Mikrofon ile Ses kontrollü Elektrik Anahtarı

SES KONTROLLÜ ELEKTRİK ANAHTARI Kutay Kutlu1, Çağan Sel1, Musa H. Asyalı2, Sinem Öztayfun2 2Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, Ege Üniversitesi, Bornova 35100, İzmir 2Bilgisayar Mühendisliği Bölümü, Yaşar Üniversitesi, Bornova 35500, İzmir. Günlük hayatımızı kolaylaştıran elektrikli aletleri açma ve kapama genellikle mekanik bir anahtar yoluyla yapılmaktadır. Ancak bazı durumlarda (örneğin bazı rahatsızlıklarda ya da yaşlılıkta, ya da bazı dış etkenlerin elektrikli aletlere ulaşmayı tehlikeli kıldığı durumlarda) bu cihazları ses ile açıp kapamak daha uygun olabilir.

Bu çalışmada, elektrikli aletleri daha kolay ve tehlikesiz bir şeklide kontrol edebilmek (açma ve kapama işlemini yapabilmek) amacıyla bir devre geliştirilmiştir. Bu devre basit bir aydınlatma uygulanmasında (bir ampulün “aç” sesi ya da komutuyla açılması) test edilmiştir. Çalışmamızda dizayn edilen devre karmaşıklıktan uzak ve çok hesaplıdır.

Bu çalışmanın konusu, ses kontrollü bir anahtarlama devresi tasarlanmasıdır. Devre girişi herhangi bir ses olacak ve devre bu ses sinyalini algılayarak bir işlem gerçekleştirecektir. Geliştirilen devrenin mümkün olduğunca az sayıda ve hesaplı devre elemanlarından oluşmasına dikkat edilmiştir.

Devrenin girişi ses sinyalidir. İnsanların kullanabileceği “aç”, “kapa” ve alkış (el vurması) gibi seslerin frekans spektrumları incelenmiş ve devre bu seslere tepki verebilecek şeklide tasarlanmıştır. Tasarım sırasında karşılaşılabilecek başlıca zorluklar arasında dış etkenlerin devreye gürültü olarak yansıması, ses sinyali ile uyumlu çalışabilecek elemanların belirlenmesi, bu elemanların kolay bulunur ve iyi performans özelliklerine sahip olabilmeleri gibi etkenler sayılabilir.
Çalışmaların ilk aşaması ses sinyalinin karekteristiğinin incelenmesidir. Bunun için değişik konuşmacılar tarafından söylenen “aç”, “kapa” gibi komutlar ve alkış sesleri mikrofon ve ses kartı yardımıyla bilgisayar ortamına aktarılıp incelenmiştir. Bu konu ses sinyallerinin incelenmesi başlığı altında incelenecektir.

Daha sonraki aşama ses sinyalinin oluşturulacak analog devre kısmına doğru bir şekilde aktaracak mikrofonun belirlenmesidir. Bunun için değişik mikrofon çeşitleri ve uygun ön-yükseltici (pre-amplifier) devreleri incelenmiştir. Bu kısım ise mikrofon çeşitleri ve ön-yükselticiler başlığı altında anlatılacaktır..

Komut Olarak Kullanılabilecek Ses Sinyallerinin İncelenmesi

Ses sinyalinin frekansı, genliği ve şekli hakkında bilgi sahibi olmak için, mikrofon ve ses kartı yardımıyla “aç” , “kapa” ve alkış sesleri bilgisayar ortamında kaydedilmiş ve daha sonra Matlab programı ile incelenmiştir. Örnek olarak Şekil 1’de “aç” sesinin zamanda gösterimi ve spektral analizi gösterilmektedir.

Şekil 2.1. “Aç” sesinin zamanda gösterimi (üst panel) ve spektral analizi (alt panel). Örnekleme frekansı 11025 Hz’dir.

Kaydedilen bu ses sinyallerini spektral analizi sonucunda tasarlayacağımız elektronik devrenin 3 kHz’e kadar olan frekans bileşenlerini algılayabilmesinin ve işleyebilmesinin yeterli olacağı anlaşılmıştır. 3. Mikrofon Çeşitleri Dizayn edilen devrenin girişi bir ses sinyalidir. Bu ses sinyalinin dışardan iyi bir şekilde alınması gereklidir ki devre yeterince hassas olabilsin ve doğru karar verebilsin. Bu durumda kullanılacak mikrofonun tipine iyi karar vermek gereklidir.

Üç ana katagoride mikrofonlar incelenebilir.

1- Dinamik veya haraketli bobin (moving coil) mikrofonlar,
2- Şerit (ribbon) mikrofonlar,
3- Kondansatör (consender) veya elektret mikrofonlar.

Dinamik veya hareketli bobin (moving coil) mikrofonlar

Dinamik veya hareketli bobin mikrofonlarda ses basıncındaki değişiklerle (insan veya müzik aleti sesi) hareket eden bir diafram bulunur. Bu hareket sonucu bir elektrik akımı meydana gelir. Sesin vibrasyonundan dolayı oluşan manyetik alan değişimi ile akım oluşur çünkü mikrofonun yapısı içinde manyetik bir malzeme ve hareketli bobin vardır. Bobinin hareketi manyetik malzeme ile beraber değişen bir manyetik alan oluşturur bu da bobinden bir akım akmasını sağlar.

Dinamik mikrofonlara dışardan bir güç verilmesine gerek yoktur. Kendi akımını oluşturur ve çalışır. Günlük yaşamda oldukça kullanışlıdır ancak stüdyo ortamında kayıtlarda bazı müzik aletlerinin seslerini sağlıklı bir şekilde algılamıyabilir. Bu da 16kHz-19kHz frekans civarındaki seslerde ortaya çıkar, 12-14 kHz civan dinamik mikrofon için limittir denebilir. Piyasada kolayca bulunabilen bu mikrofonların malesef fiyatları o kadar ucuz değildir. Piyasadaki dinamik mikrofonlarda manyetik malzemeler mıknatıslardır. Bir dinamik mikrofon kapsülü hacim olarak da büyük ve kullanışsız olabilir; özellikle de bir elektronik devresinde kullanılıyor ise.

Şerit (ribbon) mikrofonlar

Bu tip mikrofonlar, sesin vibrasyonu sonucu değişen manyetik alan ile bir akım üreten dinamik mikrofonlara benzerdir. Fakat bu mikrofonun yapısal farkı, manyetik malzemenin bir bobin ile sarılması yerine, malzemenin manyetik kutuplan arasına bir şerit veya kıvrımlı bir metal dar bir parça konulması ve bu şekilde aynı dinamik mikrofon mantığı ile akımı oluşturulmasıdır [3]. Ancak şerit mikrofon dinamik mikrofana göre daha hassasdır. Bu nedenle yüksek seviyede ses basıncı olan ortamlardan uzak tutulmalıdır. Ayrıca bu mikrofonlar ses kayıt işlerinde oldukça iyi performans verirler ve genelde klasik müzik kayıttan ve konserlerinde kullanılırlar.

Kondansatör veya Elektret Mikrofonlar

Kondansatör mikrofon içinde iki tane küçük metal yüzey vardir ve bu metal yüzeyler arasında bir boşluk bulunur. Bu metal yüzeyler paraleldir ve kondansatör yapısındadır. Bu iki metal yüzeyden biri sabit diğeri ise sesin vibrasyonu ile hareket eden hareketli bir parçadır. Herhangi bir ses geldiğinde sesin yaptığı basınç sonucu hareketli yüzey konum değiştirir ve metal yüzeyler üzerinde elektrostatik bir yük oluşur. Bu etki kapasitif etki olarak adlandırılabilir. Bu etkiden dolayı oluşan sinyal direk olarak kayıt mixer devresine girilemeyecek kadar küçüktür. Bu demek oluyor ki mikrofon yapısı içine bir ön-yükseltici konmalıdır. Bir ön-yükseltici devre¬sinin çalışabilmesi için bir güç kaynağına ihtiyaç duyulduğu bilin¬mektedir. Bu durumda mikrofonun iyi bir şekilde çalışabilmesi için 1.5-9 Volt arası bir gerilimle beslenmesi gerekir.

Kondansatör mikrofonlar oldukça hassastırlar. Bu nedenle kullanılırken çok yüksek ses seviyelerinden ve darbelerden kaçınılmalıdır. Her türlü kayıt için stüdyo ortamında mükemmel sonuç verir. Ayrıca oldukça geniş bir band (20 Hz – 22 kHz) aralığında yüksek kalitede çalışır. Çoğunlukla profesyonel ses kayıtlarında kondan¬satör mikrofonlar kullanılır.
Mikrofonlar ayrıca çıkış empedanslarına göre üçe ayrılır:

1- Düşük empedanslı mikrofonlar: 600Ω veya daha düşük,
2- Orta emoedanslı mikrofonlar: 1 -6kΩ,
3- Yüksek empedanslı mikrofonlar: 10kΩ veya daha yüksek.

Buna göre; kristal mikrofonlar yüksek empedanslı, kondansatör veya elektret ınikrofonlar düşük empedanslı ( kapasitör bu değeri yükseltir ancak ön-yükseltici devresi düşürür), şerit (ribbon) mikrofonlar düşük çıkış empedanslarına sahiplerdir.

Sesin Algılanması

Ses sinyalinin karekteristiği iyice anlaşıldıktan sonra ses sinyalinin sağlıklı bir şekilde alınması ve yükseltilmesi sağlanmıştır. İlk olarak kondansatör mikrofondan ses sinyali elde edilebilmesi için aşağıdaki devre kurulmuştur.

Şekil 4.1. Mikrofon Giriş Devresi.

Kondansatör mikrofonun içindeki ön-yükseltici devresinin çalışabilmesi için bir beslemeye ihtiyaç duyduğu ve mikrofonun içinden 1 mA’lik bir akımın geçmesinin gerekliliğinden bahsedilmişti. İşte bunun sağlanması için kaynaktan alınan 12 Volt’luk DC gerilim 3,3kΩluk direnç üzerinden kondansatör mikrofonun pozitif bacağına bağlanmış, negatif bacak ise topraklanmıştır. Devrenin çıkışı Vo sinyalinde beslemeden kaynaklanabilecek gereksiz bir de gerilim oluşmamalıdır, çünkü bu çıkış yükseltici devresine girecektir ve gereksiz yere yükseltilecektir. Eğer yükseltici bir opamp ise de saturasyon gerçekleşecektir ve küçük genlikli ses sinyali kaybolacaktır. Bunu engellemek için mikrofondan sonra iki adet 10 uF’lık kapasitör ters kutuplu (-_+ ve +_-) şeklinde bağlanarak de gerilim iyi bir şekilde süzülmüştür. Çıkıştaki paralel l Kohm’luk direnç ise yük görevindedir.

Yükseltici ve Doğrultucu Devresi

Ses sinyalinin incelenmesi sonucu analog devrede kullanılması için iyi bir yükseltme ve doğrultma işleminden geçirilmesinin gerekliliği görülmüştür. Ses; Şekil 2’de görülen mikrofon giriş devresinin çıkışında 1-2 mVolt tepe genliğine sahip ortalaması yaklaşık sıfır olan sinyal olarak görülmüştür. Bu sinyal analog devrelerde işlem yapılabilmesi için oldukça düşük bir genliğe sahiptir. Bu durumda sinyal 1-2 Volt mertebesine yükseltilmelidir. Ayrıca bu sinyalin ortalamasının sıfırdan farklı ve pozitif bir değerde olması gerekmektedir. Bu iki önemli işlemi aynı anda sağlıklı bir şekilde gerçekleştirmek için precision rectifier kullanılmıştır. Bu devre aşağıda gösterilmiştir.

Şekil 5.1. Hassas Doğrultucu (Precision Rectifier)

Mikrofon katından çıkan sinyal bu devrenin girişine verilir. Devrenin iki işlevi vardır. Bunlardan bir tanesi tersleyerek yükseltme yapmak, diğeri ise doğrultmaktır, tersleyerek yükseltmenin kazancı devrede gözüktüğü üzere 1,2MΩ/lkΩ = 1200 dir. Böylece mikrofon katından çıkan sinyal 1-2 V mertebesine yükseltilmiş olur. Doğrultma işlemi de aynı devrede yapılmaktadır. Bu işlem için tek diyotlu yarım dalga doğrultucu da kullanılabilir. fakat böylece doğrultulacak olan sinyalden 0.7 V luk bir gerilim düşümü olacaktır. Bu da ses sinyali gibi çok düşük genlikli sinyaller için büyük bir kayıp olacaktır. Bunun önlenmesi için süper diyot, yani precision rectifier kullanılmıştır.

Alçak Geçiren Filtre (Low – Pass Filter)

Doğrultulmuş ve yükseltilmiş sinyal alçak geçiren filtreye uygulanarak, bu sinyalin de seviyesi bulunmuştur. Bu de seviye karşılaştırma işleminin gerçekleşebilmesi için gereklidir. Alçak geçiren filtre olarak seri R-C devresi kullanılmıştır [2]. Bu devre aşağıda gösterilmiştir.

Şekil 6.1. Alçak Geçiren Filtre.

Bu DC seviye ses sinyalinin şiddetine göre l Volt ile 3 Volt değerleri arasında değişebilmektedir. Bu değerler karşılaştırıcı devresinin dizaynı için önemlidir.

Karşılaştırıcı Devresi

Mikrofonun algılayabileceği ya da devrenin ortamdan kapabileceği gürültülerin yükseltilmesi sonucu alçak geçiren fîltrenin çıkışı l Volt civarına kadar ulaşabilmektedir. Devrenin bu gürültülerden etkilenmemesi için karşılaştırıp devresinin referans voltajı l Volt olarak belirlenmiştir.

Şekil 7.1. Karşılaştırıcı devresi.

DC seviyesi elde edilmiş olan ses sinyali, karşılaştırıcı devrenin pozitif girişine verilmiştir [1]. Referans gerilimi olarak da l V seçilmiş ve op-ampın negatif girişine verilmiştir. Bu l V değeri daha önceden belirlenen gürültü sinyallerinin ses olarak algılanmaması için öngörülmüştür. Karşılaştırıcı devresinin çıkışında istenen, ses geldiğinde +12V, aksi durumda da OV de gerilim üretebilmektir. Çünkü röle kontrol devresi, dijital olarak dizayn edilecektir. Bunun için teorik olarak op-ampın beslemeleri +12V ve OV olarak verilmelidir. Ancak pratikte, çıkışta +12V ve +2V seviyeleri görülmüştür. Bunun nedeni kullanılan op-ampın karakteristiği ile İlgilidir. Bu durumun ortadan kalkması için, negatif besleme olarak OV yerine -2V verilmiştir.

Şekil 7.2. Dizayn edilen devrenin analog kısmı.

Röle Kontrol Devresi

Buraya kadar oluşturulan devrenin çıkışı, ses sinyali olduğu sürece +12 Volt diğer anlarda ise O Volt olmaktadır. Anahtarlama elemanı olarak röle kullanılacaktır. Röle bir anahtar olarak çalışır. Besleme bacaklarına gerilim verildiğinde anahtarı kapar gerilim verilmediğinde ise açar. İki tip röle vardır:

• Tek kontaklı röle: Bu tip rölelerde besleme olduğu sürece anahtar kapanır ve besleme kesildiği anda anahtar açılır.

• Çift kontaklı röle: Bu röle tipi ise pozitif besleme geldiğinde anahtarı kapar; negatif besleme geldiğinde ise anahtarı açar.

Dizayn edilen devre de istenen anahtar kontrolü, ses geldiğinde açılacak ikinci bir ses geldiğinde ise kapanacak biçimdedir. Yani anahtar, her ses geldiğine bulunduğu konumun tersi durumuna geçecektir. Yukarıda anlatılan iki röle tipi de direk olarak devre çıkışına bağlandığında istenen anahtarlamayı gerçekleştiremez. Bu yüzden bir röle kontrol devresi tasarlanmıştır.
Röle kontrol devresi aşağıda gösterilmiştir.

Şekil 8.1. Röle Kontrol Devresi.

Tablo8.1. CD4013 entegresinin doğruluk tablosu

Yukarıda gösterilen devrenin amacı piyasada bulunan rölelerden herhangi birine uygun kontrol sağlamaktır. Burada tek kontak röle kullanılmıştır. Bu tip rölenin kontrolü için, ses geldiğinde +12V gelen ve bir diğer sese kadar da bu durumunu muhafaza eden yukarıdaki röle kontrol devresi kullanılmıştır. Bu devrenin çalışmasının anlaşılabilmesi için, kullanılan CD4013 entegresinin doğruluk tablosunun bilinmesi gereklidir.

Sonuç

Dizayn edilen devre daha önceden belirlenen özelliklere sahiptir; kullanılan elemanlar piyasada rahatça bulunabilecek ucuz elemanlardır ve devre karmaşık bir yapıda değildir. Oluşturulan bu devre, her türlü elektrikle çalışan cihazın ses ile kontrolünü mümkün kılmaktadır.

Böyle bir aletin geniş bir kullanım alanı vardır çünkü günümüzde elektrik ile çalışan cihazlar hayatın bir parçası olmuştur. Örneğin böyle bir alet, hastane, bakım evleri ya da özürlü insanların yaşadığı mekanlarda birçok kolaylıklar sağlayabilir. Ayrıca bu çalışmadan yola çıkılarak değişik ses şiddetlerini algılayarak belirlenebilecek bir kaç işlem yaptırabilen aletler de dizayn edilebilir. Ya da çok farklı ses sinyallerini algılayabilen (bu olay frekans ayırıcı filtreler ile yapılabilir) ve o sesler geldiğinde işlem (anahtarlama) yapabilen aletler tasarlanabilir. Ayrıca günümüzde güvenlik sektöründe (alarm devrelinde) sıklıkla kullanılan hareket sensörleri yerine bu tarz devreler ile güvenlik sistemleri tasarlanabilir.

Referanslar
[1] BOYLESTAD, Robert ve NASHELSKY, Louis (1994), Elektronik elemanlar ve devre teorisi, (Çeviren: Hakan Özyılmaz ve Ünal Küçük), Milli Eğitim Bakanlığı Yayınları
[2] HORENSTEIN, Mark N. (1996), Micro Electronic Circuits and Devices, Prentice Hall.
[3] http://www.ortyd.org.tr/teknik/mikrofonlar.html
[4] MANO, M. Morris, KIME, Charles R. (2003) Logic and Compute Design Fundamentals, Prentice Hall.

Kaynak: http://joy.yasar.edu.tr/makale/ucuncusayi/SinemOZTAYFUN.doc – Emeği geçen hazırlayn kişilere teşekkürler