Dönüştürücü Türleri

Dönüştürücüler: Tanım, Fonksiyonlar ve Sınıflandırma

Dönüştürücü, fiziksel nicelikleri elektrik sinyallarına dönüştürmede önemli bir rol oynayan elektronik bir cihazdır. İki temel fonksiyonu vardır: algılama ve dönüştürme. Öncelikle, sıcaklık, basınç veya yer değiştirme gibi ilgili fiziksel niceliği tespit eder. Ardından, bu fiziksel niceliği mekanik iş veya daha yaygın olarak ölçülmesi, işlenmesi ve analiz edilmesi kolay olan bir elektrik sinyaline dönüştürür.

Dönüştürücüler çok çeşitli tiptedir ve birkaç farklı kriterlere göre sınıflandırılabilir:

• Kullanılan Dönüştürme Mekanizmasına Göre: Bu sınıflandırma, dönüştürücünün giriş fiziksel niceliğini elektrik çıkışına dönüştürdüğü belirli fiziksel veya kimyasal süreçler üzerine odaklanır. Farklı dönüştürme mekanizmaları, farklı türde ölçümler ve uygulamalara uygun olarak tasarlanmıştır, geniş bir spektrumda fiziksel olguların hassas ve güvenilir algılanmasını sağlar.

• Birincil ve İkincil Dönüştürücüler Olarak: Birincil bir dönüştürücü, ölçüm yapılan fiziksel niceliği doğrudan bir elektrik sinyaline dönüştürür. Buna karşılık, ikincil bir dönüştürücü, birincil cihaz tarafından üretilen elektrik sinyaliyi daha fazla kullanışlı veya daha doğru hale getirmek için birincil bir dönüştürücü ile birlikte çalışır, sinyali daha da değiştirir veya işler.

• Pasif ve Aktif Dönüştürücüler Olarak: Pasif dönüştürücüler, çalışmak için dış bir güç kaynağına bağımlıdır ve çıktısı, girdi fiziksel niceliğine ve uygulanan güce bağlıdır. Aktif dönüştürücüler ise, kendi güç kaynağını içerir ve dış bir güç kaynağı olmadan bir çıkış sinyali üretebilir, genellikle daha büyük hassasiyet ve sinyal gücü sağlar.

• Analog ve Dijital Dönüştürücüler Olarak: Analog dönüştürücüler, genellikle voltaj veya akım şeklinde sürekli değişen bir çıkış sinyali üretir. Dijital dönüştürücüler ise, girdi niceliğini ayrık bir dijital sinyale dönüştürür, bu, modern dijital elektronik ve bilgi işlem sistemleriyle daha kolay işleme, depolama ve iletim sağlar.

• Dönüştürücüler ve Ters Dönüştürücüler Olarak: Standart bir dönüştürücü, bir fiziksel niceliği elektrik sinyaline dönüştürür. Ters bir dönüştürücü ise, bir elektrik sinyalini girdi olarak alır ve onu tekrar bir fiziksel niceliğe dönüştürür, yani geleneksel bir dönüştürücünün sürecini tersine çevirir. Bu kavram, belirli bir fiziksel tepki oluşturmak için elektrik kontrolü gerektiren uygulamalarda faydalıdır.

İşlem sırasında, dönüştürücü ölçüm edilen fiziksel niceliği (ölçülen) alır ve girdinin büyüklüğüne orantılı bir çıkış sinyali üretir. Bu çıkış sinyali, sinyal kondisyonlama cihazına iletilir. Burada, sinyal, amplitudunu ayarlama (sinyal zayıflatma), istenmeyen gürültüyü veya frekansları kaldırma (filtreleme) ve sinyali daha iyi iletim veya işleme için kodlama (modülasyon) dahil olmak üzere bir dizi işlem geçer. Bu adımlar, son sinyalin daha sonraki analiz, gösterim veya kontrol işlemler için optimal formda olmasını sağlar.

Dönüştürücünün giriş niceliği genellikle elektriksel olmayan bir niceliktir, ancak çıkış elektrik sinyali akım, voltaj veya frekans şeklinde olabilir.

1. Dönüştürme Prensibine Göre Sınıflandırma

Dönüştürücüler, kullandıkları dönüştürme ortamına göre sınıflandırılabilir. Dönüştürme ortamı direnç, endüktif veya kapasitif olabilir. Bu sınıflandırma, giriş dönüştürücünün giriş sinyalini direnç, endüktif veya kapasitif değerlere dönüştürdüğü dönüşüm sürecine dayanır. Her tür dönüştürme ortamı, kendi benzersiz özelliklerine sahiptir ve farklı ölçüm uygulamalarına uygun, çeşitli fiziksel niceliklerin elektrik sinyallerine hassas ve doğru bir şekilde dönüştürülmesini sağlar.

2. Birincil ve İkincil Dönüştürücüler

• Birincil Dönüştürücü
  Bir dönüştürücü genellikle hem mekanik hem de elektriksel bileşenlerden oluşur. Dönüştürücünün mekanik kısmı, fiziksel giriş niceliklerini mekanik bir sinyale dönüştürmekten sorumludur. Bu mekanik bileşene birincil dönüştürücü denir. Ölçülen fiziksel niceliğin, basıncın, sıcaklığın veya yer değiştirmenin doğrudan etkileşiminde bulunarak bunu daha sonra işlenebilecek bir mekanik forma dönüştürür.

• İkincil Dönüştürücü
  İkincil dönüştürücü, birincil dönüştürücü tarafından üretilen mekanik sinyali alır ve onu elektrik sinyaline dönüştürür. Çıkış elektrik sinyalinin büyüklüğü, giriş mekanik sinyalinin özelliklerine doğrudan ilişkilidir. Bu şekilde, ikincil dönüştürücü, mekanik ve elektrik alanları arasındaki boşluğu köprüleyerek, orijinal fiziksel niceliği elektriksel ölçüm ve işleme teknikleriyle ölçebilir ve analiz edebilir hale getirir.

Birincil ve İkincil Dönüştürücüler Örneği

Aşağıdaki figürde gösterildiği gibi, Bourdon Borusu birincil bir dönüştürücü olarak işlev görür. Basıncı tespit etmek ve onu serbest ucundaki yer değiştirmeye dönüştürmek üzere tasarlanmıştır. Boruya basınç uygulandığında, şekli bozulur ve serbest ucu hareket eder. Bu yer değiştirme, sistemin bir sonraki aşamasının girdisi olarak görev görür.

Bourdon Borusu'nun serbest ucu, Doğrusal Değişken Yer Değiştirme Dönüştürücüsü (LVDT) çekirdeğini hareket ettirir. Çekirdek LVDT içinde hareket ettikçe, bir çıkış voltajı indükler. Bu indüklenmiş voltaj, borunun serbest ucunun yer değiştirmesine ve dolayısıyla orijinal basıncın büyüklüğüne orantılıdır.

Bourdon Borusu - LVDT sisteminde, iki ayrı dönüştürme işlemi gerçekleşir. İlk olarak, birincil dönüştürme, Bourdon Borusu basıncı yer değiştirmeye dönüştürür. Sonra, ikincil dönüştürme, LVDT bu yer değiştirmeyi elektrik voltaj sinyaline dönüştürür. Bu örnek, birincil ve ikincil dönüştürücülerin, bir fiziksel niceliği daha sonra analiz ve kullanım için elektriksel bir çıkışıya dönüştürmek üzere nasıl birlikte çalıştığını açıkça gösterir.

Bourdon Borusu birincil dönüştürücü olarak görev yaparken, L.V.D.T. (Doğrusal Değişken Yer Değiştirme Dönüştürücüsü) ikincil dönüştürücü olarak işlev görür.

3. Pasif ve Aktif Dönüştürücüler

Dönüştürücüler, ayrıca aktif ve pasif türler olarak kategorize edilebilir, her biri kendine özgü işletim özellikleri sunar.

Pasif Dönüştürücüler

Pasif bir dönüştürücü, çalışmak için dış bir güç kaynağına bağımlıdır, bu nedenle dış güç kaynaklı dönüştürücü olarak da adlandırılır. Kapasitif, rezistif ve endüktif dönüştürücüler tipik pasif dönüştürücülerdir. Bu dönüştürücüler, girdi fiziksel niceliğe yanıt olarak bir elektriksel özelliği (rezans, kapasite veya endüktif değer gibi) değiştirerek çalışır. Ancak, kendi elektrik enerjisini oluşturmazlar; bunun yerine, ölçüm yapılan fiziksel niceliğin değişimi yansıyan ölçülebilir bir çıkış sinyali üretmek için dış bir güç kaynağına ihtiyaç duyarlar.

Aktif Dönüştürücüler

Buna karşılık, aktif bir dönüştürücü, çalışmak için dış bir güç kaynağına ihtiyaç duymaz. Bu dönüştürücüler, kendi voltaj veya akım çıkışı oluşturabilen kendi kendine üreten cihazlardır. Aktif bir dönüştürücünün çıkış sinyali, doğrudan girdi fiziksel niceliğinden türetilir. Aktif dönüştürücüler, hız, sıcaklık, kuvvet ve ışık yoğunluğu gibi çeşitli fiziksel olguları, dış bir güç girişi olmadan elektrik sinyallerine dönüştürebilir. Aktif dönüştürücüler arasında piezoelektrik kristaller, fotovoltaik hücreler, tachogeneratörler ve termokupller sayılabilir.

Örnek: Piezoelektrik Kristal

Aktif bir dönüştürücünün işleyişini açıklamak için, bir piezoelektrik kristal örneği ele alınabilir. Genellikle, bir piezoelektrik kristal, iki metalik elektrot arasında sıkıştırılır ve tüm montaj, bir tabana sabitlenir. Ardından, bu sıkıştırılmış yapıya bir kütlesi yerleştirilir.

Piezoelektrik kristaller, üzerine bir kuvvet uygulandığında elektrik voltajı oluşturabilen benzersiz bir özelliğe sahiptir. Belirtildiği gibi montajda, taban ivme yaşayabilir, bu da kütlenin kristale bir kuvvet uygulamasına neden olur. Bu kuvvet, kristal üzerinde bir çıkış voltajı indükler. Bu çıkış voltajının büyüklüğü, tabanın yaşadığı ivmeye orantılıdır, bu da mekanik ivmeyi bir elektrik sinyaline dönüştürür. Bu örnek, aktif dönüştürücülerin fiziksel girdileri temel alarak nasıl kendi kendine elektrik çıkışları oluşturabileceğini ve pasif dönüştürücülere kıyasla özgün işlevlerini net bir şekilde gösterir.

Yukarıda bahsedilen dönüştürücü, ivmeyi elektrik voltaja dönüştüren bir ivmeölçü olarak bilinir. Nota bene, bu tür bir dönüştürücü, fiziksel niceliği elektrik sinyaline dönüştürme sırasında herhangi bir yardımcı güç kaynağına ihtiyaç duymadan çalışır, bu da sinyal üretiminde kendi kendine yetkin olduğunu gösterir.

4. Analog ve Dijital Dönüştürücüler

Dönüştürücüler, çıkış sinyallerinin doğası, sürekli veya ayrık olmasına göre de kategorize edilebilir.

Analog Dönüştürücüler

Analog bir dönüştürücü, giriş niceliğini sürekli bir fonksiyona dönüştürür. Bu, çıkış sinyalinin, girdideki değişikliklere düzgün ve sürekli bir şekilde yanıt verdiğini ifade eder. Analogue dönüştürücüler arasında gerilme çubukları, Doğrusal Değişken Yer Değiştirme Dönüştürücüler (LVDT'ler), termokopller ve termistörler sayılabilir. Bu cihazlar, ölçüm edilen fiziksel niceliğin orantılı ve sürekli bir temsilinin gereklid olduğu çeşitli uygulamalarda, özellikle hassas ölçüm sistemlerinde ve endüstriyel proses kontrolünde yaygın olarak kullanılır.

Dijital Dönüştürücüler

Dijital dönüştürücüler, diğer taraftan, giriş niceliğini genellikle pulslar şeklinde bir dijital sinyale dönüştürür. Dijital sinyaller, "yüksek" veya "düşük" güç seviyeleri olarak bilgiyi temsil eder. Bu dijital çıkış formatı, artan gürültüye karşı dayanıklılık, dijital elektronik ve hesaplama sistemleriyle daha kolay entegrasyon, ve daha basit veri işleme ve depolama gibi birçok avantaj sunar. Dijital teknolojilerin yaygınlaşmasıyla birlikte, dijital dönüştürücüler, modern ölçüm ve kontrol sistemlerinde giderek daha fazla benimsenmektedir.

5. Dönüştürücüler ve Ters Dönüştürücüler

Dönüştürücüler

Dönüştürücü, elektriksel olmayan nicelikleri elektriksel niceliklere dönüştüren bir cihaz olarak tanımlanır. Bu dönüştürme süreci, sıcaklık, basınç, yer değiştirme ve kuvvet gibi çeşitli fiziksel olguların, elektriksel ölçüm ve işleme teknikleriyle ölçülmesi, izlenmesi ve kontrol edilmesini sağlar. Dönüştürücüler, endüstriyel otomasyondan bilimsel araştırmaya, tüketici elektroniklerine kadar geniş bir uygulama alanında önemli bir rol oynar.

Ters Dönüştürücüler

Ters dönüştürücüler, geleneksel dönüştürücülerin tam tersi işlevi görür. Elektriksel nicelikleri tekrar fiziksel niceliklere dönüştürür. Bu dönüştürücüler genellikle yüksek bir elektrik girdisi ve karşılık gelen düşük bir elektriksel olmayan çıkışa sahiptir. Ters dönüştürücüler, elektrik sinyallerinin fiziksel eylemlere veya tepkilere çevrilmesi gereken uygulamalarda, belirli türde aktüatörler ve kontrol sistemlerinde kullanılır. Ters dönüştürücüler kavramı, elektrik kontrolü ile fiziksel operasyon arasındaki döngüyü kapatmayı sağlar, bu da mekanik ve fiziksel sistemlerin daha karmaşık ve hassas kontrolünü mümkün kılar.