LED - FOTODİRENÇ ÇİFTİ İLE TASARLANMIŞ OPTOELEKTRONİK OSİLATÖR

(OPTOELECTRONİC OSCILLATOR DESIGNED WITH LED - PHOTORESISTOR PAIRS)

Eldar MUSAYEV, İsmail TEKİN

Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Elektronik Mühendisliği Bölümü

Klasik osilatörlerin frekanslarını, devrede kullanılan kondansatörler belirler. Düşük frekans üreten osilatörlerde kullanılan kondansatörlerin kapasitesi, dolayısıyla boyutları çok büyük olmaktadır. Bu da osilatörün entegre veya çip şeklinde tasarlanmasını engeller. Optoelektronik osilatörlerde ise frekans belirleyici devrelerinde büyük boyutlu kondansatörler yerine fotoalıcı - LED çifti kullanılır (Musayev, E.). Optoelektronik osilatörler düşük frekanslı titreşimler üretmek, ışın şiddetini frekansa dönüştürmek, bir cismin emilme veya yansıma katsayılarını frekansa dönüştürmek amacıyla kullanılabilirler.

optoelektronik, osilatör, LED, fotodirenç, ışık, frekans. / optoelectronic, oscillator, LED, photoresistor, light, frequency.

1. GİRİŞ

Elektroniğin bir dalı olan optoelektronik, günümüzde çok hızlı gelişmektedir. Işın vericiler, fotoalıcılar, ve bunların elektronik devreleri ile bağlantıları ve bu şekilde elde edilen devrelerin analizi optoelektroniğin temelini oluşturmaktadır. Optoelektronik devreler ile çeşitli sistemler tasarlanabilir. Bu makalede LED - fotoalıcı çifti ile tasarlanmış optoelektronik osilatör devresi incelenmiştir. Optoelektronik osilatörün temelinde darbeli ışın ile ışıklandırılmış fotodirencin zaman sabiti vardır. Yani fotodirencin ışığa duyarlı yüzeyine düşen ışık ile direncin değişimi arasında olan gecikmedir. Optoelektronik osilatörde klasik osilatörlerdeki gibi kondansatör - direnç veya endüktans - direnç devreleri kullanılmamaktadır. Böylece düşük frekanslı sinyal üretiminde büyük değerli ve boyutlu kondansatör kullanılması zorunluluğu ortadan kaldırılmıştır. Osilatörün frekans belirleyici devresi LED-fotodirenç çifti ile geliştirilmiştir.

Optoelektronik osilatörlerin frekans belirleyici devresinde LED - fotoalıcı çifti kullanılmaktadır. Fotoalıcı, darbe şeklinde modüle edilmiş bir ışık () ile uyarılırsa elde edilen fotosinyal aşağıdaki denklem ile belirlenir.( Musayev, 1997)

   ........................(1)

Burada ; fotosinyal, ; fotoalıcının ışığa duyarlı yüzeyine düşen ışık, t ; zaman sabiti, ; fotoalıcının duyarlılığıdır. LED akımı ile ışık gücünün değişimini () lineer olduğunu kabul ederek fotosinyalin ifadesi,

   ........................(2)

şeklinde elde edilir. Burada, ; LED akımı,; LED'in akımı ışığa çevirme katsayısıdır. Bu diferansiyel denklemin çözümü fotoalıcının geçit karakteristiğini ifade eder. Fotosinyalin yükselme ve düşme süreleri eksponansiyel denklemler ile gösterilebilir.

   ........................(3)

Burada, ; sinyalin yükselmesi, ; sinyalin düşüşü, ; darbe süresi, ; boşluk süresi, yükselme ve düşme zaman sabitleri, ; sinyalin maksimum değeridir. Bu denklemlerden ve Şekil 1'den de görüldüğü gibi fotosinyalin yükselme ve düşme süresi bir zaman sabitine sahiptir. Bu zaman sabiti fotoalıcının yapısına ve tipine göre değişir. Örneğin fotodirençler için bu zaman sabiti çok büyük, fotodiyotlar ve fototranzistörler için ise daha küçüktür. Tasarlanan optoelektronik osilatörün istenen frekans bölgesini kapsaması için gerekli fotoalıcı seçilebilir.

Şekil 1.

Şekil 2’de optoelektronik osilatörün şeması gösterilmiştir. Optoelektronik osilatör iki N-P-N tranzistörden, dirençlerden ve LED - fotodirenç çiftinden geliştirilmiştir. Devredeki tranzistörlerin çalışma rejimlerini R₁, R₂, R₃, R₄ dirençleri ve fotodirenç - LED çifti belirler.

Optoelektronik osilatörün frekansı dır. Şekil 5’de gösterildiği gibi ve alınarak optoelektronik osilatörün çıkışında elde edilen kare darbelerin süresi ve boşluk süresi bulunabilir:

   ........................(4)

Bu denklemlerden ve zamanları aşağıdaki gibi bulunabilir.

   ........................(5)

Böylece osilatörün frekansı,

   ........................(6)

olur. Optoelektronik osilatörde gereken faz farkı fotodirencin zaman sabiti ile oluşan gecikme süresi ile elde edilir.

Şekil 2. Optoelektronik osilatörün şeması.

Osilatörün frekansı, (devrede bulunan dirençlerin değerleri sabit olması koşuluyla ) fotodirencin karanlık ( ve ışıklandırılmış durumdaki dirençleri ( ve LED’in akımı ile belirlenir. Çünkü fotodirencin direnci LED’den gelen ışık ile belirlenir. LED’in ışını ise üzerinden geçen akım ile belirlenir.

   ........................(7)

Burada, ; fotodirencin ışını dirence çevirme katsayısı, ; LED’in akımı ışına çevirme katsayısı,; LED’in akımıdır.

Fotodirencin karanlık direnci çok büyük değerlere sahiptir (genelde 10 MW ‘lar mertebesinde). Bu da devrenin kararlılığını ve frekansını olumsuz etkilemektedir. Karanlık direncin değerini azaltmak için optoelektronik osilatörde R₄ direnci kullanılmıştır. Bu direnç LED üzerinde sabit bir akım oluşturmakta ve karanlık direncin mertebesini belirlemektedir. Yani karanlık direnci ışık olmadığı değerden yeni bir ışıklandırılmış mertebeye düşürmektedir. Bu durum grafik olarak Şekil 3’de gösterilmiştir. Burada birinci eğri (1) fotodirenç üzerine ışık düşmediği durum içindir. İkinci eğri (2) ise LED üzerinden sabit bir akım (R₄ direnci ile sağlanan akım) geçtiği durum içindir.

Bu durumda LED üzerinden iki akım akmaktadır. Birinci akım R₄ direnci ile belirlenen sabit akımdır. İkinci akım ise T₂ tranzistörü üzerinden akan modüleli akımdır. Şekil 4’de LED üzerinden akan akımlar ve bu durumu açıklayan zaman diyagramı gösterilmiştir.

LED üzerinden akan toplam akım,

   ........................(8)

dır.

Burada, I_s; R₄ direnci ile belirlenen akımdır. Bu akım fotodirencin karanlık direncini gereken seviyeye düşürmektedir. I_m; modüle edilmiş akımdır. Şekil 4’den de görüldüğü gibi bu akım genelde kare dalga şeklindedir.

LED üzerinden akan sabit akım değeri,

   ........................(9)

şeklindedir. (9) nolu formülü (7) nolu formülde yerine konarak fotodirencin yeni karanlık direnci,

   ........................(10)

şeklinde elde edilir. Burada ; LED’in eşik gerilimidir. Fotodirenç karanlık durumda iken T₁ tranzistörü kesimdedir ve dolayısıyla LED üzerinden akım akmaz. T₂ tranzistörünün kollektör gerilimi yaklaşık olarak besleme gerilimine eşit olur. Fotodirencin karanlık direnci, R₂ direncine ve birinci tranzistörün giriş direnci h_ie’ye göre çok büyük olduğundan birinci tranzistörün baz akımı fotodirencin karanlık akımına eşit olur:

   ........................(11)

olur. Bu akım T₁ tranzistörünün durumunu değiştirmek için yeterli değildir. Tranzistör T₁ kesimde iken, tranzistör T₂ doyuma geder ve LED üzerinden akım akmaya başlar. LED’in ışığı fotodirencin ışığa duyarlı yüzeyine düşer. Bu durumda fotodirencin ışıklandırılmış durumdaki direnci,

   ........................(12)

formülü ile belirlenir. Işıklandırılmış durumdaki direnci oluşturan LED akımın değeri,

   ........................(13)

LED’in R₃ ve R₄ dirençleri ile oluşan akımları hesaba alarak fotodirencin direnç değeri,

   ........................(14)

olur. Tranzistör üzerinde düşen gerilimi dikkate almazsak fotodirencin direnç değeri,

   ........................(15)

olur. Fotodirenç üzerine ışık düştüğü durumda fotodirenç üzerinden akan akım,

   ........................(16)

olur. Burada , birinci tranzistörün giriş direncidir. olarak kabul ederek ve ara hesaplamaları atlayarak,

   ........................(17)

şeklinde olur. olursa ve olarak kabul edersek T₁ tranzistörünün baz akımı,

   ........................(18)

olur. Burada , birinci tranzistörün baz - emetör gerilimidir. T₂ tranzistörünün baz akımı, T₁ tranzistörü kesimde iken akar ve R₁ direnci ile belirlenir.T₂ tranzistörü doyumda çalışır.

Optoelektronik osilatörün düzgün ve verimli çalışması için devrede kullanılacak olan elemanlar uygun şekilde seçilmelidir.

Optoelektronik osilatör, besleme gerilimine bağlandığında T₁ tranzistörü kesimdedir. Çünkü fotodirencin direnç değeri çok büyüktür (karanlık direnç). T₂ tranzistörü ise iletimdedir. LED üzerinden akım akar. Bu akım ile oluşan ışık fotodirencin ışığa duyarlı yüzeyine düşmektedir. Fotodirencin direnç değeri bir zaman sabiti ile azalmaya başlar. Bu direnç ile oluşan sinyal U₁ (Şekil 5) değerine ulaşırken T₁ tranzistörü doyuma (iletime) geçer. T₂ ise kesime geçer. LED üzerinden akım geçmez ve ışık kesilir. Fotodirencin direnci bir zaman sabiti ile yükselmeye başlar ve oluşan sinyal değeri U₂ değerine ulaşırken T₁ kesime, T₂ ise iletime geçer ve LED üzerinden yeniden akım akar. Olay bu şekilde periyodik olarak devam eder ve periyodik kare darbeler üretilir. Bu olay Şekil 5’de verilen zaman diyagramları ile gösterilmiştir.

Şekil 5. Optoelektronik osilatörün çalışmasını ifade eden zaman diyagramları.

 

Optoelektronik osilatörler, çeşitli amaçlar için kullanılabilirler. Osilatör devresinde kondansatörlerin olmaması bu devreleri entegre veya çip şeklinde tasarlanmasına olanak verir. Optoelektronik osilatörlerin düşük frekanslarda kullanılması daha avantajlıdır.

LED ile fotodirencin optik bağlantısını sabitleyerek ve fotodirenç, dış ışınlara açık olacak şekilde tasarlanarak ışığı frekansa dönüştüren bir devre elde edilebilir. Şekil 6’da bu amaç için tasarlanmış devrenin şeması gösterilmiştir.

LED ile fotoalıcı arasındaki optik kanal açık olarak tasarlanırsa bu kanala yerleştirilen çeşitli cisimlerin emilme katsayıları frekansa dönüştürülebilir. Şekil 7’ de bu amaçla tasarlanmış devre örneği gösterilmiştir.

Optoelektronik osilatörün bir devre örneği ve devrenin çeşitli noktalarında elde edilen sinyallerin şekilleri (Şekil 10) gösterilmiştir. Fotodirenç olarak NSL19-M51 tipi fotodirenç kullanılmıştır. Bu fotodirencin katalog değerleri Çizelge 1’de gösterilmiştir.

LED olarak yeşil veya sarı ışık veren LED kullanılabilir. Seçilen LED'in spektrum diyagramının maksimumu, fotodirencin spektrum diyagramına Şekil 8'de gösterildiği gibi uygun seçilmelidir. Deneyde L-517 EGW tipi LED kullanılmıştır. Bu LED 10 mA'lik akımda 3,6 mcd'lik ışın şiddetine sahiptir. LED'in eşik gerilimi 1,8 V'tur.

Devrede iki adet BC239 tipi silisyum tranzistör kullanılmıştır. Deneyin amacı devre elemanlarının çıkış işareti üzerindeki etkilerini araştırmaktır.

Denemeler yapılması için Şekil 10'da gösterilen optoelektronik osilatör devresi kurulmuştur. Dış ışığın etkisini engellemek için LED-fotodirenç çifti Şekil 9'da gösterildiği gibi siyah bir boru içine yerleştirilmiştir.

Osilatör devresinde kullanılan direnç değerleri şunlardır:R₁=1kW , R₂=22kW , R₃=1kW , R₄=22 kW . Bu değerler için ve besleme gerilimi V_CC=12V olmak üzere devrenin önemli noktalarında elde edilen işaretler Şekil 10'da gösterilmiştir.

Devredeki dirençlerin çıkış işareti üzerindeki etkisini araştırmak için direnç değerleri belli aralıklarda değiştirilmiş ve her bir adımda darbe - boşluk oranı hesaplanmıştır. Bir direncin değerinin etkisi araştırılırken diğer dirençler sabit tutulmuştur. t_D/t_B=f(R) fonksiyonları grafik olarak elde edilmiştir (t_D/t_B 'yi Q ile gösterelim).

Kare dalga üreten osilatörlerde çıkış sinyalininin frekans parametresi yerine darbe boşluk oranını kullanmak daha iyidir. Çünkü bazı durumlarda darbe - boşluk oranı önemli ölçüde değişse de frekans sabit kalabilmektedir. Bundan dolayı denemelerde direnç değerlerinin frekans üzerindeki etkisi yerine darbe - boşluk oranı üzerindeki etkisi araştırılmıştır.

Şekil 11'de R₁ direnci 560W ile 8,5kW arasında değişik değerler alınarak t_D/t_B=Q oranının değişimi tespit edilmiştir.

Bu eğrinin MATLAB programı ile elde edilen matematiksel fonksiyonu,

şeklidedir.

R₁ direncinin değeri T₁ tranzistörünün kazancını ve T₂ tranzistörünün doyumunu etkiler. LED üzerinde düşen gerilimin eğilimi (Şekil 10'da görüldüğü gibi) bu direncin değeri ile belirlenir. Bu direncin değeri fotodirencin direncinin düşmesini az miktarda etkiler. Çünkü T₂ tranzistörü doyumda iken LED akımı R₃ direnci ile belirlenir.

Şekil 12'de R₂ direnci 1kW ile 27kW arasında değişik değerler alınarak t_D/t_B=Q oranının değişimi tespit edilmiştir.

Bu eğrinin MATLAB programı ile elde edilen matematiksel fonksiyonu,

şeklidedir.

R₂ direncinin değişimi T₁ tranzistörünün baz gerilimini etkilemektedir. Çünkü bu direnç fotodirenç ile bir gerilim bölücü oluşturur. Ancak fotodirence ışık düştüğünde direnç değeri, R₂ direncinin altına düşer ve etkisini kaybeder.

Şekil 13'de R₃ direnci 560W ile 1kW arasında değişik değerler alınarak t_D/t_B=Q oranının değişimi tespit edilmiştir.

Bu eğrinin MATLAB programı ile elde edilen matematiksel fonksiyonu,

şeklidedir.

T₂ tranzistörü doyumda iken LED akımını R₃ direncinin değeri belirler. LED'in akımı arttığında fotodirencin ışıklandırılmış durumdaki direnci düşer. Bu da T₁ tranzistörünün çalışmasını etkilemektedir.

Şekil 14'de R₄ direnci 15kW ile 27kW arasında değişik değerler alınarak t_D/t_B oranının değişimi tespit edilmiştir.

Bu eğrinin MATLAB programı ile elde edilen matematiksel fonksiyonu,

şeklidedir.

R₄ direncinin değeri fotodirencin karanlık seviyesini değiştirmektedir. Sinyalin yükselme bölgesini fazla etkilemez. Bu direncin asıl fonksiyonu fotodirencin karanlık direncini düşürmesidir.

Bu çalışmada optoelektronik osilatör tasarlanmıştır. Optoelektronik osilatörün frekans belirleyici devresinde kondansatör yerine fotoalıcı - LED çifti kullanılmıştır. Osilatörün yapısı ve çalışma prensipleri açıklanmıştır. Optoelektronik osilatörün kullanımını ifade eden örnekler gösterilmiştir. Pratik olarak LED - fotodirenç çiftiyle bir osilatör devresi tasarlanmıştır ve pratik sonuçlar elde edilmiştir.

1) MUSAYEV, E., “Optoelektronik osilatör”. Patent No: 630733.

2) MUSAYEV, E. (1997): “Optoelektronik”, Bursa, Uludağ Üniv. Basımevi, No:122, 143 s.