Osilatör Nedir?
Elektronik iletişim sistemlerinde ve otomasyon sistemlerinde kare dalga, sinüs dalga, üçgen dalga veya testere dişi dalga biçimlerinin kullanıldığı çok sayıda uygulama bulunmaktadır. Çoğu durumda birden fazla tip sinyal kullanmak ve bunları birbirine senkronize etmek gereklidir. Dolayısıyla bu da istenen işleme uygun bir sinyal üretimini gerektirmektedir. Örneğin bir mikrodenetleyicinin istenen programı yürütebilmesi için kare dalga sinyal ile tetiklenmesi gereklidir. Bu örnek bile kare dalga sinyali üreten osilatörün önemini açıkça göstermektedir.
Osilatör istenilen frekans ve dalga şeklinde elektiriksel titreşimler üreten geri beslemeli yükselteçtir. Diğer bir ifade ile kendi kendine sinyal üreten devrelere “osilatör” denir.
Osilatörler DC güç kaynaklarından beslenir. Bunun sonucu olarak DC gerilimi istenilen frekansa sahip işaretlere dönüştürülür. Osilatörler kontrol sistemlerinde ve televizyon, radyo, telsiz, AM alıcılar, AM vericiler, FM alıcılar ve FM vericiler gibi sistemlerde kullanılır. Elektriksel titreşim ya da diğer adıyla osilasyon, dalga biçimindeki sürekli olarak tekrarlanan değişimdir. Çıkış dalga biçiminin şekli sinüs dalga, kare dalga, üçgen dalga, testere dişi dalga ya da periyodik aralıklarla tekrarlanan herhangi bir dalga şekli olabilir. Aslında bir osilatör, kendi giriş sinyalini kendi temin eden bir yükselteç devresidir.
Şekil 1.1: Temel osilatör blok diyagramı
Bir osilatör devresinin meydana getirdiği sinyallerin veya osilasyonların (titreşimsalınım) devam edebilmesi için;
- Yükseltme
- Geri besleme
- Genlik sınırlayıcı ve frekans tespit ediciye ihtiyaç vardır.
Bir osilatör devresinde çıkışın bir miktarının şekil 1.1‘de görüldüğü gibi girişe geri beslenmesi gereklidir. Geri besleme, bir sistemde yüksek seviye noktasından alçak seviye noktasına enerji transferidir. Diğer bir ifade ile çıkışın girişe tekrar uygulanmasıdır. Geri besleme girişi artırıcı yönde ise pozitif, azaltıcı yönde ise negatif geri beslemedir. Devre kayıplarını önlemek ve osilasyonların devamlılığını sağlamak için kullanılması gereken geri besleme pozitif geri besleme olmalıdır.
Bir osilatörün önceden belirlenecek bir frekansta osilasyon yapabilmesi için bir frekans tespit ediciye ihtiyaç vardır. Osilatördeki geri besleme, frekans tespit edici devredeki zayıflamayı dengeler. Şekil 1.1’de rezonans devresi, frekans tespit edici devre diğer bir değişle filtre devresi olup istenen sinyalleri geçirir, istenmeyenleri bastırır. Rezonans devreleri bobin ve kondansatör elemanlarından ya da direnç ve kondansatör elemanlarından oluşur ve bu elemanların isimleriyle anılır. Osilatör çıkışındaki sinyalin genlik ve frekansının sabit tutulabilmesi için osilatör devresindeki yükseltecin pozitif geri besleme için yeterli kazancı sağlaması gerekir.
Osilatörlerde aranan en önemli özellik frekans kararlılığıdır. Frekans kayması diğer bir değişle frekansta meydana gelen istenmeyen değişimler, kontrol sistemlerinde çok ciddi hatalara sebep olur. Frekans kaymasının başlıca nedenleri şunlardır.
- Besleme gerilimindeki değişmeler
- Mekanik sarsıntılar
- Isı değişimi
- Yük değişimi
Osilatör tasarımlarında bu faktörlere karşı gerekli önlemler alınarak frekans kayması mümkün olduğu ölçüde engellenmelidir.
Osilatör Çeşitleri
Şekil 1.2: Paralel tank devresi
Genel olarak osilatörler, sinüzodial osilatörler ve sinüzodial olmayan osilatörler olmak üzere 2 sınıfa ayrılabilir. Sinüzodial osilatörler, çıkışında sinüzodial sinyal, sinüzodial olmayan osilatörler ise kare, dikdörtgen, üçgen ve testere dişi gibi sinyaller üretir. Kare dalga üreten osilatör devrelerine aynı zamanda “multivibratör” adı verilir. Günümüzde çeşitli adlarla özel osilatör türleri vardır. Bunlara örnek olarak LC Armstrong osilatör, Colpits osilatör, Hartley osilatör, RC faz kaymalı osilatör, Wien köprü osilatör, kristal osilatör verilebilir. Bu modülde wien köprü osilatör, kristal osilatör ve tek kararlı multivibratör hakkında bilgi verilecektir.
Bütün osilatör tiplerinde kondansatörün şarj ve deşarj olma prensibi vardır. Şarj ve deşarjın devamlılığı kararlı biçimde sağlandığında osilasyon meydana gelir. Şekil 1.2’de paralel tank devresi görülmektedir. Bu devre ile osilasyon kavramı daha kolay anlaşılabilir.
Yüksek frekansta sinyallerin üretildiği osilatörler, paralel kondansatör ve bobinden oluşur. Düşük frekanslı osilatörler bobin olmadan da özel tasarımlarla gerçekleştirilebilir. Şekil 1.2’de görüldüğü gibi kondansatör şarj edilip bobine paralel bağlanırsa, kondansatör bobin üzerine deşarj olur. Bobin etrafında manyetik alan oluşturur. Kondansatör, deşarj akımı ile ters yönde şarj olarak manyetik alanı söndürür. Şarj olan kondansatör tekrar deşarj olarak bobin etrafında manyetik alan oluşturur. Kondansatörün bobin üzerine şarj ve deşarjı sayesinde bobin ve kondansatörün değeri ile orantılı olarak bir sinüzodial sinyal üretilir. Rezonans devresinde bir miktar direnç ve kayıp bulunduğundan sinüs dalgası giderek küçülecektir. Bu olaya sönümlü osilasyon denir. Şekil 1. 3’te bu durum görülmektedir. Bu küçülmenin önüne pozitif geri besleme ile geçilir. Sürekli osilasyon işlemi için bobin şart değildir. Çeşitli tipte elektronik devre tasarımlarıyla kondansatörün kararlı bir şekilde dolup boşalması sağlanarak istenen osilatör devresi gerçekleştirilebilir.
Şekil 1.4: Sönümlü osilasyon
Şekil 1.2’de görülen S anahtarı yerine uygun anahtarlama elemanları bağlanarak sönümsüz osilasyonlar elde edilebilir. Şekil 1.4’te sönümsüz osilasyon şekli görülmektedir. Bu şekilde gerçekleştirilen bir osilasyon işleminde sinüzodial sinyalin frekansı; 
formülü ile hesaplanır. Görüldüğü gibi paralel tank devreli bir osilatörde üretilen sinyalin frekansı bobin ve kondansatöre bağlıdır.
Burada sönümsüz sinüzodial sinyal üreten osilatörlere örnek olarak wien köprü osilatör devresi incelenecektir.
Wien Köprü Osilatör Devresi
Wien köprü osilatör hem pozitif hem de negatif geri besleme kullanan bir RC faz kaydırma osilatörüdür. Şekil 1.5’teki devrede, yükseltici olarak giriş empedansı yüksek bir eleman olan OP-AMP kullanılmıştır. Bu osilatör 5HZ ile 1MHZ arasındaki frekansları üretmek için sinyal üreteçlerinde yaygın olarak kullanılan kararlı alçak-frekans osilatörüdür.
Şekil 1.5: Opamplı wien köprü osilatörü
Şekil 1.5‘te görüldüğü gibi R1-C1’den oluşan seri, R2-C2’den oluşan paralel R-C devreleri Wien köprüsünü oluşturur. Bu elemanlar frekansı belirler. R3 ve R4 elemanları ile yükselteçin kazancı sınırlanır. Çıkış sinyali, belli oranda OP-AMP’ın faz çevirmeyen (+) girişine R1-C1 elemanları ile geri beslenmektedir. OP-AMP ‘ın çalışma frekansında R1-C1, R2-C2’den oluşan köprü devresi maksimum geri beslemeyi yapmakta ve bu frekansta faz açısı sıfır olmaktadır.