Trafosuz güç kaynakları ise yukarıda sayılan anahtarlamalı ve klasik trafolu sistemlere özellikle düşük güç tüketen yapılarda alternatif bir çözüm olarak sunulabilir. Trafosuz güç kaynağının projenizde kullanılabilmesi için öncelikle düşük güç tüketiminin olması ve sistemin şebekeden izole edilme zorunluluğunun olmaması gerekir.

Trafosuz güç kaynağı tasarlarken sistemin 5V 100mA çekeceğini ve 0.5V ripple gerilime toleranslı olduğu varsayımında bulunalım. Bu güç miktarını karşılayacak trafosuz güç kaynağı tasarımı için iki yöntem vardır, bunlar; kapasitif ve resistif trafosuz güç kaynağı.

1) Kapasitif Trafosuz Güç Kaynağı

Kapasitif trafosuz güç kaynağı temel olarak yukarıdaki devre şemasındaki C1 kapasitesine dayanır. Kapasiteler frekansla direnç değeri değişen elemanlar olarak görülebilir. Formülü aşağıdaki gibidir.
Dolayısı ile Iin akımı aşağıdaki gibi bulunabilir.Yukarıdaki formül irdelendiğinde Xc1′in yanında R1 direnci çok küçük kalacağından devrede kullanılmayabilir. Ayrıca C1 kapasitesinin üzerinden sürekli akım geçeceğinden ESR’si düşük kapasite seçmek kapasitenin hem ısınmasını azaltmak hem de ömrünü uzun tutmak için önemlidir. Ayrıca zener diyodun gücü ise Pzener=Vzener*Iin ile bulunabilir. Frekans düşük olduğundan D2 yavaş bir diyot seçilebilir. Çıkıştaki C2′nin boyutu ise çıkışta istenen Vripple değerine göre belirlenir. Tasarımımızda Iout=100mA, Vripple=0.5V olduğundan C=VdV/dt formülü işletilir. dt=10ms olacağından C değeri 2000uF çıkacaktır. Ayrıca çıkış gerilimi Vout=Vzener-Vd2 şeklinde olacağından zener olarak 5.6V’luk zener kullanmamız bu tasarım için uygun olacaktır. Ayrıca giriş akımı çıkış akımından mutlaka büyük alınmalıdır.

Vin=220Vrms, 50Hz
C1=2uF
R1=0Ω
Vzener=5.6V
Iin=200mA
C2=2000uF seçildiğinde PSIM programında alınan sonuç aşağıdaki gibi olmaktadır.2) Rezistif Trafosuz Güç Kaynağı

Rezistif trafosuz güç kaynağını temel olarak kapasitif trafosuz güç kaynağına benzer. Yalnız bu tasarımda kapasite yerine büyük değerli direnç kullanılır. Kapasitif tasarıma göre bu tasarımın dezavantajı bu direnç olarak görülebilir. Aşağıdaki hesaplamalardan da göreceğiniz üzere bu direnç oldukça büyük değerdedir ve üzerinden geçen akım ile mukayese edildiğinde üzerinde harcanması gereken güç oldukça fazla çıkmaktadır. Piyasada ise yüksek güçlü direnç bulmak sıkıntılı olabileceğinden özellikle güç değerleri yükseldiğinde bu tasarım metodu kullanılamaz.Tasarımda önemli rolü oynayan R1 yukarıdaki formülle hesaplanabilir. Burada unutulmaması gereken konu birinci bölümde de belirtildiği gibi giriş akım değerinin, çıkış akımından mutlaka yüksek olması gerektiğidir. Bu tasarımda da zener, D2 ve C2 değerleri yine birinci bölümdeki gibi hesaplanabilir.

Vin=220Vrms, 50Hz
R1=760Ω
Vzener=5.6V
Iin=200mA
C2=2000uF seçildiğinde PSIM programında alınan sonuç aşağıdaki gibi olmaktadır.

Dikkat!!
Yukarıda verilen devreler şebekeden izole değildir. Dolayısı ile bu tür devreleri tasarlarken oldukça fazla dikkat etmeli, ürün haline getiriyorsanız kullanıcının devreye teması mutlaka engellenmelidir.

Denemeler sırasında çıkabilecek herhangi bir kazadan FxDev.org sorumlu değildir.

Herkese çalışmalarında başarılar dilerim.

Kaynaklar
*Transformerless Power Supplies: Resistive and Capacitive – Microchip

Son 6 yıldır taşınabilir bilgisayar kullanan biri olarak gerek bilgisayarımda gerekse çevre birimlerinde yaptığım değişiklikleri ve aldığım sonucu sizlerle paylaşmak istiyorum.

1) Seagate 500Gb Momentus XT

Bilgisayarımın özelliklerinden daha önceki yazımda bahsetmiştim. Son dönemlerde yeni programlara karşı tepkisi yavaşlayıp yeni bir harici disk ihtiyacım da doğunca Seagate’in hibrit harddiskini alma kararı verdim.

Harddiskte son dönemin boyutu az fakat hızı oldukça fazla olan katı hal diskleri ile boyutu büyük ve geleneksel harddisklerin bir karışımı bizlere sunuluyor. Disk 4Gb NAND bellek, 32Mb ön tampon belleği yanında okumada 102Mb/s, yazma da ise 98Mb/s hızlarına sahip. 4Gb NAND belleğe dışarıdan erişilemiyor. Bunun yerine Seagate geliştirdiği algoritma ile programların çok sık eriştiği küçük dosyaları bu bölüme alarak özellikle büyük programların daha hızlı açılması sağlanıyor.Deneyim açısından ise 5400rpm eski diskime nazaran özellikle sistem açılışının hissedilir derecede hızlandığını gördüm. Ses olarak ise diğer harddisk ile arasında bir fark hissetmedim. Eski harddiskim Windows 7 puanlamasında 5.6 alırken bu harddisk 5.9 almayı başarıyor. Sonuç olarak ürünü SSD boyut/fiyat oranlarını yüksek bulan fakat hız ihtiyacı olan herkese, özellikle de taşınabilir bilgisayar sahiplerine rahatlıkla önerebilirim.

2) LG Flatron E2360V
İlk bilgisayarımı edindiğimden beri 15″, 15.6″ gibi hep küçük ekranlara mahkum kaldım diyebilirim. Özellikle bir kaç yerde büyük monitörlerle çalışma fırsatı bulduktan sonra benim için de büyük bir ekran alma vaktinin geldiğini anladım. Fakat monitör alırken karşılaştığım en büyük sorun istediğim gibi bir monitörün Türkiye’de bulunamamasıydı. Bir diğer sorun ise bir çok tüketicinin Led Tv ile Led Monitör arasındaki farkı bilmemesiydi. Tüm bu sorunları atlattıktan sonra ise LG’nin E2360 model monitöründe karar kıldım.Büyük monitörlerde bence artık olması vazgeçilmez olan HDMI bağlantısı maalesef Türkiye’de bulunan çoğu monitörde yok. HDMI istememin nedeni ise büyük bir monitörde VGA ile istenen kalitenin alınamaması. Bunu zaten monitörü ilk aldığımda VGA ve HDMI bağlantıları ayrı ayrı test ederek de onayladım. Monitörün özelliklerine geçecek olursam; 1920×1080 Full HD, led aydınlatma, HDMI, DVI-D, VGA gibi bir çok bağlantı çeşidinin bulunması, 5ms tepki süresi, 30W altında güç tüketimi, 1cm’den küçük monitör kalınlığı ve HDMI kullanıcıları için harici ses çıkışı.Monitör almak isteyen arkadaşların, alacakları monitörü gerçekte bir kez görmelerini isterim. Çünkü çoğu monitörün beyaz ton ayarı birbirinden farklı ve özellikle yan görüş açısı yine çoğu monitörde değişiyor. Bu monitörde ise her iki özellik de oldukça iyi. 23″ ise bence monitör için iyi bir sınır. Çünkü 23″‘ten büyük monitörlerde özellikle çözünürlük de artınca yazı yazmak büyük bir eziyet haline gelebiliyor. Son olarak ise bir elektronikçi olarak HDMI kablosu olarak altın kaplamanın bir işe yarayıp yaramadığı konusunda açıklama yapmam gerekirse; HDMI verileri dijital olarak ilettiğinden altın kaplama olmuş, bakır ya da alüminyum olmuş görüntünün kalitesi açısından hiç bir şey fark etmiyor. Onun için altın kaplama pazarlama tekniğine kanıp paranızı boşa harcamayın.

3) Logitech K360 Kablosuz Klavye ve M325 Kablosuz Fare
LG monitörü aldıktan sonra ortaya bir sorun çıktı; taşınabilir bilgisayarımı sanki masaüstü bir bilgisayarın kasası gibi kullandığımdan, yazı yazmak istediğimde bilgisayara ya uzanmam ya da monitörün önüne çekmem gerekiyordu. Bu da kullanım açısından sıkıntı yaratıyordu. Daha öncesinde elimde A4Tech kablolu mini klavye mevcutsa da bu sefer de masanın üstü kablo karmaşasına neden oluyordu. İlk bilgisayarımı aldığımdan beri hep A4Tech klavye farelerini kullansam da kablo bağlantısından asla vazgeçmedim. Bunun nedeni sürekli pil değiştirmek istemeyişimdi. Ayrıca eski tip kablosuz çözümlerin büyük alıcıları, hem fare hem de klavye için ayrı ayrı alıcı istemeleri zaten az olan USB sayımın da azalmasına neden olacaktı. Bu sorunuma çözüm ise Logitech’in Unifying alıcısından geldi. Alıcı bir çok kablosuz Logitech ürününü tek bir noktadan haberleşmemizi sağlayan bir teknoloji. Özellikle alıcının çok küçük olması bunu bilgisayarımıza takıp unutmamız için tasarlanmış.Öncelikle Logitech K360 klavyesinden bahsedecek olursam; standart bir klavyenin home/delete/page up gibi tuşlarının bulunduğu bölümü atıp numerik bölümün yaklaştırılmasıyla oluşturulmuş küçük bir klavye. Özellikle tuşların dışa doğru çıkık olması bir çok klavyenin kaderi olan kıl/tüy/toz/çekirdek kabuğu gibi cisimlerin tuşlar arasına kaçmasını ve temizliğin daha kolay yapılmasını sağlıyor. Tuşların basımı ise oldukça iyi bir his uyandırıyor. Ses açma kapama gibi tuşların direkt olarak üst tarafa konulması ise iyi düşünülmüş. İki kalem pil ile çalışan klavyeye ise kullanıma göre değişmekle birlikte 3 yıl pil ömrü sunuluyor. Kendi deneyimlerimden klavyenin oyun oynarken bazı tuş kombinasyonlarında sorun çıkardığını gördüm. Bunun yanında Logitech’in özel yazılımı ile FN ile kullanılabilen özel tuşları isteğinize göre ayarlayabiliyorsunuz ve bu tuşları program olmayan herhangi bir bilgisayarda yine aynı özellikte kullanabiliyorsunuz. Bu oldukça güzel bir özellik.Son bahsedeceğim ürün ise Logitech’in M325 faresi. Optik özellikli farede artık standartlaşmaya başlayan ve gözü rahatsız eden kırmızı lazer yerine gözle görülür alandan uzak dalgaboyunda çalışan ışık kullanılıyor ve bir çok farenin çalışmadığı özellikle pürüzsüz alanlarda başarılı bir şekilde çalışıyor. Farenin tekerleği ise daha önce kullanmadığım türden. Kaydırmalı olarak adlandırabileceğim bu farenin tekerleği oldukça hassas. Logitech bu konunun üzerinde durmuş olacak ki özellikle çıkardıkları harici programlar ile bu tekerleğin ivmesine göre sayfaların geçiş hızları ayarlanabiliyor. Yine tekerleği sağa ve sola doğru ittiğinizde iki tıklama şansına sahip oluyorsunuz. Varsayılan ayarında ileri ve geri olarak ayarlanan bu tıklamaları özel program ile istediğiniz özelliğe atayabiliyorsunuz. Farenin boyutu ise orta denebilecek düzeyde ve benim gibi büyük farelerden hoşlanmayanlar için ideal. Tek bir pille çalışan farede ortalama bir kullanımda 18 ay pil ömrü sunuluyor. Hem fare hem de klavye bunu bir süre kullanılmadığında kendini uyku moduna alarak sağlıyor. Yalnız bu konuda klavye çok hızlı bir biçimde uykudan uyanırken fareyi uykudan uyandırmak için bir çalar saat kullanmanız gerekiyor; yaklaşık 2-3 saniyede uyanıyor.

Bu küçük rahatsızlıklara rağmen hem klavye hem de fare oldukça başarılı. Özellikle fareyi ilk elime aldığımda bugüne kadar fare kullanmamışım dedirtti bana. Her iki üründe neden iyi klavye ve farenin fiyatının yüksek olduğunu daha plastik kalitesinden gösteriyor. Bir diğer açıdan bakıldığında ise ergonomiye önem verenler ve uzun süre bu donanımlar ile çalışanlar için ucuz çin mallarına yönelmektense biraz kesenin ağzını açıp bu ürünleri almak daha mantıklı.

Herkese çalışmalarında başarılar dilerim.

Bu bölümde güneş pillerinin olmazsa olması maksimum güç noktasından, bu noktanın neden önemli olduğundan ve popüler maksimum hüç izleme algoritmalarından bahsedeceğiz.

Maksimum Güç Noktası ve Takip Algoritmaları

Güneş pilleri her ne kadar çevreye duyarlı bir enerji üretim türü olsa da verimsel açıdan bakıldığında oldukça geride kalmaktadırlar. Günümüzde çoğu güneş panelinin gücü ışınım üzerinden verilir. Örnek için piyasa taraması yapıldığında 100Wp güce sahip çoğu güneş panelinin boyutları genellikle 125cmx54cm olarak verilir ki bu da 0.67 metrekare yapar. Eğer bu panel %100 verimle çalışsaydı bize 1000W*0.67=670W enerji üretmesi gerekirdi. Panelin bu koşulda 100W ürettiği göz önüne alındığında %15 gibi bir verim ortaya çıkar ki bu değer fosil temelli enerji kaynaklarına baktığımızda oldukça düşük kalmaktadır.Güneş pillerinin düşük verimlerinden dolayı, birinci bölümde de ele aldığımız, yukarıdaki güç/gerilim ilişkisine bakıldığında, sıcaklık ve ışınım gibi etmenlerin etkisiyle değişen maksimum güç noktası sürekli takip edilmelidir. Böylelikle güneş panelinden sürekli maksimum güç çekimi sağlanıp, verimin daha da düşmesi engellenebilir.

Maksimum güç noktası algoritmalarını uygulamak için en çok uygulanan proje ise batarya şarj devreleridir. Batarya şarj uygulamalarında ise genellikle buck ya da buck-boost tipi çeviriciler kullanılmakla birlikte gücün yükseldiği uygulamalarda farklı topolojiler de seçilebilmektedir. Biz algoritma anlatımımızda genel devre şeması buck tipi olan maksimum güç izleyicisi tasarladığımızı varsayabiliriz.Günümüzde farklı koşullar altında, oldukça fazla maksimum güç takibi algoritması geliştirilmiş olsa da biz bunlardan en çok kullanılan 4 yönteme değineceğiz.

1) Short-Current Pulse Method: Bu metotta çok kısa bir an PV panelin çıkış uçları kısa devre yapılır ve bu akım değeri ölçülür. Ölçülen akıma göre buck tipi çeviricinin çalışma oranı belirli bir sabit ile çarpılarak belirlenir. Bu sabit deneysel bir ölçüm sonucu bulunur ve güç sınıfına göre değişkenlik gösterir.

Bu algoritma her ne kadar ışınım değişimine karşı iyi bir sonuç verse de sıcaklık değişimine iyi bir tepki veremez. Ayrıca kısa devrenin tekrarlanma anlarında fazla akımlar çekileceğinden özellikle tel kesitlerinin büyük olması gerekecektir. Yine pulse süresi kadar (tam kısa devre anında akımın ölçülme süresi) enerji kullanılamadığından bu mettotta verim düşecektir.

2) Open Voltage Method:Bu metotta ise 1. metodun tam tersi olarak panel çıkış uçları açık dere edilir ve panel gerilimi ölçülür. Ölçülen gerilim yine deneysel olarak hesaplanan bir katsayı ile çarpılarak buck çeviricinin çalışma oranı belirlenir.

Bu mettota da ana sistem pulse süresi kadar enerji üretemeyeceğinden verim düşümü yaşanacaktır.

3) Perturbation and Observation Method: Oldukça fazla projede kullanılan bu algoritmada 3 adımda gerilim/güç grafiğindeki tepe noktaya ulaşılmaya çalışılır. Öncelikle açık devre geriliminden duty değeri yavaşça arttırılır. Önceki güç değeri, yeni güç değerinden küçük ise duty oranı tepe noktası yakalanıncaya kadar arttırılır. Tepe noktasından sonra ise yeni duty oranındaki güç değerindeki, öncekinden küçük olacağından duty değeri azaltılır. Sonrasında ise maksimum güç noktasında 3 adımlı bir salınım yapılmaya başlar.Bu metot oldukça basit ve hızlı bir çözüm sunsa da özellikle gölgeleme durumundan oluşan yerel maksimum ve global maksimum noktaları arasındaki farkı ayırt edememekte, çoğu uygulamada ise global tepeyi bulamamaktadır. Yine tepe noktasında oluşan salınım MPPT takip kaybı yaratmakta ve verimsizliğe yol açmaktadır. Bu yüzden P&O algoritmasını tepe nokta civarında salınım yaptığını sezip, bu noktada adım sayısını kısaltarak optimize eden P&O algoritmaları da bulunmaktadır.4) Incremental Conductance Method: Yine bir çok uygulamada karşımıza çıkan IC metodun özü aşağıdaki formüle dayanmaktadır.Basitçe formül maksimum güç noktası ararken güç/gerilim grafiğinin eğiminin sıfır olduğu noktayı arar. Bu ilişki ilkokulda bir fonksiyonun maksimum veya minimum değerini bulurken türev alıp sıfıra eşitlemek ile benzerdir. Yalnız bu algoritma da bölme işlemleri kullanıldığından özellikle düşük seviye işlemcilerde hız problemleri yaratabilmektedir. Ayrıca IC metodu da yerel ve global maksimum güç noktası bulmada yine P&O gibi sorun yaşayabilmektedir.Sonuç:
Maksimum güç noktasında verimlilik ve hız ele alındığında yukarıdaki algoritmalardan en iyisi olarak P&O metodu görülmektedir. Her ne kadar global maksimum güç noktası bulunmasında gerek P&B gerekse IC metotları gölgeleme anlarında sorunlu da olsa, özellikle düşük işlem kapasitesine sahip mikroişlemcili uygulamalarında P&O metodu iyi bir tercih sebebi olabilmektedir.

Gelecek bölümde yukarıda anlattığım P&O metodu ile maksimum güç uygulaması konusuna değineceğim.
Herkese çalışmalarında başarılar dilerim.

Kaynaklar
*Energy Comparison of Seven MPPT Techniques for PV Systems – A. DOLARA, R. FARANDA, S. LEVA

Güneş enerjisi ile çalışan sistemler oldukça fazla olmakla birlikte (su ısıtıcıları gibi) biz konuya elektrik bağlamında bakmaya çalışacağız.

Güneş enerjisi ile elektrik üretimi aslında fotovoltaik etki‘nin bir sonucudur. Bazı kaynaklarda fotovoltaik sistemler olarak adlandırılmasına yol açan kuramın geliştiricisi de, bu etkinin açıklamasını yapan Einstein’dır.

Kuramı kısaca anlatmak gerekirse, 1900′lerin başlarında ışığın hem dalga hem de parçacık olduğu konusu daha yeni yeni yaygınlaşırken bilim adamları ışık düşürülen bazı maddelerden elektronların koptuğunu, fakat elektron kopan maddelerin kütlelerinde herhangi bir değişiklik oluşmadığını gözlemlemişlerdir. Bunun üzerine çalışan Einstein ışığın foton adı verilen enerji paketlerinden oluştuğunu ve yeterli enerjiye sahip enerji paketçiklerinin de atomdan elektron kopardığını farketmiş ve bu buluşu nedeniyle nobel ödülüne layık görülmüştür.

Her ne kadar Einstein’ın E=mc²’si ünlü olsa da, nobel ödülünü bu kuramdan almaması ilginç karşılanabilir.

Einstein’ın önerdiği formül ise aşağıda görülebilir.

Burada E, ışığın enerjisi iken, v ise frekansıdır. v ışık frekansı ise (c ışık hızı)/(dalga boyu)’na eşittir. Basitleştirirsek;

Yukarıdaki formülü kullanarak neden morötesi ışının kızılötesi ışıktan tehlikeli olduğunu bulabiliriz. Morötesi ışığın dalga boyu 10nm iken, kızılötesi ışığın dalga boyu 10000nm’dir. Buradan morötesi ışığın enerjisi 124eV iken, kızılötesi ışığın enerjisi 0.124eV olur. Yüksek enerjili partiküller hücre yapısı bozacağından morötesi ışık insan sağlığı için tehlikelidir.Güneş paneli hücrelerinin yapısı yukarıdaki gibidir. Alt tabakada P, üst tabakada ise N yapıda yarı iletken malzeme bulunur. Bu yapı elektronik araçlarda sıkça kullandığımız diyot yapısının aynıdır. Normal diyotlarda bulunan eşik gerilimi burada da aynı mantıkla işler; güneş enerjisi elektronları eşik gerilim seviyesinin üstüne yükseltir ve serbest halde elektronlar meydana gelir, bu meydana gelen elektronlar ise elektrik akımına dönüşerek sistemin bir pil gibi çalışmasını sağlar. Dolayısıyla sistem teoride ne kadar fazla güneş enerjisi alırsa o kadar fazla akım üretecektir. Bu sağda görülen grafikte de görülebilmektedir.

Sistem bir PN junction olduğundan bir diyot gibi modellenebilir. Güneş ışığı akısını temsil etmek için bir akım kaynağı, güneş pili PN junction alanını temsil etmek için ise bir diyot kullanılır. Hücreleri birbirine bağlamak için kullanılan kontak direnci ile, yarı iletken malzemenin kayıplarını temsil eden direnç de eklendiğinde fotovoltaik hücrenin son modeli aşağıdaki gibi olacaktır.Bu modelde Ipv ile Vpv arasındaki ilişki aşağıdaki formülle belirtilebilir.Formülde IL aşık akımı, Is saturasyon akımı, n diyot kalite faktörü, Rs seri direnç ve Rp paralel direnç değeri bilinirse herhangi bir sıcaklık için fotovoltaik panelin elektriksel çalışma karakteristiği elde edilebilir.

Modern güneş pillerinde Rs kontak direnci 0.3Ω’dan küçük, Rp ise 300Ω’dan büyüktür. Formülde bunları ihmal ettiğimizde aşağıdaki gibi sade bir formüle ulaşırız.Sade formülü kullanarak Ipv ve Vpv bir arada çizildiğinde fotovoltaik panelin akım/gerilim grafiğine ulaşmış oluruz.Akım/gerilim grafiğinden yola çıkarak ise güç/gerilim grafiği ise aşağıdaki gibi olacaktır.
Görüldüğü gibi güç/gerilim grafiğinin bir tepe noktası bulunmaktadır. Güneş panelleri her ne kadar çevreci de olsa verimleri oldukça düşüktür. Silisyum tabanlı çoğu fotovoltaik pilin maksimum verimleri %20′leri aşamamaktadır. Dolayısı ile bir fotovoltaik sistem tasarlanırken güç gerilim eğrisindeki bu tepe noktası civarında çalışılması, verimin önemli olduğu uygulamalarda kritik rol oynamaktadır. Bunun için ise bir çok maksimum güç noktası takip algoritması geliştirilmiştir.

Piyasada çoğu satıcı ürününün iyi olduğunu göstermek için sattığı güneş pilinin gerilim seviyesini açık devre gerilimi, akım değerini ise kısa devre üzerinden vermektedir. Bu da özellikle bu işe ilk başlayan kişiler için handikap oluşturmaktadır. Onun için güneş pili alırken söylenen değerlerin altında kalınacağından emin olarak sisteminizi tasarlayınız.

Güneş pillerinin seri-paralel dirençleri ve sıcaklık etkisi yüzünden maksimum güç noktası akım gerilim değerleri ile, kısa devre akımı ve açık devre gerilimi arasında aşağıdaki grafikte de görüleceği üzere bir fark vardır. Bu yüzden güneş pili üreticileri dolgu faksötü (fill factor) denen bir tanım geliştirmişlerdir. Bir güneş pilinde dolgu faktörü maksimum gücün, güneş panelinin açık devre gerilimi ve kısa devre akımı ile çarpımının bölümüne eşittir. Dolgu faktörü modern güneş pillerinde 0.75 ile 1 arasındadır. İdeal bir güneş pilinde bu oran 1′dir.Fotovoltaik hücrenin özelliklerini anlattığım bu bölümü sonlandırırken, yazı dizisinin ikinci bölümde maksimum güç noktası takip yöntemleri konusuna değineceğim.

Herkese çalışmalarında başarılar dilerim.

Kaynaklar
*Yenilenebilir Enerjiler Ders Notları – Mutlu BOZTEPE
*Power Electronics Handbook 3rd Edition – Muhammed H. Rashid

Projeye başlamadan önce ilk soracağımız soru neden 2 adet LM317 kullanıyoruz olabilir. İnterneti araştırırsanız oldukça fazla güç kaynağı projesi görebilirsiniz. Fakat çoğu projede regülatörler bilinçsizce paralel bağlandığından yüksek akım çekimlerinde önce zayıf olan regülatör sonrasında ise diğer regülatörler yanmaktadır. Kısa devre koruması da yoksa belirli bir süre sonra girişte kullandığımız 50Hz trafo dahi zarar görmektedir. Bunu önlemek için ise yapılacak en akıllı iş çıkış yükü ne olursa olsun regülatörlere eşit akım paylaştırmaktır.

Peki regülatörler neden paralel bağlandıklarında akımları eşit paylaşmazlar?
Günümüzde çoğu gelişmiş lineer regülatör denenirse paralel çalıştığı gözlemlenebilir. Ama hem ısıl, hem de üretimden kaynaklanan farklar nedeniyle regülatörlerden farklı akımlar çekilmeye başlanacaktır.

Bir diğer sorun ise çoğu lineer regülatörün baş belası çıkışın kısa devre olmasıdır. Lineer regülatörler aslında akım kontrollü direnç gibi çalışırlar. Yani girişimiz 12V, çıkışımız ise 5V iken yükümüz 1A çekiyorsa direnç değeri 7Ω, 2A çekiyorken direnç değeri 3.5Ω olur. Elbette lineer regülatörler bir direnç değildir ama modellenirken bu şekilde gösterilebilirler. Ayrıca bu açıklama, neden lineer regülatörlerin akımları arttıkça ısıl değerlerinin lineer olarak arttığını gösterir. Bu yüzden devremizde 2,5A kısa devre korumasını da ekleyeceğiz.

Tasarım Aşaması

Güç kaynağı tasarımımız herkesin tanıyacağı, güç elektroniğinin vazgeçilmezi ile başlıyoruz: Transformatör. Özellikle yeni başlayanlar için elektronikçiye gittiğinizde, satıcıya 50Hz, 220V/24V ve 24×2,5V=60W’lık trafo istediğinizi belirtiniz. Çoğu ilk başlayan kişi gibi sadece gerilim oranlarının söylenmesi trafo belirlemede yeterli değildir. O yüzden internet ortamında yüzlerce soru “trafom niye yandı” üzerinedir.

Burada özellikle yeni başlayan arkadaşların kafasına takılan büyük bir soru vardır; bir trafo var 90kg çekiyor 100W, bir trafo var 250gr 200W, peki bu nasıl oluyor? İşin bu kısmını düşünmek istemeyenler için en basitinden frekans farkından dolayı böyle olduğunu söyleyip, diğer detayları sizlere bırakıyorum.

Trafoyu edindikten sonra 24V AC çıkışın DC’ye çevrilmesi gerekmektedir. Bu yüzden girişte köprü diyot kullanılmalıdır. Çıkışta 2,5A çekileceğinden köprü diyotun 3A ve üzeri bir değer seçilmesi gerekmektedir. Sinüs sinyalini tam dalga doğrulttuktan sonra gerilimin DC’ye dönüşmesi açısından köprü diyot çıkışlarına büyük çapta kapasiteler konur. İstenen gerilim ripple değerine göre de çıkış kapasiteleri belirlenir. Formülü aşağıdaki gibidir.

Burada dV=2V olsun, çıkış akımımız I=2,5A, f=50Hz tam dalga doğrultmada dt=10ms için C=12.5mF çıkar. 3300uF kapasitör değerinden 4 adet taktığımızı varsayıp işlemimize devam edelim.

Kutuplu kapasitörler uzun süre kullanımlarda deformasyona uğrayıp değerlerini yavaşça yitirmektedirler. Bu yüzden giriş kapasite bloğunun büyük seçilmesi sizin avantajınıza olacaktır.

Bundan sonraki asıl amacımız ise LM317 regülatörlerine akımları eşit paylaştırmaktır. Bunun için ben bir LM317 ile çıkış gerilim seviyesini ayarlayacak ve daha sonra LM317′lerin üzerlerinden geçecek akımları karşılaştırarak diğer paralel LM317′nin çıkışını dolayısı ile akımını kontrol edeceğim.LM317′nin genel devresi yukarıdaki gibidir ve R1, R2 dirençleri ayarlanarak çıkış gerilimi istenen değere ayarlanır. LM317′nin datasheetinde verilen formül aşağıdaki gibidir.

Yukarıda Iadj ihmal edilirse 12V çıkış için R1=120Ω, R2=1032Ω seçilebilir. Elbette piyasada 1032Ω bulunamaz fakat 1k+33Ω takılarak bu değer elde edilebilir.

Şimdi de akımları eşit paylaştırmak için akım ölçümü ve opamp kullanarak aşağıdaki devreyi gerçekleştirelim.Devreyi kısaca açıklayacak olursak; şönt dirençler üzerindeki gerilimleri eşitlemek isteyen opamp, çıkışta buna göre gerilim üretecek ve üstteki LM317′nin gerilimini dolayısı ile çıkış akımını ayarlayarak iki regülatörden de eşit akım geçmesini sağlayacaktır. Yani o bölümün beyni bir nevi opamptır. Unutulmamalıdır ki opamplar + ve – girişlerindeki gerilimleri sürekli birbirine eşit tutmaya çalışırlar. Böylelikle LM317′ler eşit derecede yükleri üzerlerine alırlar ve regülatörler, üzerlerine yükü eşit almayan regülatörlü devreye göre daha az ısınırlar.

Son kısım ise çıkış kısa devre korumasıdır. İnternette oldukça fazla metot olmasına karşın bana en kolay geleni her zaman mosfetle ana devrenin gerilimini kısmak olmuştur. Bunun için öncelikle regülatör çıkışlarındaki gerilimimizin 12V’ta sabit olduğunu varsayalım. Daha sonra çıkışa bir şönt direnç takarak üzerindeki gerilimi yine bir opampla sabitlemeye çalışalım.Ben yukarıda 0.1Ω şönt direnç üzerine düşen gerilim ile, 12V’tu böldüğüm iki direncin ortasından aldığım akım referans girişini karşılaştırdım. Karşılaştırılan gerilimler ile mosfet sayesinde akımı istediğim seviyede sınırladım. 12V gerilim ile direnç bölümlerinin sonucunda orta uçta 0.25V elde ettim. Şönt direnç üzerinden 2.5A geçtiğinde şönt direnç üzerinde oluşacak gerilim ise 0.25V’tur. 2,5A üzerinde ise opamp devreye girerek yavaş yavaş çıkış gerilimini kısmaya başlar ve çıkış kısa devre yapıldığında opamp mosfeti tamamen açarak regülatörleri korur. Bu kısımda görülen 470Ω ya da 10Ω çok turlu bir potla değiştirilerek akım sınırı ayarlı olabilmektedir. Referans gerilim bölücü dirençlerinin 470 ve 10Ω seçilmesinin nedeni çıkış açık devre yapıldığında minimum yük akımının sağlanması içindir. Bu akım datasheette 10mA olarak verilmiştir.

Devreyi yapacak arkadaşlar için şönt dirençlerin mutlaka watt’lı direnç olmaları, mosfetin ve regülatörlerin mutlaka soğutucuya bağlanması gerektiğini söylemek isterim. Ayrıca çıkışta büyük bir gerilim oynaması gözlemleniyorsa, çıkışa büyük değerde bir kapasite atmalarını öneririm. Başlangıçta kapasiteler boş olduğundan devrenin ilk enerjilendirilmesinde fazla akım çekimleri görülebilir. Bu yüzden girişte gerekli önlemler alınabilir. Ayrıca yine girişe koruma amaçlı cam sigorta takılabilir.

Devrenin tam çalışır halini aşağıda görebilirsiniz. Resmin üzerine tıklarsanız şema büyüyecektir.
Tüm sorularınızı yorum kısmında sorabilirsiniz.
Herkese çalışmalarında başarılar dilerim.

Dip Not: Bu proje Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Mikroelektronik 1 Dönem Projesidir.

İşlemcilerin çalışma gerilimleri günümüzde standart haldedir; 5V, 3.3V, 1.2V. Bu koşullar altında işlemcinin çektiği akım dikkat edilmesi gereken en önemli birimdir. Bunu, güç tüketiminin az olması istenen, taşınabilir cihaz gibi uygulamalar yapan kişiler çok iyi bilirler, çünkü bir cihazın aynı enerji ile uzun süre çalışabilmesi oldukça önemlidir. Ben ise bu konuya farklı bir açıdan bakmak istiyorum.

Genellikle yaptığım uygulamalarda işlemcinin çektiği güç, asıl yapılan işin yanında yok denecek kadar azdır. Bunun için özellikle 10A ve üstü işlemler yaparken işlemcinin çektiği akım ihmal edilebilir.

Yine böyle bir uygulamada Microchip’in dsPIC serisinden bir işlemci kullanmam gerekti. Yaklaşık 10MIPS’te çalıştırdığım işlemci hafif denebilecek bir ısıya sahipti. Bu beni rahatsız etmiyordu. İşlemlerimin karmaşıklığı arttıkça işlem hızına ihtiyaç duydum ve hızı iki kat arttırarak 20MIPS’e çıkardım. Tam bu anda işlemcinin aşırı denebilecek, elimi üzerinde tutamayacağım kadar ısındığını gördüm. İlk şüphelendiğim şey bir kısa devre olduğuydu. Elbette ne yaptıysam sorunu gideremedim. İşlemciyi değiştirdim, sorun yine aynıydı. Derken çoğumuzun bakmadığı bir alan olan datasheet’in “Electrical Characteristics” bölümünü incelemek istedim.Yukarıda işlemcinin güç tüketim tabloları görülebilir. Yukarıdaki tabloda kırmızı ve yeşil ile işaretli alana bakarsak hız farkından sonra oluşan ısınmanın neden kaynaklandığı çok rahat görülebilir. Sadece 2 kat hız artışından sonra oluşan 0.3W’lık kayıp (işlemcinin toplam kaybı 0.7W oluyor) işlemciye dokunulamaz bir düzeye getirmeye yetiyor. Bu konuda Microchip gibi bir firmanın bu hata ya da kalitesizliği yapması açıkçası ilginç olmuş. Üstelik bu değerlerin tüm çevre birimleri kapalıyken, en iyi koşul için geçerli olduğunu da vurgulamak gerek. dsPIC gibi Microchip’in övündüğü işlemci serisinde bunu yapması açıkçası negatif bir özellik.

Bu söylemimin elbette dayandığı iyi bir dayanak var. Aşağıda, bulunduğumuz dönemde adından oldukça fazla söz ettiren 168MHz hızıyla STM32F407′nin frekansa göre çektiği akım tablosu görülebilir.Yukarıdaki tablodan da görüldüğü üzere 168MHz gibi bir hızda, özellikle tüm çevre birimleri açıkken çektiği akım 86.8mA olarak verilmiş. Bu da 3.3V ile çalışan bir işlemci için 0.28W kayıp yapar ve bu, özellikle yukarıda bahsettiğimiz dsPIC ve buna benzer işlemciler karşısında ARM’ı bir adım öner çıkarır.

Sonuç olarak bu ve bunun gibi bir çok örnek gösteriyor ki ARM’lar, hem güç tüketimlerinin azlığı hem de hızlarıyla geleceğin mikrodenetleyici mimarisini olacaklarını şimdiden garantilediler.

Herkese çalışmalarında başarılar dilerim.

Yalnız biz kullanıcıları ve özellikle ticaret ile uğraşanları rahatsız eden ve elbette her güzel programın sahip olduğu “ücret ve lisans” söz konusu olduğunda MATLAB de bu engele takılmaktadır. Her ne kadar yüksek bir ücretlendirmeye sahip olmasa da (öğrenciler için Aralık 2011 itibariyle MATLAB 89$ + Toolbox başına 29$) bazı işlemlerde (grafik çizim, matrissel işlemler) sahip olduğu üstünlük onu kullanmamızı zorunlu kılar. Peki MATLAB dışında, ona benzer programlar yok mudur diye soracak olduğunuzda ise aklıma Excel’den başka program gelmemektedir ve ne yazık ki o da ücretlidir.

İşte tam bu anda yardımımıza SpeQ Mathematics isimli program koşacaktır. Program bence boyutu itibari ile gayet başarılı işler çıkarmaktadır. MATLAB’ın en çok kullandığımız özelliği olan .m file şeklinde özel dosya yaratma, yapılan işlemleri kaydetme, değişkenlere atama yapma ve bunları daha sonra kullanma gibi standart uygulamaların altından SpeQ oldukça başarılı şekilde kalkmaktadır. Bunun yanında basit anlamda grafik çiziminin de başarılı bir başka özelliği olduğunu söylemem gerek.

Daha öncede belirttiğim gibi SpeQ gigabyte büyüklüğündeki abisi MATLAB’e göre biraz küçük bir boyutta: 746kByte. Buradan veya buradan indirebileceğiniz programın arayüzü ise aşağıdaki gibi ve oldukça sade.
MATLAB kullanıcıların en büyük şikayetlerinden biri de ilk açılış süresinin oldukça fazla vakit almasıdır. SpeQ‘in açılış süresi ise bilgisayarınızdaki hesap makinesini açmaktan farksızdır. Bu yönüyle ben çoğu işimde Windows’un kendi hesap makinesini kullanmak yerine SpeQ‘i tercih ediyorum. SpeQ ile yaptığım küçük bir hesaplamayı aşağıdaki fotoğraftan görebilirsiniz. Farkedeceğiniz üzere yazım tekniği MATLAB ile neredeyse aynı.

SpeQ’in bir diğer güzelliği ise fonksiyonlarının az olmasından kaynaklanan yardım ara birimidir. “Functions” bölmesinde istediğiniz fonksiyonu aratabilir ya da çift tık ile istediğiniz fonksiyonu çalışma alanına ekleyebilirsiniz. Çizim konusunda ise temel bir kullanım veren SpeQ bu konuda çoğu kişiyi tatmin etmeyebilir. Yalnız çizim üzerinde değişikliklerin hızlı yapılabilmesi SpeQ için bir artı. Aşağıda 1k direnç ve 1000uF kapasitörün 10V ile dolum ve boşalım eğrilerini görebilirsiniz.

Yukarıdaki çizime ait fonksiyon yazımını aşağıdan kopyala/yapıştır ile çalışma alanına atıp F5 tuşuna basmanız yeterlidir.

closeall;

R=1000;		'Direnç Degeri'
C=1000e-6;	'Kapasitör De?eri'
to=R*C;		'Zaman sabiti'
V=10;		'Gerilim'

f1(x)=10-10*e^-(x/to)	'Kapasitör dolum fonksiyonu'
	Function f1(x) is defined
f2(x)=10*e^-(x/to)		'Kapasitör bosalim fonksiyonu'
	Function f2(x) is defined
Plot(f1(x),f2(x))		'Grafik çizdiriliyor'
	Plot done
'Grafik üzerindeki özellikler ayarlanıyor'
yMax=20;
yMin=-2.5;
xMax=10;
xMin=-1.5;
xLabel="Time";
yLabel="Voltage";

Sonuç olarak yukarıda bahsettiğim türden işlemler için oldukça güzel ve ücretsiz olan programın eksikleri olmakla beraber (matrissel işlemler gibi) eklenecek bir kaç özellikle, el altında sıklıkla tercih edilecek başarılı bir program olacağını söylemek sanırım yanlış olmaz.

Programın diğer ek özelliklerini keşfetmeyi size bırakarak herkese çalışmalarında başarılar dilerim.

Simülasyon Dünyasından Gerçek Dünyaya

Mikrodenetleyicilerle ilk kez uygulama yapacak kişilerin klişe sorusudur; yaptığım ölçüm devresi simülasyon ortamında mükemmel çalışırken gerçekte çalışmıyor, nedeni nedir? Elbetteki simülasyon ortamında çalışan devre gerçek ortamda çalışırken sorunlarla karşılacaktır, çünkü simülasyon ortamında tüm elemanlar ideal, tüm zamanlar keskindir. Oluşan sinyal teorik olduğundan kesin ve nettir.
Gerçek ortamda ise şebeke, kullanıyorsak SMPS’ler, cihazımızın yanında çalışan büyük motorlar ve bir çok etmen sinyalimizi bozar, istemediğimiz ölçümler almamıza neden olurlar. Bu tür etkileri azaltmanın yegane yolu ise filtrelemedir.

Smoothing Filters

Yukarıda saydığımız etkileri yok etmenin en kolay yolunun filtre kullanmak olduğunu söylemiştik. Filtreleme’de uygulanan yöntem ise ölçülmek istenen sinyal dışındaki bileşenlerin bastırılmasına dayanmaktadır. Örneğin DC gerilim seviyesinde bir sinyal ölçecek ve şebekenin bu sinyali bozmasını istemiyorsak alçak geçiren bir filtre tasarlar, köşe frekansını ise 50Hz’den düşük noktada seçerek şebekenin ölçmek istediğimiz sinyale çok fazla müdahalede bulunmasını engelleriz. Bunun gibi ölçüm yapmak istediğimiz değerlere göre low, high, band pass gibi bir çok filtre kullanarak ölçümümüzü hatasız yapmaya çalışırız.

Filteleme yaparken ise önümüzde iki yol vardır; analog ve dijital filtreleme. Analog filtrelemede LCR ve bazı durumlarda opamp kullanılarak istenmeyen frekansların bastırılması sağlanır. Eleman değerlerinin sıcaklığa göre değişkenlik göstermesi, özellikle kapasitörün ESR direnç etkisi, ömrünün az olması gibi etmenlerden oldukça fazla sorunla baş etmemizi gerekmektedir. Sisteme artı bir maliyet yüklese de yüksek güçlerde analog filtrelemeden kurtulmak mümkün değildir.

Dijital filtreleme de ise özellikle günümüzde hızları artan mikrodenetleyiciler ve ADC’ler ile daha çok ön plana çıkmaktadırlar. Özellikle ses işlemlerinde çok kullanılan dijital filtreleme, zamanla değişkenlik göstermemesi, sisteme artı bir maliyet getirmemesi gibi avantajlara sahipse de işlem gücü kaybı getirisi göz önünde alınmalıdır.

Uygulamasız Olmaz Diyenlere..

Yumuşatma ile ilgili uygulamaların çoğunun Low-Pass yani alçak geçiren bir filtre yapısında olduğunu söylemek sanırım yanlış olmaz. Günümüzde oldukça fazla yumuşatma algoritması mevcut olsa da (Additive, Savitzky–Golay, Ramer–Douglas–Peucker, Moving, Kalman..) ben bunların içinden mikrodenetleyiciye daha hızlı uyarlanması açısından üç tanesini seçtim; moving, laplace, triangular. FIR filtre yapısında olan bu algoritmaları kısaca belirtmek gerekirse;

1) Moving Averager: Moving averager yani hareketli ortalama belirli sayıda örneği alıp, basit bir FIFO yapısıyla filtrenin boyutuna göre ortalama almaktadır. Özellikle borsada çok fazla kullanılan filtrenin matematiksel ifadesini boyutu 3 olmak üzere aşağıda görebilirsiniz.

2) Laplace Averager: Hareketli ortalamadan farklı olarak Laplave Averager filtre yapısını bir FIFO tarzında kullanmaz. Örneğin filtre boyutu 10 olan bir laplace ortalama filtresi, öncelikle ilk 10 datayı toplar ve bunu 10′a bölerek ilk filtrelenmiş elemanı elde eder. Daha sonraki 10 örnek bekleme anında ise önceki filtrelenmiş değer sabit kalır. Bu bize gerçek sinyali takip etmeme gibi zorluk çıkarsa da basitlik açısından diğerlerinden avantajlıdır.

3) Triangular Averager: Üçgensel ortalama da ise aynen hareketli ortalamadaki FIFO mantığı kullanılır. Yalnız hareketli ortalamadan farklı olarak üçgensel ortalamada ölçülen değerler filtre boyutuna göre üçgen form oluşturacak katsayılar ile çarpılır ve bu katsayıların toplamına bölünür. Aşağıda 5 boyutlu üçgensel filtre için matematiksel ifade gözükmektedir.

Yukarıdaki üç filtrenin başarısı, filtre boyutu ile orantılı işlem süresi kısalığı ve küçük filtre boyutunda iyi bir filtreleme işlemi gerçekleştirmesine bağlıdır.
Örnek olarak sistemimizde okumak istediğimiz sinyal 1,5V offsetli 3Vpp genliğe sahip 50Hz sinüs sinyali olsun. Bu sinyalin üstüne ise random gürültü bindirelim.
Uygulamada 32-128 ve 2048 olmak üzere 3 filtre boyutu seçelim ve tüm filtrelerde aynı boyutları kullanalım. Kırmızılar ölçmek istediğimiz sinyali, maviler ise filtre çıkışlarını göstermektedir.

a) 32 Birim Uzunluğunda Filtre Sonuçları

b) 128 Birim Uzunluğunda Filtre Sonuçları

c) 2048 Birim Uzunluğunda Filtre Sonuçları

Sonuç Olarak..

Filtre boyutu ve gürültü bastırma oranları göz önüne alındığında triangle averager’ın diğerlerine nazaran daha iyi bir iş çıkardığı yukarıdaki resimlerden gözlemlenebilir. Filtre boyutu büyüdükçe hem moving hem de triangle averager çıkışları, ölçmek istediğimiz sinyale yaklaşmaktadır. Laplace averager ise boyut büyüdükçe basamaklı bir yapı haline gelmekte ve bizim okumak istediğimiz sinyalden uzaklaşmaktadır. Her filre filtrenin boyutu kadar sisteme bir faz farkı da eklemektedir. Gerçek ortamda sistem tasarlanırken bu faz farkının sistemi etkileyip etkilemediği incelenmeli ve buna göre filtre tasarlanmalıdır. Yaptığım uygulama ile ilgili MATLAB dosyalarını buradan indirebilirsiniz.

Herkese çalışmalarında başarılar dilerim..

Dip Not: Dijital filtre tasarlarken öncelikle sistemi z-domain’ine aktarıp, orada katsayılar bulunduktan sonra sistemin frekans cevabına bakılmalıdır. Ayrıca hangi frekansın ne kadar bastırıldığını incelemek için sinyal FFT ile açılmalı ve frekans bileşenleri ayrı ayrı incelenmelidir. Ben burada pratik açıdan sistemi incelediğim için tüm bunları göz ardı ettim.

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..