Menu

Kristal Filtreler – Nasıl tasarlar ve üretiriz?

İlk kristal filtreler yazımızda; “şu ya da bu yapılmamalı” şeklinde birçok sınırlama getirdik, arkasından da bir çok tavsiyede bulunduk, çok şey konuştuk ama bir şey üretmedik. Bu yazımızda ise düzgün bir kristal filtre yapmak için neler yapmamız gerektiğini ve nelerin gerekli olduğunu tartışacağız. Aşağıda benim bu tasarımı nasıl yaptığım ve üretiminde nelerin gerekli olduğuna dair bir liste bulacaksınız, ancak sizlerin illaki bu listedeki adımları benim yaptığım gibi yapmanız şart değil.

Bu arada kendi hedefim neydi, ne yapmak istiyordum? onu da sizlerle paylaşayım.

Üreteceğim filtrenin 2.7 ile 3 KHz arasında bant genişliği, 50 Ohm giriş ve çıkış empedansı ve bant geçirme noktasında da en fazla 1.5 dB kaybı olmalıydı. Bunun yanında frekans olarak 3 ile 15 MHz arasında ama radyo amatörlerinin çalışma frekanslarının dışında olmalıydı.

IMG 5743 800x600 1

Resim-1. Kristal Test Devresi ve ölçümü yapılmış bir gurup kristal.

Gerekli alet edevat;

  • G3UUR Kristal ölçme devresi ( Aşağıda şemasını paylaştım)
  • Kullanacağınız kristalleri ölçebilecek frekans aralığında Hertz seviyesinde frekans gösterebilen bir frekans metre,
  • 0-30 MHz arasında çalışan bir sinyal jeneratörü,
  • RF millivoltmetre (Osiloskop ve bir RF probe da ayni işi görebilir),
  • Dishal filtre hesaplayıcısı – Horst Steder, DJ6EV (Aşağıdaki linkten indirebilirsiniz),
  • Filtre yapacağınız kristallerden 50-100 adet kristal. (Kesinlikle aynı üreticinin aynı model ve kılıfa sahip kristalleri olmalı),
  • Kullandığınız kristalin genel parametrelerinin bulunduğu veri sayfası (EK’te benim kullandığım ES-120-S-1 kristalin veri sayfası bulunmakta).
KristalEsdegeri

Resim-2. Kristal eşdeğer devresi.

Birinci Adım

Kullanacağınız kristallerin iç değerlerinin ölçülmesi. Bu adımda G3UUR’in devresini kullanarak kristalin motional değerleri dediğimiz Lm ve Cm değerlerini dolaylı olarak ölçeceğiz (Kristal eşdeğer devresine bakınız).  Bu ölçüm işlemi hemen hemen yapacağınız en kritik ölçümdür. Bu nedenle çok sayıda kristali ölçmeniz ve hatta aynı kristali bir iki kez ölçüp, çıkan değerleri not etmenizde yarar var.

Bu işlem sırasında kristali G3UUR’in devresine takıp ilk ölçümü S2 anahtar devresi açıkken (47pF’lik kondansatör devrede iken) daha sonrada ikinci ölçümü S1 anahtar devresi kapalı iken (yani 47pF’lik kondansatör kısa devre iken) yapacağız. Genelde bu ölçtüğümüz değerlerden 47pF kısa devre iken ölçtüğümüz değer 47pF devreye alındığı zamanki ölçümden 1-2 KHz kadar düşük çıkacaktır.

G3UUR TestDevresi

Resim-3. G3UUR Kristal test devresi.

G3UUR, kristal test devresinde Y1 kristali test etmek istediğiniz kristali gösterir. S2 anahtarı ise normalde açık pozisyondadır kapatıldığında C4 (Csw) kapasitesini kısa devre eder. Bu devreyi yaparken devre üzerindeki C4 (Csw) ,C1 ve C2 kapasitesinin mutlaka verilen değerlerde olması tavsiye edilir.

G3UUR 12MHzDegerleri

Resim-4. G3UUR 12MHz Lm Cm Seri Rezonans Hesaplama Ekranı.

Altta EC-120-S-1 kristalinin ölçüm değerleri bulacaksınız;

  • S1 Açık (47pF devrede) :  12,002,610 Hz
  • S1 Kapalı (47pF kısa devre) :   12,000,430 Hz

Lm ve Cm değerlerinin hesaplanabilmesi için bir değere daha ihtiyacımız var, C0 ya da Cp diye adlandırdığımız, kristalin şönt kapasite değeri. Bu değeri kristal üreticisinin bilgi dokümanından J elde edebilir, ya da elinizde pF ölçüm yapabilen güvendiğiniz bir LC metre varsa doğrudan kristalin üzerinden ölçebilirsiniz. Ben üreticinin bilgi dokümanını kullandım ve bu değeri oradan aldım.

Bu ölçümleri yaptıktan ve C0 şönt kapasitesinin değerini bir yere yazdıktan sonra “DISHAL” yazılımını kullanarak Lm ve Cm değerlerini hesaplayabiliriz. Bu iş yazılımın en üst satırındaki Xtal seçeneğinin altında olan “G3UUR metodu” seçeneğini kullanacağız.

G3UUR menu

Resim-5. DISHAL Yazılımında G3UUR metodunun seçimi.

Bu seçenek size yeni bir pencere açacak ve bu pencereye yukarıdaki 3 değeri (Holder Capacitance, ve ölçülen iki frekans değeri) girip ardından Csw değerini de 47’ye değiştirip, Calculate tuşuna basacağız (C0, Cp şönt kapasitesi bu sayfada Holder Capacitance olarak gösterilmektedir).

Calculate tuşuna bastıktan sonra bu pencerenin en altındaki Lm[mH] , Cm [fF] ve series freq değerlerini daha önce yaptığımız ölçüm değerlerinin yanına kaydedeceğiz.

G3UUR 12MHzDegerleri

Resim-6. G3UUR 12MHz Lm Cm Seri Rezonans Hesaplama Ekranı.

Kristalin motional değerlerini elde ettikten sonra (yukarıdaki penceredeki en alt satırda buluna değerler) DISHAL yazılımının ilk açılış sayfasına dönüp en üstteki yeşil bölgeye Lm, kristalin seri frekansını, şönt kapasite değerini, istediğiniz bant genişliğini ve kaç adet kristalli bir filtre yapmak istediğinizi yazılıma belirtmeniz gerekiyor. Yazılım kristalin “motional” değerlerine göre optimum band genişliğini kabul edilebilir kayıplarla hesaplamakta.

Dishal 001

Resim-7. DISHAL açılış sayfası – DJ6EV

Genelde SSB için 2.4 – 2.8 KHz ve SW için ise 1 KHz’ in altında bir değer seçin.

DISHAL yazılımı 2 ile 14 kristalden oluşan Ladder tipi filtreleri hesaplayabiliyor. Eğer çok kristalli bir tasarımı planlıyorsanız dikkat etmeniz gereken çok önemli bir husus var o da bu yazılımın tüm hesapları yaparken kullanılan kristallerin tek bir frekansta olduğunu kabul etmesi.

Bu yüzden sizlere tavsiyem kristal adedini elinizden geldiğince sınırlayın, eğer elinizde 10 adet frekansları match etmiş (Hz seviyesinde farklılıkları en fazla 5 Hz olan) kristaliniz varsa tabii ki 10 kristalli bir çözüme gidebilirsiniz. Yine benim tavsiyem ve tecrübelerim SSB için 3 ile 4 kristalli bir devrenin yeterli olduğu yönünde. Eğer bu devre dikkatlice yapılır ise, oldukça kaliteli bir filtre oluşturacaktır. CW için ise 2 ile 4 kristal yeterlidir.

Gerekli parametreleri, bant genişliğini ve kristal adedini girdikten sonra sağ üst köşedeki CALCULATE tuşuna basarak filtrenizin tüm kapasitelerini hesaplatabilirsiniz. Program sizlere Ck kapasite değerlerini ve Cs seri kapasite değerlerini sol taraftaki pencerede gösterecektir. Bu arada filtre parametreleri kısmında da empedans değerini göreceksiniz.

Buraya kadar mı, bitti mi ? Hayır!

DISHAL yazılımı size filtreyi tasarladı ama filtreyi kullanacağınız sisteme daha adapte etmedi. Bu sizin yapmanız gereken son adım. Empedansı kullanacağınız sistemin empedansına uyarlamalısınız.

Bu arada bir uyarıda bulunayım. Bu çalışma sırasında 7 değişik filtre yaptım ve hepsini de ölçtüm. Benim amacım en az kayba sahip 50 Ohm giriş ve 50 Ohm çıkışa sahip filtre üretmekti. Ürettiğim bazı filtrelerin empedansları 1K-2K gibi çok yüksek değerlerde çıktı ve bu değerlerdeki filtreleri 50 Ohm’a uydurmanın oldukça zor olduğunu gördüm.

Bu filtreleri 50 Ohm’a LC devreleri ve geniş band transformatörler kullanarak uyarladığımda filtrenin kayıplarının arttığını görerek elimden geldiğince 50 Ohm’a yakın filtre empedansı olan devreleri tercih ettim.

Tavsiyem hedeflediğiniz empedans ile filtre arasındaki fark çok fazla ise tekrar düşünmeniz. Bu arada her şeyi 50 Ohm olan bir filtrenin size getireceği en büyük avantaj bu devreyi isterseniz, doğrudan 50 Ohm bir karıştırıcıya ya da sinyali güçlendirmek istiyorsanız günümüz teknolojisi olan MMIC entegresine doğrudan bağlayabilmeniz.

kristal

Resim-8. LC uyumlama ekran görünümü.

Empedans uyumluluğu için gerekli olan basit bir LC uyumlama hesaplayıcısı da DISHAL‘e ilave edilmiş. Yapmanız gereken en üstteki seçeneklerden LC-Match seçeneğini seçin yeni açılan pencerede R1 ve R2 değerlerini istediğiniz değerlere göre değiştirin R1 hedef olan empedansı R2 ise hesapladığınız kristal filtrenin empedansını gösteriyor. Calculate tuşuna basarak iki değişik empedans uyarlayıcısının değerlerini yazılıma hesaplatabilirsiniz.

Hesaplayıcının burada hesapladığı değerler tam bir uyuşum için çok önemlidir. Eğer 129.76 pF değerinde bir kondansatör hesaplanmışsa 120pF ile 10pF’lık iki kondansatör ile olabileceği kadar hesaplanmış değere yakın bir değer kullanmaya çalışın.

Makaleyi okuyarak bu noktaya kadar geldiyseniz, filtrenin tasarımını bitirdiniz demektir. Şimdi sıra birbirine hemen hemen eşdeğer kristalleri bulmakta. O elinizde olan 50-100 adet kristali alıp, G3UUR’un devresi ile tek tek frekans metrede kristallerin osilasyon frekanslarını ölçmeniz gerekiyor.

Bu işlemi yaparken S1 anahtarını kapalı durumda tutun (47pF kısa devre). Ölçtüğünüz her kristalin üzerine sabit kalem ile Hz değerindeki ölçüm değerini yazın. Diyelim ki; 12,000,513 Hz. ölçtünüz, kristalin üzerine 513 yazacaksınız. Eğer kristallerin içinde 1 KHz farklı kristal var ise o kristali ayırın ve kullanmayın. Eğer 30-40 adet kristal ölçmüş ve bunların arasında 3-4 adet aynı frekansta kristal bulmuşsanız bu kristaller sizin filtre için seçtiğiniz kristaller olacaktır.

Bu işlem sırasında ben yaklaşık 270 kristalin frekansını ölçmüştüm. Değişik guruplarda olan bu kristallerde gözlemlediğim şu, yaklaşık 30-40 kristal içinde tamı tamına ayni frekansta olan 4 kristallik birkaç gurup kristal elde edilebiliniyor.

Tavsiyem, birkaç arkadaşın ile birlikte bu işe proje olarak bakıp imece usulu kristal alıp kristal eşleştirme işini hep birlikte yapmanızdır. Böylece boşa çıkacak kristal adedi daha azalmış olacaktır. Kristallerin eşit olması en ideal filtreyi oluşturuyor ama 10 Hz altında farklılığa sahip filtrede de çok fazla bir değişiklik görmedim.

Bu çalışma sırasında bir Excel dosyası oluşturdum dosya ölçüm değerlerine göre kristalin motional değerlerini hesaplamakta. İsteyen arkadaşlar kendi ölçümlerini bu dosyadaki değerlerle karşılaştırabilirler. Tabloyu görmek için buradaki bağlantıya tıklayabilirsiniz.

Bu konuda ARRL’nin QEX dergisinde yayınlanmış ilginç bir yazı var bu yazıyı sizlerle paylaşmak istiyorum. Yazının önemi benim karşılaşmış olduğum problemle yazarın da karşılaşmış olması. Elecraft K2’de kullanılan filtre kristallerinin aynı üreticiden alınmasına rağmen iki ayrı fabrikada üretilen değer farklılıkları bu yazının Tablo-1 ve Tablo-2 sinde gösterilmiş. İlgilenen arkadaşların buradaki bağlantıya tıklayarak PDF dosyayı okumasını tavsiye ediyorum.

Devre şeması ve seçtiğiniz kristaller hazır olduktan sonra filtrenizi monte ettiniz sıra geldi test etmeye. Bir sonraki yazıda bu konuyu sizlerle paylaşacağım.

Dishal 2052” yazılımını buradaki baglantıya tıklayarak *.zip dosyası olarak indirebilirsiniz.

Beğen  
Yazar

Amatör Teknik web sayfası yöneticisi ve yazarı. Yazarın sosyal medya hesaplarını aşağıdaki bağlantılardan takip edebilir veya iletişim menüsünden mesaj gönderebilirsiniz. Dilerseniz alt kısımdaki "yorum" bölümünü kullanarak yazara destek olabilirsiniz.

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayınlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir