Anahtarlamalı (Switching) regülatörler lm311 ne555

Hazırlayan: İlker IŞLAK – Anahtarlamalı regülatörler hakkında detaylı bilgiler hesaplamalar ve ne555 lm311 uygulama devresi. Emeği geçen hazırlayan kişilere teşekkürler.

ANAHTARLAMALI( SWITCHING ) REGÜLATÖRLER

Günümüzde bir çok elektronik cihazın regülatör devresi incelendiğinde küçük bir ferit core üzerine sarılmış az bir spir ve çokaz bir yer kaplayan elektronik elemanlar görülecektir. Lineer regülatörlerin giriş gerilimini temin etmek için 220V şebeke geriliminin uygun bir transformatör ile sağlanması gerekmektedir. Oysa switching regulatörler şebeke gerilimini de kontrol edebileceği gibi uygun bir transformatörlede daha düşük seviyeli gerilimi kontrol edebilmektedir.

ANAHTARLAMA GÜÇ KAYNAĞI SİSTEMLERİ

Doğrusal seri-geçişli regülatörler, gerektiğinden daha yüksek olan bir giriş voltajını istenilen daha düşük bir voltaja çevirirler. Fazla enerji (kontrol elemanındaki voltaj düşümü çarpı içinden geçen akım) ısı olarak çıkar. Sonuç olarak tipik seri-geçişli regülatörlerin çevirme verimliliği (Pçıkış / Pgiriş) %50 veya daha azdır.

Diğer bir taraftan, anahtarlama regülatörlerin çevirme verimliliği %85 veya daha fazla olabilir. Böyle bir verimlilik, verilen çıkış gücünde, daha az ısı dağılımına ve küçük malzeme boyutlarına sebep olur. Diğer avantajları ise:

1- Daha geniş akım ve voltaj aralığında çalışma,
2- Kontrol elemanını anahtarlama modunda çalıştırma,
3- Giriş voltajının çıkış voltajından düşük olabilmesi ve
4- Çıkış voltajının giriş voltajına göre ters polaritede olabilmesidir.

ANAHTARLAMA GÜÇ KAYNAĞI ÇALIŞMA PRENSİPLERİ

Şekil 5-1, bir anahtarlama regülatörlü güç kaynağının blok şemasıdır. Görülebileceği gibi 3. kısımda anlattığımız doğrusal sistemlerle anahtarlama sistemler arasında birçok benzerlik vardır. Farklar, geçici enerji depolamak için kullanılan bir endüktörün işlevinde ve regülasyonu sağlamak için kontrol elemanının nasıl kontrol edildiğinde yatmaktadır.

Şekil1 Anahtarlama Güç Kaynağı Blok Şeması

Eğer AC kaynak kullanılırsa, regülatöre DC giriş voltajı sağlayan transformasyon, doğrultmaç ve filitreleme devreleri doğrusal güç kaynağındaki gibi anahtarlama güç kaynağında da aynı fonksiyonları yerine getirecektir. Eğer bir DC kaynak kullanılırsa, ripple için veya gürültü azaltmak için veya kararlılık için bir giriş filitresi gerekebilir.

Kontrol Elemanı İşlevi

Doğrusal sistemlerde regülasyon, kontrol elemanının direncinin değiştirilmesi ile başarılır. Anahtarlama sistemlerde, kontrol elemanını hızlıca açıp kapatarak ve AÇIK kalma ve KAPALI kalma sürelerinin oranını değiştirerek yapılır. Seri-geçişli kontrol elemanının aksine doğrusal bir çalışma durumu yoktur; kontrol elemanı ya tamamen AÇIK ya da tamamen KAPALIdır.

AÇIK kalma anahtarlama durumu, endüktörün geçici depo elemanına enerjiyi ani doldurmalarla “pompalar”. Anahtarlama KAPALI durumda iken, depolanmış enerji, gerektiğinde yükü beslemek için filitre kondansatörüne bir diyotla yönlendirilir. Örnekleme elemanı, refereans voltajı kaynağı ve hata yükseltici bir doğrusal kaynaktakine benzer bir tarzda çalışır. Ancak, hata yükseltecinin çıkışı farklı kullanılır.

Hata Yükseltici, Osilatör ve PWM

Anahtarlama regülatörü için yeni devreler: osilatör, darbe genliği modülatörü (PWM) ve geçici depolama elemanı bobinidir. Kontrol elemanı hala bir tranzistör veya FET’li güç tranzistörüdür, fakat bir anahtar olarak çalıştırılır. Şekil 5-2’de gösterildiği gibi PWM tarafından açılır ve kapanır.

Şekil2 Anahtarlama ve Kontrol Dalga şekilleri

Osilatör çıkış darbelerini sabit bir frekansta sağlar ve PWM çıkış darbeleri, osilatör darbelerinin toplam T peryodu ile karşılaştırıldığında değişken AÇIK süreleri vardır. PWM girişine gelen osilatör darbesi, PWM çıkış darbesine, kontrol elemanını AÇIK duruma getirmesini söyler.

Hata yükselteci voltaj seviyesi, PWM’e, çıkış darbesinin kontrol elemanını AÇIK durumda ne kadar tutacağını söyler. Böylece, hata yükselteci çıkışı PWM darbesinin genliğini kontrol eder, o da kontrol elemanının AÇIK süresini kontrol eder. Kontrol elemanını görev süreci (duty cycle) tAÇIK / T dir.

Bobin Etkisi – Enerji Depolama

Geçici depolama bobininin etkisi anlaşılmadıkça, anahtarlama regülatörü anlaşılamaz. Şekil 5-3a, yükü ifade eden direnç R ile seri bağlı olan bir bobin ve VIN voltajlı bir pile bağlı S1 anahtarını göstermektedir. İlk durum şöyledir: S1 açık, akım sıfır (I=0) ve yük üzerindeki voltaj sıfırdır (VR=0). L bobininin hiç direnci olmadığı varsayılmıştır.

Devrenin yanında gösterilen eğri, VR değerinin zamana karşı çizimidir. VR=IR ve R bir sabit olduğundan, çizim aynı zamanda devredeki herhangi bir zamandaki I değerini göstermektedir.

S1 göreceli uzun bir süre kapatıldığında, dikkat edin ki: VR = VIN ve I = VIN / R olmaktadır.S1’in kapatıldığı anda, devredeki akım VIN/R değerine çıkmaya çalışır, ancak bobin etkisi akım değişimine direnir. O bunu akım değişimine direnecek bir yönde, üzerinde bir VL karşı voltajı oluşturarak yapar. Karşı voltaj teknik olarak “karşı elektromotif güç” (CEMF) olarak tanımlanır (1. Kısımda jeneratörler ve transformatörlerde anlatılan “endüksiyon ile voltaj” ile aynıdır).

Akım değiştikçe, akım değişiminden dolayı bobinden uzayan manyetik değişkenlik, bobinin turlarını keser ve bobindeki karşı voltajı (VL) endükler. Bobinin üzerinde oluşan VL (veya CEMF) şu formül ile gösterilebilir: VL = L (delta I / delta t)Burada L= henri olarak endüktansı, delta I = amper olarak akım değişimi, delta t = saniye olarak akım değişiminin zaman peryodudur.

S1’in kapatıldığı anda, akım sıfırdan maksimuma değişmeye çalışmaktadır, bu durumda VL maksimumdur. Böylece, tüm giriş voltajı bobinin uçlarında gözükür VR = 0. Zaman geçtikçe, VR için gösterilen logaritmik bir eğride akım artar ve sonuçta VIN/R maksimum değerine ulaşır. Akım maksimuma ulaştığında, artık değişmez ve manyetik değişkenlik değişmesini durdurur, yani VL=0 olur.

Tüm giriş voltajı, VIN, R’nin üzerinde gözüktüğünden, VR maksimumdur. Sonuç olarak, bobinin etkisi bir akım değişimine direnmek ve üzerindeki akım ile oluşan manyetik alandaki enerjiyi saklamaktır. S1 açıldığında oluşan akım değişimine benzer bir direnme devam eden paragraflarda anlatılmaktadır.

Bobin Etkisi – Enerji Boşalması

Şekil 5-3b, Şekil 5-3a ile aynı deverdir, ancak D1 eklenmiştir. Diyotun amacı kısaca anlatılacaktır: Devredeki akım maksimum, VIN/R ve VR=VIN dir. Enerji bobini saran manyetik alanda depolanmıştır. Şimdi S1 açılır. Devrenin yanındaki eğri zamana karşı VR’nin çizimidir. S1’in açıldığı anda, I akımı sıfıra değişmek ister, çünkü S1 açıktır.

I sıfıra değişmek istediğinden L’de bulunan manyetik alan ani düşüşe geçer. Manyetik alan bobindeki tel sarımlarını kestiğinden, karşı voltaj VL tekrar endüklenir, ama bu sefer VL’nin polaritesi, Şekil 5-3a’dakinin tersinedir.

Şekil3 Anahtarlanmış Bobin Etkisi

Polarite, akımı S1 açıldığındaki durumdaki aynı yönde tutmak istemektedir. Manyetik alan ani düşüşe geçtiğinde D1 I’dan R ve L’ye tam bir yol sağlar (D1 olmasaydı, açılmış S1 uçlarında çok yüksek bir voltaj oluşacaktı, bu da L’de depolanmış enerjinin boşalması için uçlarda ark oluştururdu).

Bu durumda, L’nin manyetik alanında depolanmış enerji, I’daki değişime direnmek için L’ye bir voltaj endükleyerek ve I’dan R’ye akım değişimi oluşmadan önceki durumdaki aynı yönü sağlamak için devreye geri döner.

VR ve böylece I, I ve VR sıfır olana kadar alan düştükçe logaritmik bir eğri doğrultusunda azalır. VL Şekil 5-3a’daki aynı denklemle hesaplanır. Şekil 5-3a ve 5-3b’de anlatılan bobin etkisi birçok değişik tipteki anahtarlama regülatöründe kullanılır.

STEP-DOWN (AŞAĞIYA) REGÜLATÖR

Şekil 5-4a bir aşağıya anahtarlama regülatörü için bir kontrol elemanı, bobin ve çıkış filitresini göstermektedir. Gerekli regüle voltajı, giriş voltajından düşük olduğunda kullanılmaktadır. Kontrol elemanı açık duruma geldiğinde, bobin enerji depolar, yük akımını sağlamaya yardımcı olur ve kondansatöre akım sağlar.

Kontrol elemanı kapatıldığında, L’de saklı olan enerji yük akımının beslenmesine yardımcı olur, ama aynı zamanda kontrol elemanı kapalı olduğu sırada, yüke sağlanan CF’deki şarjı tekrar saklamaya çalışır ve L enerjisini deşarj eder. Bu devrede kontrol elamanı açık olduğundan VL=VIN – Vo ve kontrol elemanı kapatıldığında VL=Vo olur.

Şekil 5-4’deki devrenin yanında, devredeki bobin ve/veya kondansatör akımlarının dalga şekilleri, kontrol elemanı açık ve kapalı iken zamana karşı çizilmiştir. Şekil 5-4a ve 5-4b, çıkıştaki filitre kondansatörüne giden IC akımının eğrilerini göstermektedir. L’nin, kondansatörü (+IC) yüklemek için akım sağladığı ve yük akımına da akım sağladığı zamanlar bulunmaktadır ve yük akımını sadece kondansatör (-IC) ile beslediği zamanlar da bulunmaktadır.

Anahtarlama regülatörü, doğru çalıştığı zaman, bir anahtarlama döngüsünde tam bir dengededir –kondansatöre yeteri kadar akım +Q, yük deşarj oluken de –Q, kondansatörden yeteri kadar akım verir.

STEP-UP (YUKARIYA) REGÜLATÖR

Şekil 5-4b bir yukarıya anahtarlama regülatörü için aynı devre parçalarını gösterir. Gerekli regüleli voltaj giriş voltajından daha yüksek olduğunda kullanılır. Şekil 5-4a’dan biraz farklı çalışır. Kontrol elemanı açıkken enerji L’de depolanır. Enerji VIN tarafından sağlanır ve bu sırada VL=VIN olur. D1 ile izole edilmiş olan yük, CF’de yüklenmiş olan şarj ile beslenir.

Kontrol elemanı kapandığında, L’de yüklü olan enerji giriş voltajı ile “toplanır” ve IL yük akımının beslenmesine yardımcı olur ve CF’den boşalmış olan enerjiyi tekrar doldurur. L deşarj olduktan sonra yüke akımı CF sağlar. Kontrol elemanı kapandığında VL= Vo – VIN dir.

Şekil4 Anahtarlama Regülatörü Tipleri

INVERTÖR REGÜLATÖR

Şekil4c bir invertör regülatörü (bazen flyback regülatör de denir) için aynı devre elemanlarını göstermektedir. VIN’in ters polaritedeki regüleli bir çıkış voltajı gerektiği zaman, invertör regülatörü kullanılır. Çalışma şekli yukarıya-regülatöre benzer. Kontrol elemanı açıkken enerji L’de depolanır ve D1, L’yi yükten izole eder.

Yük akımı, CF’deki şarjdan sağlanır. Kontrol elemanı kapalı iken, L’de yüklü olan enerji CF’yi, Vo negatif olana kadarki bir polariteye şarj eder. IL yük akımını sağlar ve enerjisini deşarj ettiği sürece CF’deki şarjı tekrar doldurur. Yukarıya-regülatörde olduğu gibi, L deşarj olduktan sonra yük akımını CF sağlar. Kontrol elemanı açıkken, VL=VIN’dir, kapalı iken, VL=Vo’dır. Invertörün tasarım şekline göre, giriş voltajından daha düşük veya daha yüksek voltajlar için kullanılabilir.

Devre Tasarımı

Değişik çalışma oranları ;bir doğru geriliminin testere dişi bir dalgayla karşılaştırılması ile elde edilir (Şekil 2).

Şekil 2: Darbe genişlik modülasyonunun elde edilmesi.

Gerilim karşılaştırma işlemi yaygın olarak kullanılan LM311 entegresi ile kolayca yapilabilir. Karşılaştırma işlemi sonunda çıkış gerilimi Denklem 2 de verildiği gibidir.

LM311 entegresinin bağlantı uçları Şekil 3 de gösterilmektedir.

Şekil 3: LM311 entegresinin bağlantı uçları.

Bu entegre karşılaştırıcı olarak kullanılmak üzere çok uygundur. Çünkü çıkışındaki gerilim değeri kolayca değiştirilebilir ve bir işlemsel kuvvetlendiricide olduğu gibi pozitif ve negatif kaynak gerilimi arasında değişmez. Diğer bir deyişle, eğer devrenizi başka bir kaynak gerilimi ile birleştiriyorsanız yapmanız gereken tek şey 311 entegresinin çıkışını uygun bir direnç vasıtasıyla yeni kaynağınıza bağlamaktır.

Karşılaştırıcının tipik bir bağlantı şeması Şekil 4 de gösterilmektedir. 311’in çıkışı 1 ve 7 numaralı bacaklar arasına bağlı bir anahtar gibidir. 7 numaral bacak geriliminden 40 V daha pozitif herhangi bir gerilimine bir direnç vasıtasıyla bağlanabilir.

Şekil 4: LM311 entegresinin tipik bir bağlantı şeması ve dalga şekilleri.

2 numaralı bacaktaki (pozitif) giriş gerilimi 3 numaralı bacaktan (negatif) daha pozitif olduğu zaman 311’in çıkışındaki anahtar açıktır. Bu durumda çıkış gerilimi değeri tarafından belirlenir. Pozitif giriş terminali negatif terminalden düşük olduğu zaman ise 311’in çıkışındaki anahtar kapanır ve topraklanmış olan 1 numaralıbacağı7 numaralı bacağa bağlar ve dirençleri giriş gerilimindeki gürültülerden cıkışın etkilenmemesi için yaklaşık olarak 50mV değerinde bir histerizis eklerler.

Bu bağlantı şekli için dalga şekilleri de şekil 4 de gösterilmektedir. 311 entegresinin çıkış gerilimi giriş geriliminin pozitif olduğu yarı dalgalarda sıfır ve negatif olduğu yarı dalgalarda ise +5 V değerindedir. fs frekansında testere dişi bir dalga, Şekil 5 de

Şekil 5: Testere dişi dalganın elde edilmesi.

gösterildiği gibi bir kapasitenin sabit bir akımla şarj edilip, belirli aralıklarla kapasite uçlarını kısa devre ederek elde edilebilir. Ia, sabit akımı Cs kapasitesini doldurur ve kapasite uçlarındaki gerilim (t=0 anında VT(0)=0) Denklem 3 e göre zamanla lineer olarak yükselir. Testere dişi dalgayı elde etmek için kapasite gerilimi VT periyodik aralıklarla sıfırlanmalıdır.

Denklem:3

dVT/dt=Is/Cs

VT(t)=Is/Cs.t t>=0

Bu işlem kapasiteye paralel bağlanan bir anahtarın belli araliklarla kapatılması ile saglanabilir.

Yukarıda anlatılan yöntem değişik devreler kullanılarak yapılabilir. İşlemsel kuvvetlendirici kullanılarak oluşturulan bir devre Şekil 6 da gösterilmektedir.

Şekil 6: Bir darbe üreticisi ve integral alan işlemsel kuvvetlendirici ile testere dişi dalga oluşturulması.

Bu devrede işlemsel kuvvetlendirici ve Rs direnci yardımıyla yaklaşık sabit bir akım oluşturulup Cs kapasitesi doldurulur. Rs direncinin bağlı olduğu gerilim kaynağı işlemsel kuvvetlendiricinin çıkışında pozitif yönde yükselen bir gerilim olması için negatif değerde olmalıdır. Kapasiteye paralel bağlı NPN transistörü kapasite gerilimini belli aralıklarla sıfırlamak için kullanılmıştır.

NPN transistörü yerine herhangi bir anahtar da (mesela MOSFET) kullanılabilir. NPN transistörü kesimdeyken Cs kapasitesi, işlemsel kuvvetlendiricinin ideal olduğunu kabul edersek,

Is=Vs/Rs Denklem:4

Is akımıyla dolmaya başlar. Transistörün belli aralıklarla iletime geçmesiyle kapasite gerilimi sıfırlanır. Testere dişi dalgadaki hızlı sıfıra düşüşü yakalamak için transistörün iletimde olduğu süre kısa olmalıdır. Fakat bu zaman kapasite geriliminin tamamıyla deşarj olacağı kadar da uzun olmalıdır.

Devrede geriye tek kalan belli frekansta iletim zamanı kısa olan bir darbe üretmektir. Bu fonksiyon 555 zamanlayıcı entegresi ile yapılır. Şekil 7 de bu entegrenin uçları gösterilmektedir. 555 entegresi çeşitli şekillerde bağlanabilir.

Şekil 7: 555 entegresinin uçları

Belli frekansta periyodik dalgalar 555 in serbest çalışan titreşim modunda bağlanması ile elde edilir. Şekil 8 de bu bağlantı şeması ve entegrenin fonksiyonel iç yapısı gösterilmektedir.

Şekil 8: 555 entegresinin fonksiyonel diagramı.

Entegrenin çıkışındaki gerilim yüksek bir değerden düşük bir değere ve tekrar yüksek bir değere sürekli olarak değişir. Çıkış zamanının ne kadar zaman yüksek veya düşük olacağı entegreye dışarıdan bağlanan bir direnç-kapasite devresiyle belirlenir. Çıkışın yüksek olduğu değer Vcc değerine çok yakındır ve düşük olduğu değer ise yaklaşık olarak 0.1 V dur. Entegreye ait tipik dalga şekilleri Şekil 9 da gösterilmektedir.

Şekil 9: 555 entegresinin dalga şekilleri.

Çıkış, kapasite C nin 1/3 Vcc den 2/3 Vcc ye kadar dolması esnasında yüksektir. Bu zaman aralığı şu şekilde belirlenir:

ty=0.695.(RA+RB).C Denklem:5

çıkışın düşük olduğu zamanda ise C kapasitesi 2/3 Vcc den 1/3 Vcc ye kadar boşalır ve bu zaman da şu şekilde hesaplanır.

tdd= 0.695.RB.C

çalışma frekansının bir periyodu ise

T= ty+td= 0.695(RA+2RB).C

Şekil 8 deki bağlantı şemasıyla çalışma oranı % 50 den düşük bir değere ulaşamaz. Bu kapasitenin dolum zamanının azaltılmasıyla başarılabilinir. Pratik bir çözüm Şekil 10 da gösterilmektedir.

Şekil 10: % 50 den daha düşük çalışma oranı elde edilmesi.

Şekil 11: Tamamlanmış devre şeması.

Çalışmasını sağlamakta (IC1) ve aşırı akım durumu sona erdiğinde normal çalışma durumuna geri dönmektedir.