Elektronik / Güç Elektroniği/

LM2576 Step-Down Convertor İncelemesi

Sponsorlu Bağlantılar

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.

LM2576_ic_Yapi

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.

lm2576-5v-Test-Devresi

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 görebilirsiniz.

Bobin

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.

dc-Simulasyon

Peki gerçek devrede neler oldu şimdi ona bakalım.

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.

lm2576-5v-devre

Yaptığım testler sonucu elde edilen verileri aşağıdaki tabloda görebilirsiniz.

dcdc-Test-Sonuclari

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.

  • F.Erdem

    Güzel çalışma olmuş FxDev, eline sağlık. Kendi güç kaynağımızı yapalım diye hep isteriz, bunun gibi kolay kullanımı olan bir SMPS ile işe girişilebilir. İyi çalışmalar.

  • emrah

    Çalışmalarınızı hep takip ediyorum bu da diger çalışmalarınız kadar güzel ve anlaşılır. PC ile güç kaynağı tasarımınızı beklemekteyim. Kolay gelsin.

  • Hakan K.

    Paylaşımınız için çok teşekkür ederim benim merak ettiğim Mr değerinin nasıl bulunduğunu öğrenmek istiyorum. Bendeki formülle doğru sonucu alamıyorum bana yardımcı olabirseniz çok memnun olurum.
    Mr=L/(Mo*N^2)
    L=127uH
    N=43 Tur
    Mo=4*pi*10^-7

    Olduğunda sonuç Mr=0.05468 çıkıyor, siz daha farklı bulmuşsunuz.

    Aynı şekilde Full Bridge topolojide Primer endüktansını bulmak için kullandığım formülde bana doğru sonucu vermiyor (L=V*t/I). Böyle düşünmemin sebebi elimdeki numune inverter kaynak makinesi güç trafosu primeri 330uH.
    Bu Trafonun Frekansı=100Khz Ton=5us Gücü=4.5Kw ve primer rms akımı 4.5Kw/300Vdc den yaklaşık 20A formüle göre endüktansın değeri L=300*5*10^-6/20 ise L=75uH olması gerekiyor. Ama çalışan numunede 330uH fark çok büyük, burdaki 2 sorumda yaklaşım sizce nasıl olmalıdır. Beni aydınlatırsanız çok memnun kalacağım. Çalışmalarınızda her daim başarılar dilerim.

  • FxDev

    @Hakan K: Öncelikle ilk formülünüzde kesit alanı yok. O yüzden Mr o kadar düşük çıkıyor. mm^2 ile hesapladığınızda değerin ne kadar büyüyeceğini göreceksiniz. Asıl formül;

    L=N^2/(Lg/(A*Mo*Mr))

  • Hakan K.

    İlginize teşekkür ederim sayenizde kesit alan gibi büyük bir detayı atladığımı fark ettim. Bir adet EE20 nüveye 30 tur sardım 1.2mH okudum formülde yerine yazdığımda sonuç 1.8*10^10 çıktı. Acaba e tipi nüveler için başka bir detaymı var.
    Önceki sorumda 4.5kW 20 A minimum giriş voltajı içindi onu belirtmemişim Vacmin=160V Vacmax=260V yani maximum 20A olduğundan 20A demiştim.

    Hocam yeri gelmişken anlayamadığım bir konuda L=V*t/I formülündeki “I” testere şeklindeki primer akımının tepe değerimi yoksa etkin RMS değerimi temsil ediyor. Şayet tepe değerini temsil ediyorsa RMS değeri tepe değerine göre nasıl hesaplanır, RMS i temsil ediyorsa tepe değeri Rms değerine göre nasıl hesaplanır.

    Hocam hakkınızı helal edin size bu kadar soru sordum ama inşallah sizi sıkmamışımdır. ilgime alaka gösterdiğiniz için teşekkür ederim.

  • FxDev

    EE20 core tam ortasındaki kesit alanı söyleyebilir misin?

  • Hakan K.

    Kataloğunda 33.5mm^2 yazıyor ben elimdeki numuneyi kumpasla ölçtüm 5.68*5.60=31.8mm^2 çıkıyor ben katolog değerini kullandım 33.5mm^2

    Mr=N^2/(A*Mo*L)
    N=30 Tur
    Mo=4*pi*10^-7
    L=1.2 mH

    Mr=1.78248883*10^10 çıkıyor…

  • FxDev

    Eğer gerçekten 1.2mH çıkıyorsa ilginç bir nüveymiş diyorum.

  • Hakan K.

    Merhaba Fırat hocam yukarıda bahsi geçen nüve 0.3T da doyuma ulaşmayacağını nasıl kestiriyorsunuz. Benim elimde üzerinde hiç birşey yazmayan nüveler var bunların hangi akı yoğunluğunda doyucağını nasıl anlayabilirim bir hesabı ve/veya ölçümü varmıdır hocam. Beni aydınlatırsanız memnun olurum.

  • FxDev

    B-H eğrileri oluyor nüvelerin bunlara bakman gerekiyor hangi değerde doyacağını kestirmen için. Elbette başka ölçüm metotları vardır fakat ben bu kadar derinlemesine incelemediğim için nüveleri bilemiyorum.

  • Hakan K.

    Cevabınız için teşekkür ederim, bu arada kurban bayramınızı kutlarım. Yukarıda “1/2LI^2=1/2B^2*V/(Mo*Mr)’den B=0.3T için 20A buldum.” demişsiniz, ben “V” nin nerenin gerilimi olduğunu anlayamadım, çünkü 20A birtürlü bulamadım, 20A nasıl bulduğunuzu ifade ederseniz çok memnun olurum. Hörmetler.

  • FxDev

    Yazıyı yazalı uzun süre olduğu için o kısmı atlamışım. V:Volume yani hacim anlamına geliyor.

  • Hakan K.

    Yani hocam V kac aldınız veya neye göre belirliyorsunuz.

  • FxDev

    Yukarıda yazmışım toroidin ölçülerini. 2cm çap, 0.5x1cm kesit alanı.

  • Hakan K.

    Fırat Hocam peki Mr*Mo bize M yi veriyor, eğer kullandığımız nüvede hava boşluğu yoksa havanın geçirgenliğini yani Mo’ ı (4*pi*10^-7) işleme katmalımıyız, yoksa hava aralığı olsun olmasın Mo hep kullanılacakmı. Örneğin ben nüve olarak bir çift EE nüve kullandığımda hava aralığı olarak orta göbeğe hava aralığı için kağıt koyuyorum, kağıt koyduğumda hava aralığı oluyor bu durumda benim Mo işleme almam doğal, ama iki EE nüveyi kağıt koymadan birbirine yapıştırsam yinede Mo işleme almalımıyım.

  • FxDev

    Evet almalısın. Zaten mantıken düşünürsen normal Mr=2500 civarıyken Mo oldukça düşük bir değer. Mo’da formülde kullanılacak. Formülün demek istediği aslında şu; nüvenin manyetik geçirgenliği havaya göre 2500 kat daha fazla.

  • Hakan K.

    Anladım hocam çok teşekkür ederim