3, 5 gibi) frekans üretmeleridir. Overtone kristallerin dezvantajı olarak; Osilatör devrelerinde ana frekansı bastırmak için filtreler gerektirir. Ayrıca daha düşük Q değerlerine sahiplerdir.
Değerli arkadaşlar, 1998 yılından bu yana yazdığım Temel Elektronik yazılarının bence sonuna geldik. Belki de birkaç konu eksik kaldı diyebilirsiniz. Bence tamam. Sayısal devreler, doğrusal olmayan devreler, D/A A/D devreler gibi konular pekte "temel" olmayıp biraz ileri kalır. Bu yazı dizisini hazırlarken amacım, elektronik konusunda hiç bilgisi olmayan ama bir şeyler öğrenmek isteyen arkadaşlarımı başlangıçtan alıp bir yerlere getirmekti. Umarım başarılı olmuşumdur.
Hepiniz sevgiyle kalın..
Saygılarımla…
Şahin KÜLİĞ
