Transcript enver ã–nder kaynar

T.C.
CELAL BAYAR
ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
ELEKTRİK ELEKTRONİK
MÜHENDİSLİĞİ
Hazırlayan = Enver Önder Kaynar 3003110029
Konu
= Filtreler ve Rezonans
FİLTRELER
İnsan zihni aynı anda sadece bir noktaya konsantre olabilmektedir.
Çevremizde ne kadar çok uyarıcı olsa da kişi sadece bir noktaya dikkatini
verebilmektedir. Elektronik sistemlerde çevrede ne kadar çok sinyal veya
giriş bilgisi olsa da sistemler sadece bir tanesiyle işlem yapacak şekilde
düzenlenmiştir.
Bu tek bir sinyali geçirme işlemine filtre (süzme) işlemi denilmektedir.
Doğrultma ve Filtre Devreleri modüllerinde olduğu gibi filtre devreleri
istenmeyen sinyali engellemektedir. Sadece sistemin çalışmasına uygun olan
sinyalleri geçirmektedir. Bu istenmeyen sinyaller parazit, gürültü ve diğer
sistem sinyalleri olabilir.
En basit tanımıyla elektronik filtre farklı frekanslara sahip sinyallerden
kimilerini geçirip kimilerini bastıran bir devredir.
Teorik olarak seçilen filtre belirli frekans aralıklarını net bir şekilde
süzebilmektedir.Fakat pratikte,hiçbir uygulanabilir frekans seçici devre
seçilen frekansları mükemmel ve tamamen süzemez. Daha ziyade
filtreler,belirli bir frekans bandı dışında frekans içeriğine sahip herhangi bir
giriş sinyalini zayıflatır.(Etkisini azaltır veya söndürür.)
Kullanım Amaçları:
Filtre devreleri, haberleşme sistemlerinin en önemli elemanlarından biri, belirli bir frekans
bölgesinde istenilen bir zayıflama ya da geciktirme karakteristiğini sağlayan devrelerdir.
Hemen hemen haberleşme sistemlerinin tümünde bulunan filtreler, belli bir frekans bandının
geçmesine izin verirken bu bant dışında kalan frekansların ise zayıflatılmasını sağlar ve bu
amaç için tasarlanır.
Yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi havada bulunan elektronik sinyaller çok çeşitlidir. Bu da
bir sinyal karmaşasına sebep olmaktadır. Elektronik bir cihaz bu sinyallerin hepsini
algılamakta fakat bir tanesi ile çalışmaktadır. Diğerleri sistemi bozmakta veya olumsuz
etkilere sebep olmaktadır. Filtre devreleri, burada devreye girmektedir.
Bir örnek vermek gerekirse:
Antenden gelen sinyallerin tümü filtre devresine girdikten sonra filtre devresi sadece gerekli
olan sinyali geçirir ve bunu sisteme iletir ve sistem bu sinyale göre çalışır.
Filtrelerin Kullanım Alanları:
Filtre yapılarına geçmeden önce çok geniş kullanım alanlarına
sahip olan süzgeçlerin ne tür uygulamalarda karşımıza
çıkabileceklerinden bahsedelim. Süzgeçler genellikle doğru
bileşenlerin süzülmesinde, gürültü azaltmada, rezonanstan
kaçınmada veya rezonans oluşturmada, işaret biçimlendirmede,
işaret zayıflatmada ve güç faktörü düzeltmede kullanılırlar.
Elektrik elektronik sistemlerde çok önemli elemanlar olan
süzgeçler özellikle radyo, televizyon, ses, resim, ve data
haberleşmesinde gerekli devrelerdir. Örneğin süzgeçler, telefon
devreleri için olmazsa olmaz devre yapılarıdır, telefon devreleri
süzgeçsiz gerçekleştirilemezler. Kuranportörlerde, ses ve hi-fi
sistemlerde ve elektronik müzik uygulamalarında önemli
işlevleri vardır. Ayrıca sismoloji, jeofizik, tıbbi elektronik, beyin
dalgaları ve uzaktan ölçüm gibi birçok bilimsel araştırma
konusunda da çok önemli işlevleri mevcuttur.
Filtrelerin Sınıflandırılması:
Sinyallerin bu kadar çeşitli olduğu elektrik-elektronikte bu sinyallerin ayıklanması içinde
değişik filtre çeşitleri mevcuttur. Filtrelerin sınıflandırılmasında değişik kıstaslar vardır.
Bunlar:
1) Yapım elemanlarına göre(pasif filtreler, aktif filtreler)
2) Çalışma prensibine göre(alçak geçiren filtre, yüksek geçiren filtre, bant geçiren filtre, bant
durduran filtre)
Pasif devreler direnç, kondansatör ve indüktör (bobin) gibi temel devre elemanlarıyla
oluşturulurlar. Aktif devreler ise çalışması için bir güç kaynağına gerek olan devrelerdir. Bu
gibi devrelerde transistör ya da mikroişlemci gibi devre elemanları bulunur. Ama bu tür
devrelerde de süzme işini yapan elemanlar pasif elemanlardır.
Belirlenen frekansın altındaki frekansları geçirip üstündekileri zayıflatıyorsa “alçak geçiren
filtre”, üstündekileri geçirip altındaki frekansları zayıflatıyorsa “yüksek geçiren filtre” denir.
Belirli bir frekans aralığındaki frekansları geçiriyorsa “bant geçiren filtre”, frekans aralığını
zayıflatıyorsa “bant durduran filtre” adı verilir
Pasif Filtreler:
En basit filtreler bir direnç ve bir reaktif eleman kullanılarak
yapılan tek kutuplu filtrelerdir. Özellikle RC filtreler gerek alçak
geçiren ve gerekse yüksek geçiren filtre olarak yaygın olarak
kullanılır. Kondansatörün yüksek frekansta kısa devre gibi alçak
frekansta ise açık devre gibi davrandığı göz önüne alınırsa
kondansatörün paralel ya da seri kolda yer almasının filtrenin
özelliklerini ortaya koyduğu da görülür.
Şayet kondansatör paralel kolda ise yüksek frekanslı sinyaller
topraklanır yani bastırılmış olur. Alçak frekanslı sinyaller ise
kondansatörün varlığından etkilenmez. Bu alçak geçiren
filtredir.Seri RL devresinde çıkışı direnç üstünden alarak da
alçak geçiren filtre yapılabilir fakat burada RC alçak geçiren
filtre örneğini vereceğim.
-Paralel kondansatör(pasif alçak geçiren
filtre)-
Alçak geçiren filtre frekans-gerilim eğrisi-
Kondansatör seri kolda ise alçak frekanslı sinyaller açık devre olan
kondansatörden geçemezken yüksek frekanslı sinyaller kısa devre olan
kondansatörden geçer. Bu da yüksek geçiren filtredir.Yine aynı şekilde seri
RL devresinde çıkışı indüktör üzerinden alarak da yüksek geçiren filtre
yapılabilir.
-Seri kondansatör (pasif yüksek geçiren filtre)-
Yüksek geçiren filtre frekans-gerilim eğrisi-
Bant geçiren filtre için alçak ve yüksek geçiren iki filtre seri olarak bağlanır. Bant
durduran filtre ise alçak ve yüksek geçiren filtrelerin paralel bağlanarak seri kola
bağlanması ile elde edilir.
-Pasif Bant geçiren filtre-
-Pasif Bant durduran filtre frekans-Pasif Bant geçiren filtre frekans-gerilim eğrisigerilim eğrisi-
Aktif Filtreler:
Aktif filtreler, aktif bir devre elemanı (opamp, transistör gibi) kullanılarak elde edilen
filtrelerdir. Bobine ihtiyaç duyulmaz. Kesim frekansları nispeten daha kolay hesaplanır ve
hesaplanan değerler daha tutarlı olur. Teorik pratiğe döküldüğünde hata miktarı daha az
olur.
Aktif filtrelerin pasif filtrelere nazaran bazı avantaj ve dezavantajları vardır. Bunlar aşağıda
sıralanmıştır:
 Aktif filtre tasarımında bobin (self) elemanı kullanılmaz. Bu nedenle tasarımı kolay ve
ucuzdur.
 Aktif filtre devrelerinin çıkış empedansı çok düşük, giriş empedansı ise oldukça
yüksektir. Bu nedenle, aktif filtrelerin girişlerine veya çıkışlarına bağlanacak devre veya
devre elemanlarının etkilenmesi söz konusu değildir.
 Aktif filtrelerde, filtrenin geçirgen olduğu frekanslarda herhangi bir zayıflatma olmaz.
Çünkü aktif filtre tasarımında kullanılan opamp, filtre edilen işaretleri yükselterek çıkışına
aktarabilir.
 Pasif filtreler herhangi bir besleme gerilimine gereksinim duymaz fakat aktif filtrelerin
her zaman besleme gerilimine gereksinimleri vardır.
 Aktif filtre tasarımında kullanılan opampların bant genişlikleri sınırlı olduğundan her
frekansta aktif filtre tasarlamak oldukça zordur.
Aktif filtre devrelerinde entegre üretim teknolojisinden kaynaklanan sınırlamalar
nedeniyle self (bobin) elemanı kullanılamaz. Bu eleman yerine negatif empedans
dönüştürücülerden yararlanılarak kondansatörden self elde edilebilir.
 Daha düşük maliyettedir. Aktif filtreler düşük frekanslı pasif filtreler için gerekli olan
büyük indüktör ve kapasitörlere duyulan ihtiyacı ortadan kaldırır.
Alçak Geçiren Filtreler:
Alçak geçiren filtre yapısında kesim frekansından (fc) daha küçük frekanslarda sabit bir
kazanç vardır (genellikle birim kazanç). Kesim frekansında, alçak frekans kazancı
3dB(çıkış gücünün yarıya düştüğü değer) azalır. Kesim frekansından (fc) yüksek
frekanslar bant söndürme frekansı, fc‟den küçük frekanslar ise bant geçirme frekansıdır.
Bant söndürme frekansında kazanç oldukça azalır.
Kesim frekansı, f=1/2πCR2 dir.
-Op-amp'lı aktif alçak geçiren filtre-
-Alçak geçiren filtre frekans-kazanç eğrisi-
Yüksek Geçiren Filtreler:
Yüksek geçiren filtre yapısında kesim frekansından (fc) daha büyük frekanslarda sabit bir
kazanç vardır (genellikle birim kazanç). Kesim frekansında, yüksek frekans kazancı 3dB
azalır. 0 Hz ile kesim frekansı (fc) arasındaki frekanslar bant söndürme frekansı, fc‟den
büyük frekanslar ise bant geçirme frekansıdır. Bant söndürme frekansında kazanç oldukça
azalır.(İhmal edilebilicek boyutlara indirgenir.)
Kesim frekansı, , f=1/2πCR2 dir.
-Op-amp'lı aktif yüksek geçiren filtre-
-Yüksek geçiren filtre frekans eğrisi-
Bant Geçiren Filtreler:
-Bant geçiren devre blok şeması-
İdeal bir bant geçiren filtre alt kesim ve üst kesim frekansları arasında kazancı
yüksek, bunun dışındaki frekanslarda kazancı oldukça düşüktür. Bant geçiren
filtreler alçak geçiren ve yüksek geçiren filtrelerin seri bağlanmasıyla elde
edilir. Alt ve üst kesim frekansları ayrı ayrı hesaplanır. Aradaki değer ise
sistemin bant genişliğini verir.
Rezonans
Rezonans, fizikte bir sistemin (genellikle doğrusal bir sistemin) bazı frekanslarda
diğerlerine nazaran daha büyük genliklerde salınması eğilimidir. Bunlar, o sistemin
rezonans (tınlaşım) frekansları olarak adlandırılır. Bu frekanslarda küçük periyodik
kuvvetler bile çok büyük genlikler üretebilir.
Sürücü bir kuvvetin enerji takviyesi yapmadığı sönümlü bir salınıcı, mekanik
enerjisinin yitip gitmesinden dolayı eninde sonunda durgunluğa varacaktır.
Örneğin salıncakta ki bir çocuk, babası arada bir onu hareketin hızıyla aynı yönde
ittiği kadar saatlerce sallanıp durabilir. Makinelerdeki ve elektrik devrelerindeki
salınımların çoğu zoruna ya da dayatma salınımlardır. Bunlar bir dış kuvvet ya da
etki tarafından oluşturulup sürdürülen salınımlardır.
Rezonanslar, sistemin iki ya da daha fazla farklı yükleme biçimleri arasında enerji
depolayabildiği ya da transfer edebildiğinde (sarkaç durumunun kinetik ve
potansiyel enerjisi gibi) meydana gelir. Ancak döngüler arasında “sönüm” adı
verilen bazı kayıplar söz konusudur. Sönüm küçük olduğunda rezonans frekansı
yaklaşık olarak sistemin doğal frekansına eşittir. Bazı sistemlerin birden fazla, ayrı
rezonans frekansları vardır.
Rezonans olayı mekanik, akustik, elektromanyetik, nükleer manyetik (NMR ),
elektron spin (ESR) ve kuantum dalga fonksiyonu rezonansları gibi bütün titreşim
tipleri ya da dalgalarda oluşur. Rezonant (yani “tınlayan”) sistemler titreşim
üretmek (örn. Müzik aletleri) ya da birçok frekansı yapısında bulunduran karmaşık
titreşimlerden özel frekansları ayırt etmek için kullanılır.
Tacoma Narrows köprüsü
Rezonans, 1602 yılında sarkaç ve müzik aletleri üzerine araştırmaları
sonucunda, Galileo Galilei tarafından keşfedilmiştir.
Ayrıca rezonans mühendislikte teorik olarak; “genliğin sonsuza gitmesi”
şeklinde açıklanır. Periyodik bir etkinin altında olan sistemde salınımlar
olduğunu biliriz. Salınımlar esnasında sistemin normal durumuna göre yaptığı
yer değiştirme miktarına genlik denir. Bu salınımlar eğer sistemin doğal
frekansına eşit olursa, sistemin genliği sonsuza dek artma eğilimi gösterir; bu
olaya rezonans denir. Genliğin sonsuza gitmesiyle yıkıcı sonuçlar oluşabilir.
Örneğin; 1940 yılında ABD'nin Washington eyaletinde yapılmış olan Tacoma
Asma Köprüsü'nün ulaşıma açıldıktan birkaç ay sonra rüzgarın etkisiyle
yıkılması rezonansın varlığını işaret eder.
Rezonans, bobin ve kondansatör kullanılan AC elektrik ve elektronik devrelerinde oluşan
özel bir
durumdur. Herhangi bir AC devrede bobinin “Endüktif Reaktans” ı ile kondansatörün
“Kapasitif Reaktans” ının eşit olması halinde, devre rezonansa gelir
Şebekeden çekilen akımın, Endüktif ve Kapasitif etkiden Kurtulup tamamen omik yük
etkisi altında çalışmasıdır.
Başka bir ifade ile, Kapasitif ve Endüktif yüklerin uyum sağlayarak devrede tamamen omik
yükün etkili olması halidir.
(Sistemdeki Kapasitif yükün tamamı kompanzasyon sistemindeki Kondansatörlerdir.)
Rezonans Sistemde Harmonikler oluşunca Rezonans oluşturabilecek Harmonik Frekanslar
oluşur. Frekans ile Kapasitif Reaktansın ters orantılı değişmesi sebebi ile Sistemde yüksek
Kapasitif akımlar oluşur. Buda şebekenin zorlanmasına ve arızalara yol açar.
Seri ve Paralel Rezonans
Seri ve Paralel RLC devrelerin 3 çalışma durumu vardır.
1. Rezonans durumu ( XL=XC )
2. Rezonans üstü çalışma durumu ( XL > XC )
3. Rezonans altı çalışma durumu ( XC > XL )
Seri REZONANS DURUMU (
XL=XC )
Rezonans anında, endüktif reaktans ile kapasitif reaktans birbirine eşit oluyordu.
Yani başka bir deyişle devrenin rezonansa gelebilmesi için XL = XC olmalıdır. Bu
şart sağlandığında devre rezonansa gelir. XL = XC olduğunda bobin üzerinde
düşen gerilim ile kondansatör üzerinde düşen gerilim birbirine eşit olur. Ancak UL
ve UC arasında 180 derece faz farkı olduğundan, bu iki gerilim birbirini yok eder.
Bu durumda devre direnci R’ye, devre gerilimi UR’ye eşit olur. Yani devre rezistif
çalışır. Aynı zamanda devre empedansı, minimum; devreden geçen akım,
maksimum olur. Seri devreden geçen akımın en yüksek seviyeye ulaşması, seri
rezonans devresinin önemli özelliklerindendir. Özetlenecek olursa; seri rezonans
devresinde empedans ve gerilim minimum, buna karşın akım maksimumdur.
Devre rezistiftir.
PARALRL REZONANS DURUMU ( XL = XC )
Paralel RLC devresinde, rezonans anında devre akımının minimum değere
ulaşması devre empedansının maksimum olmasına neden olmaktadır.
Empedansın en yüksek değere ulaşması paralel rezonans devresinin en
önemli ve en kullanılır özelliğidir.
Kaynakça;
http://hu-ham.blogspot.com.tr/
Hacettepe Üniversitesi Haberleşme ve Amatör
Radyoculuk Topluluğu
http://tr.wikipedia.org/wiki/Manyetik_rezonans_g%C3
%B6r%C3%BCnt%C3%BCleme
http://www.istanbul.edu.tr/eng/cevre/static/sites/defau
lt/files/ELEKTROMANYETIKKIRLENME_0.pdf
http://www.bilim.org
http://www.bilim.org/, Ş. (2003). Aktif Filtrelerin Güç
Kalite Düzenleyicisi Olarak Kullanımı 3e Electrotech
Dergisi 2003/2(105)