Elektronik / Güç Elektroniği/

LM2576 Step-Down Convertor İncelemesi

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.

  1. F.Erdem 2013/05/18
  2. emrah 2013/05/18
  3. Hakan K. 2013/05/18
  4. FxDev 2013/05/18
  5. Hakan K. 2013/05/18
  6. FxDev 2013/05/18
  7. Hakan K. 2013/05/18
  8. FxDev 2013/05/18
  9. Hakan K. 2013/05/18
  10. FxDev 2013/05/18
  11. Hakan K. 2013/05/18
  12. FxDev 2013/05/18
  13. Hakan K. 2013/05/18
  14. FxDev 2013/05/18
  15. Hakan K. 2013/05/18
  16. FxDev 2013/05/18
  17. Hakan K. 2013/05/18

Yorum

Soru: