0-60V 20A LM2576-ADJ Güç Kaynağı Devresi

0-60V 20A ayarlanabilir güç kaynağı, yüksek akım isteyen laboratuvar denemeleri, akü şarj testleri ve DC motor sürücü çalışmaları için hazırlanmış anahtarlamalı bir kaynak yapısıdır. Şemada LM2576-ADJ kontrol hattı, LM358 hata yükselteçleri, UCC37322 gate sürücüsü, IRFP250N MOSFET ve ACS712 akım algılama bölümü birlikte kullanılıyor.

60V Güç Kaynağı Devresinin Genel Yapısı

Devre, klasik lineer laboratuvar güç kaynaklarından farklı olarak çıkış gücünü anahtarlamalı bir yapı üzerinden kontrol eder.

Bu nedenle 20A gibi yüksek akımlarda lineer regülatörde oluşacak büyük ısı kaybı azaltılır.

60V ve 20A birlikte düşünüldüğünde çıkış gücü 1200W seviyesine yaklaşır; bu yüzden güç katı, soğutma, bobin, diyot, MOSFET ve PCB yolları devrenin başarısını doğrudan belirler.

LM2576-ADJ burada tek başına 20A akım veren bir regülatör gibi değerlendirilmemelidir.

Entegrenin görevi, harici güç katını kontrol eden PWM yapısının parçası olmaktır.

Yük akımı IRFP250N MOSFET, çıkış bobini, hızlı diyot ve çıkış kondansatörleri üzerinden taşınır.

Benzer uygulamalarda LM2576 ve LM2575 çıkış gücünü yükseltme da aynı mantığın daha düşük güçlü örnekleri için incelenebilir.

Şemadaki Ana Bloklar

Kontrol Beslemesi

IC1 7815 regülatörü, kontrol kısmı için 15V hattı üretir. C1, C2, C3, C4, C5, C6 ve C7 kondansatörleri bu hattın giriş ve çıkışını filtreler.

HL1 LED göstergesi, 15V kontrol beslemesinin varlığını izlemek için kullanılır.

IC4 7805 regülatörü ise +5V hattını üretir. Bu hat özellikle OP1 LM358 bölümü, referans ayar noktaları ve ACS712 akım sensörü tarafında önemlidir.

5V hattındaki gürültü, akım sınırlama ve voltaj kontrolünün kararlılığını etkileyebileceği için C12, C13 ve benzeri filtre kondansatörleri devrede kritik görev taşır.

LM2576-ADJ ve PWM Kontrol Hattı

IC2 LM2576-ADJ, devrenin ana kontrol bölümünde yer alır. Çıkış gerilimi ve akım sınırı, LM358 opamp katlarından gelen geri besleme ile ayarlanır.

LM2576 çıkışından alınan anahtarlama sinyali, R5 üzerinden UCC37322 gate sürücü entegresine aktarılır.

Bu bölümün doğru çalışması için LM2576 geri besleme hattındaki dirençler, diyotlar ve opamp çıkışları doğru bağlanmalıdır.

D1 ve D2 1N4148 diyotları geri besleme sinyallerini birbirinden ayırarak voltaj ve akım kontrol döngülerinin aynı kontrol noktasına müdahale etmesini sağlar.

Gate Sürücü ve İzolasyon Trafosu

IC3 UCC37322, MOSFET kapısını hızlı şarj ve deşarj edebilmek için kullanılan güçlü bir gate sürücüdür.

Yüksek akımlı anahtarlamalı güç katlarında MOSFET gate’i yavaş sürülürse anahtarlama kayıpları artar ve MOSFET gereksiz yere ısınır.

Tr1 sürücü trafosu, gate sinyalini MOSFET tarafına aktarır. Şemada 15:35 oranı verilmiş.

Bu oran, kullanılan MOSFET’in gate gerilimi ihtiyacına ve sürücü devresinin çıkışına göre seçilmiştir.

D3 ve D4 1N5355B zener diyotları MOSFET gate hattındaki aşırı gerilimleri sınırlamak için kullanılır.

Gate koruması eksik veya hatalı olursa MOSFET sağlam görünse bile kısa sürede arızalanabilir.

Güç Anahtarlama Katı

T2 IRFP250N MOSFET, güç anahtarlama elemanıdır. +U2 giriş hattından gelen yüksek akım bu MOSFET üzerinden bobin ve çıkış katına aktarılır.

L1 olarak gösterilen 200uH 20A çıkış bobini, anahtarlanan enerjiyi yüke düzgün şekilde aktaran temel elemandır.

D5 MBR40460PT hızlı diyotu, MOSFET kesime geçtiğinde bobin akımının devam edebilmesi için serbest dönüş yolu sağlar.

Bu diyot sıradan doğrultma diyodu ile değiştirilemez; ters toparlanma süresi ve akım kapasitesi yüksek frekanslı güç katı için uygun olmalıdır.

C14 ve C15 giriş tarafındaki ani akım taleplerini karşılar. C16 ve C17 ise çıkış dalgalanmasını azaltır.

Bu kondansatörlerin düşük ESR yapıda seçilmesi, özellikle yüksek akımda çıkış kararlılığı açısından önemlidir.

Gerilim ve Akım Ayarı

OP1.1 ve OP1.2 LM358 opamp katları, çıkış gerilimi ve akım sınırlama kontrolünü yapar. Şemadaki R12, R13 veya varyanta göre R11/R12 potansiyometreleri çıkış voltajı ve akım limitini ayarlamak için kullanılır.

Yıldızlı gösterilen R19, R20 gibi dirençler ise çıkış gerilim aralığını ve sensör ölçeklemesini etkileyen değerlerdir.

ACS712 akım sensörü, çıkıştan geçen akımı izler. Seçilen ACS712 modül 5A, 20A veya 30A olması ölçüm aralığını değiştirir.

Bu nedenle akım ayar bölümündeki direnç ve potansiyometre değerleri, kullanılan sensör modeline göre tekrar kontrol edilmelidir.

Okunabilen Ana Komponentler ve Görevleri

Devrenin Çalışma Mantığı

Devrede +U2 IN hattı güç girişidir. Bu hat, MOSFET ve bobin üzerinden çıkışa enerji aktarır. +U1 ve +U3 hatları ise kontrol ve yardımcı besleme tarafını temsil eder. Güç ve kontrol beslemesinin ayrılması, yüksek akım anahtarlama darbelerinin opamp ve referans hatlarını bozmasını azaltır.

Kullanıcı voltaj potansiyometresi ile istenen çıkış gerilimini belirler. Çıkıştan alınan geri besleme LM358 tarafından referans gerilimi ile karşılaştırılır.

Çıkış gerilimi ayarlanan değere ulaştığında kontrol döngüsü LM2576 tarafındaki PWM oranını azaltır.

Çıkış gerilimi düşerse PWM oranı artırılır ve MOSFET daha fazla enerji aktarır.

Akım sınırlama da benzer şekilde çalışır. ACS712 çıkış akımını algılar ve LM358’in ilgili kanalına bilgi verir.

Yük akımı ayarlanan sınırı aşarsa kontrol devresi çıkış gerilimini düşürerek akımı sınırlamaya çalışır.

Bu nedenle devre hem ayarlı gerilim kaynağı hem de akım sınırlamalı laboratuvar kaynağı gibi davranır.

10A ve 20A Şema Varyantları

Verilen görsellerde 10A ve 20A olarak işaretlenmiş iki yakın varyant bulunuyor. Temel yapı aynıdır: LM2576-ADJ kontrol bölümü, UCC37322 gate sürücüsü, IRFP250N MOSFET, 200uH bobin, MBR40460PT diyot ve ACS712 akım algılama hattı kullanılır.

20A seviyesinde farkı belirleyen yalnızca şemadaki kontrol devresi değildir. MOSFET’in soğutulması, bobinin doyuma girmemesi, diyodun yeterli akım ve gerilim dayanımına sahip olması, çıkış kondansatörlerinin dalgalanma akımı ve PCB yollarının taşıma kapasitesi aynı derecede önemlidir.

Baskı devre üzerinde güç yolları ince bırakılırsa devre teorik olarak çalışsa bile yüksek akımda ısınma, voltaj düşümü ve kararsızlık oluşur.

Güç Katında Kritik Noktalar

• MOSFET soğutması: IRFP250N yüksek akım taşısa bile anahtarlama ve iletim kayıpları nedeniyle güçlü bir soğutucu ister.
• Bobin seçimi: 200uH bobin 20A akımda doyuma girmemelidir. Doyuma giren bobin MOSFET ve diyotu hızla zorlar.
• Diyot seçimi: MBR40460PT gibi hızlı ve yüksek akımlı diyot kullanılmalıdır. Yavaş diyot yüksek frekansta ciddi kayıp oluşturur.
• Kondansatör ESR değeri: Çıkış kondansatörleri yüksek ripple akımına dayanmalıdır.
• PCB yolları: 20A akım için yollar geniş tutulmalı, gerekirse kalay veya bakır tel ile güçlendirilmelidir.
• Gate sürüşü: UCC37322 yerine muadil kullanılacaksa hızlı ve yeterli çıkış akımı verebilen MOSFET sürücü seçilmelidir.

Yüksek akımlı anahtarlamalı kaynaklarda genel çalışma mantığını anlamak için anahtarlamalı güç kaynakları konusundaki temel bilgiler de devrenin okunmasını kolaylaştırır.

Giriş Beslemesi ve Tam SMPS Varyantı

Büyük şemada yalnızca DC-DC regülatör bölümü değil, şebeke girişinden izole güç üretimine kadar daha geniş bir yapı görülüyor.

230V AC giriş, sigorta, EMI filtre, köprü doğrultucu, yüksek gerilim kondansatörleri, TL494 kontrol entegresi, TC4420 sürücüleri, IRFP460 MOSFET’ler ve ETD49 transformatör bu ön güç kaynağı kısmının elemanlarıdır.

Bu bölüm, çıkış regülatörüne uygun yüksek güçlü DC besleme üretmek için kullanılır. Ancak şebeke tarafı, DC-DC modüle göre çok daha tehlikelidir.

Primer kondansatörlerde enerji kalabilir, izolasyon hatası doğrudan kullanıcı güvenliğini etkiler ve yanlış bağlantı hem devreye hem ölçü aletlerine zarar verebilir.

Şebeke girişli bölüm yapılacaksa izolasyon trafosu, uygun sigorta, NTC, EMI filtre, topraklama, creepage mesafeleri ve ilk çalıştırmada seri ampul veya akım sınırlamalı test düzeni ihmal edilmemelidir.

Sadece düşük gerilimli DC-DC bölümle deneme yapılacaksa +U2 girişine uygun güçlü ve izole bir DC kaynak bağlanmalıdır.

Ayar ve İlk Çalıştırma Önerileri

Devre ilk kez çalıştırılırken doğrudan yüksek akım yük bağlamak doğru değildir. Önce kontrol beslemeleri ölçülmeli, 15V ve 5V hatlarının kararlı olduğu görülmelidir.

Ardından MOSFET gate sinyali osiloskopla kontrol edilmelidir. Gate sinyali bozuk, aşırı dar veya zener sınırını aşan darbeler içeriyorsa güç katı bağlanmadan sorun çözülmelidir.

İlk test için düşük giriş gerilimi ve akım sınırlamalı laboratuvar kaynağı kullanılabilir. Çıkışa önce düşük güçlü direnç veya otomobil ampulü gibi kontrollü yük bağlanmalıdır.

Voltaj potansiyometresi en düşük konumdan yavaşça artırılmalı, çıkış geriliminin düzgün yükseldiği görülmelidir.

Akım sınırlama ayarı için çıkış kısa devreye alınmadan önce seri dirençli veya elektronik yükle test yapılması daha güvenlidir.

Akım limiti çalışıyorsa çıkış gerilimi düşer ve akım belirlenen değerde sınırlanır. Bu noktada ACS712 sensörünün tipi ve geri besleme dirençleri mutlaka kontrol edilmelidir.

Sık Yapılan Hatalar

Kullanım Alanları

Bu devre, yüksek akım isteyen deneylerde klasik 0-30V küçük laboratuvar kaynaklarından daha geniş bir çalışma alanı sunar.

DC motor sürücü testleri, güçlü LED modülleri, akü şarj denemeleri, inverter ön testleri ve yüksek güçlü elektronik yük çalışmaları için kullanılabilir.

Daha düşük güçlü alternatifler veya farklı tasarımlar için laboratuvar güç kaynağı projeleri içinde benzer devre yapıları karşılaştırılabilir.

Yine de 60V ve 20A değerleri her yük için güvenli kabul edilmemelidir. Bu güç seviyesinde kablo kesiti, klemens kalitesi, soğutucu yüzeyi ve sigorta seçimi devre şeması kadar önemlidir.

Çıkışa bağlanan cihaz arızalıysa güç kaynağı da zarar görebilir; bu nedenle ilk testlerde düşük akım limitiyle başlanmalıdır.

Teknik Özet

Güvenlik Notları

Devrenin düşük gerilimli DC-DC kısmı bile yüksek akım nedeniyle dikkat ister. 20A akımda gevşek bağlantı, ince kablo veya zayıf klemens kısa sürede ısınabilir.

Çıkış kısa devresi sırasında akım sınırlama çalışsa bile MOSFET, bobin ve diyot üzerinde ani zorlanmalar oluşur.

Şebeke girişli SMPS varyantı deneyimli kişiler için uygundur. 230V AC ve doğrultulmuş yüksek DC gerilim ölümcül olabilir.

Primer kondansatörler enerji tutar, osiloskop ölçümleri izolasyonsuz yapılırsa cihaz ve kullanıcı için risk doğar.

İlk testlerde seri ampul, izolasyon trafosu, uygun sigorta ve tek elle çalışma gibi temel güvenlik kuralları uygulanmalıdır.

Kaynak: microsmart.eu/index.php?topic=44.1485 (kapalı)