Lazerli Güvenlik Sistemi Tasarlayalım

Bilmekte Fayda Var!

Tasarla ve Yap köşesinin bu projesinde, LDR ve ayna ile basit bir güvenlik sistemi tasarlıyoruz. Bu sistem sayesinde belirli bir bölgeyi tamamen koruma altında tutmak mümkün. İzinsiz girişlere karşı sistemin sesli uyarı verme özelliği bulunuyor. Güvenlik sistemlerinin çalışma mantığı optik ve elektroniğin temel esaslarına dayandığı için yapacağımız proje bu konularda hayli öğretici olabilir.

Güvenlik sisteminin tasarımında en önemli kısmı lazer oluşturduğundan öncelikle lazerin yapısını kısaca tanımakta fayda var.

Lazer Nedir?

Elektronik ve optik bileşenlerden oluşan optoelektronik sistemlerde lazerler ışın verici olarak yaygın şekilde kullanılır. Yapısındaki malzemeye göre lazerin gaz, sıvı, katı ve yarı iletken çeşitleri bulunur. Optoelektronikte daha çok yarı iletken GaAlAs lazerler kullanılır. Bu tür lazerler diğerlerine göre daha küçüktür ve daha az enerji ile sürülebilir. Lazerin iç yapısında bulunan optik resonatör, tek dalga boyunda ışık üretilmesini sağlar. Bu nedenle lazer ışığı tek renkli yani monokromatik olarak adlandırılır. Ayrıca, lazer ışınının açısı çok düşüktür ve yönü sabittir. Bu özelliği sayesinde ışın istenen bölgeye kolayca odaklanır. Şekil 1’de yeşil ışık yayan bir lazer görülüyor.

Şekil 1: Lazer ışını

Bir cismin üzerine odaklanan lazer ışınının çapı birkaç mikrometre civarındadır. Elektronikte birkaç miliwatt ile birkaç watt arasında güce sahip lazerler kullanılır. Lazer ışınının oluşum prensibi kuantum teorisine dayanır. Genelde bir kuantum sınırından ikinci kuantum sınırına geçildiğinde P-N sistemi ışık vermeye başlar. Yani bir yarı iletken P-N jonksiyonundaki radyasyon, elektronların üst enerji seviyesinden alt enerji seviyesine geçmesi ile oluşur.

Bir lazer diyot, ışık ileten P-N jonksiyonuna sahiptir ve elektriksel olarak LED’den bir farkı yoktur (Şekil 2). Örneğin lazerlerin akım-gerilim karakteristikleri, LED’lerin akım-gerilim karakteristiğine benzer. Ayrıca lazerin ışın şiddeti, akıma bağlı olarak doğrusal şekilde değişir.

Şekil 2: Lazer diyot

Lazer ışını, yüzeyi yansıtıcı özelliğe sahip bir cisme belirli bir açıyla çarparsa Şekil 3’teki gibi yansır.

Şekil 3: Işığın yansıması

Şekil 4’te yeşil lazer ışınının aynadan nasıl yansıdığı görülüyor.

Şekil 4: Aynadan yansıma

Çok sayıda düzlem ayna kullanılarak lazer ışını çeşitli doğrultularda saptırılabilir. Şekil 5’te böyle bir uygulamaya ait çizim görülüyor.

Şekil 5: Çoklu yansıma

Güvenlik sisteminin temel elemanı olan lazer, piyasadan lazer işaretleyici adıyla çok düşük fiyatlara temin edilebilir. Gücü 1mW civarında olan bu lazer üç adet AG13 saat pili ile çalışır. Şekil 6 ve 7’de bu tür lazer örnekleri görülüyor. 

Şekil 6: Lazer-1

Şekil 7: Lazer-2

Lazerli güvenlik sisteminin diğer önemli elemanı LDR’dir. Bu elemanın temel özellikleri aşağıdaki gibi.

LDR Nedir?                                      

Işık şiddetine bağlı olarak direnci değişen optoelektronik devre elemanı, LDR (Light Dependent Resistor) olarak bilinir. Işığa duyarlı direnç veya foto direnç olarak da adlandırılır. Görünür ışık tayfına duyarlı foto direnç yapımında genellikle kadmiyum sülfit (CdS) ve kadmiyum selenit (CdSe) kullanılır. Şekil 8’de farklı çaplarda LDR çeşitleri görülüyor.

Şekil 8: LDR çeşitleri

Bir yarı iletken foto direncin üzerine ışık düşerse, ışığın seviyesine bağlı olarak foto direncin iletkenliği değişir. Şekil 9’da ışık şiddetine göre LDR direncinin değişim eğrisi görülüyor.

Şekil 9: Işık şiddeti - LDR direnci

Şekilde görüldüğü gibi, direnç değişimi doğrusal değil. Ortam karanlık iken LDR’nin direnci yüksek, malzeme içindeki serbest taşıyıcı yoğunluğu ise düşüktür. LDR üzerine ışık düşerse malzeme içinde serbest taşıyıcılar oluşur ve taşıyıcı yoğunluğu artar.

Işık şiddetine göre LDR’nin direnci birkaç ohm ile birkaç mega ohm arasında değişir. Bir ohmmetre ile LDR’nin direnci kolayca ölçülebilir. Şekil 10’daki bağlantılarda görüldüğü gibi, karanlık ve aydınlık ortamda ölçülen direnç değerleri arasında büyük fark vardır. Direnç değerindeki bu büyük değişim, uygun elektronik devreler ile algılanarak istenen işler yaptırılabilir.    

Şekil 10: LDR’nin ohmmetre ile testi

Böylece güvenlik sisteminin temel elemanlarını tanımış olduk. Şimdi bir lazer ışınının belirli bir mesafedeki LDR üzerine düşürüldüğünü varsayalım. Lazer ile LDR arasındaki mesafe birkaç santimetre olabileceği gibi onlarca metre de olabilir. LDR, ortam ışığından etkilenmeyecek şekilde siyah renkli bir boru içine yerleştirilmiş olsun. Bu durumda lazer ışını LDR’ye ulaştığı sürece LDR direnci düşük seviyede olur. Herhangi bir cisim, Şekil 11’deki gibi lazer ile LDR arasında girerse, LDR direnci hızla yükselir. Böylece, bu basit düzenek ile ışının kesintiye uğrayıp uğramadığı kolayca anlaşılmış olur.

Şekil 11: Lazer ve LDR

LDR direncindeki değişimden yararlanarak alarm oluşturabilmek için Şekil 12’deki devre kullanılabilir. Işık şiddetindeki değişim LDR’nin direncini değiştirir, bu da A noktasındaki gerilim seviyesini etkiler. Bu gerilim, bir opamp yardımıyla referans gerilim ile karşılaştırılarak uygun bir alarm sinyali elde edilir. Şekil 12’nin sağındaki grafikte görüldüğü gibi, lazer ışını LDR üzerine düşerken A noktasının gerilimi referans geriliminden daha büyük olur. Bu sırada opamp çıkışının yani C noktasının gerilimi lojik 0 seviyesinde kalır, yani devre kapalı sinyali alır. Işık kesildiği anda, LDR direnci yükselir ve A noktasının gerilimi düşer. Bu sırada çıkış gerilimi lojik 1 seviyesine yükselir yani devre açık sinyali alır ve alarm çalışır. 

Şekil 12: Direnç değişimi ve alarm durumu

Bu devre hayli iyi çalışmasına rağmen devrenin önemli bir eksiği var. Devrenin çalışmasına dikkat edilirse, alarm sadece ışık kesildiği sürece oluşur. Bu çalışma şekli bir güvenlik sistemi için tercih edilmez. Çünkü ışığın kesintiye uğramasına neden olan etki ortadan kalksa da alarmın devam etmesi istenir. Şekil 12’deki devre bu isteği karşılayamadığından devreye bazı eklemeler yapılması gerekir.

Şekil13: Devre şeması

Flip-flop (FF) içeren bir entegre devre (belli bir işlevi yapmak için tasarlanmış direnç, transistör, diyot vb. farklı devre elemanlarını içeren bir devre elemanı) yardımıyla kısa süreli alarm sinyalinin kalıcı bir sinyale dönüştürülmesi sağlanabilir. Şekil 13’te görülen devrede bu iş CD4027 adlı CMOS entegresi tarafından yürütülüyor. Entegre, iç yapısında iki adet JK türü flip-flop içerir. Devreye ilk enerji uygulandığında entegre resetlenir ve Q çıkışı lojik 0 konumunda bekler. Bu sırada transistör kesimdedir. Herhangi bir nedenle lazer ile LDR arasındaki ışık bağlantısı kesilirse, flip-flop set durumuna geçer ve Q çıkışı lojik 1 olur, yani entegre sinyal iletir. Işık tekrar LDR’ye ulaşsa da, Q çıkışının lojik seviyesi değişmez. Böylece, çıkışa bağlı NPN transistör iletime geçerek ses uyarıcı (buzzer) uçlarına 9V uygulanmasını sağlar. Kullanılan buzzer, kendinden osilatörlü olduğundan tiz bir sesle uyarı vermeye başlar. Alarm devredeki reset butonuna basıncaya kadar sürer.

Şekil 14’te güvenlik sisteminin bağlantı şekli görülüyor. Üç küçük ayna 45 derecelik açıyla yerleştirilir ve lazer ışınının bu aynalardan yansıyarak tam LDR üzerine düşmesi sağlanır.

Şekil 14: Lazerli güvenlik sistemi

Alarm devresi 9V’luk bir pille veya bir DC güç kaynağı ile beslenebilir. Lazeri de bu güç kaynağından beslemek mümkün. Bu işlem için lazer işaretçi içindeki üç pil çıkarılır. Krokodil kablo yardımıyla lazerin gövdesi güç kaynağının artı ucuna bağlanır. Kaynağın eksi ucu ise 100 ohm’luk bir direnç üzerinden lazer işaretçi içindeki metal yaya bağlanır. Gövdedeki butonun basılı durumda kalması için buton üzerine izole bant sarılır. Böylece, güç kaynağı açık olduğu sürece lazerden 35mA civarında bir akım geçer. Besleme gerilimi 4-5V’a düşürülse de devre sorunsuz şekilde çalışır.

Nelere İhtiyacımız Var?

• 1 adet LDR
• Board
• 1 adet lazer işaretleyici
• 1 adet CD4027 entegresi
• 1 adet LM311 entegresi
• 1 adet BC547 transistör
• 1 adet 100 nF kutupsuz kondansatör
• 1 adet osilatörlü tip buzzer
• 1 adet buton
• 3 adet 10 k direnç (0.25W)
• Birer adet 100R, 4.7k, 33k, 100k direnç
• Birer adet 8’li ve 16’lı entegre soketi
• 1 adet 9V’luk pil ya da güç kaynağı
• Plastik boru (içine LDR’nin girebileceği boyutlarda)

• İzole bant
• 3 adet küçük ayna
• 2 adet krokodil kablolar

Ne Yapıyoruz?

Projenin yapım aşamaları Şekil 15-19’da görülüyor.

Şekil 15: LDR'nin plastik boru içine yerleştirilmesi

Şekil 16: Lazer işaretleyicinin güç kaynağına bağlantı şekli

Şekil 17: Elektronik devrenin board üzerindeki yerleşim planı

Şekil 18: Güvenlik sisteminin genel görünüşü

Şekil 19: Lazer ışınının LDR üzerine odaklanması

Endüstride kullanılan benzer sistemler Şekil 20-23’te görülüyor.

Şekil 20: Endüstri uygulaması-1

Şekil 21: Endüstri uygulaması-2

Şekil 22: Endüstri uygulaması-3

Şekil 23: Endüstri uygulaması-4