Sensör ve Dönüştürücü

Bir ışığı tekrar tekrar yakmak veya bir nota çalmak için basit bağımsız elektronik devreler yapılabilir.

Ancak bir elektronik devrenin veya sistemin herhangi bir yararlı görevi veya işlevi yerine getirmesi için, ister bir “AÇMA/KAPAMA” anahtarından bir giriş sinyali okuyarak, isterse bir formu etkinleştirerek “gerçek dünya” ile iletişim kurabilmesi gerekir.

Başka bir deyişle, bir Elektronik Sistem veya devre bir şeyi “yapabilme” yeteneğine sahip olmalıdır ve Sensörler ve Dönüştürücüler bunu yapmak için mükemmel bileşenlerdir.

“Dönüştürücü” kelimesi, hareket, elektrik sinyalleri, radyan enerji, termal veya manyetik enerji vb. gibi çok çeşitli farklı enerji formlarını algılamak için kullanılabilen sensörler ve anahtarlama için kullanılabilen aktüatörler için kullanılan ortak terimdir.

Hem analog hem de dijital ve aralarından seçim yapabileceğiniz giriş ve çıkış olmak üzere birçok farklı sensör ve dönüştürücü türü vardır. Kullanılan giriş veya çıkış dönüştürücünün türü, gerçekten “Algılanan” veya “Kontrollü” olan sinyal veya işlemin türüne bağlıdır, ancak bir sensör ve dönüştürücüyü bir fiziksel niceliği diğerine dönüştüren cihazlar olarak tanımlayabiliriz.

Bir “giriş” işlevini yerine getiren cihazlara genellikle sensörler denir, çünkü bazı uyarımlara, örneğin ısı veya kuvvete yanıt olarak değişen ve bunu bir elektrik sinyaline gizleyen bazı özelliklerde fiziksel bir değişikliği “algılarlar”. “Çıkış” işlevini yerine getiren cihazlara genellikle aktüatörler denir ve hareket veya ses gibi bazı harici cihazları kontrol etmek için kullanılır.

Elektrik dönüştürücüleri bir tür enerjiyi başka bir tür enerjiye dönüştürmek için kullanılır, bu nedenle örneğin bir mikrofon (giriş aygıtı), amplifikatörün yükseltmesi (bir işlem) için ses dalgalarını elektrik sinyallerine dönüştürür ve bir hoparlör (çıkış aygıtı) bu elektrik sinyalleri ses dalgalarına geri döner ve bu tip basit Giriş/Çıkış (I/O) sisteminin bir örneği aşağıda verilmiştir.

Ses Dönüştürücülerini Kullanan Basit Giriş/Çıkış Sistemi

sensör

Piyasada birçok farklı sensör ve dönüştürücü türü mevcuttur ve hangisinin kullanılacağı gerçekten ölçülen veya kontrol edilen miktara bağlıdır ve aşağıdaki tabloda daha yaygın olan türler verilmiştir:

Sensörler ve Dönüştürücüler


Ölçülen Miktar
Giriş Cihazı
(Sensör)
Çıkış Cihazı
(Aktüatör)
Işık SeviyesiIşığa Bağlı Direnç (LDR)
Fotodiyot
Foto-transistör
Güneş Pili
Işıklar ve Lambalar
LED’ler ve Ekranlar
Fiber Optik
SıcaklıkTermokuplör
Termistör
Termostat
Dirençli Sıcaklık Dedektörleri
Isıtıcı
Fanı
Kuvvet/BasınçGerinim Göstergesi
Basınç Anahtarı
Yük Hücreleri
Asansörler ve Krikolar
Elektromıknatıs
Titreşim
KonumPotansiyometre
Enkoderleri
Yansıtıcı/Yivli Opto-anahtar
LVDT
Motor
Solenoid
Panel Metre
HızTako-jeneratör
Yansıtıcı/Yivli Opto-birleştirici
Doppler Etki Sensörleri
AC ve DC Motorlar
Step Motor
Freni
SesKarbon Mikrofon
Piezo-elektrik Kristal
Zil
Sesli
Hoparlör

Giriş tipi dönüştürücüler veya sensörler, ölçtükleri miktardaki (uyaran) değişiklikle orantılı bir voltaj veya sinyal çıkış yanıtı üretir. Çıkış sinyalinin tipi veya miktarı, kullanılan sensör tipine bağlıdır. Ancak genel olarak, tüm sensör türleri, Pasif Sensörler veya Aktif Sensörler olmak üzere iki tür olarak sınıflandırılabilir.

Genel olarak, aktif sensörlerin çalışması için, sensör tarafından çıkış sinyalini üretmek için kullanılan uyarma sinyali adı verilen harici bir güç kaynağı gerekir. Aktif sensörler kendi kendini üreten cihazlardır, çünkü örneğin 1 ila 10v DC çıkış voltajı veya 4 ila 20mA DC gibi bir çıkış akımı üreten bir dış etkiye yanıt olarak kendi özellikleri değişir. Aktif sensörler ayrıca sinyal amplifikasyonu da üretebilir.

Aktif bir sensöre iyi bir örnek, bir LVDT sensörü veya bir gerinim ölçerdir. Gerinim ölçerler, sensöre uygulanan kuvvet ve/veya gerilim miktarıyla orantılı olarak bir çıkış voltajı üretecek şekilde harici kutuplanmış (uyarma sinyali) olan basınca duyarlı dirençli köprü ağlarıdır.

Aktif bir sensörden farklı olarak, pasif bir sensör herhangi bir ek güç kaynağına veya uyarma voltajına ihtiyaç duymaz. Bunun yerine pasif bir sensör, bazı dış uyaranlara yanıt olarak bir çıkış sinyali üretir. Örneğin, ısıya maruz kaldığında kendi voltaj çıkışını üreten bir termokuplçr. Pasif sensörler, direnç, kapasitans veya endüktans gibi fiziksel özelliklerini değiştiren doğrudan sensörlerdir.

Ancak, analog sensörlerin yanı sıra Dijital Sensörler, mantık seviyesi “0” veya mantık seviyesi “1” gibi ikili bir sayı veya rakamı temsil eden ayrı bir çıktı üretir.

Analog ve Dijital Sensörler

Analog Sensörler

Analog Sensörler, genellikle ölçülen miktarla orantılı olan sürekli bir çıkış sinyali veya voltajı üretir. Sıcaklık, Hız, Basınç, Yer Değiştirme, Gerinim vb. gibi fiziksel nicelikler, doğada sürekli olma eğiliminde olduklarından analog niceliklerdir. Örneğin, bir sıvının sıcaklığı, sıvı ısıtıldığında veya soğutulduğunda sıcaklık değişimlerine sürekli olarak yanıt veren bir termometre veya termokuplör kullanılarak ölçülebilir.

Analog Sensörlü Projeler

Karanlıkta LED Yakan Devre (LDR)

Analog Sinyal Üretmek İçin Kullanılan Termokuplör

sensör

Analog sensörler, zaman içinde sorunsuz ve sürekli değişen çıkış sinyalleri üretme eğilimindedir. Bu sinyaller, birkaç mikro volttan (uV) birkaç mili volta (mV) kadar çok küçük değerde olma eğilimindedir, bu nedenle bir çeşit amplifikasyon gereklidir.

Daha sonra analog sinyalleri ölçen devreler genellikle yavaş tepki verir ve/veya düşük doğruluğa sahiptir. Ayrıca analog sinyaller, analogdan dijitale dönüştürücüler veya ADC’ler kullanılarak mikro denetleyici sistemlerinde kullanılmak üzere kolayca dijital tip sinyallere dönüştürülebilir.

Dijital Sensörler

Adından da anlaşılacağı gibi, Dijital Sensörler, ölçülen miktarın dijital bir temsili olan ayrı bir dijital çıkış sinyali veya voltaj üretir. Dijital sensörler, “1” veya “0” (“AÇIK” veya “KAPALI”) şeklinde bir ikili çıkış sinyali üretir. Bu, dijital bir sinyalin yalnızca, tek bir “bit” (seri iletim) olarak veya tek bir “bayt” çıkışı (paralel iletim) üretmek için bitleri birleştirerek çıktılanabilen ayrık (sürekli olmayan) değerler ürettiği anlamına gelir.

Dijital Sensörlü Projeler

PIR Hareket Sensörü

Dijital Sinyal Üretmek İçin Kullanılan Işık Sensörü

sensör

Yukarıdaki basit örneğimizde, dönen milin hızı, dijital bir LED/Opto-dedektör sensörü kullanılarak ölçülür. Dönen bir şafta (örneğin bir motor veya robot tekerleklerinden) sabitlenen disk, tasarımında bir dizi şeffaf yuvaya sahiptir. Disk, milin hızıyla birlikte dönerken, her bir yuva, sırayla, mantık “1” veya mantık “0” seviyesini temsil eden bir çıkış darbesi üreterek sensörden geçer.

Bu darbeler, milin hızını veya devirlerini göstermek için bir sayaç kaydına ve son olarak bir çıkış ekranına gönderilir. Disk içindeki yuva veya “pencere” sayısını artırarak, milin her dönüşü için daha fazla çıkış darbesi üretilebilir. Bunun avantajı, bir devrin kesirleri tespit edilebildiği için daha büyük bir çözünürlük ve doğruluk elde edilmesidir. Daha sonra bu tip sensör düzenlemesi, bir referans konumunu temsil eden disk yuvalarından biri ile konum kontrolü için de kullanılabilir.

Analog sinyallerle karşılaştırıldığında, dijital sinyaller veya miktarlar çok yüksek doğruluklara sahiptir ve çok yüksek bir saat hızında hem ölçülebilir hem de “örneklenebilir”. Dijital sinyalin doğruluğu, ölçülen miktarı temsil etmek için kullanılan bit sayısı ile orantılıdır. Örneğin, 8 bitlik bir işlemci kullanmak, %0.390 (1 parça 256’da) doğruluk üretecektir. 16 bitlik bir işlemci kullanırken %0.0015 doğruluk, 65,536’da 1 kısım veya 260 kat daha fazla doğruluk sağlar. Bu doğruluk, dijital miktarlar çok hızlı bir şekilde manipüle edildiğinden ve işlendiğinden, analog sinyallerden milyonlarca kat daha hızlı bir şekilde korunabilir.

Çoğu durumda, sensörler ve daha özel olarak analog sensörler, ölçülebilen veya kullanılabilen uygun bir elektrik sinyali üretmek için genellikle harici bir güç kaynağına ve sinyalin bir tür ek amplifikasyonuna veya filtrelenmesine ihtiyaç duyar. Tek bir devrede hem amplifikasyon hem de filtreleme elde etmenin çok iyi bir yolu, daha önce görüldüğü gibi İşlemsel Yükselteçleri kullanmaktır.

Sensörlerin Sinyal Koşullandırması

İşlemsel Yükselteç eğitiminde gördüğümüz gibi, op-amp’ler, ters çeviren veya ters çevirmeyen konfigürasyonlarda bağlandığında sinyallerin amplifikasyonunu sağlamak için kullanılabilir.

Birkaç mili-volt veya hatta piko-volt gibi bir sensör tarafından üretilen çok küçük analog sinyal voltajları, örneğin 5v veya 5mA gibi çok daha büyük bir voltaj sinyali üretmek için basit bir op-amp devresi ile defalarca yükseltilebilir. Bir mikroişlemciye veya analogdan dijitale tabanlı bir sisteme giriş sinyali olarak kullanılabilir.

Bu nedenle, herhangi bir yararlı sinyal sağlamak için, bir sensör çıkış sinyalinin, sinyalin amplifikasyonunun doğrusal olması ve çıkış sinyalinin tam olarak yeniden üretilmesiyle birlikte, 10.000’e kadar voltaj kazancı ve 1.000.000’a kadar akım kazancı olan bir amplifikatör ile yükseltilmesi gerekir.

O zaman amplifikasyon, sinyal koşullandırmanın bir parçasıdır. Bu nedenle, analog sensörler kullanılırken, sinyal kullanılmadan önce genellikle bir çeşit amplifikasyon (Kazanç), empedans eşleştirme, giriş ve çıkış arasında izolasyon veya belki de filtreleme (frekans seçimi) gerekebilir ve bu, İşlemsel Yükselteçler tarafından uygun şekilde gerçekleştirilir.

Ayrıca, çok küçük fiziksel değişiklikleri ölçerken, bir sensörün çıkış sinyali, gerekli gerçek sinyalin doğru bir şekilde ölçülmesini engelleyen istenmeyen sinyaller veya voltajlarla “kirlenebilir”. Bu istenmeyen sinyallere “Gürültü” adı verilir. Bu gürültü veya girişim, aktif filtre eğitiminde tartıştığımız gibi sinyal koşullandırma veya filtreleme teknikleri kullanılarak büyük ölçüde azaltılabilir veya hatta ortadan kaldırılabilir.

Bir Alçak Geçiş veya Yüksek Geçiş veya hatta Bant Geçiş filtresi kullanarak, gürültünün “bant genişliği”, yalnızca gereken çıkış sinyalini bırakmak için azaltılabilir. Örneğin, anahtarlardan, klavyelerden veya manuel kontrollerden gelen birçok giriş türü, durumu hızlı bir şekilde değiştirme yeteneğine sahip değildir ve bu nedenle alçak geçişli filtre kullanılabilir. 

Op-amp Filtre Örnekleri

sensör

Filtrelemeden sonra hala bazı rastgele gürültüler kalıyorsa, birkaç örnek almak ve ardından sinyal-gürültü oranını artırmak için nihai değeri vermek için bunların ortalamasını almak gerekebilir. Her iki durumda da, hem amplifikasyon hem de filtreleme, “gerçek dünya” koşullarında hem sensörlerin hem de dönüştürücülerin mikroişlemci ve elektronik tabanlı sistemlere arayüzlenmesinde önemli bir rol oynar.

Sensörler hakkında bir sonraki öğreticide, belirli bir mesafe veya açı için bir konumdan diğerine hareket anlamına gelen fiziksel nesnelerin konumunu ve/veya yer değiştirmesini ölçen Konumsal Sensörlere bakacağız.