FxDev | ße Different Everytime! » verim

MC34063A Step-Up/Down Convertor İncelemesi

FxDev — Thu, 31 Mar 2011 13:53:34 +0000

Daha önceki yazımda değindiğim switching regulator incelemesine bu hafta MC34063A step-up/down entegresini kullanarak devam ediyorum.
MC340603A entegresi bugüne kadar endüstriyel kartlarda rastladığım en sık kullanılan regülatörlerden biri. Fiyatı da LM7805 kadar. ONSEMI.’nin ürettiği bu IC’yi LM2576′dan üstün kılan ise entegrenin aynı zamanda step-up olarak da kullanılabilmesi. Ben her ne kadar step-down uygulaması yapsam da IC’nin bu özelliğini merak edenler için datasheet’i dikkatlice incelemelerini öneriyorum.
MC340603A’nin datasheet’ini açıp baktığınızda 5V üretmek için aşağıdaki sade yapıyı görebilirsiniz. Resme tıklarsanız büyük halini görebilirsiniz.Yukarıdaki devrede altını kırmızı ile çizdiğim kısımlar ise datasheetten farklı olan değerlerdir. Bunları datasheette bulunan denklemleri ve elimde var olan malzemeleri kullanarak tekrar hesapladım. Sırayla işlemleri yapacak olursak;

Vsat=1V, datasheette verilmiş. TC pinine 470pF bağladık. Buradan;
ve buradan toff=14.1us olur.
Rsc=0.3/Ipeak olarak verilmiş, Rsc=0.22ohm için Ipeak=1.3636A olur. Bu kısım oldukça önemlidir, çünkü MC34063A’nın Ipeak değeri 1.5A’i asla geçmemelidir.
Ipeak=2*Iout denkleminden Iout=681.8mA~682mA bulunur.
L=V*dt/dI denkleminden L=(12-1-5)(11.75us)/(1.3636)=51.7uH bulunur. Bu da kullanacağımız bobin değerinin en az 51.7uH olması gerektiği anlamı taşımaktadır. Ben devrede 220uH kullanmayı tercih ettim.
Cout kapasitörünü de 2200uF kullandığımdan ripple gerilimi Vripple=Ipeak(ton+toff)/(8*Cout) denkleminden 0.002V olmaktadır.
Bu kısımda simülasyona geçip Proteusta istediğimiz devreyi kurduğumda aldığım sonuçlar aşağıdaki gibi olmuştur. Resme tıklarsanız büyüyecektir.Simülasyon sonuçlarında Vripple ~0.02V ve Iload-ripple 2mA çıkmaktadır. Burada istediğimi elde ettikten sonra devreyi aşağıdaki elemanları kullanarak kurdum ve sonuçları almaya başladım.Testlerden aldığım sonuçları aşağıdaki tablodan görebilirsiniz.Sonuçlara baktığımızda bir tutarsızlığın olduğu göze çarpmaktadır. Elimde 1k-1.5k direnç bulunmadığından geri besleme dirençlerini 1.2k ve 2×1.8k seçtiysem de sorunun buradan kaynaklandığını düşünmüyorum. Tüm çabalarıma rağmen istenen sınırlarda akım değerini 0.3A’den yukarı taşıyamadım. 100uH, 150uH bobin ve değişik kapasitör değerleri denememe rağmen de istediğim sonucu alamadım. Verim kısmında ise %75 oranın oldukça tatmin edici olduğunu söyleyebilirim.

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.

{lang: 'tr'}

LM2576 Step-Down Convertor İncelemesi

FxDev — Thu, 24 Mar 2011 22:47:22 +0000

Eskiden beri ilgimi çeken dönüştürücü/evirici tasarımına olan ilgim bitirme tezime başladığımdan beri teorik kısımlarında yavaş yavaş oturmasıyla ilginç bir hal aldı. Verim kelimesinin önemli olduğu bu alanda LM7805 gibi IC’lerden sıkılan benim için LM2576, düşük sayıda komponent sayısı, kullanım kolaylığı ve vaadettiği %78′lik verim ile son günlerde çok fazla ilgimi çekti.
National Semiconductor’ın ürettiği LM2576′nın 3.3, 5, 12 ve 15V sabit çıkış veren versiyonlarının yanında bir de ADJ olarak tanımlanan ayarlanabilir tipi bulunmakta. Genel olarak IC’nin iç yapısı aşağıdaki resimde görülebilir.Yukarıdaki iç yapıdan da görülebileceği üzere çıkıştan alınan gerilim bilgisi 1.23Vref ile karşılaştırılarak aç/kapa mantığıyla bobine giden 52kHz hızındaki kare dalganın doluluk oranı değiştirilerek çıkıştaki gerilim seviyesi istenen düzeye çekilmeye çalışılmaktadır. Bu esnada fazla ısınma ya da akım çekmeye karşı da önlemler IC’nin içerisinde alınmıştır. R1 ve R2 dirençleri ise sabit gerilim versiyonlarında IC’nin içerisinde sabitken, ADJ versiyonunda istenen gerilim seviyesinde çıkış almak için bu yapı dışarıya aktarılmıştır. Bunları göz önüne alarak LM2576-5V’u aşağıdaki devre şemasını kullanarak test ettim.Şemadaki değerleri ise datasheet’te verilen hazır devreyi kullanmaktansa kendi isteğime göre hesapladım. Devredeki beklentim çıkış akım ve gerilim ripple değerlerinin oldukça düşük olması yönündeydi.
Öncelikle elimde olan malzemelerle işe başladım. Devrenin en önemli elemanı olan bobin için elimde 2cm çaplı, 0.5cmx1cm kesite sahip toroid nüve vardı. Bu nüvenin Mr’sini yaptığım test sarımında 75 olarak hesapladım. Bu onun hava boşluğu hazır bir nüve olduğunun göstergesi idi (Genellikle trafo nüvelerinde Mr 2500 ve üstü olarak bulunur). Düşük akım ripple’ı için yüksek bobin değerlerine ihtiyaç olduğundan elimdeki toroidi dolduracak kadar sarım (43 sarım) sardım. Sardığım bobini sağda görebilirsiniz.
L=N^2/(2*pi*r/(A*Mo*Mr)) bildiğimiz bobin formülünden r=1cm, A=0.5cm^2 için teorik olarak L=138uH çıkmaktadır. Ben ise ölçümümde bunu 127uH olarak ölçtüm. Hatanın nedeni ise teorik olarak hesap yaparken bobinin 1cm uzaklıkta sarılmış gibi düşünülmesinden kaynaklandığını söyleyebilirim.
Bu nüve ile basabileceğim akımı 1/2LI^2=1/2B^2*V/(Mo*Mr)’den B=0.3T için 20A buldum. Bu da nüveyi istesem de doyuma götüremeyeceğimi gösterdi. Akımın yapacağı ripple değerini aşağıdaki formülden çektim.
V(L)=LdI/dt, V bobinin üzerindeki gerilim, dI ripple akım değeri, dt ise (Vin/Vout)*(1/fs)’tir. fs LM2576′nın açık devre şemasından 52kHz olarak görülmektedir. Buradan bobinin üzerindeki gerilim 12V-5V=7V alınarak;
7=127uH*dI/((5/12)*(1/52000))’den dI=0.44A çıkmaktadır.
Çıkış gerilim değerinin ripple değeri ise anahtar kapalıyken yük tüm akımını kapasitör üzerinden sağlayacağından I=CdV/dt’den dV=3*((1-5/12)*(1/52000))/2200uF=0.015V olur.
PSIM’de ilgili değerler yerine koyularak simülasyon yaptığımda istediğim sonucu aşağıdaki gibi aynen aldığımı gördüm.
Peki gerçek devrede neler oldu şimdi ona bakalım.

Dikkat!Öncelikle uyarmak isterim ki güç elektroniği tehlikeli bir dal ve gerekli güvenlik önlemleri alınmadığında gerçekten yaralanmanız an meselesi. Deneye başlamadan önce giriş kapasitör değerini 100uF/25V seçmiş ve girişten 15V uygulamıştım. Boştayken bobinden anlamsız bir gürültü gelince sesin başka bir yerden gelip gelmediğini dinleyim derken girişteki kapasitörün kulağıma patlamasıyla sesin aslında nereden geldiğini bulmuş oldum. Bunu süpriz(!) bir şekilde bulmanın etkisiyle kulağımın sızlamasının yanında 30dk sadece çınlama sesi duysam da şu an bir sorun olmaması benim için gayet sevindirici. Malzemenin sıfır olması da oldukça garip. Daha sonrasında aynı seriden kapasitör kullandığımda ise hiç bir sorun yaşamadım fakat gelin görün ki patatesin beni bulması çok acılı oldu.

Devreyi aşağıdaki elemanlarla kurdum ve test sonuçlarını birer birer aldım.Yaptığım testler sonucu elde edilen verileri aşağıdaki tabloda görebilirsiniz.Yukarıdaki tablodan da görüleceği üzere küçük güçlerde LM2576 çok verimli çalışmaktadır. Fakat yük değeri arttıkça hem feedback alınan nokta hem de çıkış kapasitör ve bobinin devredeki yeri oldukça fazla önem kazanmaktadır. Ben devreyi breadboard üzerine kurduğumdan hatanın bu kadar olmasını beklemiyordum fakat gerek soğutucunun küçüklüğü, gerek bağlantıları krokodil kablolarla yapmam bunun nedenlerinden olabilir diye düşünüyorum. Bobinin sıkı sarılmamasından kaynaklanan zırıltının da küçük kapasitörler atılarak giderilebileceğini; ileride yapacağım güç kaynağı tasarımı için denediğim LM2576′nın bence yeterli bir performans sunduğunu ve verimi önemseyenlere önerebileceğimi söylemek isterim.
Elimde LM2576-ADJ’de olduğundan ayarlı güç kaynağı tasarımını tamamladığımda baskı devre vb. dosyaları yakında burada bulabileceğinizi söylerek, herkese çalışmalarında başarılar dilerim.

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

{lang: 'tr'}

Buck/Boost Converter

FxDev — Wed, 27 Oct 2010 18:54:03 +0000

Uzun süredir bitirme tezi çalışmaları, ehliyet sınavı koşuşturmacası derken siteyle doğru düzgün ilgilenemediğimi, hatta internette takip ettiğim bir çok elektronik sitesini bile gezemediğimi fark ettim. Bugün kendime yarattığım bu küçük boşlukta hem kendi bilgilerimi tazelemek hem de güç elektroniği konusunu merak edenler için bir kaç örnek uygulama yapmak istedim.
Öncelikle, güç elektroniğine girmeden önce, herkesin kabul edeceği üzere altyapınızın sağlam olması gereken altı konu vardır. Bunlar mikroelektronik, kontrol, genel devre ve normal düzeyde matematik bilgisi, kaynak araştırma yetisi ve doğru simülasyon programını kullanma şeklinde sıralanabilir. Bu sıralamada ben de normal bir öğrenci kadar alt yapım olduğunu söylemek isterim. Sonuç olarak ben bu işin uzmanı değil, uzmanı olma aday adayıyım. Bunu geçen sene güç elektroniği dersi alırken yaptığım buradaki yorumdan okuyabilirsiniz. Tüm bunlardan sonra yapmamız gerekenleri ise şöyle sıralayabiliriz:
- PSIM Programını kurmak,
- Kalem kağıdı elimize almak,
- Varsa devre analizi kitabımızı çıkarmak.
PSIM programı bir çok kişiye tanıdık gelmeyebilir. Açılımı Power Simulation olan program, güç elektroniği simülasyonları için özelleştirilmiş ve içerisinde güneş paneli modelinden, bir çok kontrol elemanına hatta ADC gibi çeşitli mikrodenetleyici kısımlarını içermektedir. Programın bir diğer güzel özelliği ise oluşturduğunuz şemayı MATLAB Simulink ortamına direk aktarılabilir olmasıdır. PSIM programını indirmek için buraya basabilirsiniz.

1) Buck ConverterYukarıda şekli görülebilecek ve genel olarak düşürücü yani step-down olarak kullanılan buck çeviricilerin verimleri teorik olarak %95′lere kadar çıkabilmektedir. Tüm SMPS’lerde olduğu gibi bobin üzerine güç depolama ve bu depolanan gücü çeşitli şekillerde aktarma ile kullanılan buck regülatör için önemli olan formüller (continuous mode için) aşağıdaki gibidir.Örnek olarak Vi=12V, Vo=5V @2A seçelim ve anahtarlama frekansımız 50kHz olsun. İstediğimiz ripple değerleri akım ve gerilim için de 0.01 olsun. Bu değerleri sağlayan D, C ve L değerlerini hesaplarsak;
D=Vo/Vi=5/12=0.4166 olur ve buradan D=0.42,
L=12*D*(1-D)/f∆I buradan L=5.83mH ve
C=12*D*(1-D)/8LCf2 buradan C=2.5uF alınabilir.
Teorik olarak denememizi yaparsak, aşağıda görüleceği üzere devremizin oldukça sağlıklı çalıştığı görülebilir.Elbette kullandığımız kaynaklar sonsuz çıkış gücüne sahip olmadığından, çıkışa bağlanacak değişik yüklere karşın bizler sabit akım veya sabit bir gerilim değeri elde etmek isteriz. Bunun için D yani doluluk oranını aldığımız geri besleme bilgisine göre sürekli değiştirmemiz gerekmektedir.
Ben hem sabit akım hem de sabit gerilim için ilgili kontrol mekanizmalarını PSIM’de aşağıdaki şekilde kurdum. Ve simülasyonlarından da görüleceği üzere (şekle tıklarsanız büyür) istediğim değerlerin hiç değişmediğini gördüm.Elbette burada siz PI kontrol yerine istediğiniz başka kontrol yöntemlerini kullanabilirsiniz. Ayrıca piyasada bu işlemi yapan bir çok entegre de bulabilirsiniz.

2) Boost ConverterYukarıda şekli görülebilecek, genel olarak gerilim yükseltmek yani step-up olarak kullanılan boost çeviriciler özellikle led sürücü devrelerinde oldukça fazla kullanılmaktadır. Boost converter için kullanılacak formüller (continuous mode için) ise aşağıda görülebilir.Biz boost converter örneği olarak Vi=5V Vo=12V @2A, anahtarlama frekansımızı 50kHz, akım ve gerilim ripple’larını 0.01 seçelim. Bu değerleri sağlayan D, L ve C’yi hesaplarsak;
D=1-(5/12)=0.583 olur ve buradan D=0.58,
L=5*0.58/50k*0.01 buradan L=5.83mH ve
C=2*0.58/50k*0.01 buradan C=2.32mF olur.
Bu değerlere teorik olarak devremize uygularsak, aşağıdaki şekilde görüleceği üzere, devrenin oldukça sağlıklı çalıştığı görülebilmektedir.Buck converter’da olduğu gibi boost convertor’da da geri besleme almak, akım ya da gerilimi kontrol etmek çok önemlidir. Boost eviricinin endüktans, diyot ya da çıkış gerilimi üzerinden geri besleme alarak kontrol etmek mümkündür. Ben PSIM’de bunu endüktans üzerindeki ortalama akımı kontrol ederek sağladım. Ufak bir hesaplama ile çıkış gücü giriş gücüne eşit dersek;
Po=12*2=24W ve Po=Pi dersek,
Pi=5*Iav’dan 24/5=Iav olur ve buradan Iav=4.8A çıkar.
Böylelikle endüktansın üzerindeki ortalama akım 4.8A olmasını sağlayan kontrol devresini tasarlarsak aşağıda göreceğiniz PSIM devresine ulaşırız.Yine şekilde görüleceği üzere PI kontrolün yerine istediğiniz başka kontrol yöntemlerin ide kullanabilirsiniz. Buck eviricilerde olduğu gibi boost için de bir çok entegrenin piyasada bulunabileceğini de ayrıca hatırlatmak isterim.
Başlangıç için bilgilendirici olabilecek yukarıdaki denemelerin PSIM simülasyonlarına buradan ulaşabilirsiniz. Herkese iyi çalışmalar dilemeden önce güç elektroniği konusunda çalışma yaparken güvenlik önlemlerine azami şekilde dikkat edilmesini öneririm.

{lang: 'tr'}

Mikroelektronik-I Tasarım Projesi

FxDev — Sat, 06 Feb 2010 22:35:10 +0000

Bu sene Mutlu Boztepe tarafından verilen Mikroelektronik-I dersi kapsamı içinde bizden dersin de konularını içeren, 220Vrms/50Hz şebeke geriliminden 12V/1A regüleli DC besleme üreten devre tasarımın yapılması istendi. Proje tasarımı için bizden istenenler şöyleydi;
• L317, LM7812 gibi hiç bir hazır regülasyon parçası kullanılmayacaktır.
• Ripple gerilimi 0.1V’tu aşmamalıdır, bunu filtrelemek için kondansatör kullanılmayacaktır.
• Zener, transistör gibi ısınan parçaların sıcaklığı 40 dereceyi aşmamalıdır.
• Transformatör hazır olarak verilecek ve çıkış gerilimi 0 ile 24Vrms AC olacaktır.
• Giriş gerilimi %10 azaltıldığında da devre regülasyonu sağlamalıdır. Bunun için giriş gerilim seviyesi 198V’ta indirilecek ve devre test edilecektir.

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.

{lang: 'tr'}