Not : Daha önce yazdığım proje yazısının birebir olmasa da çevirisi sayılabilecek bir yazı hazırladım. This is a short summary of our (me and my friend Umut Yuksekbas) graduation project. Sorry for the grammatical mistakes.

Computer & Microcontroller Based Closed Loop Robot Position Control System

Abstract : Robot systems scope out the problems fast and sensitive, don’t affected the factors which destructive of health for humans. For this reason they are needed at industrial areas. Robots are used for precise applications in a wide area such as automotive industry, medicine, nuclear power stations and biomedical. They can be used in critical applications like sensitive surgical operations. That’s commonly utilized as a mechanical arm for handicapped ones. Our project’s subjects are automatic control systems and position control of a robotic arm with the coordinates that send from computer. We intended to design a closed loop control system of a mechatronic system. Manipulator system is a multi-input multi-output (MIMO) system and each joint is fed by different input signals for position check. Dynamic model of the manipulator system is not linear and contains interactive terms between joints. We have designed a 6-degree-of-freedom robot arm and a control system. DC motors on the joints provide the movement of the manipulator. We used L298 IC which contains H-Bridges for driving the DC motors and PIC 16F877 as microcontroller. Max232 serial interface sets up the communication between computer and microcontroller. We developed the position control algorithm in MPLAB IDE by using the Hitech PICC Compiler. Microcontroller takes the analog feedback signals from the potentiometers placed on joints then convert them to digital signals by built-in ADC modules. The PI control system uses the analog signals in order to calculate the optimum PI control parameters then provides the target movement with minimum error.

SYSTEM COMPONENTS

Hardware Component

PIC 16F877-20MHz contains 8 ADC channel and 2 PWM module and L298 contains two H-Bridge in it. This driver is very robust and is able to work with 46 V source voltage and 4 A source current. In this project  15 V source voltage and 0.5 A max current are utilized.

Block Diagram

Position data which transmitted from computer come to the PIC’s serial port over the Max232 serial interface. After that, the ADC module reads and converts the analog values and transmits signals to the motor drivers for holding the arm in target position. The algorithm determines the transaction direction for decreasing the error and sends the signals. It breaks the motors when the arm is on the target position. Microcontroller checks all of the joint positions repeatedly and if it senses a deviation on the joint, brings the joint back to the target position. The algorithm changes the motor voltages directly proportional to the error

Schematics

PCB Design

A 2-layer circuit board was designed and assembled. L298 ICs can be seen on the right side of the first image. The sockets from top to bottom;

• Power
• Analog Feedbacks (From joint pots)
• Motors

PCB 1

PCB 2

Software Component

We developed the microcontroller code by using HITECH PICC in MPLAB IDE. The P.I. Control System on the microcontroller side, calculates the error by differentiating the feedback values which read from ADC module and the expected value, continuously for each joint. This error value multiplied by Kp constant. All these error values summed and multiplied by Ki constant. The control signal which derived by summing the proportional and integral control signals, limited in a desirable range.

Control Signal

This calculation repeats for each joint over and over again for providing the position control. Ziegler-Nichols method were used for designing the control system, because it was not possible to get the technical data about mechanical system for deriving the mathematical model.

Controller Design

D and I constants of PID controller let by zero and, the P constant were increased until the system oscillates. The P constant on that oscillation time called Kc and the oscillation frequency called Tc.

Oscillation

The optimum P.I. Control parameters were derived by using the Ziegler-Nichols method. The system response is below mentioned.

System Response

Graphical User Interface Design

Graphical User Interface (GUI) was developed by using QT Designer and Kdevelop Integrated Development Environment in C++ programming language. The GUI design can be seen below. QT libraries are suitable for creating platform independent code. By this way, the GUI can be compiled and run under various platforms, such as Unix, Linux, FreeBSD, MacOS and Windows.

GUI

The coordinate data transmitted over the USB bus by using a USB/Serial converter with a 57600 baud rate. Control System variables can be changed or modified with the GUI in realtime. Serial port device, baud rate and control system parameters can be selected and changed by using the GUI.

GUI Ayarlari

Conclusion

The system that we developed can do a position control in Cartesian Coordinate System. It keeps its position unless the operator will give a new coordinate, and can perform a coordinate change in a desirable time. I believe that this project is providing a useful design for industrial areas such as production and test, biomedical, security, situations that harmful for human, and academic study. The future plan for my study is making two robotic arms work together and in cooperation.

Bu projede Matlab ortamında, önceden kaydedilmiş olan bir bayan sesinin “Pitch Frequency” analizi yapılarak segmentasyon işlemi gerçekleştirilmiş ve sesli/sessiz segmentler ayırt edilerek sinyalin sesli segmentlerinin ortalaması çıkarılmıştır. Proje, ses tanıma algoritmalarına giriş niteliğinde bir ön bilgi olarak sayılabilir.

İçerik

• Değişkenlerin Tanımlanması
• İşlenecek Sinyalin Matlab Ortamına Alınması
• Sinyalden DC Bileşenlerin Atılması
• Segmentasyonda Kullanılacak Değişkenlerin Belirlenmesi
• Silence Analizi İçin Gerekli Değişkenlerin Bulunması
• Silence Olan Segmentlerin Atılması
• Clipping Level Parametrelerinin Elde Edilmesi
• Segmentlerin Enerjilerinin ve Otokorelasyonlarının Bulunması
• Sonuç

Değişkenlerin Tanımlanması

Programda kullanılacak değişkenler hız kazanmak için önceden tanımlanıyor.

xseg_son=[];
mm_son=[];
cc=[];
energy=[];
pitch=[];
voiced=[];
unvoiced=[];

İşlenecek Sinyalin Matlab Ortamına Alınması
normal_female.wav dosyası x değişkenine atiliyor. Okunan sinyalin sample frekansı fs değişkeninde tutuluyor. x değişkenine atanmış olan sinyal plot ediliyor.

[x,fs]=wavread('normal_female');
close all
plot(x);
title('Okunan Sinyal');

Okunan Sinyal

Sinyalden DC Bileşenlerin Atılması

Sinyalin mean değeri kendinden çıkarılarak DC bileşenler atiliyor. Sonuç X değişkenine atılarak çizdiriliyor.

X=x-mean(x);
plot(X);
title('DC Bileseni Atilmis Sinyal Sinyal');

DC Bileseni Atilmis Sinyal

Segmentasyonda Kullanılacak Değişkenlerin Belirlenmesi

Bu kısımda segmentasyon işleminde kullanılacak parametreler belirlenip ardından buffer komutu ile belirlenen block değerlerinde segmentlere bölme işlemi gerçekleştiriliyor. Window’lar overlap miktarı kadar çakışık olarak bölünmektedir. Ardından elde edilen window’lar hamming window ile çarpılarak segmentler elde ediliyor.

block=30*fs/1000; % Segmentlerin block uzunluğunun okunan sinyalin sample frekansından bulunması
overlap=10*fs/1000;% Overlap miktarının bulunması.
xson=buffer(X,block,overlap);% Segmentasyon yapılıyor.
xson=xson.*repmat((hamming(block)),1,length(xson(1,:)));% Hamming Code İle Çarpım.

Silence Analizi İçin Gerekli Değişkenlerin Bulunması

Sinyalin sesli/sessiz kısımlarının analizi için gerekli bazı değişkenlerin tanımlamaları yapılıyor.

Maximum=max(X);% DC bileşenleri atılmış sinyalin maximum değeri bulunuyor.(Global Maximum)
maxy=(Maximum*0.05);% Silence için threshold değeri tanımlanıyor
sinyal_uz=length(xson(1,:)); % xson sinyalinin boyutları [1500,300].Burada sinyal_uz 300 değerini alıyor.

Silence Olan Segmentlerin Atılması

Aşağıdaki döngüde silence olmayan segmentler hesaplanıyor. Her segmentin maximum değeri xseg_max değişkenine atanıyor. Bu değişken de threshold değerimiz olan maxy ile karşılaştırılıyor. Silence olmayan bir değer bulunduğunda ise z değeri 1 arttırılıyor.

z=1;% Silence olmayan segmentlerin sayısını z verecek
for c=1:(sinyal_uz), % sinyal_uz=300.% Her segmentin maximumu xseg_max a atanıyor.
% Bir sonraki adımda global max. ile karşılaştırılacak.
xseg_max=max(xson(:,c));
if xseg_max >maxy % Segmentin maximumu global maximum ile karşılaştırılıyor.
xseg_son(:,z)=xson(:,c); % Silencelardan arındırılmış yeni bir "xseg_son" sinyali oluşturuluyor.
z=z+1; % Silence olmayan her segment için z 1 arttırılıyor.
else
end % if
end % for
 
xx=xseg_son(:,1:(z-1)); % xseg_son xx e atandı.
plot(xx(:));
title('Silence Atilmis Sinyal');

Silence Atilmis Sinyal

Clipping Level Parametrelerinin Elde Edilmesi

Aşağıdaki döngüde her segmentin ilk ve son üçte birlik kısmının maximumu bulunup karşılaştırılıyor. Bu karşılaştırılan iki değerden de küçük olanı mm değişkenine atanıyor. Clipping Level ı tanımlamak amacıyla elde edilen değer de 0,68 ile çarpılıyor. Segmentin bu değerden büyük olan elemanlarından bu threshold değeri çıkarılıyor. Küçük olan değerler ise doğrudan 0′a yuvarlanıyor.

for i=1:length(xx(1,:)), %i=1:300
m1=max(abs(xx(1:500,i))); % xx sinyalinin ilk 1/3 kısmının maximum elemanı bulundu
m2=max(abs(xx(1001:1500,i))); % xx sinyalinin son 1/3 kısmının maximum elemanı bulundu
mm=min(m1,m2); % Bu iki maximumdan hangisinin daha küçük olduğu belirlendi
mm_son(i)=mm*0.68; % Yukarıdaki satırda elde edilen değer 0.68 ile çarpılarak "clipping level" elde edildi
 
for j=1:length(xx(:,1)), % length(xx(:,1))=1500
if abs(xx(j,i))>mm_son(i) % Clipping level ile karşılaştırma yapılıyor
cc(j,i)=sign(xx(j,i))*((abs(xx(j,i)))-(mm_son(i))); % Clipping leveldan büyük olan bileşenlerden clipping level çıkarıldı
else
cc(j,i)=0;  % Küçük olan bileşenler ise 0 a çekildi
end  % if koşulu sona erdiriliyor
end  % 2."for" döngüsü sonu
end  % 1."for" döngüsü sonu

Segmentlerin Enerjilerinin Bulunması

Yukarıdaki döngü sonunda elde edilen cc matrisinin boyutları [1500,300]. Aşağıdaki döngüde ise her bir segment için energy hesaplanıyor. Bunun için sinyalin normunun karesi her bir kolonu için hesaplanıyor. xcorr komutu ile tüm sinyalin autocorrelation’i bulunuyor. Buradan 50Hz ile 400Hz arasindaki autocorrelation bileşenleri bulunuyor ve bunlara karşılık gelen pitch frekansları hesaplanıyor.

w=1; % Voiced segmentler için başlangıç ataması
v=1; % Unvoiced sinyaller için başlangıç ataması
u=1; % Voiced olarak düşündüğümüz bileşenlerin sayısını bu parametre gösterecek
a=[]; % Autocorrelation matrisi için başlangıç ataması
for h=1:length(cc(1,:)),  % cc nin kolon sayısı=300
energy(h)=norm(cc(:,h),2)^2; % Her segment için enerji hesaplanıyor
a(:,h)=xcorr(cc(:,h));   % İlk başta bütün cc sinyalinin autocorrelation u bulunuyor
 
% 50 Hz-400Hz arasındaki autocorrelation fonksiyonu değerlerini bulabilmek için 50 Hz ve 400 Hz frekanslarına karşılık gelen pitch  frequency değerlerinin indekslerini alıyoruz.
alt_sinir=floor(fs/400);
ust_sinir=floor(fs/50);
Rxx=abs(a((block+alt_sinir:block+ust_sinir),h));
[k l]=max(Rxx);   % Aldığımız aralıktaki en büyük sayının yerini belirliyoruz
l=l+alt_sinir;
pitch(h)=fs/l;  % Pitch Frequnecy hesaplanıyor 
 
% Segmentin sesli/sessiz oldugunu bulabilmek için autocorrelation'in 0.4*energy'den
% büyük olup olmadigi karsilastiriliyor. Eger büyükse segment seslidir ve voiced
% matrisine atiliyor, eger küçükse unvoiced matrisine atiliyor. Voiced ve unvoiced
% segment sayisi w ve v degiskenlerinde tutuluyor.
 
if k > 0.4*energy(h) % En büyük değer 0.4*energy ile karşılaştırılıyor
voiced(:,w)=cc(:,h); % Şart sağlanırsa voiced sinyaline atılıyor
w=w+1; % Koşul sağlanırsa voiced segment sayısı arttırılır.
else
unvoiced(:,v)=cc(:,h); % Şart sağlanmazsa unvoiced sinyali oluşturuluyor
v=v+1; % Unvoiced sinyal segmentleri 1 arttılır.
end
end % 1. "for" döngüsü sonu

Sonuç

En son kısımda ise sesli sinyalinin ortalaması alınıyor

sesli_ort=mean(pitch); % Voiced segmentlerin ortalaması
sesli_ort
 
sesli_ort=
232.8431

Geçtiğimiz hafta itibariyle arkadaşım Umut YÜKSEKBAŞ ile beraber tamamladığımız lisans bitirme projemizin kısa bir özetini yazmak istedim. Projemizi 16.05.2007 tarihinde sunup, 18.05.2007 tarihinde demosunu gerçekleştirmemizle birlikte, aylardır laboratuvarda yaşamamıza neden olan ömür törpümüz, sevimli mi sevimli manipülatörümüzle vedalaşma vaktimiz geldi artık. Proje raporu kitapçığını da yazdıktan sonra kendisine veda edeceğiz. Hüzünlü bir ayrılık olacak.

ÖZET
Endüstri sahalarında robot sistemlere; problemlere hızlı ve hassas çözümler getirmeleri, insan sağlığı ve güvenliğine zararlı olan pek çok faktörden etkilenmemeleri gibi sebeplerle ihtiyaç duyulmaktadır. Otomobil imal-montaj, ilaç, nükleer santraller, biyomedikal gibi alanlarda robotlar çok hassas işlerin yapımında kullanılmaktadır. Tıbbi alanda kritik ve hassasiyet gerektiren ameliyatlarda kullanılabilirler. Protez kol olarak kullanımları da yaygındır.

Projemizin çalışma konuları otomatik kontrol sistemi ve bilgisayardan gönderilen koordinatlarla robot manipülatörün konum kontrolüdür. Projemizde mekatronik bir sistemin kapalı çevrim kontrolü amaçlanmaktadır. Manipülatör sistemi, çok girişli çok çıkışlı bir sistemdir ve her eklem pozisyon denetimi için ayrı giriş sinyallerine ihtiyaç duymaktadır. Manipülatör sisteminin çeşitli yöntemlerle elde edilen dinamik modeli doğrusal değildir ve eklemlerin birbiri ile etkileşimini ifade eden bağlantılı terimler içerir. Sistemde altı serbestlik dereceli bir mekanik kol ve otomatik kontrol sistemi tasarlanmıştır. Robot manipülatörün hareketi, eklem yerlerinde bulunan DC motorlar ile sağlanır. Bu DC motorları sürmek için içinde H-Bridge (köprü) bulunan L298 entegresi ve kontrolör olarak da PIC 16F877 kullanılmıştır. Kontrolör ile PC arasındaki haberleşme Max232 seri arabirimi ile sağlanmıştır. MPLAB’ta PIC C derleyicisi kullanılarak geliştirilen algoritma ile robot manipülatörün pozisyon kontrolü sağlanmıştır. Robot manipülatörün eklemlerinden alınan analog geri besleme bilgisi PIC içerisinde bulunan ADC modülleriyle okunup, tasarlanan P.I. kontrol sistemi sayesinde istenilen konuma en az hatayla gitmesi sağlanmıştır.

SİSTEMİN BİLEŞENLERİ
Donanım Bileşeni
Projede kullanılmış olan PIC 16F877-20Mhz kontrolör içerisinde 8 adet ADC kanalı, iki adet PWM modülü bulunmaktadır. Motor sürücü entegresi olarak içerisinde iki H-Bridge (Köprü) bulunan L298 kullanılmıştır. Bu sürücüler 46 Volt kaynak gerilimine ve 4 Amper akıma kadar dayanabilmektedir. Kullanılan güç kaynağından sağladığımız gerilim değeri 15 volt olup, çekilen akım 0.5 amperi geçmemektedir. PC ‘den pozisyon bilgilerini PIC ‘e göndermek için seri arabirim olarak Max232 seri arabirimi kullanılmıştır.

Sistemin Blok Diagrami

PC ‘den gönderilen pozisyon bilgileri Max232 seri arabirim aracılığıyla PIC ‘in seri modülüne ulaşır. Robot Manipülatör eklemlerinden alınan geri besleme bilgisi PIC içerisindeki ADC modülü ile okunup, istenen analog değere yani istenen konuma gelmesi için PIC ‘in çıkışına bağlı olan L298 ‘in girişlerine sinyaller gönderilir. Geliştirilen algoritma, hatanın sıfırlanabilmesi için manipülatörün hangi yöne hareket etmesi gerektiğine karar verir ve sürücülere gerekli sinyalleri gönderir. Robot manipülatör istenilen konuma geldiğinde ise motor frenlenerek konumunu koruması sağlanır. Mikrokontrolcü ile tüm eklemlerin konumları devamlı kontrol edilir ve herhangi bir konum değişikliği algılandığında istenilen konuma tekrar gelmesi sağlanır. Algoritma aynı zamanda hatayla orantılı bir şekilde motor uçlarındaki gerilimi de değiştirerek hassas konum kontrolü sağlamaktadır.

Devre Semasi

Yazılım Bileşeni

Mikrokontrolör için geliştirilen yazılım, MPLAB ‘ta HI-TECH PICC derleyicisi ile derlenmiştir. Kontrolör tarafında gerçekleştirilen P.I. kontrol sistemi; her 6 eklem için devamlı olarak, ADC modülünden okunan geri besleme değeri ile istenen değer arasındaki farkı hesaplayarak hata değerlerini bulur. Bu hata değeri oransal Kp değeri ile çarpılır. Daha sonra hata değerlerinin integrali alınarak toplam hata bulunur ve toplam hata ile integral parametresi Ki çarpılır. Oransal ve integral kontrol sinyallerinin toplanmasıyla elde edilen kontrol sinyali belirli sınırlar içerisinde tutularak P.I. kontrol sistemi tasarlanmış olur.

Her eklem için bu hesaplama devamlı olarak yapılıp sürekli konum kontrolü gerçekleştirilir.

Robot Kol

Sistemin matematiksel modeli çıkarılamadığından tasarlanan P.I. kontrol sistemi için Ziegler-Nichols metoduna başvurulmuştur.

Controller Design

PID kontrolörün I,D katsayıları 0 yapılarak, P sistem osilasyona gidene kadar yavaş yavaş arttırılır. Sistemin osilasyona gittiği andaki P değerine Kc, osilasyon frekansına Tc denilmiştir.

Kontrol Katsayilari Tablosu

Oscillation

Ziegler-Nichols parametrelerinden yararlanılarak optimum P.I. kontrol parametreleri tespit edilmiştir ve sistemin vermiş olduğu yanıt ise aşağıda gösterilmiştir.

System Response

Grafiksel Kullanıcı Arabirimi Tasarımı
Kullanıcı arayüzü tasarımı QT designer ve Kdevelop entegre geliştirme ortamları kullanılarak C++ dilinde geliştirilmiştir. Arayüzün görünümü aşağıdaki gibidir. QT kütüphaneleri platformdan bağımsız kod üretmeyi mümkün kılmaktadır. Bu şekilde geliştirdiğimiz arayüz Unix, Linux, FreeBSD, MacOS, Windows gibi platformlarda çalışabilmektedir.

GUI

Robotun koordinatlarını belirlemek için Denavit-Hartenberg metodu kullanılmıştır. Bu metoda göre uzuvların alacağı açılar transformasyon matrisleriyle hesaplanarak açı değerleri elde edilmiştir. Bilgisayar arayüzünde hesaplanan koordinat değerleri USB veri yolu üzerinden 57600 baudrate ile mikrokontrolöre gönderilmiştir.

Forward (İleri ) Kinematics Problem
Robotik çalışmada karşılaşılan problem türlerinden biri, bilinen link dönme açı bilgileri ve robot parametreleri için robot uç nokta koordinatlarının hesaplanmasıdır. Robot hem dönme hem öteleme
hareketi yapacağından Translation (Öteleme) matris ve Rotation (dönme) matrislerinin hesaplanması gerekmektedir.

Matrisler

Bu şekilde elde edilen Transformasyon Matrisleri arayüz ile seri arabirim üzerinden kontrolcüye gönderilerek kontolün sağlanması amaçlanmaktadır. Kontrol sistemi değişkenleri istenildiği takdirde arayüzden ayarlanabilir ve sistem bu ayarlarla çalışmaya devam edebilmektedir. GUI ‘nin ayarlar kısmından seriport aygıtımızın çeşidini, hangi baudrate değeri ile haberleşileceği, kontrol sistem parametrelerini ve motor uçlarına hangi oranda gerilim uygulanacağı seçilebilir.

GUI Ayarlari

Sonuç ve Değerlendirme
Geliştirdiğimiz sistem PC ile grafik arayüzden girilen kartezyen koordinatlara göre konum kontrolü yapabilmektedir. Operatör tarafından yeni bir koordinat verilmediği sürece pozisyonunu sürekli korumakta, istenilen herhangi bir zamanda koordinat değişikliği gerçekleştirilebilmektedir. Proje
sonucunda fabrikaların tüm alanlarında kontrol ve üretim açısından, biyomedikal alanlarda yardım açısından, savunma sanayisinde güvenlik açısından, insan sağlığına zararlı durumlardan koruma açısından ve akademik uygulamalarda eğitim amaçlı kullanılması açısından çok büyük yararlar elde
edilebilecek bir tasarım ortaya çıkarılmıştır. Projenin geliştirilebilecek yönü ise tıpkı insan beyninin kollarına hükmedebildiği gibi, iki robot manipülatörünün koordineli çalışabilmesi için kontrol sistemi geliştirilebilir.

PCB

PCB

Öz : Bu makalede RF mikroelektromekaniksel anahtarların mekatronik dizaynı anlatılacaktır. Bu dizayn; sonlu elemanlar yöntemi ve tam dalga elekromanyetik simülasyonu kullanılarak mekanik ve elektromanyetik şemaları birleştirir. RF MEMS anahtarlarının mekatronik çalışması, RFIC uygulamaları için sistematik bir tasarım metodolojisini sağlar.

Anahtar Kelimeler: Mekatronik, Anahtar, RF, MEMS

Giriş: Mikroelektromekaniksel sistem teknolojisi, son yıllarda hızlı bir gelişim gösterdi. RF MEMS anahtarlar, cep telefonları, askeri iletişim sistemleri, enstrümantasyon malzemeleri ve otomotiv radar sistemleri gibi birçok çeşitli uygulamada kullanılan yapı taşı bileşenleri oldular.
Bu makalede, RF MEMS’in mekatronik tasarımı, mekanik ve elektromanyetik yaklaşımlar beraberce kullanılarak sunulmuştur. RF MEMS anahtarlarının mekanik tasarımı, sonlu elemanlar metodu ile yerine getirilir.
Anahtar Yapısı: Anahtarın, bir iletim hattının merkezinde bulunan bir dielektrik tabakasının üzerine koyulan bir metal köprüsü vardır. Kıvrılarak giden Ω -menteşelerinin şekil 2′de gösterilen L, W, ve H olmak üzere üç boyut parametresi vardır. Boyut parametrelerinin etkisini araştırmak için, boyut parametreleri, üç gruba bölünmüştür. Her grupta, boyut parametrelerinin ikisi, sabit tutulur.
Dizayn: Bir anahtarın sinyal aktarması, hareketli tabaka ve iletim hattı arasındaki kapasitans değeri ile kontrol edilir. Hareketli tabaka, bir CPW iletim hattının üzerine çıktığı zaman, anahtar kapalı konuma geçer. Kapatma gerilimi uygulandığı zaman, hareketli tabaka, dielectric tabakasına dokunur, RF sinyali, şase birleşir, ve anahtar açık konuma gelir. Efektif sertlik sabiti, grup A.’daki H parametresinin artmasıyla azalır. Fakat grup B ve C.’deki L parametresinin artması ile artar.
Maksimum yer değiştirme sonuçları ve etkili sertlik sabiti, tablo-11′de listelenmiştir. Köprü yapısı için yer değiştirme sonuçları, şekil 3′de gösterilmiştir. Köprünün metali, alüminyumdur. Alüminyum metalinin, 70 GPa Young katsayısı, 0.34 Poisson’un oranı, 170 MPa eğilme kuvveti, ve 2700 kg m3 yoğunluğu vardır. Köprünün iki sonu, bir sınır hali gibi ayarlanır. 10 pN’lik elektrostatik kuvvet hareketli plakaya düzenli dağılmıştır. RF MEMS anahtarlarının elektromanyetik simülasyonu, 5′ten 40 GHz’e kadar üç boyutlu tam dalga simülatörü Ansoft HFSS tarafından iletilir. SzI ve Sil parametreleri, anahtarların kapalı durumları için ilave kaybı ve anahtarların dönüş kayıp karakteristiklerini temsil eder. A, B ve C gruplarının anahtarları, şekil4′de gösterildiği gibi 0.65 dB’den düşük, 40 GHz’e kadar ilave kayıplarına sahiptirler. Anahtarların aralık yüksekliği 3 p olduğundan beri, ilave kaybı, çok büyük değildir. Farklı boyut parametreleri için, birleşen kapasitansının farkı, önemli değildir. Hareketli tabakanın alanı da dahil köprü alanları ve menteşenin alanı çok yakındır. Menteşenin alanı, hareketli tabakanın alanından daha küçüktür. Açık durumdaki anahtarlar için, rezonant frekansı ve izolasyon, iki anahtar karakteristiktir. Rezonant frekansı, köprü indüktansı ve açık durum kapasitansı tarafından kararlaştırılabilir. Anahtarların karakteristikleri, küçük kapanma voltajına, alçak dirence, yüksek izolasyona ve geniş bantlara ihtiyaç duyar. Mekanik ve elektromanyetik performans elde etmek için L, W ve H parametrelerini Ω menteşesi ile kontrol edilebilir. RF MEMS anahtarları, mekatronik metodolojisi ile tasarlanır. RF MEMS anahtarlarının mekanik yapı tasarımı, sonlu elemanlar metodu ile yapılır. Anahtarların tam dalga elektromanyetik simülasyonu, 5 – 40 GHz’e aralığında yapılır. Mekatronik tasarımının temelinde, RF MEMS anahtarların mükemmel karakteristikleri yatar.

Kaynak:
The 47th IEEE International Midwest
Symposium on Circuits and Systems
Yeong-Lin Lai and Yi-De Wen
Department of Mechatronics Engineering, National Changhua University of Education,
Changhua 500, Taiwan, R.O.C.
E-mail: yllai@cc.ncue.edu.tw

Röle Yapısı:
Bir iletkenden geçen elektrik akımı belli bir manyetik alan oluşturacaktır. Bu iletken bobin şeklinde sarılırsa manyetik alan bobin boyunca uzanacaktır. Örneğin ;
Indüktör manyetik alanda depolanan enerji sebebiyle akımdaki değişikliklere tepki gösterir. Bu özellikten faydalanarak transformatörler de yapılabilir. Enerji bir sargıdan diğerine elektromagnetik yolla taşınır.

Akim - Manyetik Alan Iliskisi

Röleler küçük elektriksel sinyallerle büyük akım ya da geilimlerin kontrolünde büyük bir kolaylık sağlar. Röle kontakları bobinde oluşturulan manyetik alan sayesinde açılıp kapanarak anahtarlama yapar. Bir nevi ikili yükseltici (açık-kapalı) gibi davranır. Bu yazıda rölelerin yükseltici özellikleri açıklanacaktır.

Role Baglantisi

Şekilde görüldüğü gibi röle bobinine 12 VDC gerilim gelmektedir. Fakat Röle kontaklarının kontrol ettiği gerilim 480 VAC’dir. Kontrol geirlimi kontaklardaki gerilimden yüzlerce kat daha küçüktür.

Röle kontaklarının durumu normalde açık, normalde kapalı ya da bu ikisinin kombinasyonları şeklinde olabilir. Normal durum röle bobininin enerjisiz olduğu durumu ifade eder.

Röle kontakları çeşitli tiplerde olabilir. Bunlardan bazıları metal alaşımlı, cıvalı ve reed kontaklardır. Hava ile temas halince olan kontaklar yüksek akımlı uygulamalarda daha iyi sonuç verir fakat bazı endüstriyel ortamlarda paslanma gibi sorunlar ortaya çıkarabilmektedir. Cıvalı ve reed kontaklar paslanma gibi sorunlar çıkarmaz fakat akım taşıma kapasitesinin sınırlıdır.

Rölelerde kontrol akımı ile kontak akımı arasında büyük farklar olduğu için yalıtım da önem kazanır. Kontaklar ile bobin birbirinden yalıtılmıştır. Bu sinyaller gerilim seviyesi olarak birbirlerinden farklı olabileceği gibi biri AC diğeri DC de olabilir.

Röleleri tamamen açık ya da tamamne kapalı olması açısından lojik kapılara benzetebiliriz. Aynı lojik kapıların iletime geçmesi için gerekli eşik değeri gibi rölelerin de kontakları kapaması için gerekli bir eşik değeri vardır. Bu değere “pull-in” akımı denir. Bobinin kontağı çekmesi ve çekili halde tutabilmesi için bu akım değerinin aşılması gereklidir. Pull-in değeri röleden röleye değişir.

Kontaktörler:

Röleler kontaklarından çok büyük akımlar geçirebilecek şekilde imal edilirlerse kontaktör ismini alırlar. Kontaktörler genellikle normalde açık olan birçok kontağa sahiptirler. Genelde elektrik motorlarının kontrolünde kullanılırlar.

Üstteki 3 kontak herbir fazı ayrı ayrı kontrol etmek için kullanılır. En alttaki yardımcı kontak ise diğer bazı devre elemanlarını beslemede kullanılacak olan ayrı bir gerilimi anahtarlayabilir.

Kontaklar ile motor arasındaki işaret bağlantının bir klemens ile yapıldığını belirtir. Bu klemenslerin ısıya dayanıklı olması gerekir. Normalde kapalı bir kontak klemensin ısıya dayanmaması sonucu kısa devre olmasıyla açık hale gelebilir.

Elektronik transistör kavramı :

Transistörler elektronların kontrollü bir yoldan üzerlerinden akmalarına izin verirler. Elektronların bu kontrollü akısı bilgisayararın temeli olan on-off sinyallerini sağlar.

Elektronik transistörler elektronların bu akısını, önlerine bir bariyer ya da bağlantı noktası koyarak kontrol eder. Fakat elektronların akısı toplam akım tarafından kontrol edilmek zorunda değildir.

Atomik Baglar

Atomik Baglar

NPN Junction Transistor

Bir transistor yapabilmek için küçük miktada akımla büyük miktarda akıyı kontrol edebilecek bir madde tabakası gerekir. Böylece kazanç veya başka bir deyişle yükseltme sağlanır.Magnetik yükselticide asıl amaç ; küçük miktarda giriş akımı kullanarak büyük miktardaki magnetik akıları anahtarlamaktır. Nadiren dünyanın sürekli magnetik etkisi magnetik bir batarya ya da sürekli magnetik akı kaynağı gibi davranabilir.

Magnetik transistör kavramı :

Fizikçiler; elektron akısını anahtarlamak için elektronların magnetik spinini kullanan yeni bir transistör geliştirdiler. Magnetik spin transistörleri adı verilen bu transistör çeşidi günümüzdeki elektronik transistorlere yakın bir şekilde çalışır, fakat elektronik transistörlere göre büyük bir avantajları vardır. Bir magnetik diske bilgi yazmak kadar kolay elde edilebilmektedirler.

Jonksiyondaki elektron - hole hareketleri

Sıradan elektronik transistörler akım taşıyan 3 elektrod barındırır. Bunlar emiter – base – collector ‘ dür. Alan etkili transistörlerde bu ismlendirme drain – gate – source olarak yapılır.

Elektronlar bu elektrodların birinden girer ve diğerinden çıkar. Üçüncü elektrod ise bu ikisi arasındaki akıyı kontrol eder. Elektronların girdiği uç emiter, çıktığı uç collector ‘dür. Akım kontrolünü yapan uç ise base’dir.

Elektronik transistörün en önemli noktası n-p-n ya da p-n-p birleşimi olmasıdır. Maddenin P bölgesinde atomların etrafındaki elektronlar sadece yeterli enerjiye sahip elektronların geçebileceği bir bariyer oluşturur. Kontrol elektroduna verilen akım elektronların bariyeri aşmasını ve bağlantı noktasını geçmesini sağlar.

Magnetik spin transistörlerinin çalışması ise elekton akısını kontrol etmek için elektronların yukarı-spin ve aşağı-spin hareketleri arasındaki farkı kullanmaya dayanır. Elektronlar yukarı-spin ve aşağı-spin state’ lerinden birinde bulunabilirler.

Spin transistöründe bariyer, magnetik etki alanı taşıyıcıya zıt bir maddenin parçası olabilir. Magnetik yarı-iletkenler yukarı-spin ve aşağı-spin taşıyıcıları için farklı enerjilere sahiptir. Bu özellik bariyeri değiştirmek için kullanılabilir.

Magnetik Transistör

Magnetik spin transistörleri elektronik tranistörlerin yerine kullanılmak için değil, daha fazlasını yapabileceği yerlerde kullanılmak için yapılmıştır. Spin transistorlerinde bariyer magnetiktir ve değişebilir. Bu sayede istenildiği gibi değiştirilebilen ve ayarlanabilen çipler üretmek mümkün olur.

Spin transistörü hakkında henüz bilinmeyenler var. Bunlardan biri ters spin hareketinin farkı. Bir diğeri ise yukarı-spin ve aşağı-spin bölümleri arasındaki bağlantı noktasının ne kadar ince yapılabileceği. Bariyerin ince olmasının transistörün kontrolünü kolaylaştıracağı bilinmektedir fakat henüz ne kadar ince olabileceği konusu açıklık kazanmamıştır.

Eğer titanyum dioksid kobalt maddesi bu duruma uygun bir şekilde davranırsa çok daha gelişmiş magnetic transistörlerin beş yıldan kısa bir süre içinde üretilebileceği söylenmektedir. Araştırmacılar magnetik transistorlerin yapımı için uygun materyaller aramaya devam ediyorlar.

Magnetik Spin Transistörlerinin Uygulama Alanları:

Spintronik teknolojisi

Sıradan bir elektrik akımında elektronlar rasgele hareket eder ve spin, bir kablonun elektriksel direncini ya da transistor devresinin amplifikasyonunu etkilemez. Spintronik aygıtlarsa, “spin yukarı” veya “spin aşağı” durumlardan birinde bulunan elektronların, yarıiletken devrelerde nakledilmesi mantığına dayanır.

Demir ya da kobalt gibi demirli manyetiklerde, komşu atomların elektronları aynı spin durumunda dizilmeye eğimlidir. Eğer, bir demir parçası güçlü manyetik alanla yüklenirse, demir atomlarının elektronları, manyetik olarak bir yönde sıralanır. Metalin büyük kısmı bundan etkilenir. Önceden ayarlanmış demirli manyetiklerden elektrik akımı geçirildiğinde, belli bir spin yönünde dönen elektronların yolu tıkanır.

Sonuçta, spin kutuplu bir elektrik akımı oluşur. Voltaj uygulanınca, bu akımın bütün elektronlarının spin yönü tersine döner. Spintronik bilgisayarlara, spin yönlerini kaydeden ve okuyan devreler entegre edilmiştir.

Spintronik klasik uygulama bilgisiyle birleştirildiğinde, veriyi, elektronik ve manyeto-optik olarak işleyen devreler üretilecektir. Manyeto-optik sistemler 90′lı yıllarda moda olan, taşınabilir ZIP sürücülerinde kullanılmıştı. Nitekim, manyetik değerleri okuyan sabit disk kafaları, bilgisayarların ayrılmaz bir parçası olarak görev yapmaktadır.

Sırada, çok hızlı açılıp kapanan anahtarlar ve tamamen programlanabilen, spintronik bilgisayar beyinlerinin (merkezi işlem birimleri: CPU) geliştirilmesi araştırmaları var. Günümüzde, CPU’lar donanım olarak programlanıyor. Mikroçiplerinin veriyi nasıl işleyeceği, CPU’ların şekli ve yarıiletken hatların ağ yapısıyla sınırlı durumda bulunuyor. Manyetik CPU’lar ise, devrelerin biçimi ve yarıiletken hatların karmaşıklığından kısmen bağımsız olarak, manyetik alanlarla yüklenip programlanabilecek.

Spintroniğin hayata geçirilmesi için ucuzlaması, yani kullanışlı bir teknolojinin geliştirilmesi gerekmektedir. Bu konudaki başlıca çıkmazların başında:

• Demirli manyetik öğelerle yarıiletken devreleri birleştirebilir mi?

• Bu tümleşik devreleri oda sıcaklığında çalıştırabilir mi?

• Spin kutuplu akımları, yani spin akısını, yarıiletkenlere vermenin kolay bir yolu var mı? (Spin kutuplamak, bilgiyi spin durumlarına kaydetmek anlamını taşır.)

• Farklı yarıiletkenlere nakledilmek üzere, devrenin kenarına yollanan spin akısına ne olur?

• Yarıiletkenlere aktarılmış spin akısı (bilgi) ne kadar süre bozulmadan dayanır?

soruları gelmektedir.

Spintronik fiziği :

Hızla dönen küçük bir elektrik yüklü küre düşünülürse kürede dolaşan yük, elektrik akımında minik atlamalar meydana getirir. Bu da, Dünya’nın manyetik alanına benzeyen bir manyetik alan oluşturur. Kürenin dönüşü (rotasyon), vektör ile gösterilir. Vektör, kürenin kendi çevresinde dönme yönünü işaret eder. Dönen küreyi bir dış bir manyetik alana sokulursa spin vektörünün manyetik alana göre alabileceği iki farklı yönelim, kürenin toplam enerjisini de belirleyecektir.
Elektronu, böyle dönen bir elektrik yüklü küreye benzetirsek elektronun “spini”, onun açısal momenti olacaktır. Bu da manyetizmaya bağlıdır ve bir manyetik alanda, spin vektörünün yönünü belirler.

Elektronların belli bir uzunlukta ve çapta cisimler değil, matematiksel olarak tanımlanan, bir enerji değerine karşılık gelen, ideal noktacıklar ve boyutsuz nesneler olduğu düşünülebilir. Mesela, bir küre sağa dönerken, durup sola dönmeye başlayabilir. Bir elektron ise sağa ya da sola dönmez ya da yavaşlayarak durup ters yönde dönme hareketi yapmaz. Elektron spini, matematiksel bir nicelikten ibarettir. Adlandırma açısından, tamamıyla estetik ve keyfi bir anlam taşıyan, yukarı ya da aşağı spin durumlarından birinde bulunur. Elektronlar, yukarı ve aşağı spine, hiçbir ara durum almadan geçer.

Spintronik ve bilginin kaydedilmesi :

Günümüzdeki yarı-iletken bilgisayar işlemcileri bilginin yapı taşı olarak bit’i kullanır. Bit’lerdeki çalışma mantığını bir soruya verilen kesin “evet” ya da “hayır” cevapları olarak nitelendirilebiliriz.

Elektronlar, spin yukarı ya da spin aşağı konumlarında bulunabildiği için; bir spin konumu “evet”, diğeri ise “hayır” yanıtıyla eşleştirilebilir. Örneğin ikilik sayı düzeni kullanan bir algoritmada 0 ve 1 olabilir. Bu durumların hangisinin evet, hangisinin hayırla eşleneceği ise keyfi bir seçimdir.

Kaynaklar:

• Applied Physics Letters ( apl.aip.org )
• trnMAG.com
• The Motionless Electromagetic Generator Project Notes ( jnaudin.free.fr/meg/meg.htm )
• Spintronik - Focus Dergisi ( www.focusdergisi.com.tr/bilim/00585 )