Eğer daha önce blues gitarı çalan bir amcanızı ya da ucuz plastik bir ukulele tıngırdatıp çalan bir arkadaşınızı dinlediyseniz, harmonik distorsiyonun ne olduğunu muhtemelen biliyorsunuzdur. Bu ses, performansın arka planında çok hafif bir uğultu, tıslama veya vızıltı gibi gelir. Bunun nedeni, bu enstrümanların bir tür distorsiyon olmadan notaları üretememeleridir. Bu durum, mühendislik terimleriyle "doğrusal olmama" olarak da bilinir.
Bu makalede, harmonik distorsiyonun ne olduğunu, neden oluştuğunu ve kendi ev stüdyo kurulumunuzda bunun oluşmasını nasıl önleyebileceğinizi inceleyeceğiz. Hadi başlayalım!
Harmonik bozulma nedir?
“İstenmeyen geri besleme” olarak da bilinen harmonik bozulma, bir sese yeni frekansların eklenmesi anlamına gelir. Bu durum, bir sinyalin çalındığı sisteme geri beslendiğinde ortaya çıkabilir. Bu yeni sinyal, vızıltı veya ıslık sesi olarak duyulabilir. Harmonik bozulma en çok müzik aletlerinde ve ses ekipmanlarında görülür. Müzik aletleri, harmonik bozulma olmadan notalarını üretemez. Ancak ses ekipmanları, harmonik bozulmayı önleyecek şekilde tasarlanmalıdır.
toplam harmonik bozulma (THD)
Toplam Harmonik Bozulma (THD), ses sinyali kaynağı güç amplifikatöründen geçerken doğrusal olmayan bileşenlerin neden olduğu, giriş sinyaline ek olarak çıkış sinyalinde ortaya çıkan harmonik bileşenleri ifade eder. Harmonik bozulma, sistemin tamamen doğrusal olmaması nedeniyle meydana gelir ve bunu, orijinal sinyalin karekök ortalama değerine yeni eklenen toplam harmonik bileşenin karekök ortalama değerinin yüzdesi olarak ifade ederiz. Örneğin, 250 Hz'de 10 V ve 500 Hz'de 1 V çıkış veren bir amplifikatörün ikinci harmonik bozulması %10 olacaktır. Tüm ek harmonik seviyelerinin toplamı, toplam harmonik bozulma olarak adlandırılır. Genel olarak, 500 Hz frekansındaki toplam harmonik bozulma en küçüktür, bu nedenle birçok ürün bu frekansın bozulmasını endeks olarak kullanır.
Toplam harmonik bozulmayı hesaplama formülü şöyledir:
Gerilim harmonikleri için TDH (%) toplam harmonik bozulma, Vh her bir harmonik akımı ve V1 toplam RMS çıkış gerilimidir (temel ve harmonik bileşenler dahil).
Akım harmonikleri için, TDH (%) toplam harmonik bozulmadır, Ih her bir n harmonik akımıdır ve I1 toplam RMS çıkış akımıdır (temel ve harmonik terimler dahil).
Harmonik bozulma nasıl oluşur?
En basit haliyle, harmonik bozulma, bir giriş sesinin çok yüksek olması ve bir amplifikatör aracılığıyla sisteme “geri beslenmesi” durumunda ortaya çıkar. Bu durum, ev kayıt stüdyosu kurulumlarında, PA sistemine bağlı bir enstrümanın geri beslemeye başlamasıyla meydana gelebilir. Neler olduğunu anlamanın en kolay yolu, birbirine çarpan iki dalga düşünmektir. Bir dalga orijinal ses sinyalinizdir, diğeri ise hoparlörler aracılığıyla sisteme geri beslenen amplifiye edilmiş sestir. Bu iki dalga birleşerek yeni bir şey oluşturur. Orijinal ses sinyali hala oradadır, ancak geri beslemeyle eklenen yeni frekanslar da oradadır.
Ölçüm Yöntemi
Toplam harmonik bozulmanın hesaplama formülünden, toplam harmonik bozulma değerinin harmonik mertebenin üst sınır değeri H ile yakından ilişkili olduğu anlaşılabilir. Harmonik analizörler gibi genel harmonik ölçüm cihazları çoğunlukla elektrik şebekesi harmonik ölçümleri için uygundur ve üst sınır genellikle 40. mertebeye kadardır.
Frekans dönüştürücüler gibi yüksek harmonik içeren harmonik emisyon ekipmanlarında, toplam harmonik bozulmanın ölçülmesi için, değişken frekanslı güç analizörleri veya geniş bantlı güç analizörleri gibi yüksek harmonikleri ölçebilen özel harmonik ekipmanlara ihtiyaç duyulur. Ayrıca, yüksek gerilim ve yüksek akım sistemlerinde, değişken frekanslı güç sensörleri gibi kullanılan sensörlerin gerekli bant genişliğine de dikkat edilmesi gerekir.
Harmonik Bozulmanın PCB Üzerindeki Etkisi
Harmonik bozulma, PCB tasarımı sırasında dikkate alınması gereken önemli bir faktördür. Sinyal bütünlüğünde sorunlara yol açabilir ve bileşenlerin hasar görmesine neden olabilir. Harmonik bozulmayı azaltmanın birkaç yolu vardır; bunlardan bazıları şunlardır:
– Düşük empedanslı güç ve toprak düzlemleri kullanmak
– Kritik bileşenlere baypas
kondansatörleri eklemek – Yüksek frekanslı gürültüyü filtrelemek için
indüktörler eklemek – Sinyal izlerinin uzunluğunu azaltmak
Bu yöntemlerin her birinin kendine özgü avantajları ve dezavantajları vardır, bu nedenle PCB tasarımınıza en uygun çözümü seçmeniz önemlidir.
Harmonik Bozulmanın Önlenmesi
Harmonik bozulma, PCB tasarımı ve üretimi sırasında ortaya çıkabilecek başlıca sorunlardan biridir. Sinyal bütünlüğü sorunları, çapraz konuşma ve elektromanyetik parazit (EMI) gibi birçok soruna yol açabilir.
Harmonik bozulmayı azaltmanın veya ortadan kaldırmanın çeşitli yolları vardır. Bunlardan biri, harmoniklerin çoğunu ortadan kaldırabilen diferansiyel sinyalleme kullanmaktır. Bir diğeri ise, harmoniklerin azaltılmasına yardımcı olabilecek düşük çıkış empedanslı güç kaynakları kullanmaktır.
Diferansiyel sinyal iletimi, gürültü ve çapraz konuşmanın etkilerini azaltmak için yüksek hızlı dijital sistemlerde sıklıkla kullanılan bir tekniktir. Diferansiyel sinyal iletiminde, iki sinyal ayrı kablolar üzerinden gönderilir ve bir sinyal diğerinin tersidir. Alıcı cihaz daha sonra iki sinyali birleştirir ve ortak mod gürültüsü ortadan kaldırılır.
Düşük çıkış empedansına sahip güç kaynakları da harmonikleri azaltmaya yardımcı olabilir. Düşük empedanslı bir güç kaynağında, akım çekildiğinde voltaj düşüşü daha az olur; bu da yükteki voltajın daha kararlı olacağı anlamına gelir. Bu, harmonik bozulmanın neden olduğu birçok sorunu azaltmaya veya ortadan kaldırmaya yardımcı olabilir.
