Akım: Bir kesit üzerinden, birim zamanda akan yük miktarıdır. Elektriksel yük taşıyan parçacıkların (elektronlar) hareketinden oluşur.

Biz devre tasarlayanlar için ölçüm kritik bir öneme sahiptir ve akım her zaman başımızı ağrıtan bir değerdir.

İlkokul yıllarımıza dönecek olursak; gerilim ölçen voltmetrelerde iç direnç sonsuzdur, böylelikle devrede herhangi bir akım, bizim voltmetremizden akmayacağı için devreye etkisi sıfır kabul edilir.
Akım ölçmek için kullanılan Ampermetrelerde ise iç direnç sıfır kabul edilir. Böylelikle ampermetre devrede bir yükleyici etki göstermez.

Fakat gerçekte ne sonsuz direnç ne de sıfır iç direnç yakalamak mümkün değildir. Bu bizim ölçümlerimizde en büyük sorunu yaratan etkidir. Ancak çeşitli kabullerle bu problemlerin günümüzde aşıldığını belirtmek başlangıç için yeterli olacaktır.

Bir çok endüstriyel uygulamada, akım ölçümünde ve çok tercih edilen iki metot vardır, bunlardan birincisi shunt direnç yöntemi, diğeri ise hall effect sensor kullanımıdır.

1) Shunt Direnç Yöntemi

Bu yöntem çok fazla tercih edilen ve maliyeti en az olan yöntemdir. Kısacası devredeki yüke göre oldukça küçük ve ihmal edilebilir bir direnç üzerinden, geçen akımla orantılı gerilim okunarak, akımın ölçülmesi işlemidir. Burada ortaya çıkan üç problem vardır;
- Shunt direncin değeri ısıl değişimler gibi çevresel faktörlerden çok az etkilenmelidir.
- kayıplarından oluşacak sıcaklık etkisi göz önüne alınmalıdır.
- Küçük direnç değeri seçiminden oluşan küçük volt aralığı ölçülebilmelidir.

Çeşitli elektronik alım sitelerine göz atıldığında şönt dirençlerin genellikle sıcaklık, nem gibi etkilerden oluşacak değer değişimleri oldukça az olduğu görülebilir. Bu, referans noktamız olan shunt direnç değerinin değişmemesi açısından bakıldığında büyük önem kazanmaktadır.

Sıcaklık yani direncin Watt değeri de tasarım için kısıtlayıcı bir etkiye sahiptir. Özellikle inverter, converter gibi devrelerde verim önemi ortaya çıktığında burada oluşacak verim kayıpları sistem tasarımını bazı noktalarda zora sokabilmektedir.

Bir diğer sorun ise küçük direnç ve küçük akımlardan dolayı oluşan çok küçük gerilim seviyesinin okunmasında yaşanmaktadır. Özellikle bu gerilim seviyesini yükseltmede kullandığımız opamplar, genel kullanım opamplarından farklı olup, low input offset değerleri ile dikkat çekerler. Digikey, Farnell gibi elektronik komponent alım sitelerinde, opamp seçiminde akım ölçümü ibaresi özellikle bu gibi etkilerden dolayıdır.

Shunt direnç ile ölçüm High-Side ve Low-Side olarak kendi içerisinde ikiye ayrılmaktadır.

1.a. Low-Side Ölçüm

Low-Side akım ölçümünde shunt direncin bir ucu ground’a bağlıdır. Diğer ucu ise yüke bağlanan shunt direncinin üzerindeki gerilim değerinin, shunt dirence bölümü bize yükten akan akım değerini vermektedir. Çok basit bir yapı olduğu için bir çok uygulamada kullanıldığını görebilirsiniz. Fakat bu yöntemde, shunt direncin bir ucu mutlaka ground’ta olması gerektiğinden, devrede özellikle parça parça akım okunması gerektiğinde bu yöntem kullanışlılığını yitirir.

Aşağıda bu yöntemle yapılmış bir uygulama görülebilir. Uygulamada yük 1Ω, shunt direnç değeri 1mΩ seçilmiştir. Kuvvetlendirici shunt direnç üzerindeki gerilimi 100 kat kuvvetlendirmiş, sonunda da bir katlayıcı ile (bu yazılımlarda kullandığımız katsayıyı temsil ediyor) devreden akan akım değeri bulunmuştur. Tam bu noktada devreden 0.1A geçerken opampın girişine 100uV uygulanacağı görülebilir. Bu akım değeri ölçülmek istendiğinde low offset değerine sahip opamp kullanılması zorunludur. Aksi taktirde okunan değer, ölçülmesi gereken değerden çok farklı olacaktır.

1.b. High-Side Ölçüm

High-Side ölçüm tekniğinde yan tarafta da görüldüğü gibi shunt direncin ground’a bağlanması gerekmemektedir. Yalnızca kuvvetlendirici kısmında differential amplifier kullanılır. Böylelikle devrenin herhangi bir noktasındaki herhangi bir akımı rahatlıkla okunabilir. Buradaki tek sorun amplifier low-side’a göre biraz daha karmaşık yapıdadır.

Aşağıda bu yöntem kullanılarak ölçülmüş bir akım değeri görülmektedir. Low-Side ile arasındaki fark hemen görülebilir; bu yapıda shunt direnç ground’a bağlı değildir. Kuvvetlendirici için ise daha fazla eleman harcanmıştır. Yalnız bu yapı bize ayrı ayrı noktaların akım ölçümlerine olanak sağlamaktadır. Yine burada da opamp input offset değerinin oldukça düşük olması önemli bir faktördür.

2) Hall Effect Etkisi İle Ölçme

Hall etkisini kısaca tanımlamak gerekirse, içerisinden akım geçen bir iletkende meydana gelen gerilim farkıdır. Genellikle bu fark manyetik alan etkisi ile oluşur. Bunun nedeni manyetik alanın elektronları bir yöne doğru itmeleri yani kuvvet oluşturacak etkiyi yaratmasıdır. Yandaki resimde bunun etkisi rahatlıkla görülebilir.

Bu yöntemde ise okumak istediğimiz akım değeri herhangi bir metaryalden geçerek manyetik akı oluşması sağlanmaktadır. Bu yapı bir toroid olabilir. Daha sonra bir hall sensörü bu akı miktarını ölçer ve bize bir gerilim miktarı sunar. Oluşan akı miktarı, akım ile doğrusal olarak değiştiğinden, çıkışta da lineer bir gerilim oluşur.

Aşağıda ACS755 ile yapılmış bir örneği görebilirsiniz. Bu örnektede görüldüğü üzere hall effect sensör istenilen noktaya bağlanabilmektedir. Her ne kadar fiyatları uç noktalarda olsa da doğruluk oranları nedeniyle özellikle medikal alanında sıklıkla tercih edilmektedirler.

Sonuç Olarak..

Ölçüm işlemleri her zaman olduğu gibi bu konuda da oldukça sıkıntılıdır. Özellikle AC akım okuma ve filtreler işin içine girdiğinde ve yüksek akım değerleri okunmaya çalışıldığında saç sayısının azalması işten bile değildir. Bu gibi sorunları aşmak için entegre üreticileri oldukça iyi çözümler sunmaktadır. Elbette bunların hepsi paranın artış yönüyle kaliteleştiğinden, fiyat/performans oranı en iyi olan çözüme yönelmek biz mühendislerin bir numaralı sorunu olacaktır.

Yazımı noktalarken, her ne kadar ele almasam da, akım trafosu ile de akım ölçülebildiğini belirterek herkese çalışmalarında başarılar dilerim..

Bu konularla pek ilgisi olmayan bir kişinin “bu tasarım ne işime yarayacak” sorusuna şöyle cevap verebilirim; hepimiz öyle ya da böyle regülatör tasarımı ya da step down, step up, izolasyonlu topojiler kullanarak güç kaynakları yapıyor ya da satın alıyoruz. Özellikle bazı uygulamalarda ya da aldığımız ürünün kalitesini, ne kadar zorlayabileceğimizi görmek için gerilim/akım grafiklerine gerek duyuyoruz.
Örneğin aldığımız bir SMPS 24V/10A kaynağının gerçekteki regülasyonu bilmek, ileride yapacağımız uygulama için önemli olabilir. Bu bir güneş panelinden, DC motora, herhangi bir pilden, adaptölere kadar uzanabilmektedir. Yaptığımız cihaz ise bu grafiği sadece 10-15 saniye gibi bir aralıkta bizlere sunmaktadır. Bu da güç kaynağımızın kalitesi hakkında bize yorum yapma olanağı sağlar.
Bunun yanında proje özellikle bataryalarla çok fazla çalışan, telsizciler, hobi araçlar, quadrotorlar ve daha bir çok batarya kullanılan alanda bataryanın performansını ölçmek için kullanılabilir.

1) Digital Dummy Load (Dijital Yük)
Örnek olarak kendi evimde hobi amaçla kullandığım bilgisayar güç kaynağının 12V çıkışının gerilim akım grafiğini göstermek istiyorum. Grafiği yorumlarsak regülasyonun oldukça kötü olduğunu söylemek mümkündür (resme tıklarsanız büyür).Aşağı yukarı 10 yıllık bir güç kaynağının (SMPS tamircileri daha iyi bilecektir) çıkış kapasitörlerinin değer kaybetmesinden dolayı bu sorunun olabileceğini düşünerekten çıkışa sağlam kapasitörler bağlandığında elde edilen aşağıdaki grafik ise yukarıdakine nazaran bize daha iyi regülasyon sağlamaktadır (resme tıklarsanız büyür).Akım gerilim grafiğinin kapasite bağlandıktan sonraki ölçümünü ve cihazın genel özelliklerini aşağıdaki videodan izleyebilirsiniz (tam ekran ve yüksek çözünürlükte izlemenizi öneririm).

Click here to view the embedded video.

2) Battery Capacity Tester (Batarya Kapasite Testi)
Batarya testi aslında oldukça basit bir testtir. Genel itibari ile belirlenen sabit bir akım değeri, belirli bir süre boyunca çekilir. Grafiğin altında kalan alan ise bizlere kapasite değerini Ah birimiyle geri döndürür.
Örneğin; 7.2V 1500mAh bir bataryamız olduğunu düşünelim. Bu değer bize bu bataryadan 1.5A’i 1 saat boyunca alabileceğimizi söylemektedir. Peki aklımıza şu soru gelebilir; 1 saat uzun bir süre bunu 15dk gibi kısa bir sürede yükleyip tam kapasite değerini ölçemez miyiz? Aslında ölçebiliriz, örneğin bir batarya bir saat boyunca 1.5A verebiliyorsa, 15dk için 6A verebilir. Yalnız gerek sıcaklık, gerekse diğer etmenler nedeniyle hiç bir zaman bu örnekteki bataryadan 15dk boyunca 6A çekemeyiz. Bu durum Alman bilimadamı W. Peukert tarafından 1897′de Peukert denklemi ile aşağıdaki şekilde açıklanmıştır.

Sonuç olarak…

Belki herkesin değil fakat benim gibi güç elektroniği konusuna meraklı arkadaşların bu tür bir cihaza sahip olmaları bence oldukça önemli. Örnek olarak daha önce burada ve burada yaptığım incelemelerde dirençleri paralel bağlayarak ancak uygun yükleme işlemini gerçekleştirdiğimi hatırladığımda ya da bir bataryanın testi için 1 saate yakın bir lambayı yaktığımda böyle bir aracın benim için vazgeçilmez olduğunu anladım. Şu an için ürün her ne kadar ilk versiyonda olsa elde edilen sonuç bence oldukça tatmin edici.

Yukarıda tanıttığım ve geliştirmesini üstlendiğim ürünün hazır halini satın almak isteyen arkadaşlar iletişim bölümünden benimle irtibata geçebilir artı daha fazla bilgiyi mail yoluyla öğrenebilirler.

Her türlü sorunuzu, tasarım ile ilgili düşüncelerinizi yorum kısmından bana ulaştırabilirsiniz..
Herkese çalışmalarında başarılar, bol elektronikli günler dilerim..

Flyback converter topolojisindeki en önemli konu çalışma moduna göre mıknatıslanma endüktansının belirlenmesidir. Aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi anahtar ilk kapatıldığında akım Lm üzerinden akar. Trafonun üzerinden ise sekonderdeki diyotun engellemesinden dolayı (noktalı uçtan giren akım, noktalı uçtan çıkmalıdır) herhangi bir akım akmaz. Transistörün iletim gerilimi de dahil olmak üzere girişteki akım ise (Vin-Vq)/Lm oranıyla to süresince yükselir. Sonuçta akımın ulaşacağı maksimum akım değeri denklem 1′deki gibi olur. Anahtar açıldığında ise akım yine aşağıda görüldüğü gibi trafonun sarım oranı n=Np/Ns ile karşı tarafa aktarılır. Bu durumda sekonderdeki akımın peak değeri diyot iletim gerilimi ile birlikte denklem-2′deki gibi olur.DCM mod için gerekli şart denklem 3′te görülebilmektedir. Yani trafoda önce enerji depolanmalı, daha sonra ise depolanan enerji tamamen boşaltılmalıdır. Ancak bu durumda DCM modda kalmak mümkündür, bunun aşılması durumunda çalışma modu CCM olur. Denklem 1 ve denklem 2’den faydalanarak maksimum ton süresi denklem 4 ile bulunur. Burada ton+toff=ts olduğu unutulmamalıdır. toff süresi ise denklem 5 ile bulunabilir.Lm mıknatıslandırma endüktansında bir çevrim süresince depolanan enerji denklem 6’daki gibi olur. Tüm çevrim boyunca aktarılacak enerji ise bu değerin fs ile çarpımına ya da ts ile bölümüne eşittir. Denklem 1’de hesaplanan Ip-pri’de yerine konduğunda Lm mıknatıslandırma endüktansı denklem 7’deki gibi bulunur. Buradaki η verimdir. İdeal çalışmada bu değer 1 kabul edilebilir. Ipri-p değeri denklem 1’de hesaplanan sistemin, rms akımı ise üçgen dalganın rms akımından denklem 8’deki gibi çıkar. Buradan trafonun primer kısmında hangi kalınlıkta tel kullanılması gerektiği ortaya çıkmaktadır. Ipri-p yerine denklem 2’deki Isec-p, yine denklem 8’de yerine yazıldığında sekonder taraftan çekilen ortalama akım ve dolayısıyla o kısımda kullanılması gereken tel kesiti de bulunmuş olunur.Çıkış kapasitesi ise gerilimin, dolayısıyla da akımın ripple değerini azaltan önemli bir faktördür. Hepimizin bildiği kapasitör formülü denklem-9’da görülebilir. Buradan ∆I ve ∆V değerleri yerine yazılırsa denklem 10 elde edilir. Buradan istenilen çıkış ripple değeri için çıkış kapasitörü belirlenebilir.Flyback tasarımının en önemli ikinci unsuru ise trafo ve trafo tasarımıdır. Flyback topolojilerinde ve genelde tüm switch-mode uygulamalarında ferit nüve tipi seçilir. Elektromanyetik dersinde anlatılan kanunların geçerli olduğu bu durumda, özellikle maddenin akı geçirgenliği oldukça önem kazanmaktadır. Flyback konusunda çalışanların bildiği gibi trafoların hava aralıklı yapılmasının nedeni de bu hava boşluğudur. Çok kısa akı ve enerji depolama yasasından yararlandığımızda, denklem 11′i elde ederiz.Bu formülde µr ferit nüvenin geçirgenliği belirtmektedir. µo ise havanın geçirgenliğidir. Genel itibariyle üretilen feritlerde µr 2500 ile 10000 değerleri arasında değiştiğinden denklemdeki ilk toplam kısım ihmal edilebilir. Böylelikle denklem 11den görülebileceği gibi bu çalışmada enerjinin nüvede değil, hava boşluğunda depolandığı net bir biçimde görülebilmektedir. Formülde görülen B, nüvenin taşıyabileceği maksimum tesla miktarını göstermektedir.Yukarıda şekli görülebilen hysteresis eğrisinde, nüvenin akıma bağlı olarak doyuma gitmemesi için B değeri maksimum 0.3 ile 0.5 Tesla arası alınır. Buradan istenen güce göre bir hava boşluğu bize verilir.

Bu noktada dikkat edilmesi gereken en büyük nokta hava aralığının kaçak endüktans değerini arttırmasından dolayı bu genişlik en fazla 9-10mm civarı tutulmalıdır. Bu değerin aşılması durumunda ise ya çalışma frekansı arttırılmalı ya da daha büyük kesitli nüve ile çalışılmalıdır.

Bir tecrübe: Daha önce bu konularda çalıştığını söyleyen kişilerin, 2cm (2x1cm) hava aralığı bıraktığını gördüğümde açıkçası kendi içimde trajikomik bir durum yaşamıştım.

Nüve seçiminden sonra ise gerekli Lm mıknatıslandırma endüktansını sağlamak için atılacak sarım sayılarını belirlemek gerekmektedir. Flyback topoloji için gerekli Lm için tur sayısı ise denklem-12′den bulunur. Bırakılacak hava boşluğu bilgisi denklem-13′ten bulunabilir.Sekonder sarım sayısı ise denklem-14′ten bulunabilir.
Tüm bu hesaplamalardan sonra eleman seçimi konusunda anahtarlama elemanı olarak mosfet kullanacağımız göz önüne alınırsa, drain-source arası gerilim değeri önemlidir. Bu gerilim değeri denklem-15′ten rahatlıkla bulunabilir.Denklemdeki Vleakege değeri trafonun kaçak endüktansına bağlıdır. Bu değer gerçek uygulamada oldukça önem arz etse de şu anki tasarımımızda bunu ihmal edeceğiz.

Bir tecrübe: Her ne kadar kaçak endüktans etkisini ihmal etsem de, gerçek bir çalışmada oldukça fazla mosfet yakmamıza neden olan en önemli etmenlerden biri budur. Ayrıca kaçak endüktans direk verimi kötü yönden etkilediğinden tam bir baş belası sıfatını hak etmektedir.

Flyback ile ilgili formüllerimizi verdikten sonra denklem 4 ile tasarımımızı yapmaya başlayalım. Ben tasarımda Vd, diyot iletim gerilimi ve Vq, transistör iletim gerilimlerini 1V, n=Np/Ns=10 ve verimi %100 kabul edelim. Buradan hesaplamaları yaptığımızda aşağıdaki değerlere ulaşırız.Tasarımımızı PSIM programına taşıyıp aşağıdaki devreyi kuralım ve ilgili değerleri simülasyonda yerine koyalım.
Simülasyon sonuçlarını da aşağıda ve istediğimiz gibidir. Gerilim değerinin 24V ve dalgalanmasının da 0.05V sınırlar içerisinde kaldığını, akım tepe ve Vds değerlerinin teorik hesaplara uygunluğunu görebilirsiniz. Resme tıklarsanız büyür.

Görüldüğü gibi aslında zor gibi görünse de tüm hesaplar basit devre analizlerine dayanmaktadır. Kondansatör ve bobinin çalışma mantığı değişmedikçe, yeni bir devre elemanı bulunmadıkça tüm hesaplamaların böyle olacağına eminim. İlerleyen günlerde forward converter topolojisini incelemeyi düşünüyorum.
Herkese çalışmalarında başarılar dilerim.

Kaynaklar
- Switching Power Supply Design – Abraham I. Pressman
- Wikipedia – Flyback Converter

LM2576 mı MC34063 mü sorusunu ise şöyle yanıtlamak isterim; her ikisi de aşağı yukarı aynı elemanları kullanıyor, her ikisi de oldukça verimli, yalnız uygulamanız fazla güç gerektirmiyor ve param kısıtlı diyorsanız elbette MC34063, fakat ben az elemanla çok iş yapayım, güç de gerekli diyorsanız LM2576.
Gün itibariyle Farnell’de LM2576′nın fiyatı 1.91€ (1706045) iken MC34063′ün fiyatı 0.84€ (1191818), LM7805 ise 0.85€ (1102157). Kullanılacak soğutucuların fiyatlarını da aynı akım kapasitesinde karşılaştırmak lazım elbette.

Elime yeni regülatörler geçtiğinde testlerime devam edeceğim, herkese çalışmalarında başarılar dilerim.

Dip Not: Tez, okul ve sınavlara yoğunlaştığımdan bu dönem FxDev.org’ta daha az yazı göreceksiniz, şimdiden söylemek isterim.

Tüm bu değerler göz önüne alınarak öncelikle devreyi tetiklemeli olarak tasarlamayı uygun gördük. Daha sonra yaptığımız araştırmalarda ise bu gerilim ve akım değerleri için tetiklemeli devrelerin aşırı derecede karmaşık ve gereksiz olduğuna karar verdik. Tasarımımızı verimsiz ama basit bir regülasyon çeşidi olan lineer regülasyon mantığını kullanarak gerçekleştirip, aşağıdaki testlere tabi tuttuk;
• Giriş gerilimi 220V ve boştayken gerilim değeri,
• Giriş gerilimi 220V ve 12ohm yük altındayken gerilim, akım, ripple ve sıcaklık değerleri,
• Giriş gerilimi 198V ve 12ohm yük altındayken gerilim, akım, ripple ve sıcaklık değerleri ile
• Son olarak verim ölçüldü.

Yaptığımız testler sonucu aldığımız veriler ise aşağıdaki gibidir. Ayrıca proje sonunda 100 üzerinden 97 alınmıştır.

Bu proje ile ilgili detaylı açıklama ve hesaplara, ayrıca simülasyon dosyasına buradan veya Mühendislik/Mikroelektronik ve Sinyal bölümünden ulaşabilirsiniz.
Herkese iyi çalışmalar.