i
T.C.
SELÇUK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
SENKRON FLAġÖR DĠZĠSĠNĠN KABLOSUZ SENKRONĠZASYONU ĠÇĠN 2.4GHz AÇIKLIKLI ANTEN
TASARIMI VE UYGULAMASI
AHMET AKSU
YÜKSEK LĠSANSTEZĠ
ELEKTRĠK ELEKTRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ ANABĠLĠM DALI
Ağustos 2015 KONYA Her Hakkı Saklıdır
iii
TEZ BĠLDĠRĠMĠ
Bu tezdeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edildiğini ve tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm.
DECLARATION PAGE
I hereby declare that all information in this document has been obtained and presented in accordance with academic rules and ethical conduct. I also declare that, as required by these rules and conduct, I have fully cited and referenced all material and results that are not original to this work.
Ahmet AKSU Tarih: __.__.2015
iv
ÖZET
YÜKSEK LĠSANS TEZĠ
Senkron FlaĢör Dizisinin Kablosuz Senkronizasyonu için 2.4GHz Açıklıklı Anten Tasarımı ve Uygulaması
Ahmet AKSU
Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı DanıĢman: Yrd. Doç. Dr. Seyfettin Sinan GÜLTEKĠN
2015, 81Sayfa
Jüri
DanıĢman Yrd. Doç. Dr. S. Sinan GÜLTEKĠN Doç. Dr. Muciz ÖZCAN
Doç. Dr. Ercan YALDIZ
LED teknolojisinin en önemli getirilerinden biri güneş enerjili sistemlerin ulaşım sektörüne uygulanması olmuştur.Yaklaşım Dikkat Flaşörleri (YDF) bu ürünlerden biridir. Virajlı ve eğimli bölgelerde yoğun olarak kullanılan bu ürün sayesinde araç kullanıcılarının kavşak noktalarına geldiklerini anlamaları beklenir. Güneş enerjili olarak kullanılan YDF’ler kablolama maliyetlerini ortadan kaldırmıştır. Ancak bu sistemlerin kablolu sistemlere göre en büyük dezavantajı enerji maliyeti ve senkron olarak çalışamamalarıdır. Bu problemlerLED’liviraj tabelalarında veya yol kenarı flaş butonları gibi ürünlerin tamamında görülmektedir.
Tez çalışması ile söz konusu senkronizasyon problemi, 2.4GHz frekansında haberleşen bir YDF sistemi için çözülmüştür.Problemin çözümü için sırasıyla mikroişlemci birimi PIC12F675 kullanılmıştır.Code Composer Studio (CCS) ile gömülü yazılım algoritması geliştirilmiştir ve 2.4GHz’de lisanssız ISM bandında çalışan ve RF haberleşmesi sağlayan bir modülatör-demodülatörentegre devresinin konfigürasyonu yapılmıştır. Ayrıca 2.4GHz çalışan açıklıklı bir anten,entegre devre ile uyumlu ve kayıpsız çalışacak şekilde simülasyonları ve analizleri yapılarak tasarlanmış ve uygulaması gerçekleştirilmiştir.HFSS ile Altium Designer yazılımları tasarım ve uygulama için kullanılmıştır.
Mevcut sistemlerde senkronizasyon, kesintisiz haberleşme ile yapılmaktadır. Ancak bu durum gereksiz enerji kullanımına ve senkronizasyon kaymalarına neden olmaktadır. Önerilen çalışmaya göre senkronizasyon ise, 2.7x10-4 Hz frekansta gerçekleştirilmiş vebir YDF için 3,7x10-2 W yerine 3x10-6 Wgüç tüketimi sağlanmıştır.
v
ABSTRACT
MS THESIS
2.4GHz APERTURE ANTENNA DESĠGN AND IMPLEMENTATION FOR WIRELESS SYNCHRONIZATION OF SYNCHRONOUS FLASHER ARRAY
Ahmet AKSU
THE GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCEOF SELÇUK UNIVERSITY
THE DEGREE OF MASTER OF SCIENCE
IN ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERING
Advisor: Asst.Prof.Dr. S. Sinan GÜLTEKĠN
2015, 81Pages
Jury
Advisor Asst. Prof. Dr. S. Sinan GÜLTEKĠN Assoc. Prof. Dr. Muciz ÖZCAN Assoc. Prof. Dr. Ercan YALDIZ
One of the most important benefits of LED technology has been applied to the transport sector of the solar systems. Approach Warning Flasher (AWF) is one of those products. This product is used extensively in bends and sloping areameans users are expected to understand that they came to the crossroads. Used as a solar powered AWF’s are eliminates wiring costs.But the biggest drawback of this system compared to wired systems is cannot operate synchronously. These problems are seen in all products such as solar LED flash roadside signs or buttons.
Said synchronization problem is solved with a communicating in 2.4GHz frequency on AWF system. Respectively to solve the problem, PIC12F675 microcontroller unit is used, Code Composer Studio (CCS) has been usedfor embedded software algorithm and working in the unlicensed 2.4GHz ISM band witha modulator - demodulator providing RF communication has made the configuration of the integrated circuit also running at 2.4GHz aperture antenna applicated and designed to simulate and analysis was conducted, compatible with the integrated circuit and to operate lossless. Altium Designer and HFSS software is used to design and implementation
In the present system synchronization is performed with uninterrupted communication. However, this leads to unnecessary energy consumption and synchronization slip. Recommended by working it was performed at 2.7x10-4Hz frequency and 3x10-6 Wpowerconsumptionis providedinstead of 3,7x10-2 W for an AWF.
vi
ÖNSÖZ
Ulaşım sektöründeki gelişmeler yeni teknolojilerin etkisi ile günümüzde oldukça önemli hale gelmiştir. Ülkemizde bu sektörün içerisinde özellikle imalatçı firma sayısı oldukça az sayıdadır.Buna karşın ihtiyaca yönelik yurtdışından temin edilen ulaşım sektöründeki sistemlerve gereçler, ciddi maliyetlere neden olmaktadır. Yurt içinde kendi ulaşım gereçlerimizive sistemlerimizi üretmek ancak bu alandaki yeni teknolojileri kullanmakla ve geliştirmekle sağlanabilir.
Bu amaca yönelik tez çalışması ile,haberleşme alanındaki gelişmiş teknolojiler kullanılarak, “Yaklaşım Dikkat Flaşörü” sistemlerindeki senkronizasyon problemi ve enerji tasarrufu üzerine bir öneri sunulmuştur. Yapılan çalışmanın sonundaise, yurt dışında kullanılan ancak henüz ülkemizde kullanılmayan bir ulaşım sistemi geliştirilmiş ve prototip çalışması yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar solar yol butonlarının senkronizasyonu, yol kenarı viraj tabelalarının senkronizasyonu gibi yeni çalışmalarınortaya çıkmasına ışık tutacaktır.
Çalışmamın başlangıcından bitimine kadar, benden yardımlarını esirgemeyen pek çok kişiye teşekkür borçluyum. Özellikle değerli hocam ve tez danışmanım Sayın Yrd. Doç. Dr. Seyfettin Sinan GÜLTEKİN’e bana ayırdığı değerli zaman ve sağladığı destek için minnettarım. Bu fikrin doğmasında önemli bir yere sahip olan sayın Halil İbrahim ENEÇ’e ve bu çalışmamı maddi ve teknik altyapı olarak destekleyen Rayennur Elektronik Ulaşım Endüstrisi San. Tic. Ltd. Şti. ve ENC Mühendislik çalışanlarına teşekkürlerimi sunarım. Ayrıca gösterdikleri sabır ve destek için aileme ve nişanlımaminnettarım.
Ahmet AKSU KONYA-2015
vii ĠÇĠNDEKĠLER ÖZET ... iv ABSTRACT ... v ÖNSÖZ ... vi ĠÇĠNDEKĠLER ... vii SĠMGELER VE KISALTMALAR ... ix 1. GĠRĠġ ... 1 2. KAYNAK ARAġTIRMASI ... 2
3. SENKRON SOLAR FLAġÖR SĠSTEMĠ ... 4
3.1. Senkron Solar FlaĢör Alt Sistemleri ... 4
3.1.1. Solar enerji kaynağı ... 5
3.1.2. Sinyal verici ... 5
3.1.3. Kontrol kartı ... 6
3.1.4. Anten tasarımı ve haberleĢme katmanı ... 6
3.1.5. Sistem gömülü yazılımı ... 7
3.2. LED’li Sistemler ... 7
3.2.1 UlaĢım sektöründe kullanılan LED’li sistemler ... 8
3.2.1.1Oto sinyal vericiler ... 8
3.2.1.2LED’li levhalar ... 9
3.2.1.3Dikkat flaĢörleri ... 12
3.2.1.4Solar yol butonları ... 13
3.2.1.5Havaalanı ikaz lambaları ... 13
3.2.1.6Raylı sistem sinyal lambaları ... 14
3.2.2 Aydınlatma sektöründe kullanılan LED’li sistemler ... 15
3.2.2.1Solar park aydınlatma armatürleri ... 15
3.2.2.2Solar dekoratif aydınlatma armatürleri ... 16
3.2.3 GüneĢ enerjili LED’li sistemlerin enerji analizi ... 17
3.2.3.1Sistemlerin harcadığı enerji analizi ... 17
3.2.3.2Solar çözümlerin sağladığı enerji tasarruf analizi ... 19
4. SENKRON FLAġÖR SĠSTEMĠNĠN TASARIMI, KULLANILAN MATERYAL VE YÖNTEMLER ... 21
4.1. Genel ÇalıĢma Prensibi... 21
4.2. FlaĢör Kartının Sisteme Entegrasyonu ... 23
4.2.1. FlaĢör kartı bileĢenleri ... 23
4.2.2. FlaĢör kart iĢletimi ... 25
4.3. Modülatör ve Demodülatör BileĢeninin Sisteme Entegrasyonu ... 26
4.3.1. Modülatör ve demodülatör entegresi kurulum ayarları ... 26
viii
4.3.3. Modülatör ve demodülatör entegresi çalıĢma özellikleri ... 30
4.4. Anten Tasarımı ve Uyumlandırma ... 31
4.4.1. MikroĢerit antenler ... 31
4.4.1.1. MikroĢerit antenlerin çalıĢma prensibi ... 31
4.4.1.2. MikroĢerit anten kayıpları ve besleme teknikleri ... 33
4.4.2. Açıklıklı mikroĢerit anten hesaplamaları ... 34
4.4.2.1. Açıklıklı antenler ... 34
4.4.2.2. Yarık-dipol anten karĢılaĢtırması (Babinet prensibi) ... 35
4.4.2.3. MikroĢerit besleme hattı hesabı ... 38
4.4.2.4. Anten yama kısmının hesabı ... 39
4.4.3. Senkron flaĢör sistemi için anten tasarımı ... 40
4.4.3.1. HFSS nedir? ... 40
4.4.3.2. HFSS ile proje oluĢturmak ve anten tasarımına giriĢ ... 41
4.4.3.3. Tasarım parametrelerimizin HFSS platformuna aktarılması ... 44
4.5. Arduino GeliĢtirme Kartı Ġle Sistemin ĠĢletimi ... 47
4.5.1. Arduino Uno geliĢtirme kartı teknik özellikleri ... 47
4.5.2. Arduino Uno SPI arayüzü ve kontrol kartı entegrasyonu ... 49
4.5.3. Senkron flaĢör kartı iĢletiminin sağlanması ... 50
5. ARAġTIRMA SONUÇLARI VE TARTIġMA ... 52
6. SONUÇLAR VE ÖNERĠLER ... 57
6.1. Sonuçlar ... 57
6.2. Öneriler ... 58
KAYNAKLAR ... 59
EKLER ... 60
EK-1 Senkron FlaĢör Ġçin Kullanılan ĠĢlemci Birimi ... 60
EK-2 Senkron FlaĢör Sistemi RF Entegresi ... 61
EK-3 Senkron FlaĢör Sistemi RF Entegresi Register Listesi ... 62
EK-4 Senkron FlaĢör Sistemi RF HaberleĢme Yazılımı ... 66
EK-5 Senkron FlaĢör Kartı Devre Çizimi ... 71
ix
SĠMGELER VE KISALTMALAR
Simgeler
B : Manyetik akı yoğunluğu [Wb/m2] c0 : Işık hızı = 3·108 [ m/s]
ε0 : Boşluğun dielektrik sabiti εr : Bağıl dielektrik sabiti f : Frekans [Hz]
J : Akım yoğunluğu [Amper/m2] V : Volt [V]
W : Watt [W]
μ0 : Manyetik geçirgenlik μr : Manyetik bağıl geçirgenlik λ : Dalga boyu [nm]
δ : Yama ile Besleme Noktası Arasındaki Mesafe(mm)
Kısaltmalar
ADC : Analog Digital Converter Cd : Candella
CE : ChipEnable CSN : Chip Select Not
DAC : Digital Analog Converter GHz : Giga Hertz GND : Ground HFSS : High FrequencyStructuralSimulator IC : Integrated Circuit ISM : IndustrialScientificMedicalBand LED : Light-EmittingDiode LM : Lümen MHz : Mega Hertz
MISO : Master InSlaveOut MOSI : Master OutSlaveIn PCB : PrintedCircuit Board PWM : PulseWidthModulation RF : RadioFrequency SCK : SerialClock SMPS : Switch ModePowerSupply SPI : SerialPeripheralInterface YDF : Yaklaşım Dikkat Flaşörü
1. GĠRĠġ
Ulaşım sektöründe yer alan sinyalize kavşak sistemlerinin, karayolu sinyal bilgi sistemlerinin veya demiryolu sinyalizasyon sistemlerinin tamamında sinyalizasyon lambaları sayesinde güvenlik sağlanmaktadır. Geçmişte akkor lambalarla üretimi yapılan sinyalizasyon lambaları günümüzde LED teknolojisini kullanmaktadır. Gelişen teknoloji ile yüz watt gücündeki lambalar yerini dokuz watt gücündeki LED’li kartlara bırakmıştır. LED teknolojisinin en önemli getirilerinden biri de güneş enerjili sistemlerin ulaşım sektörüne kazandırılması olmuştur. Her sinyalize kavşağın YDF olmalıdır. YDF sayesinde araç kullanıcılarının virajlı veya eğimli bölgelerde kavşak noktalarına geldiklerini anlamaları beklenir. YDF’nin yol durumuna göre yüz elli ila iki yüz metre arasındaki noktalarda olması gerekir. Buna göre yaklaşık üç yüz metre kablo kullanılması gerekmektedir. Güneş enerjili flaşör sistemleri sayesinde kablo kullanımı son bulmuştur. Ancak sistemin senkron çalışamaması gibi bir problemi vardır.
Senkron çalışma problemi, LED’liviraj tabelalarında veya yol kenarı flaş butonları gibi ürünlerin tamamında görülmektedir. Bu tez çalışması, söz konusu problemin çözümüne yönelik 2.4GHz frekans da haberleşen bir flaşör sistemi sunmaktadır.
Flaşör sistemi,solar enerji paneli sayesinde kuru tip bakımsız akü ile beslenmiştir. Şarj deşarj işlemi için bir devre tasarlanarak akü biriminin ve solar enerji ünitesinin uzun süreli çalışması sağlanmıştır. Depolanan enerji ile hem LED sinyal vericiler beslenmiş, hem de senkronizasyonusağlamak için amaca yönelik programlanan modülatör-demodülatör entegresinin diğer YDF’leri ile anten biriminin haberleşmesini sağlayan kontrol kartı beslenmiştir.
Kontrol kartı dahil tüm devre katmanlarının tasarımı Altium Designer yazılımı üzerinden gerçekleştirilmiştir. Açıklıklı anten biriminin tasarımı ve simülasyonları için ise HFSS yazılımı kullanılarak çizimler Altium platformuna aktarılmıştır.
Açıklıklı anten biriminin tasarımıile yönsüz bir ışıma amaçlanmıştır. Ayrıca gerçekleştirilen anten biriminin haberleşme entegresine uygun rezonans frekansına sahip olması sağlanmıştır.
Sistemin lisanssız bir bant üzerinden haberleşmesi hedeflenmiştir. Bu sebeple ISM bandı kullanımı uygun görülmüştür. Anten biriminin yapısına göre ise ISM bandında çalışan uygun bir rezonans frekansı seçilmiştir.
2. KAYNAK ARAġTIRMASI
Solar sistemlerin geliştirilmesi ve işletmelerinde güvenliğin sağlanması adına birçok çalışma yapılmıştır. Bu sistemler için güvenli kablosuz haberleşmenin de sağlanması ile çoğu trafik sinyal verici sistem solar enerjili kullanıma geçebilecek durumdadır. Bu kısımda, tez çalışmasıyla ilişkili tasarım çalışmalarına yer verilmiştir. Bu çalışmalar arasında anten tasarımı ve benzeri alt sistemler olduğu gibi yukarıda bahsedilen solar tabanlı trafik sistemleri de incelenmiştir.
C. Chuluanich ve arkadaşları (2007) “Design NarrowSlotAntennafor Dual Frequency” isimli makale de dar yarıklı ve doğrusal beslemeli anten sayesinde IEE 802.11 b/g (2.4-2.4835 GHz) ve IEE 802.11 j/a (5.15-5.35 GHz) rezonans frekansı standartlarında ışıma elde ettiklerini ifade etmişlerdir. Rezonansfrekansı üzerine çalışılarak IE3D yazılımı ile gerekli simülasyon sonuçları alınmış ve bu sonuçların analizi yapılmıştır.
J. Jiao ve arkadaşları (2007) “A BroadBand CPW-Fed T-ShapeSlotAntenna” isimli makalelerine göre, %26 daha küçük boyutlarda bir anten tasarlayarak, broadband yayın yapan bir anten önermişlerdir.
H. Moghbelli ve arkadaşları (2009) “Investigation of SolarEnergy Applications With Design an Implementation of PhotovoltaicTrafficLightSignalSystem on Qatar” isimli makale ile solar panel açı değerlerine kadar bir çok parametre üzerinde durmuşlar ve solar tabanlı trafik sinyal ekipmanı için enerji ve dayanıklılık analizleri yapmışlardır. Akü besleme devresi ve solar kapasite üzerinde yapılan optimizasyonlar ile de çeşitli sonuçlar elde etmişlerdir.
J. William ve R. Nakkeron (2010) “Compact CPW-Fed UWB slotantennawithcrosstuningstub” isimli makalelerinde ultra geniş band uygulaması için 50 ohm empedansa uyumlu bir anten tasarımı yaparak, 4.8-12.8 GHz frekans çalışma aralığı elde etmişlerdir. Analizlerde IE3D kullanmış ve elde ettikleri sonuçları sunmuşlardır.
M. JuanZeno (2011), “Design of an autonumous self correcting platform usingopensourcehardware” isimli makalesinde Arduino UNO geliştirme kartı ile iki adet servo motorun ve bir adet akselerometrenin sürümünü gerçekleştirmiştir.
S. Chaimool ve P. Akkaraekthalin(2012) “CPW-Fed
WiFi ve WiMax standartlarında yayın yapılabilmesini sağlamışlardır. Bu sayede 30 mil mesafede yayın yapabilen bir sistem ve WiFiağı oluşturmuşlardır.
K.Godazi ve arkadaşları (2012) “Feasibility ofsolar poweredtrafficsigns in houston-a step towardsustainablecontroldevice” isimli makaleleri ile akkor lambalı ve LED’li trafik sinyal ekipmanlarının solar besleme ile destekleyerek iki sistemin çalışabilirliği üzerine tamamı solar sistemle çalışan bir kavşak uygulaması ve maliyet analizi yapmışlardır.
IDA S. Md ISA ve arkadaşları (2014) “Portablewirelesstrafficlightsystem (PWTLS)” isimli çalışmalarında işlemci olarak PIC, kablosuz haberleşme birimi olarak da X-Bee kullanmışlardır. Bu sayede yol yapım çalışmaları, kaza halleri gibi durumlarda alanın güvenliğini sağlamayı hedeflemişlerdir. Kablosuz haberleşme ve solar kaynak kullanarak datez konusuna benzer bir çalışma yapmışlardır. Mikroişlemci ile geçen araçların takip edildiği portatif bir sinyalizasyon sistemi oluşturulmuştur.
Alper Yıldırım,Selçuk Paker, (2007), “2.4GHz’deyüksek kazançlı mikroşerit yama anten tasarım ve gerçekleştirimi” isimli çalışmalarında 2.4GHz frekansında çalışan yüksek kazançlı ve yönlü mikroşerit yama antenin tasarımı sağlanmıştır. Anten tasarımı esasında yüksek kazancın yanı sıra sabit ışınım modelinin elde edilmesi amaçlanmıştır.
3. SENKRON SOLAR FLAġÖR SĠSTEMĠ
3.1. Senkron Solar FlaĢör Alt Sistemleri
Senkron solar flaşör sistemi alt donanımları solar panel, akü birimi, sinyal verici birim ve kontrol kartı olarak planlanmıştır. Her donanımın sisteme özel seçilmesi veya tasarlanması gerekmektedir. Burada meydana gelebilecek herhangi bir uyumsuzluk sistemin kısa vade de arıza yapmasına sebep olabilmektedir.Şekil 3.1 ve şekil 3.2 ile senkronYDF sistemi için sırasıyla birim blok şeması ve sistem blok şeması verilmiştir.
ġekil 3.2. Senkron Solar Flaşör Sistemi İşletme Şeması
3.1.1. Solar enerji kaynağı
Sistem de enerji kaynağı olarak kullanılan güneş sayesinde kablolama ve alt yapı işi gerektirmeyen bir sistem kurulması hedeflenmiştir. Solar enerji kaynağının yönetilebilmesi için kontrol kartı üzerindeki donanımlar kullanılmıştır. Ayrıca tasarlanan yazılım ile akü biriminin en verimli kullanımı şekilde kullanılması hedeflenmiştir.
Tezin ilerleyen bölümlerinde yapılan enerji hesapları esas alınarak, sistemin hiçbir arızaya sebep vermeden işletmesini sağlayacak donanımlar seçilmeye çalışılmıştır. Burada en önemli ölçüt elemanlar arası uyumun sağlanmasına dikkat edilmiştir.
Enerjinin yönetimi noktasında tasarıma eklenecek donanımlar kısaca şu şekilde sıralanabilir;
Solar panel (Güç ve çıkış voltaj değerleri parametre olarak alınacaktır.) Akü (Depolama kapasitesi ve voltaj değeri parametreolarak alınacaktır.) Solar giriş diyotu(Solar panel gücüne bağlı olarak seçilecektir. Akım
dayanımı parametre olarak alınacaktır.)
Akü besleme transistörü(Solar panel gücüne bağlı olarak seçilecektir. Akım dayanımı parametre olarak alınacaktır. )
Çalışmada kullanılan donanımlar sayesinde şarj olmuş aküye verilen enerjinin kesilmesi sağlanmışve solar panele herhangi bir geri beslemenin olması önlenmiştir. Akü birimi sayesinde sistemin gece ve gündüz hiçbir kesintiye uğramadan çalışması da sağlanmıştır.
3.1.2. Sinyal verici
Sinyal verici sistemler ülkemiz de çeşitli standartlar ile denetlenmektedir. Bu standartlar kapsamında sinyal vericilerin günün her saatinde görünebilir olması gerekmektedir. Sinyal verici birimler LED teknolojisinin doğru tasarımlarla ürüne uygulanması sayesinde günün her saatinde görünürlüğü yakalamaktadırlar. Çalışmamızda seçtiğimiz sinyal verici söz konusu gereklilikleri yerine getiren belgelere sahiptir.
Tasarıma uygun olarak yani LED diziliminden kaynaklı sinyal vericilerin doğru akım 10V ile 13V arasında çalıştığı bilinmektedir. Tasarıma eklenecek donanımların seçimi bu ve benzeri bilgi referans alınarak yapılmıştır.
Sinyal vericinin kontrolü için kullanılan transistör devresi LED diziliminden kaynaklı maksimum akım değerlerine dayanabilecek yapıda seçilmiştir. Bu sayede sistemin arıza görmeden çalışması mümkün kılınmıştır.
3.1.3. Kontrol kartı
Kontrol kartı tasarımı ile sistemin yönetilmesi hedeflenmiştir. Her alt sistemin kontrol kartı üzerinden sürülmesi ile bu yönetim işlemi sağlanmıştır. Çalışma da sinyal verici birimden haberleşme birimine kadar her eleman kontrol kartının algoritması altında işlemektedir.
Kontrol kartı temel blokları şu şekildedir; Haberleşme sistemi donanımı
Anten tasarımı
Sinyal verici sürme devresi Şarj sürücü
Analog akü şarj durumu algılama devresi Yapılandırma ayarı girişleri
İşlemci birimi
Kontrol kartı besleme regülatörü Giriş çıkış konnektörleri
3.1.4. Anten tasarımı ve haberleĢme katmanı
Çalışmada yapılacak anten tasarımı için gerekli kriterleri sistemin çalışması belirlemiştir. Sistemin ihtiyaçları doğrultusunda anten yayın yönü ve benzeri ihtiyaçlar ortaya konularak tasarım tamamlamıştır. ISM bandında yapılacak çalışma sayesinde lisanssız bir haberleşme uygulaması sağlanmıştır. Böylelikle sistemin diğer haberleşme sistemleri ile etkileşimi önlenmiştir.
Açıklıklı anten tasarımı için yapılanliteratür araştırmaları sonucunda kazanç değerleri gibi birçok kriter göz önüne alınarak mikroşerit açıklıklı anten uygulaması kontrol kartına eklenmiştir.
Haberleşmenin sağlanması için ISM bandında yayının algılanması ve bu bant değerlerinde yayın yapılması gerekmektedir. Bu yapı için haberleşme donanımı sağlanmış ve haberleşme donanımına anten tasarımının mikroşerit uyumlandırılması yapılmıştır. Kontrol kartı üzerinde gerçekleşecek bu tasarım sayesinde haberleşme katmanı yönetilebilir halde işlemci birimine bağlanması sağlanmıştır.
3.1.5. Sistem gömülü yazılımı
Sistem gömülü yazılımları sayesinde endüstriyel bir ürünün ortaya çıkması sağlanmıştır. Sistem çalışması anında olası her durum göz önüne alınarak yapılacak tasarım sayesinde hiçbir açık bırakılmadan işletimin sağlanması hedeflenmiştir. İşlemci biriminin içinde çalışan bu yazılım ile enerjinin gidip gelmesi dahil her duruma karşı önlemler alınarak çalışmamız endüstriyel bir ürün halini alması sağlanmıştır.
3.2. LED’li Sistemler
Birçok alanda kullanılan LED’ler, ulaşım ve aydınlatma sektöründe hammadde olarak kullanılmaktadır (Şekil 3.3). Çeşitli gelişmeler sayesinde bu sektörlerin ürünleri günümüzde her alana ulaşmış durumdadır. Bu alanlar karayolları, havaalanları, tüneller, caddeler vb. örneklenebilir.
ġekil 3.3. Temsili LED’li Sistemler
LED teknolojisinin yaygınlaşmasındaki başlıca sebep ise yüksek verim değerleridir. Örneğin akkor lambaya göre en az beş kat daha az enerji harcayarak lambanın görevini yerine getirebilmektedirler.Bu duruma tek bir ürün için değil de
büyük bir hattın aydınlatılması olarak bakılırsa, büyük enerji tasarruflarından, güç düşümlerinden kaynaklı kablolama maliyetlerinden ve iyi aydınlatma faktörlerine kadar birçok noktada fayda sağlanabilmektedir. LED teknolojisinin bu önemli getirilerinden dolayı birçok ürün hem ülkemizde hem de dünyada üretilmektedir.
Tez çalışmamız daLED’li sistemlerin güneş enerjili sistemlere dönüştürülerekyönetilebilirliği sağlanmıştır.
3.2.1 UlaĢım sektöründe kullanılan LED’li sistemler
Ulaşım sektörü için üretilen ürünlerin büyük bir kısmıözellikle açık alanlarda kullanılacak biçimde tasarlanmalıdır. Bu da çevre şartlarına dayanıklı malzemelerin seçimi esnasında üretici firmaları zorlamaktadır. Örneğin eski tip çalışmalarda kullanılan akkor lambalar güneş altında çalışmaya müsait olmadıkları için sık sık değiştirilmeye ihtiyaç duyarken yeni sistem LED’li tasarımlar sahada kendisini kullanıcıya unutturacak kadar sorunsuz çalışmaktadır.
3.2.1.1 Oto sinyal vericiler
Oto sinyal vericiler günümüzde belediyeler ve karayolları için vazgeçilmez ürünlerdir. Bu ürünler sayesinde trafik güvenliği sağlanmaktadır. Ürünlerin her bir modülü 9W güç tüketimine sahiptir ve standart çalışmada tek tek kullanılan sinyal ünitesinin toplam gücü de 9W kadardır (Şekil 3.4). Ancak ortam koşullarına göre oluşan ısı değişimleri ve LED’in ısıya duyarlılığı yüzünden 13W gibi değerler hesaplamalarda referans alınmaktadır(Şekil 3.5) (Ellithy ve ark 2009).
ġekil 3.5.Değişken Sıcaklıkta LED Giriş-Çıkış Güç Değerleri
Haberleşme yapısının güvenli yönetiminin sağlanması halinde bu ürünlerin güç değerleri kontrol altına alınabilir. Günümüzde ortalama 25.000,00TLgibi maliyete kurulabilen bir kavşak; kablolama ve işçilik maliyetlerinden kurtularak 15.000,00TL gibi rakamlara kurulabilir. Bu da maliyet bazında % 60 tasarruf demektir. Her karayolu bölge müdürlüğünün yıllık ortalama 15 kavşağaihtiyacı olduğu düşünülürse ve toplam 18 bölge olduğuna göre her yıl 2.700.000,00 TL gibi önemli sayılabilecek bir rakam ülkemize geri kazandırılabilecektir.
Flaşörlü sinyal birimleri karayolları ve belediyelerin kontrollü geçiş noktalarında ve özellikle dikkat edilmesi gereken karayolu noktalarında kullandığı cihazlardır. Sisli havalarda hayat kurtarıcı olarak bilinen bu cihazlar çoğu zaman enerjinin olmadığı yerlerde çalışırlar veya sadece bu cihazlar için enerjinin çekilmesi çok maliyetli olabilir. Bu noktada gelişen LED teknolojisi ile birlikte sağlanan düşük güç tüketimleri,solar sistemleri bu güvenlik ekipmanları üzerinde uygulamaya elverişli hale getirmiştir
(Godazi ve ark 2012).
3.2.1.2 LED’lilevhalar
LED’li levhalar okul bölgelerinde, karayolları viraj yaklaşımlarında, tünel girişlerinde ve kapalı yol gibi sürücü bilgilendirme noktalarında kullanılırlar. Hava şartlarının kötüye gitmesiyle birlikte herhangi bir tabelanın görünürlüğü azalırken sisli havalarda dahi LED’li tabelalar işlevlerini yerine getirebilir.
Bu sistemler solar enerji ile çalışıyorlarsa eğer, yönetilmeleri için harici bir kablolamaya ihtiyaç duyulur ve bu kablolama çoğu kez tercih edilen bir durum değildir. Sonuçta basit bir açma kapama işlemi bile olsa sistemin bulunduğu yere tırmanılması veya sistemin aşağıya indirilmesi gibi işlemler zahmetli ve işçilik gerektiren işlemlerdir. Buton gibi kolay erişilebilen bir donanım ise suiistimale açık bir durum oluşturabilir(Şekil 3.6).
ġekil 3.6.Tag’a Monte Edilmiş LED’li Bilgilendirme Tabelaları
İstatistiklere göre otoyollarda viraj noktaları, kazanın en çok olduğu noktalardır. Bu noktalarda en tehlikeli durum ise sisli ve yağmurlu havalarda oluşur. Viraj noktalarına gelmeden önce sürücülerin uyarılması veya tüm virajın doğru ifade edilebilmesi gerekir. Bu ifade edilme işlemi dönüş tabelaları ile yapılması gerekir. Uzun virajlarda belirli aralıklarla yerleştirilen bu tabelalarda sürücülerin güvenliği için LED teknolojisi kullanılır. Bu sayede virajınfark edilebilirliği artar. Ancak bu tabelalar öyle olur ki senkron çalışamadıkları gibi, zamanla yolun ters yönüne doğru hareket edecek bir çalışma izleyebilir ve bu da sürücüleri yanlış yönlendirebilir (Şekil 3.7).
Tünel girişlerinde kullanılan LED’li tabelaların merkezi sistem SCADA sistemleri ile sürekli haberleşmesi gerekir. Bu sayede sürücülerin tehlike anlarında zamanında uyarılmaları mümkün olabilir. Bu sebeple kilometreler boyunca sadece yol açık-kapalı bilgisi veren bu tabela için enerji ve bilgi kabloları çekilmelidir.Solar sistem için elverişli olan bu cihazlar haberleşme problemi yüzünden büyük maliyetlere sebep olmaktadır (Şekil 3.8).
ġekil 3.8. Tünel Girişi Yol Durumunu Gösteren LED’li Tabelalar
Okul bölgelerinde kullanılan LED’li dikkat levhaları hafta içi okul saati günlerinde aktif olmalıdır. Ancak bu sistemi açıp kapatabilecek bir buton kullanılacak olursa birçok suistimale açık bir durum ortaya çıkacaktır ve butonun güvenliği için ayrı bir kamera sistemi bile gerekebilecektir. Aynı durum şantiye noktalarındaki iş kamyonlarına dikkat çeken tabelalar için de geçerlidir(Şekil 3.9).
3.2.1.3 Dikkat flaĢörleri
Dikkat flaşörleri kavşak yaklaşımlarında, sinyalize olmamış kavşaklarda, sisli bölgelerde, tünel yaklaşımlarında ve yol yapım noktalarında kullanılır. Bu cihazlar sayesinde geçici tehlike noktalarının güvenliği sağlanır. Hem enerji ihtiyaçları yoktur hem de akü kalitesine göre bir yılın üzerinde bakımsız çalışabilirler.Sinyalize olmamış kavşaklarda kullanılan bu cihazlar karayolları kavşak noktalarının çoğunda güvenliği sağlamaktadırlar. Sürücülerana yolların sarı tali yolların kırmızı flaşıyla sürücüler öncelikleri konusunda yönlendirilir. Ancak aynı yöne bakanlar dahil hiçbir flaşör senkron çalışma göstermez ve bu da düzensiz bir görüntü oluşmasına neden olur.
ġekil 3.10. Kavşak Çıkış Noktası Flaşör Sistemi
Kavşak noktalarının yaklaşımlarında kullanılan yaklaşım flaşörleri ise sürücülere bir kavşak noktası olduğunun uyarısını vermektedir. Bu flaşörler kavşak noktalarının yüz elli metre öncesine konulmaktadır. Bu mesafelere yapılacak kablolama maliyetli olacağından solar flaşörler kullanılmakta ve asenkron çalışan bir uyarı sistemi oluşmaktadır (Şekil 3.10).
Sisli bölgelerde özellikle kullanılan solar flaşörler genellikle viraj girişlerine yerleştirilirler veya yol hattı boyunca sınırları ifade etmek için kullanılırlar. Burada kullanılan flaşörlerin asenkron çalışması sürücüleri gerçekten yanıltabilmektedir ve sürücünün sürekli tedirgin olmasına sebep olmaktadır. Kullanılan sistemler için ya enerji temin edilmelidir ya da sistemlerin senkron çalışması için birbirleri arasında kablolanması gerekmektedir (Şekil 3.11).
ġekil 3.11. Senkron Çalışması Gerekli Olan Yol Kenarı Flaşör Sistemi
3.2.1.4 Solar yol butonları
Karayollarında yol sınırlarını belirtmek için kullanılan bir diğer cihaz ise solar yol butonlarıdır. Bu butonlar sayesinde aydınlatılması yapılamamış karayollarında yol güvenliği sağlanmaktadır. Banket hattı boyunca dizilen bu cihazların bir diğer kullanımı da sinyalizasyonu ve aydınlatılması yapılamamış kavşak noktalarında, kavşak göbeklerinin sınırlarını belirtmektir. Şehir içlerinde bazı uygulamalarda refüj sınırlarına yerleştirilen bu cihazlar sayesinde güvenlik sağlanmaktadır. Ancak standart uygulamada senkron çalışma sağlanamamaktadır (Şekil 3.12).
ġekil 3.12. Senkron Çalışması Beklenen Yol Butonları
3.2.1.5 Havaalanı ikaz lambaları
Havaalanların da kullanılan ikaz lambaları sayesinde hava araçlarının piste güvenli inmeleri sağlanmaktadır. Bu araçlar yüksek hızla inmekte olan uçaklar da olabilir. Helikopter gibi dikkatli ve yavaş iniş kalkış yapması gereken hava araçları da
olabilir (Şekil 3.13). Bu sistemlerin güvenli çalışması çok önemlidir. Bu tip büyük sitemler için de solar enerji en uygunu olacaktır. Herhangi bir elektrik kesintisinde sistemin geri devreye alma süreleri düşünüldüğünde ve bu devreye alma anına bir uçağın indiği veya kalktığı an eşlik ediyorsa kötü sonuçlarla karşılaşılabilinir. Ancak güneş enerjili bir sistem için arıza sadece birim lamba ile sınırlı kalır. Günlük bakım sayesinde ise olabildiğince arızasız bir çalışma sağlanmaktadır. Ancak güneş enerjili sistemlerin yönetilmesi ile böyle bir kullanım alanı için senkron çalışabilme oldukça önemli olacaktır.
ġekil 3.13. Havaalanı Pist Aydınlatma Sistemleri
3.2.1.6 Raylı sistem sinyal lambaları
Raylı sistemlerde kullanılan sinyalizasyon lambaları genellikle “dur”“geç” bilgisi vermek için kullanılırlar. “Dur”“geç” bilgisi ise panodan gelen talep sinyalleri doğrultusunda kullanıcıya iletilir. Çoğu zaman dış mekan uygulamalarında kullanılan bu sistemler güneş enerjisi ile çalışmaya elverişlidirler. Raylı sistemler için kablolama en zor işlemlerden birisidir. Bir hat geçişi için rayların kesilmesi ve altta kalan betonun boru geçişine uygun kırılması gereklidir. Burada panodan gelen talebin kablosuz alınarak işlenmesi veya makaslardaki harekete senkron verilmesi sistem kurulumunu olabildiğince kolaylaştıracaktır (Şekil 3.14).
ġekil 3.14. Raylı Ulaşım Sinyalizasyon Sistemleri
3.2.2 Aydınlatma sektöründe kullanılan LED’lisistemler
Aydınlatma sektörü için bir devrim niteliğinde olan LED teknolojisi sayesinde birçok yeni ürün ülkemizde ve dünyada kullanılmaktadır. Bu ürünlerin çoğu yüksek güç tüketimlerinde çalışsa da bazı ürünler solar enerji sistemleri ile rahatlıkla kullanılabilmektedir. Bu ürünler daha çok park, bahçe, otopark ve dekoratif aydınlatma gibi sektörlerde görülmektedir.
Herhangi bir güvenlik kaygısı gütmese de bu sistemlerin kontrol edilebilir olması bir çok avantaj getirecektir. Bu avantaj sayesinde ürün rekabet güçleri artacağı gibi aynı zamanda getirecekleri konfor da kullanıcıya sunulacaktır.
3.2.2.1 Solar park aydınlatma armatürleri
Günümüzde yeni yeni yaygınlaşmış olan solar aydınlatma armatürleri sayesinde park ve bahçelerin aydınlatılması mümkün olmaktadır. Bu sayede kablo ve işçilik masrafları ortadan kalkmaktadır. Havanın aydınlık durumuna göre açılıp kapanan bu sistemler enerji tasarrufu sağlayarak bulundurdukları akünün de ömrünü uzatmaktadır. Güneş enerjili sisteme sahip olmaları ve hiçbir noktaya bağlı olmamaları sebebiyle bu ürünler kontrol edilememektedir (Şekil 3.15).
ġekil 3.15. SolarPark Aydınlatma Sistemleri
3.2.2.2 Solar dekoratif aydınlatma armatürleri
Birçok noktada karşımıza çıkan dekoratif aydınlatma ürünleri git gide solar enerjili sistemlere dönüşmüşlerdir. Bu sistemlerin yönetilebilir olması beraberinde konforu getirecektir.
Büyük bir bahçenin kullanım esnasında aydınlatılması talep edilsin ve bu aydınlatma işleminin de solar enerji ile olması gerekli olsun. Bunun için kablolu veya kablosuz her birime ulaşılması gerekmektedir. Bu bir işletmenin bahçesi olabileceği gibi bir evin de bahçesi olabilir. Bu yüzden kontrol edilebilir bir ürünün geliştirilmesi burada çok önemli olacaktır (Şekil 3.16).
3.2.3 GüneĢ enerjili LED’li sistemlerin enerji analizi
LED’li sistemlerin en büyük avantajı güç tüketimlerinin düşük oluşu ve yüksek verimlerde çalışmalarıdır (Çizelge 3.1.). Bu iki parametre sayesinde ise solar sistemlerle rahatlıkla kullanılabilmektedir.
Çizelge 3.1.LED-Akkor Lamba Karşılaştırması
Lümen/m2
(LM/m2) Akkor Lamba (W) LED (W)
2600 150 25-28
1600 100 16-20
1100 75 9-13
800 60 8-12
450 40 6-9
3.2.3.1 Sistemlerin harcadığı enerji analizi
Günümüzde genel olarak iki adet LED çeşidi vardır ve bunlar güç tüketimlerine göre ayrılabilirler, birinci çeşide standart LED’i koyacak olursak ikinci çeşit PowerLED olacaktır. Standart LED ve Power LED arasında ışıma gücü açısından bir ayrım yapılmaktadır. Standart 5mm kırmızı LED için ışıma değeri 0,15 Candela (Cd) ve çekilen akım 20mA iken, kırmızı Power LED için bu değer 27Cd ve 350mA olmaktadır. Her iki LED için de kırmızı renk için 2,2V gerilim düşümü görülmektedir (Multicomp 1W Kırmızı LED Datasheet).
Bir trafik lambası modülünden yola çıkılırsa, kırmızı LED’li bir modül 180 adet standart LED veya 6 adet power LED ile gerekli standartları yakalayabilmektedir. 180 adet standart LED’limodül incelenecek olursa; tek LED üzerinden harcanan güç;
2,2V x 0,02A = 0,044W (Teoride tek LED’in hesaplanan güç değeri) 0,044W x 180 = 8,712W (Teoride modülün harcadığı güç)
Aynı hesap power LED için yapılacak olursa;
2,2V x 0.35A = 0,77W (Teoride tek power LED’in hesaplanan güç değeri) 0,044W x 6 = 4,62W (Teoride modülün harcadığı güç)olarak bulunacaktır.
Ancak ısınma gibi verimi düşüren faktörler sonucu harcanan güç değeleri tekrar değişmektedir. Standart LED’li sistem daha az ısınarak harcadığı güç değerini 9W civarlarında tutabilmekte iken powerLED’li sistem güç değerlerini yaklaşık olarak 8.5W gibi değerlere çıkmaktadır. Ancak şebeke geriliminden beslenen sistemin bir kaybı daha vardırki o da 220V, AC gerilimden gerekli DC dönüşüm yapılırken oluşan kayıptır. Bu kayıp dönüştürücü üzerinde oluşmaktadır. LED sürmek için kullanılan bir SMPS’nin yaklaşık Cosφdeğeri 0.8 civarındadır (MeanWell / LPC-150 Datasheet). Bu dönüştürme işleminin maksimum 12W harcayan bir modül için oluşturduğu kaybı;
12W x 1,2 x Cosφ = 14,4W
14,4W - 12W = 2,4W (bir modülün dönüşüm kaybı) olarak hesaplanır.
Trafik lambasının bir yıl boyunca hiçbir kesinti olmadan çalışması beklenir. Bu durumda bir yıl için sadece dönüşümde ortaya çıkan kayıp;
2,4W x 8640 (1 yılda geçen saat) h= 20,736 kWh olacaktır.
Bu kayıp sadece dönüştürmeden kaynaklı bir yıllık kayıptır. Dönüştürme kayıpları bir yana sistemin lambalar tarafında harcanan gücü hesaplanacak olursa;
14,4W x 8640 = 124,416 kWholarak hesaplanır.
Bu bir lambanın yıllık enerji sarfiyatıdır. Bir kavşak sisteminin lambalar üzerinde harcadığı yıllık enerji miktarı ise,
124,416 kWh x 24 (kavşaktaki grup sayısı) = 2.985,984 kWh olarak hesaplanır.
Sonuç olarak bir trafik lambasının kablosuz yönetimini sağlamakla kablo ve sürüm kayıpları da dahil edilirse yıllık kavşak başına 3MWh enerji ülkemize kayıp olarak yansımayacaktır. Oto sinyal vericiler kısmında bahsedildiği gibi kurulum masrafları da ülkemiz kaynaklarından harcanmayacaktır.
Günümüzde LED’li tabelaların çoğunda solar sistemler kullanılmaktadır. Tabelalar üzerinde yaklaşık olarak 150 adet standart LED bulunmaktadır. Bu
sistemlerin bir önceki hesaplardan yola çıkarak saatlik enerji tüketimleri şu şekilde hesaplanabilir;
0.05W x 150 adet = 7.5W tabela başına düşen güç tüketimi.
Sistemin sürekli çalıştığını ve 1 saniyelik aralıklarla flaş yaptığı düşünülecek olursa. Bir gün içinde harcanan toplam enerji miktarı;
7.5W x 12 x (günlük çalışma saati (her 2 saniye de 1 çalışma)) h = 90Wh olarak bulunur.
Sürücü karttaki kayıplar ve LED’lerde oluşan ısınma kayıplarıyla beraber bu değer maksimum 100Wh olarak alınabilir.
Tez konusu olan solar flaşörler için bu hesap dikkate alınırsa ve flaşör sistemlerinin üzerinde toplam 50 adet standart LED’in bulunduğunu düşünülürse (RayennurLED’li Güneş Enerjili Flaşör), incelenen sistemler arasında ekstra bir RF çözümünün en rahat uygulanabileceği ürününsolar flaşörlerolduğu görülür(Azlin ve ark 2014).
150 adet standart LED ile 100Wh günlük enerji sarfiyatından bahsedilmişti. Buna göre solar flaşör ürününün günlük sarfiyatı yaklaşık olarak 35Wh civarında olacaktır.
3.2.3.2 Solar çözümlerin sağladığı enerji tasarruf analizi
Solar paneller sayesinde güneş enerjisinin elektronik sistemler ile kullanımı mümkün olmaktadır. Güneş enerjisini gerilime çeviren solar panellerin birçok çeşidi vardır. Ulaşım sektöründe bu yapıların 10W, 20W, 30W, 40W gücünde olanları daha sık tercih edilmektedir.
Solar enerji kaynaklarının sağladığı enerji hesap edilirken bölgenin güneş alma durumu göz önünde bulundurulmalıdır. Ülkemizde ortalama günlük güneşlenme süresi 6 saat olarak hesaplanmaktadır (http://www.eie.gov.tr/). Bu hesap yapılırken panelin sağladığı enerji aşağıdaki şekilde ortaya çıkacaktır;
10W panel için günlük sağlanan enerji = 10W x 6 h = 60Wh 20W panel için günlük sağlanan enerji = 20W x 6 h = 120Wh 30W panel için günlük sağlanan enerji = 30W x 6 h = 180Wh
40W panel için günlük sağlanan enerji = 40W x 6 h = 240Wh
Hesaplamalar göstermektedir ki sistemler arasında en çok güç harcayan modüller için yapılan günlük hesapta dönüştürme kayıpları olmayacağı için;
9W x 24h = 216Wh gibi bir enerji harcaması olacaktır. Bu da karayolu projelerinin tamamında solar sistemlerin yeterli olabileceğini göstermektedir.
Senkron solar flaşör için gerekli enerji miktarı ise günlük sadece 35Wh olarak hesaplanmıştır. Bu da göstermektedir ki 10W gücünde bir panel kullanılarak 35Wh gücündeki bir flaşör sistemi ayakta tutulabilmekte ayrıca maksimum 25Wh gücündeki ek bir sistem de birlikte çalıştırabilmektedir.
4. SENKRON FLAġÖR SĠSTEMĠNĠN TASARIMI, KULLANILAN MATERYAL VE YÖNTEMLER
4.1. Genel ÇalıĢma Prensibi
Bir önceki bölümlerde anlatıldığı gibi birçok solar sistemin problemi olan kontrolsüz çalışma tezin konusu olmuştur. Prototip ürünün geliştirilmesi için yazılım çalışmalarıArduino geliştirme kartı ile yapılmıştır. Prototip ürün testleriflaşör üzerinde gerçekleştirilmiştir. Ayrıca RF kontrol birimi için NRF24L01+ modülatör-demodülatörentegresiseçilmiş ve tasarımı yapılan “Açıklığı Anten” birimi ile bu entegrenin kontrol kartı üzerinde mikroşerit uyumlandırılması sağlanmıştır.
Öncelikli amaç yazılım tarafının tamamlanması olmuştur. Bu sağlanırken Arduino kullanılmıştır. Burada oluşturulan protokoller ile cihazların hem senkronpeş peşe çalışmasını sağlayan bir yapı (Şekil 4.1) hem de uzaktan bir master cihazın sinyalini takip eden bir çalışma (Şekil 4.2) ortaya konulmuştur.
ġekil 4.1. Senkronizasyon Sinyalinin Flaşörler Arasındaki Adımları
ġekil 4.2. Master CihazSenkronizasyon Sinyalinin Flaşörlere İletilmesi
Açık kaynak kodlu Arduino (Şekil 4.3) sayesinde sistemin çalışmasını sağlayan yazılım, farklı işlemciler ile çalışılmak istenildiğinde kolayca adapte edilebilecektir.
ġekil 4.3.Arduino Geliştirme Kartı
Flaşör tarafında Rayennur firmasının kendi ürünü olan sürücü kart bulunmaktadır (Şekil 4.4). Bu kart sayesinde akü şarj durum bilgisi referans alınarak akü beslemesi sağlanmakta bu sayede akü birimi korunacak şekilde bir işletim sağlanmaktadır.
ġekil 4.4. Rayennur Flaşör Sürücü Kartı
Sürücü kart sayesinde flaşörün çıkış sinyali de rahatlıkla kontrol edilebilmektedir. Ancak bu kontrol işlemi projede Arduino geliştirme kartı tarafından sağlanabilmiştir. Yani flaşör sinyal çıkışıArduinopinlerinden gelen sinyalile kontrol edilebilmiştir.
RF devre tasarımından gelen bilgiler doğrultusunda flaşörün istenilen biçimde çalışmasını sağlamak tezin amaçlarından biri olarak alınmıştır. Bu sebeple RF modülasyon ve demodülasyon işlemi için NordicSemiconductor firmasının NRF24L01+ (Şekil 4.5) entegresi kullanılmıştır. Bu entegrenin anten tasarımı ile mikroşerit uyumlandırılmasının ardındantez için gerekli donanım elde edilmiştir. İşlemci tarafında Arduino birimiyle haberleşen bu entegre SPI arayüzü ile yapılandırılmış ve veri alışverişi yine SPI arayüzünden sağlanmıştır.
ġekil 4.5.NordicSemiconductor NRF24L01+ Blok Diyagramı
Anten tasarımı Anysoft firmasının HFSS yazılımı (Şekil 4.6)kullanılarak gerçekleştirilmiş ve uygulaması yapılmıştır.
ġekil 4.6. ANSYS HFSS Yazılımı
4.2. FlaĢör Kartının Sisteme Entegrasyonu
Flaşör kartı sayesinde akü şarj kontrolü ve flaşör PWM işlemi yapılabilmektedir. Akü şarj işlemi bu kart üzerinde bırakılırken flaşör PWM işlemi ve bu işlemin aktivasyonu Arduino geliştirme kartı ile yapılmıştır.
4.2.1. FlaĢör kartı bileĢenleri
Flaşör kartı sayesinde solar panelden gelen enerji, akünün durumu referans alınarak kontrollü bir şekilde verilmektedir. Bu işletim için PIC12F675 işlemcisinin iç
ADC katmanı kullanılmıştır. Şekil 4.7’de işlemcinin ADC birimine giden pasif eleman bileşenleri şematik çizim olarak ifade edilmiştir.Analog işletimde hesaplardan bağımsız bir durumdan korunmak için kullanılan her pasif elemanın hata katsayısı olabildiğince düşük tutularak doğru komponentler kullanılmıştır.
ġekil 4.7.ADC Katmanı Pasif Eleman Şeması
Algılamada bataryadaki mevcut gerilim bölünerek ADC katmanına iletilmektedir. Burada batarya gerilimi +13V DC olduğu zaman ADC katmanında +5,1V DC algılanmakta ve solar panelden gelen gerilim transistör tetiklemesi ile deaktif edilmektedir. Şekil 4.8’de aktivasyonun oluşturulduğu transistör ve pasif elemanların şematik çizimi gösterilmiştir. Bu çizime göre PIC12F675 işlemcisi tarafından ADC biriminin girişine bağlı olarak solar panelin aküyü beslemesi sağlanmıştır.
ġekil 4.8. Solar Panel ile Batarya Arası Pasif Eleman Şeması
İşlemci birimi üretimdeki rekabet gücünü arttırmak için olabildiğince düşük özelliklerde seçilmiştir. PIC12F675 en uygun fiyata sahip işlemcilerden biridir. 8 adet pini olan bu işlemci sayesinde tasarım aşamasında yerleşimden de tasarruf sağlanmıştır. İşlemcinin pin diyagramıEk-1’de verilmiştir.
4.2.2. FlaĢör kart iĢletimi
Kontrol kartının birinci amacı ADC katmanından gelen bilgilere göre solar enerjinin akü birimine aktarılmasıdır. İkinci amacı ise sisteme gerektiğinde çıkış vermektir.Ek-1’de işlemcinin blok diyagramı ifade edilmiştir.
Mikroişlemcinin flaşör sistemi için çalışma yapısı şekil 4.9’da akış şeması ile ifade edilmiştir.
4.3. Modülatör ve Demodülatör BileĢeninin Sisteme Entegrasyonu
Modülatör - demodülatör entegresi sayesinde sistemin haberleşme tarafındaki tüm çalışması,pasif eleman hatalarından veya filtreleme işlemlerinden izole edilmiştir. Yani kurulacak bir haberleşme devresi, yerini alan bu entegre devre sayesinde sistemin anten tasarımınınprobleme has olması sağlanmıştır. Bu sayede üretim hatalarından etkilenmeyen bir RF sistem haline gelmiştir.
4.3.1. Modülatör ve demodülatör entegresi kurulum ayarları
Modülatör-demodülatör entegresi nRF24L01+ Nordic Semiconductor firmasının RF uygulamalar için tasarlamış olduğu bir üründür. Bu entegrenin pin yapısı Ek-2 de verilmiştir.
Entegre üzerinde gömülü işleyen protokol sayesinde senkron flaşör sisteminin gerekli modülasyon ve demodülasyon işletimiNRF24L01+ entegresi üzerindenyapılmıştır. Çalışma da modülatör ve demodülatör olarak görev alan entegre devrenin SPI arayüzü sayesinde işlemci tarafından belirli bir algoritma ile yapılandırılması sağlanmıştır.Yapılandırma ayarlarının ardından tüm sistemin haberleşmesi için gelen ve giden verilerin entegreden alınması veya entegreye iletilmesi tekrar SPI arayüzü üzerinden gerçekleştirilmiştir.
NRF24L01+ entegresininveri blokları ile haberleşme sağlanarak gerekli ayarlar sisteme tanıtılmıştır. Bu yapılandırmalar için entegre devrenin datasheet’in de verilen yönergeler üzerinden gidilmiştir. Şekil 4.10’daentegre devrenin kurulumu için gerekli akış şeması verilmiştir. Tüm register tablosu Ek-3 ile sunulmuştur.
Şekil4.10’da belirtilen registerlar işlemci tarafından tek tek doldurularak, gerekli çalışma prosedürü ve gönderilecek verinin içeriği entegreye tanımlanmaktadır. Aynı şekilde alınan veriler de entegreden talep edilerek alınabilmektedir. Entegre içindeki tampon register’lar alınan ve verilen verileri içlerinde saklamaktadırlar.
Entegre ile veri alış verişi algoritması ise şekil 4.11’de ifade edilmektedir. Bu algoritma doğrultusunda işlemci birimleri kendi aralarında haberleşerek sistem ağının kurulmasını sağlamıştır.
4.3.2. Modülatör ve demodülatör entegresi PCB tasarımı
NRF24L01+ entegresinin kontrol kartı üzerindeki şematik yerleşimi şekil 4.12’de gösterilmiştir. Pasif elemanlar sayesindeentegreye gürültüsüz enerji girişi ve filtrelemeler sağlanmaktadır. Ayrıca 16MHz’lik kristal sayesinde entegrenin gerekli frekansa ulaşması sağlanmaktadır.
Şekil 4.12’de ifade edilmiş anten çıkışlarına 50 Ohm ilemikroşerit hat üzerinden uyumlandırılmış, 2.4GHz rezonans frekansına uygun anten tasarımı sayesinde senkron flaşörsisteminin RF haberleşme devresi tamamlanmıştır.
ġekil 4.12. NRF24L01+ Entegresi Şematik Çizimi
NRF24L01+ entegresinin gerekli çalışmayı sağlaması için işlemci tarafından kontrol edilmesi gerekmektedir. Bu işletim için ise SPI protokolü, entegre devre ile işlemci arasında arayüz olarak kullanılmıştır. Entegrenin CE (ChipEnable), CSN (Chip Select Not), SCK (SerialClock), MOSI (Master OutSlaveIn) ve MISO (Master InSlaveOut) pinleri sayesinde tüm protokol haberleşmesi işlemci ile yapılabilmektedir. Bu haberleşmenin darbe zaman yapısı şekil 4.13’de gösterilmiştir.
ġekil 4.13. SPI Haberleşmesinin Darbe-Zaman Diyagramı
CE/CSN; SPI ile haberleşme de Master cihazdan Slave cihaza bilgi aktarabilmek için Slave cihazın yetkilendirilmesi gerekir. Slave cihazın yetkilendirilmesi için CE pininin lojik sıfır seviyesine çekilmesi gerekir. Master mikrodenetleyicidekiChipEnablepinin sayısı Slave cihaz sayısına eşittir. Birden fazla Slave cihaz varsa, bilgi gönderilmek istenen Slave cihaz kendine bağlı olan CE pini ile seçilir ve haberleşme yapılır. Böylelikle gönderilen bilgiler sadece haberleşmek istenen cihaza iletilir.
SCK; Saat darbesi verilerin lojik olarak iletilmesini sağlar. Slave cihaz yetilendirildikten sonra haberleşmenin başlayabilmesi için saat darbesine ihtiyaç vardır. Saat darbesi Master mikrodenetleyici tarafından sağlanır ve SCK üzerinden Slave mikro denetleyiciye aktarılır.
MOSI; Master cihazdan Slave cihaza MOSI pini üzerinden bilgiler aktarılır. Bu bilgilerin aktarılması için Master mikrodentleyici CE pinini lojik sıfır seviyesine çeker ve SCK üzerinden saat darbesi üretir.
MISO; Slave cihazdan Master cihaza MISO pini üzerinden bilgiler gönderilir. Bu bilgilerin aktarılması için Master mikro dentleyici CE pinini lojik sıfır seviyesine çeker ve SCK üzerinden saat darbesi üretir.
4.3.3. Modülatör ve demodülatör entegresi çalıĢma özellikleri
Senkron flaşör sisteminin en önemli özelliği düşük güç tüketimi sağlayan RF modülü kullanıyor olmasıdır. Çizelge 4.1.’de RF modülünün elektriksel özellikleri verilmiştir. Ayrıca gerekli yazılım optimizasyonları sayesinde işlemci dahil tüm devre elemanları sadece görev anlarında aktif olmaktadır.
Çizelge 4.1. NRF24L01+ Entegresinin Elektriksel Özellikleri
Çizelge 4.1’den yorumla en güçlü veri haberleşmesi 0 dBm anı için anlık 3,7x10-2 W güç tüketimi söz konusudur. Yazılım sayesinde, sistemde sadecesaat başı senkronizasyon yayını yapılmıştır. Bu sayede sistem sürekli uyku modunda olması sağlanmış ve harcanan güç 2,97x10-6W olmaktadır.
4.4. Anten Tasarımı ve Uyumlandırma
2.4 GHz ISM bandından ışıma yapan ve gelen EM dalgaları sisteme iletebilen açıklıklıbir mikroşerit anten tasarımı tezin amaçlarından birisidir. Senkron flaşör sistemi kurgulanırken tasarımı planlanan anten elemanının bu sisteme özgün olması ön planda tutulmuştur. Böylelikle benzer ürünlerin mesafe kriterleri yakalanmıştır. Yönsüz haberleşmeninde sağlanması ile sistemin sorunsuz kurulumu ve kullanımı mümkün olmuştur.
4.4.1. MikroĢerit antenler
4.4.1.1.MikroĢerit antenlerin çalıĢma prensibi
Geleneksel mikroşerit yama anten dielektrik zemin üzerindeki ışıyan metal yama ile diğer tarafındaki toprak zemin düzleminden oluşmaktadır (Şekil 4.14). Metal yama
genelde bakır, gümüş veya altın olan iletken malzemeden yapılabilmektedir ve çok farklı şekiller alabilmektedir. Örneğin kare, dikdörtgen, dipol, dairesel, eliptik, üçgen, disk dairesel dilim, dairesel çember, ve çember dilim bunlardan bazılarıdır. Ancak örnek çalışmada kare yama biçimi kullanılmıştır. Çünkü kare yama için yapılan analizler ile performans tahmin edilebilir ve hesaplanabilir. Yama antenler arasındageleneksel kare, dikdörtgen ve dairesel mikroşerit yama antenler en yaygın tipler olarak bilinirler. Çünkü yapılabilirlikleri kolay olmakla birlikte çapraz polarizasyon gibi ışıma karakteristiği ön planda tutmaktadır. Yamaların bulunduğu dielektrik zemin manyetik değildir.Örnek kare yama anten L uzunluğuyla, W genişliğiyle ve h kalınlığıyla karakterize edilir (Şekil 4.14) (Paker ve ark 2007)
ġekil 4.14.Mikroşerit Anten Parametreleri Üstten ve Yandan Görünüş
Mikro şerit anten; yama, iletim hattı (besleme), toprak yüzeyi ve dielektrik katmandan oluşmaktadır. Verici olarak kullanılan temel bir mikroşerit anten besleme probu ve toprak katmanı arasına şekil 4.15’deki gibi bir gerilim uygulanır. Sonuçta elektrik ve manyetik alanlar oluşur.
ġekil 4.15.Mikroşerit Anten Çalışma Yapısı
Kullanılan dielektrik katman şekil4.15’de gösterildiği gibi iki adet parametreden oluşmaktadır. Bu iki parametre dielelektrik katsayı (εr) ve katmanın hacim uzunluğudur (d). Genellikle elektrik alan bileşen dalga boyu için bu uzunluk d < 0.05λ0 olarak alınır. Akım ve gerilim genlik değerlerine göre yama bileşeni genişliği (W) ise λ/2 değerinde rezonans sağlamaktadır.
4.4.1.2.MikroĢerit anten kayıpları ve besleme teknikleri
Mikro şerit anten tasarımlarında kayıplar üç yol ile meydana gelmektedir. Bunlar iletken kayıpları, dielektrik kayıpları ve yüzey dalga kayıpları şeklindedir. Çok ince dielektrik katmanlar hariç tutulursa, iletken kayıpları ve dielektrik kayıpları önemsenemeyecek kadar küçük kalmaktadır. Yüzey dalgaları yüzey kenarlarından veya herhangi süreksizlik noktalarından yayılım gösterirler ve en önemli kayıpların yaşandığı parametreyi oluşturmaktadırlar.
Mikroşerit anten tasarımlarında besleme şerit halinde veya koaksiyelprob ile yapılmaktadır. Kullanımda bu iki besleme tipi benzerdir. Tasarımda anten besleme noktası çok büyük önem arz etmektedir ki bu nokta sayesinden antenin giriş empedans değeri ayarlanmaktadır.
Anten tasarımında sadece besleme noktası değil besleme yapısı da çok önemlidir. Şekil 4.16’da farklı besleme kuplajlarına göre antenin giriş eşdeğer devresi gösterilmektedir.
Hem şerit beslemede hem de koaksiyel beslemede Jz besleme akım yoğunluğu Ez alan olmak üzere;
L x dv Jz z V cos (4.1)
Kuplajdenklem (4.1) ifadesi ile verilmektedir. L yamanın rezonans genişliği ve δ yama kenarı referans alınırsa, besleme noktasındaki kayma için maksimum kuplaj durumu beslemenin δ = 0 veya L olarak verilmesi ile mümkündür(Pozar, 1992).
Ayrıca besleme şekillerine göre antenlerin yönlü veya dairesel polarizasyonları da elde edilebilmektedir.
Tasarımlarda özelleşmiş bir diğer yapı ise dizi antenlerdir. Dizi antenler için aynı empedans değerine denk gelecek şekilde kaynaktan gelen gücü bölen ve beslemeyi gerçekleştiren güç bölücü yapılar vardır.
4.4.2. AçıklıklımikroĢerit anten hesaplamaları
4.4.2.1.Açıklıklı antenler
Açıklıklı antenler birçok uygulamada literatürde mevcuttur. Açıklıklı anten çeşitleri şekil 4.17’de verilmiştir. Senkron flaşör çalışması açıklıklı anten literatürü taranarak gerekli tasarımlar gerçekleştirilmiştir.
Devam eden bölümlerde mikroşerit anten tasarımı için gerekli olan paremetreler adım adım planlanmış ve nihai anten tasarımı oluşturulmuştur.
4.4.2.2.Yarık-dipolanten karĢılaĢtırması (Babinet prensibi)
Babinet prensibinin mucidi Dr. H.G. Booker tarafından yarık anten ve dipol anten şu şekilde tanımlanmıştır; “Sonsuz bir toprak düzlemi üzerindeki yarığı, sonsuz uzaydaki çubuk tamamlar” (Dr. H.G. Booker1946).
Babinet teorisine göre yarık anten ve dipol anten arasındaki fark manyetik ve elektrik alanın 90° dönmesidir. Şekil 4.18’de ifade edilmiştir.
ġekil 4.18.Slot Anten ve Dipol Anten Işıma Yönleri
Babinet prensibi sayesinde radyasyon alanları ve anten empedansları hesaplanabilmektedir. Prensibe göre ilk empedans değeri slot antene ait iken (Zc) ikinci empedans değeri anten çiftine aittir (Zs). Bu iki empedans arasındaki ilişki ise denklem(4.2) ile ifade edilmiştir.
4
2 S CZ
Z (4.2)
Bu formüle göre η boşluğun iç empedans değerini vermektedir. Vakumlu bir ortam için η değeri denklem (4.3) ile verilebilir.
Ohm e Z 120 377 12 854 . 8 10 4 7 0 0 0 (4.3)
Bu empedans değeri temelde elektrik ve manyetik alanların genlik oranlarını vermektedir.
H E
Z (4.4)
ġekil 4.19.Babinet Prensibine Göre Slot Anten ve Anten Çifti.
Aslında bu oran Maxwell denkleminin sonucu olarak da ifade edilebilir. Çünkü geçirgenlik ve dielektrik sabiti ( , ) ( r. 0, r. 0)gibi alınırsa, Maxwell denklemi (Çizelge 4.2.) ile denklem (4.5) ifadesi elde edilir.
0 0 0 Z Z r r r r (4.5) Çizelge 4.2. MaxwellDenklemleri v E . Gauss Yasası 0 .H Manyetizma için Gauss Yasası t xE Faraday Yasası t J xE Amper Yasası
Babinet prensibinin ikinci büyük çıkartımı ise bu iki anten tipinin aynı alanlara sahip olmasıdır. Slot anten için “S”, Dual anten için “C” indisleriyle ifade edilen alan
denklemleri, Babinet prensibinin slot anten ve dual anten arasındaki ilişkisi aşağıdaki gibi ifade edilebilir;
C S H E , E S H C, 2C S E H , H S E2C (4.6)
Burada çıkarılması gereken bir diğer sonuç ise dual antenin ışıma alanları biliniyorsa, karşılık gelen yarık antenin de sonuçlarına ulaşılabilir. Örnek bir hesaplama aşağıda adım adım ifade edilmiştir. Şekil 4.19’da gösterilen iki antenden dual anten için; dipol boyu 14.4 cm, genişlik 1 cm ve 1 GHz için empedans 65+j15 Ohm alınacak olursa elektrik alan denklemi de 4.7’deki gibi olacaktır.
sin
0
E
Ed (4.7)
Aynı boyutlara sahip yarık anten için empedans hesabı aşağıdaki gibi yapılabilmektedir. Sonuç olarak bahse konu dipol antenin karşılığı olan açıklıklı antenin empedansı da aşağıdaki gibi ifade edilebilir. Burada ZD dipol antenin empedans değeridir. 120 519 ) 15 65 ( 4 ) 120 ( 4 2 2 j j Z Z D S (4.8)
Aradaki büyük kapasite farkının sebebi birinin kapasitif etki ile diğerinin endüktif etki ile ışıyor olmasıdır. Aynı şekilde iki anten tipinin birbirine eşit elektrik alan hesabı aşağıdaki gibi verilebilir.
sin
0
E
Ed (4.9)
Denklem 4.9’da polarizasyonun yatayda oluştuğu elektrik alan ifadesinin aldığı indis (φd) ile gösterilmiştir.
4.4.2.3.MikroĢeritbesleme hattı hesabı
Açıklıklı anten tasarımı modülatör-demodülatörentegresine göremikroşerit hat ile uyumlandırılmıştır. Bu uyumlandırma işlemi için entegrenindatasheetbilgileri referans alınmıştır.
NRF24L01+ entegresinindatasheet bilgilerine göre 2.4GHz’de 50 Ohm besleme hattı gerekmektedir. Tasarımın her cihazla uyumlu çalışması için boyutları çok önemli bir parametredir. Bu noktada çalışma küçük boyutların sağlanabilmesi için ISM bandı 2.4GHz frekansta,mikroşerit PCB anten ile mikroşerit beslemenin uyumlandırılmış halidir (Akkaraekthalin ve ark 2012).
Düşük maliyetli ve kullanışlıprototip ürün temel hedef olduğu için FR-4 malzeme kullanılmıştır. Her PCB üretici firmanın rahatlıkla ulaşabildiği parametreler referans alınarak tasarım şekillenmiştir.
4.5
ε
r değeri1.6 mm dielektrik malzeme kalınlığı 35 μm bakır kalınlığı
Bu özellikler referans alınarak şekil 4.14 referansla formül adımları 2.4GHz’de çalışma için kullanılmıştır. Burada W/h değeri 1’den büyük olacağı için efektif ε değeri özel hesaplamaya tabi tutulmuştur.
W h r r eff 12 1 1 2 1 2 1 (4.10) 2 ' 2 ' ' 0 ) 4 11 2 14 ( 2 1 1 4 11 2 14 4 1 ln 1 2 2 1 120 W h W h W h
Z eff eff eff
r
(4.11)
Sonuç olarak 50 ohm empedans için denklem 4.10’a göre W = 2.927 mm çıkarken εeffdeğeri 3.38 olarak bulunmuştur (Jiao ve ark 2007).
4.4.2.4.Anten yama kısmının hesabı
Açıklıklı antenin yaması için yapılan çalışmada W, L, h, t gibi parametreler literatürdeki referans çalışmalar baz alınarak seçilmiştir. Bu referans çalışmaların üzerine tasarım şekillenmiş ve çeşitli analiz sonuçlarına göre nihai tasarım oluşturulmuştur.
Literatür taramasında kullanılan bazı çalışmalardan özetle; doğrusal, dar, açıklıklı anten konsepti üzerine yapılan çalışmada εrdeğeri 4.5 olan FR-4 malzeme kullanılarak tasarım tamamlanmıştır. Tasarımda anten besleme hattının açıklık tarafındaki taşması üzerine çalışılmıştır. Bu taşma miktarına bağlı olarak antenin rezonans frekansındaki değişimler incelenmiştir (Anantrasirichai ve ark 2007).
Referans anten parametreleri ve tasarım kriterleri şekil 4.20’de ifade edilmiştir
ġekil 4.20. Literatürde Yapılan Örnek Tasarım Parametreleri(Anantrasirichai ve ark 2007). 2.4 GHz’de çalışan tasarım için
ε
effdeğeri hesaplanmış ve ardından dalga boyu frekans denkleminden gerekli λgdeğeri bulunmuştur. Anten çalışma prensibi gereğince orta noktadan beslenmekte olan açıklıklı anten için açıklık boyu L1=35.8mm alınarakyarım dalgaboyu yani 0.48λg sağlanmıştır. Açıklık genişliği olan W1 değerine göre antenin frekansında oluşan değişiklik kaydedilmiştir (Çizelge 4.3).
Çizelge 4.3. Ölçüm Çizelgesi [1]
W1(mm) Rezonans
Frekansı (GHz) Frekans Aralığı (GHz)
Bant Genişliği (MHz) Geri Dönüş Kaybı S11 (dB) 2.5 2.52 2.46-2.58 120 -20.9 3.0 2.49 2.425-2.56 135 -27.9 3.5 2.46 2.39-2.54 150 -41.5 4.0 2.43 2.355-2.51 155 -27.1 5.0 2.40 2.325-2.48 155 -21.7
Bir diğer literatür çalışması ise çeşitli yama şekillerinin açıklıklı anten tasarımı üzerindeki etkisini göstermektedir. Şekil 4.21’de örnek yama şekilleri bulunmaktadır(Nakkeron ve ark 2010).
ġekil 4.21. Literatürde Yapılan Örnek Tasarımlar(Nakkeron ve ark 2010).
Modülatör-demodülatör entegresinin rezonansfrekansı 2.52 GHz veya 2.4GHz olarak alınabilmektedir. Bu noktada ortaya çıkacak tasarım FR4 malzeme için anten açıklığının 5mm ile 2.5mm arasında kademeli değişmesi sağlanacaktır. Böylelikle uygulamaya özel bir antenin tasarımı sağlanmıştır.
4.4.3. Senkron flaĢör sistemi için anten tasarımı
4.4.3.1.HFSS nedir?
“High frequencystructuralsimulator” yazımının kısaltması olan HFSS; elektromanyetik yapıları sonlu elemanlar yöntemi ile çözen yazılımsal bir simülatördür. Üreticisi AnsysCorporation'dır. Antenlerin, filtre içeren karmaşık RF devrelerinin, iletim hatlarının tasarımında en yaygın kullanılan birkaç ticari yazılımdan biridir.
Yazılımın ilk aşamaları Carnegie Mellon Üniversitesi'nden Prof. Dr. ZoltanCendes ve öğrencileri tarafından geliştirilmiştir. Sonrasında ZoltanCendes ve kardeşi NicholasCendesAnsoft'u kurmuşlar ve 1989'da Hewlett-Packard aracılığı ile bağımsız bir yazılım olarak HFSS'i satmaya başlamışlardır. Sonraki yıllarda gelişen birçok ticari anlaşmaların neticesinde Ansoft, Ansys Corporation tarafından satın alınmıştır. HFSS de AnsysCorporation'ın bir ürünü olarak satılmaktadır. (HFSS wikipedia)
4.4.3.2.HFSS ile proje oluĢturmak ve anten tasarımına giriĢ
HFSS yazılımı ilk açıldığı zaman şekil 4.22’deki gibi bir ekran karşımıza gelmektedir.
ġekil 4.22. HFSS İlk Ekran
Ardında yeni bir proje oluşturulması gerekmektedir. Bunun için şekil 4.23 takip edilmektedir.
ġekil 4.23. HFSS Proje Ekranı
Proje oluşturulmasının ardından HFSS kütüphaneleriyle çalışmaya başlanabilecektir. Bir sonraki adım burada gerekli anten tasarımının analiz amacıyla programa tanıtılması olacaktır. Şekil 4.24’de yazılıma tanıtılmış olan bir yama anten ve özellikleri penceresi ifade edilmektedir. Bu özellikler hem çizimin ortam özelliklerini hem de yerleşim özelliklerini içermektedir.
Nihai anten tasarımının HFSS platformu üzerinde oluşturulmasının ardından (Şekil 4.25) S11, S22, ışıma deseni, polarizasyon ve benzeri analizleri ortayakoymak mümkün olacaktır.
ġekil 4.25. Örnek Tasarım
Şekil 4.26 ile anten tasarımının sırasıyla, ışıma deseni Smith abağı çizimi, 3 boyutlu ışıma deseni ve frekans-güç grafiği verilmiştir.
