Elektronik Devreler Projeler Elektronik ve biraz daha fazlası İletişim - Araçlar - Dikkat - Topluluk
Elektronik / Güç Elektroniği/

Tasarım Projesi!

Sponsorlu Bağlantılar

Hobi elektronikle uğraşan çoğu kişinin çantasında bulunan iki adet lineer regülatörümüz olsun: LM317. Bir adet opampımız (LM318) ve bolca direnç, kapasitör vb. Sorumuz şu olsun; bu malzemeler elimizdeyken, çok para harcamadan, kısa devre korumasına sahip bir güç kaynağı tasarlayalım. Özellikle LM317’leri paralelleyerek akım çekme oranımızı arttıralım.

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.

I=C*dV/dt

dc-bridge

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-adj

LM317’nin genel devresi yukarıdaki gibidir ve R1, R2 dirençleri ayarlanarak çıkış gerilimi istenen değere ayarlanır. LM317’nin datasheetinde verilen formül aşağıdaki gibidir.

Vout=1.25(1+R2/R1)+Iadj

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.

Akim-Paylasimi

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.

Akim-Sinirlamasi

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.

regulator.projesi

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

  • Abdullah Kahraman

    Merhaba,

    Güzel anlatmışsınız.

    Bu projeyi gerçek hayata geçirdiniz mi? Projenin bu haliyle pratikte ne gibi sonuçlar doğuracağını merak ediyorum doğrusu. İlginç bir yazı konusu olabilir.

    Bu arada Q1 bir N-Channel MOSFET. Datasheet’e göre ise VGSth voltajı en az +2V olarak verilmiş. Yük üzerinde sürekli 12 V olacağını varsayarsak, Q1 i anahtarlamak için U1:B nin en az +14V çıkış voltajı üretmesi gerekir. LM358 in datasheet ine göre ise V+=+30V iken maksimum çıkış voltajının +27 V olduğunu ve çıkış akımı arttıkça bu değerin azaldığını görüyoruz. MOSFET’lerin gate bacağının kapasitif yük olduğunu unutmamak gerek. Yalnız bu uygulamada bir sorun yok, U1:B nin V+ geriliminin +24V olduğunu göstererek bunu kanıtlayabiliriz.

    Ancak yükden önceki anahtarlamalarda P-Channel MOSFET kullanımı daha uygun gözüküyor. Evet, kabul etmek gerekir ki P-Channel MOSFET ler, N-Channel MOSFET lere göre daha pahalı. Detaylı bilgi:

    [youtube]http://www.youtube.com/watch?v=IrB-FPcv1Dc[/youtube]
    http://www.youtube.com/watch?v=IrB-FPcv1Dc

    İyi çalışmalar.

  • FxDev

    @Abdullah Kahraman: Öncelikle ilginiz için teşekkür ederim. Devreyi gerçek hayatta denemedim yalnız regülatörlerin akım paylaşımı konusunda düşük akım seviyeleri hariç sorun çıkaracağını sanmıyorum. Mosfet kısmına gelecek olursanız ince bir nüansa değinmişsiniz. Çıkış gerilimi 2.5A iken şönt direnç üzerinde 250mV+12V gibi bir gerilim olacaktır. Buna düz 12V diyelim, opamp beslemesini girişten aldığım için bir sorun görmüyorum. Mosfetin tam kapanması için gerekli gerilimi opamp sağlayacaktır. O kısımda ayrıca mosfetin çok hızlı açılıp kapanmasına gerek olmadığından gate direncini de büyük tuttum ki opampın çıkışından verebileceği akım sınırı aşılmasın.

    Eğer devreyi gerçek hayatta deneyen olursa tecrübelerini benimle paylaşırsa sevinirim.

    Kolay gelsin.

  • Hakan K.

    Fırat hocam tebrik ederim orjinal bir çalışma yapmışsınız.
    Anlayamadığım olay dirençlerin şönt olarak kullanılmadan akımı nasıl sens ediliyor. 0.1R’den 100n kapasiteye şarj oduktan sonra ana koldaki akımın değişiminden kondansatör gerilimleri değişirmi?

  • FxDev

    @Hakan: 0.1R’ler orada şönt direnç olarak kullanılmıştır. 100nF’lar ise yüksek frekansta bileşenleri elemek için kullanılmıştır. Normalde kullanmayabilirsiniz de. Ana koldaki akımdan dolayı sadece regülatör giriş gerilimleri değişir yalnız bu değer tam yükte 250mV olacağından çok da önemli değil.

  • Hakan K.

    Hocam High-Side akım ölçümünü işaret ediyorsanız R1 ve R2 şöntleri ayrı ayrı op-amp ile ucları arasındaki farklar alınıp, tekrar mukayese işlemine tabi tutulması gerektiği yönünde bir mantık yürütüyorum, tabiki benimki düz bakış, amacım sizin burdaki bakış açınızı görebilmek. U1:A nasıl sens ediyor r1 ve r2 şönlerindeki gerilimi. Saygılar…

  • FxDev

    @Hakan: Aslında orada dolaylı yoldan akım ölçümü var. Nasıl mı?
    Girişten 30V verildiğini düşün, 1′er amper geçtiğini düşünürsen opamp iki uçtan da 29.9V ölçecektir. Diyelim o şönt dirençlerin birinden 2 diğerinden 1 geçsin. Bu sefer opampın bir girişinden 29.8V, diğerinden 29.9V ölçülecektir. Opamp bu şekilde girişindeki gerilimleri eşitlemek için işlem yürüterek akımların 1.5-1.5 ayrılmasını sağlayacaktır. Mantık bu.

  • berat

    Hocam dV ve dt nedir?

  • FxDev

    dV=Gerilim farkı
    dt=Zaman farkı

  • berat

    Hocam bu değerler (dv=2v ve dt=10ms) nasıl bulunuyor?

  • FxDev

    dv değeri senin köprü diyottan sonra elde ettiğin DC gerilim üzerindeki istediğin salınımdan ortaya çıkıyor.

    dt değeri ise şebeke frekansını tam dalga doğrulttuğunda tam dalga doğrultulmuş sinüs periyodundan ortaya çıkıyor. 50Hz sinüs’ü tam dalga doğrulttuğunda 100Hz tam dalga sinüs elde edersin, bunun da periyodu 10ms’dir.

  • muhammet

    şemalari çizmek için hangi programı kullanıyorsunuz? sanki bir simülasyon programı şematiği gibi geldi bana ama hangisi olduğunu anlayamadım. söyler misiniz?

  • cengiz zorgörmez

    pratikte lm358′in “rail to rail” op-amp olmaması nedeniyle bu devrede sorun çıkaracağını düşünüyorum. eğer giriş gerilimi beslemeye bu kadar yakın veya eşit olursa lm358 bu işaretleri işleyemiyor ve mantıksız davranmaya başlıyor. eğer lm358′in besleme gerlimini girişte oluşacak maksimum işaret seviyesinin 3 yolt kadar üzerinde tutarsanız sorun çözülecektir.

    iyi çalışmalar dilerim.