Osilatörler - 1

“Merak ilmin hocasıdır”  

Hz.Ali

Tekrar merhabalar, bu yazıda sizlerle birlikte modern dünyayı şekillendiren cihazların kendi kendine işlemesini sağlayan en temel yapısı  osilatörlere göz atıp onları anlamaya çalışacağız. Oldukça detaylı bir konu olduğundan bölerek anlatmayı uygun gördüm. Bu ilk bölümde işin matematiğine girmeden en temel anlamda somut örnekler vererek kavramın kolayca anlaşılabilmesini sağlamaya çalıştım. Faydalı bir seri olmasını ümit ederek başlıyorum.

Osilatör nedir ?

En basit anlamda osilatörü anlamak için önce ‘titreşim’ in tanımıyla başlamamız lazım. Aslında gerek farkında olmadan gerekse olarak doğada en çok karşılaştığımız 3 hareketten biridir titreşim. (diğer ikisi için; doğrusal ve dairesel) Çok basit anlamda titreşimi “iki durum arasındaki salınım” olarak tanımlayabiliriz, eğer sürekli sistemlerden bahsediyorsak salınım bu iki durum arasında da değer alabilir. Mesela, ucuna bir kütle takılmış yay gerilip bırakıldığında başlangıç ve bitiş konumları arasında titreşim yapar ve eğer kütlenin anlık konumuna bakarsak zaman grafiğinin sönümlenen bir sinüs çizdiğini görürüz. Daha iyi anlamak için, içi kum dolu altı delik bir kovanın çalışsan bir üretim bandının üzerine asılarak hafif bir itmeyle bir sarkaç gibi salınım yaptığını düşünelim. Zaman ilerledikçe yürüyen üretim bandının üzerinde dökülen kumun konumunu ve bununda yine bir sönümlenen sinüs olduğunu görebiliriz. Titreşimi anladıktan sonra tam bu noktada osilatörün tanımını da kısaca ‘titreşimi meydana getiren alet’ şeklinde yapabiliriz.

Osilatör nasıl çalışır?

            Osilatörler titreşim üreten cihazlardır ve bunları bazı fiziksel yasalara göre yaparlar. Örnek olarak bir saatin hareketini sağlayan sarkacı düşünelim, her salınımda (1 saniye) mekanik bir düzeneğini tetikleyerek saatin kendi kendine çalışmasını sağlar, fakat yukarıda da belirttiğim gibi fiziksel sistemlerde ki enerji kayıplarından kaynaklanan sönümlenmeden dolayı bir süre sonra enerjisi tükenecek ve sönecektir. Bunu önlemek için bir potansiyel enerji kaynağıyla sürekli beslenmesi gerekir ki bu durumda bunu sağlayan düzenek el ile kurulan yay sistemidir. Yaydaki enerji bitene kadar sarkaç salınımına sabit frekansta devam edecektir. Bir diğer önemli kavram burada karşımıza çıkan ‘sabit frekans’ kavramıdır, yani ‘harmonik salınım’.  Üretilen titreşimin sabit frekanslı olması tercih sebebidir, çünkü ayarlanmış sabit zaman aralıkları sistemin kararlı bir şekilde çalışmasını sağlar. (Tersi bir örnek için yere salınım yapacak şekilde atılan bir bozuk para düşünün, salınım başlarken daha bas, biterken de daha tiz bir ses çıkardığını yani titreşim frekansının arttığını duyabilirsiniz.) Evet, burada tüm anlattığım olaylar tamamen fiziksel olaylardır ve matematik kullanılarak modellenebilirler.

Elektronik Osilatörler

            Başta söylediğim gibi konunun somutlaştırılıp daha iyi anlaşılabilmesi için, işin mekanik karşılığını (benzerini) sunmaya çalıştım. (Aslında elektriksel modellemelerin hemen hemen hepsinin diğer fiziksel sistemlerle benzerlik kurularak daha kolay anlaşılabileceğini savunan biriyim, bunun da altında yatan en önemli sebebin onları modelleyen türevsel denklemlerin aynı türden olması diyebilirim.) Şimdi ise asıl bizi ilgilendiren kısmına geçerek bu önemli devre yapı taşının öncelikle neden bu kadar önemli olduğunu ve nerede, hangi amaçla kullanıldığından bahsedelim.

Nerdeyse her elektronik alet içerisinde bir tane osilatör veya bir çeşit dalga üreteci olması gereklidir. Bu iş için tasarlanmış sinyal, fonksiyon ve darbe üreteçlerini saymazsak, sıradan bir osilatör kaynağı, herhangi bir devirli ölçüm aletinde,  bir ölçümü veya bir süreci başlatan alette veya işlevi periyodik durumları ve dalga formlarını içeren herhangi bir cihazda bulunmak zorundadır. Bunlara neredeyse her şey dâhil edilebilir. Örneğin, osilatörler ve dalga formu üreteçleri, dijital multimetrelerde, osiloskoplarda, radyo-frekansı alıcılarında, bilgisayarlarda, bütün bilgisayar arabirimlerinde (teyp, disk, yazıcı, klavye vb.),  hemen hemen her dijital alette (sayaçlar, zamanlayıcılar, hesap makineleri, dijital göstergesi olan her şey), ve sayılamayacak birçok cihazda kullanılırlar. Osilatörü olmayan bir cihaz ya kendi başına bir şey yapamaz ya da başka bir cihaz tarafından (muhtemelen osilatör barındıran) sürülmek zorunda kalır. Buna bakarak, herhangi bir çeşit osilatörün elektronikte en az bir düzenli DC güç kaynağı kadar gerekli olduğunu söylemek herhalde abartı olmayacaktır.

Uygulamaya bağlı olarak, bir osilatör basitçe düzenli darbe (pulse) kaynağı olarak kullanılabilir (örneğin bir dijital sistem için ‘saat’ (clock)) ya da talep, osilatörün kararlılığı, doğruluğu,  ayarlanabilirliği (örneğin alıcı veya vericideki yerel osilatör) veya keskin dalga şekilleri (osiloskoplardaki yatay rampa dalga üreteçleri) üretebilme kabiliyeti üzerine yapılabilir.

Evet, buraya kadar ki kısımda sizlere ösilatörün tanımından ve çalışma mekanizmasından bahsederek elektronik devrelerde kullanılan osilatörlere girmeden önce bir temel oluşturmaya çalıştım. Bunun oldukça önemli olduğunu düşünüyorum çünkü kullandığımız şeyin yaptığı işlevi nasıl yaptığını bilmeden doğrudan alıp kullanmak biraz hazırcılık gibi gelir her zaman bana. Bu anlamda özelliklede elektronik tasarım alanında kullanılan parçaların en azından kabaca dâhili yapısına hâkim olmak, teorisini bilmek bizi tuhaf bir şekilde rahatlatacak ve detayları öğrenirken keyif almamızı sağlayacaktır.

2. kısımla birlikte elektrik devrelerinde kullanılan titreşim üreteçlerinin (osilatör) fiziksel sistemlerdekine benzer olarak nasıl modellendiğine bakarak popüler bazı osilatör devrelerini inceleyeceğiz ve işe biraz da matematik katarak olay hakkında analitik bir görüş kazanmaya çalışacağız.

Bu serinin bittiğinde sizler için kalıcı bir bilgi birikimine dönüşmesini ve okurken de entelektüel bir keyif almanızı ümit ediyorum.

Hepinize başarılar ve iyi çalışmalar

Emin Üçer 

@Emin_Ucer