Laboratuvar Güç Kaynağı Simetrik 0-40V 4A 0-20V 0-8A

Ayarlı güç kaynağı seçime göre 0.20 Volt 8 Amper veya 0.40 Volt 4 Amper arası ayarlanabilir. 0V ile 20V arasında akım sınırlama 2mA..8A. Yüksek çıkış voltajı yani 0V ile 40V arasında akım sınırlama, 2mA – 4A. 0-40V 4A simetrik laboratuvar güç kaynağı, iki bağımsız lineer regülatörün ortak GND noktası üzerinden birleştirilmesiyle pozitif ve negatif çıkış verebilen güçlü bir atölye kaynağıdır. 0-20V aralığında 4A veya 8A, 0-40V aralığında ise 4A akım sınırıyla çalışacak şekilde tasarlanmıştır.

Devrenin Genel Yapısı

Kaynak iki ayrı regülatör kanalından oluşur. Bu kanallar tek başına normal ayarlı DC güç kaynağı gibi kullanılabilir.

İstenirse bir kanalın pozitif ucu ile diğer kanalın negatif ucu ortak noktaya bağlanarak simetrik çıkış elde edilir.

Böylece opamp devreleri, ses devreleri, analog filtreler ve çift besleme isteyen deney kartları için +V, GND ve -V uçları sağlanabilir.

Tasarımda ana regülasyon lineer yapıda kurulmuştur. Lineer kaynaklarda verim SMPS kaynaklara göre daha düşüktür; buna karşılık çıkış dalgalanması, anahtarlama gürültüsü ve yüksek frekanslı parazit daha az olur.

Hassas analog devreleri denerken bu özellik önemli avantaj sağlar. Benzer projeleri karşılaştırmak için güç kaynağı şemaları arşivindeki farklı yapılar da incelenebilir.

Laboratuvar Güç Kaynağı tasarımında doğrusal voltaj düzenleme yöntemi seçildiği için devrede sekonder voltaj seçici, var. Örneğin, 40V giriş var 10V ayarlandığı zaman regülatörde 30V kalacak.

Genel olarak akım tüketimi (örneğin 4A) bu, ısıya dönüştürülen önemli miktarda güç anlamına gelir (120W), Bu da büyük kayıplara neden olur ve özellikle güç transistörlerine yük bindirir.

Voltaj seçici iki trafo sargısının paralel veya seri bağlanmasına olanak sağlar. Ek olarak, Sargıları paralel bağlayarak, daha düşük aralıkta kaynaktan iki kat daha fazla güç çekebilirsiniz. Bu bağlantı 0 – 20V ile 0 – 40V aralıkları arasında geçiş yapılmasına olanak sağlar.

Teknik Özellikler

Çıkış terminallerinin bağlantı kontrolü, çıkış voltajı seçimi röleler kullanılarak gerçekleştirilir. Bas-bırak butonları kullanmak için NE555 zamanlayıcı üzerine kurulu devreler kullanılıyor. Ayrıca butonların durumu LED göstergeler ile belirtiliyor.

Yardımcı devrelerden diğeri trafolar için Soft Start’tır. Bu devrenin görevi trafoların şebekeye bağlanmasını geciktirmektir (Direnç üzerinden).

Sebebi şudur; trafo çekirdeğinin doygunluğu ve kondansatörün aini şarjı nedeniyle oluşan akım döngüsünün sınırlandırılmasıdır. Soft Start devresi yaklaşık 2 saniyelik geçikme sağlar.

Güç kaynağının termik korumasıda var. Alt ayar sıcaklığına ulaşıldığında soğutma fanları çalışır ayarlanan sıcaklık aşırısa soft start katı şebekeden ayrılır.

Güç katı devre dışı kalır ancak diğer devreler çalışır. Sıcaklık ayarlanan limitin altına düştüğünde kaynak normal moduna döner.

Termal korumanın temel elemanı LM358N opamp entegresidir. Her biri için ayrı bir anahtarlama sınır sıcaklığı belirlemek mümkündür.

Karşılaştırıcılardan ilki fanları bir transistör aracılığıyla, ikincisi ise kontakları olan bir röle aracılığıyla değiştirir.

Simetrik laboratuvar güç kaynağı AutoCad 2014 kasa çizimleri ve EagleCad ile hazırlanan PCB, şema çizimleri var.

Dökümanda sayfa 73-74 arası baglantı açılımları yer alıyor. Ek olarak ölçüm grafikleri vb. bir çok bilgi var çok kaliteli bir linear güç kaynağı..

Lineer Yapı ve Sekonder Sargı Anahtarlaması

Lineer laboratuvar kaynağında regülatör transistörü, girişteki fazla gerilimi kendi üzerinde harcar.

Çıkış düşük voltajda ve akım yüksekken bu kayıp çok büyür. Örneğin 40V aralığında çalışırken çıkıştan yalnızca 10V alınırsa, kalan gerilim seri transistörlerin üzerinde ısıya dönüşür. 4A akımda bu durum ciddi soğutma ihtiyacı doğurur.

Bu nedenle tasarımda trafonun iki adet 15V sekonder sargısı rölelerle seri veya paralel bağlanır.

Düşük gerilim aralığında sargılar paralel çalıştırılarak daha yüksek akım alınır.

Yüksek gerilim aralığında ise sargılar seri bağlanarak 40V çıkış için gereken gerilim payı oluşturulur.

Bu yöntem hem ısı kaybını azaltır hem de düşük aralıkta gerilim ve akım ayarını daha hassas hale getirir.

0-20V ve 0-40V Aralığının Pratik Anlamı

0-20V aralığı daha çok düşük gerilimli analog kartlar, küçük amplifikatörler, röle devreleri, sensör modülleri ve mikrodenetleyici yardımcı devreleri için kullanışlıdır.

8A seçeneği özellikle kısa süreli yüksek akım isteyen testlerde işe yarar. 0-40V aralığı ise opamp beslemeleri, ses devresi denemeleri, simetrik beslemeli ön yükselteçler ve daha yüksek gerilim isteyen laboratuvar uygulamaları için uygundur.

Doğrultma ve Filtreleme Katı

Her sekonder sargıdan gelen AC gerilim köprü doğrultucudan geçirilir. Doğrultmadan sonra büyük değerli elektrolitik kondansatörler DC hattı süzer.

Bu tasarımda 10mF kondansatör seçilmesi, yüksek akım altında dalgalanmayı makul seviyede tutmak içindir.

Köprü doğrultucuların 10A seçilmesi önemlidir. 8A gibi yüksek akım aralığında yalnızca DC çıkış akımı değil, kondansatörlerin şarj darbeleri de düşünülmelidir.

Pratikte köprü diyotlar mutlaka soğutulmalı, yüksek akım yollarında yeterli bakır alanı kullanılmalı ve bağlantı kabloları uygun kesitte seçilmelidir.

Kablo seçimi için kablo kalınlığı ve akım hesabı konusuna ayrıca bakmak faydalı olur.

Gerilim Regülasyonu Nasıl Çalışır?

Gerilim regülasyonu opamp kontrollü seri regülatör mantığıyla çalışır. Devrede önce kararlı bir referans gerilimi üretilir.

Bu referans, gerilim ayar potansiyometreleri üzerinden hata yükseltecine uygulanır. Hata yükselteci çıkış geriliminin geri besleme değerini referansla karşılaştırır ve sürücü transistörü üzerinden TIP141 güç transistörlerini kontrol eder.

Çıkış gerilimi yük altında düşmeye başladığında hata yükselteci güç transistörlerini biraz daha iletime sürer.

Transistörlerin üzerindeki gerilim düşümü azalır ve çıkış yeniden ayarlanan değere yaklaşır.

Çıkış gerilimi ayarlanan değerin üzerine çıkarsa transistörler daha az sürülür. Bu kapalı çevrim yapı, lineer regülasyonun temelidir.

Referans Gerilimi ve Sıfır Volt Ayarı

Devrede 5,6V Zener diyot ve opamp ile yaklaşık 11,2V referans seviyesi oluşturulur. Bu referans, gerilim ve akım ayar devrelerinin temel noktasıdır.

Çıkışın gerçekten 0V seviyesine kadar indirilebilmesi için opamp beslemesinde küçük bir negatif gerilim de kullanılmıştır.

-5,6V yardımcı besleme, opamp offset ayarına izin verir ve minimum ayarda çıkışın sıfıra yaklaşmasını sağlar.

Bu ayrıntı önemlidir. Basit LM317 tarzı ayarlanabilir regülatörlerle genellikle 1,25V civarının altına inmek zorlaşır.

Buradaki opamp kontrollü yapı ise laboratuvar kaynağı kullanımına daha uygundur. Yine de sıfır volt ayarı yapılırken çıkış voltmetresiyle kontrol edilmeli, trimpot ayarı aceleye getirilmemelidir.

Güç Transistörleri ve Akım Paylaşımı

İlk tasarımda TIP3055 düşünülmüş, daha sonra Darlington yapıdaki TIP141 transistörler kullanılmıştır.

Üç adet TIP141 paralel çalışır. Paralel güç transistörlerinde parametre farkları nedeniyle bir transistör diğerlerinden daha fazla akım çekebilir.

Bunu azaltmak için her emiter hattına düşük değerli dengeleme direnci eklenmiştir.

Bu dirençler küçük bir gerilim düşümü oluşturur. Akım yükseldikçe bu düşüm artar ve transistörlerin akım paylaşımı dengelenir.

Dezavantajı ise yüksek akımda ekstra kayıp oluşturmasıdır. Laboratuvar kaynağında güvenilirlik, birkaç watt kayıptan daha önemlidir.

Ayarlanabilir Akım Sınırlama Devresi

Laboratuvar kaynağını kullanışlı yapan bölüm yalnızca gerilim ayarı değildir. Akım sınırı, denenen kartı ve güç kaynağını koruyan en önemli kısımdır.

Devrede çıkış akımı, paralel bağlı 0R56 dirençlerin üzerindeki gerilim düşümüyle algılanır. Paralel bağlantı yaklaşık 0R28 algılama direnci oluşturur.

Akım arttıkça bu dirençlerin üzerindeki gerilim de artar. Komparatör bu gerilimi, akım ayar potansiyometresiyle belirlenen eşik gerilimiyle karşılaştırır.

Eşik aşıldığında komparatör gerilim regülasyon katına müdahale eder ve çıkış gerilimini düşürerek akımı sınırda tutar.

Bu davranış sayesinde kaynak, normal bölgede sabit gerilim kaynağı gibi; sınır aşıldığında ise akım kaynağı gibi davranır.

4A ve 8A Eşiklerinin Hesabı

Algılama direnci yaklaşık 0R28 olduğundan 4A akımda oluşan gerilim düşümü yaklaşık 1,12V olur.

8A akımda ise bu değer yaklaşık 2,24V seviyesine çıkar. Komparatör girişindeki ayar bölücü bu değerlere göre kalibre edilir.

Bu kısımda dirençlerin güç değeri göz ardı edilmemelidir. 8A akımda algılama dirençleri ciddi ısınır. Dirençler yalnızca ohm değerine göre değil, güç değeri ve soğutma şartlarına göre de seçilmelidir.

Düşük değerli dirençlerle akım ölçme mantığı için akım algılama yöntemleri yazısı iyi bir tamamlayıcıdır.

Akım Sınırını Ayarlama

Devrede çıkışı kısa devre eden ayrı bir röle bulunur. Bu röle, akım sınırını ayarlarken pratiklik sağlar.

Kullanıcı çıkışı kontrollü şekilde kısa devre edip istenen akım değerini ayarlayabilir.

Böylece test edilecek devre bağlanmadan önce maksimum akım sınırı belirlenmiş olur.

Bu yöntem kullanılırken akım sınırı minimumdan başlatılmalı, yavaşça yükseltilmelidir.

Özellikle tam dolu filtre kondansatörleri ve yüksek akım kapasitesi olan trafolarla çalışan kaynaklarda ani kısa devreler hem röle kontaklarını hem de şönt dirençleri zorlayabilir.

Benzer koruma mantığı için elektronik sigorta devreleri incelenebilir.

Röleli Kademe Kontrolü ve NE555 Kullanımı

Gerilim aralığı, akım aralığı ve çıkış anahtarlama işlemleri rölelerle yapılır.

Rölelerin tek tuşla aç-kapa şeklinde çalışması için NE555 tabanlı kilitleme devresi kullanılmıştır.

Yapısı, mekanik anahtar kalabalığını azaltır ve ön panel kullanımını daha düzenli hale getirir.

NE555 çıkışından sürülen transistör röle bobinini enerjilendirir. Röle bobinine paralel bağlı diyot, bobin enerjisi kesildiğinde oluşan ters gerilim darbesini bastırır.

Bu diyot kullanılmazsa sürücü transistör veya NE555 çıkışı zarar görebilir. Her röle durumunun LED ile gösterilmesi, hangi aralığın aktif olduğunu hızlıca anlamayı sağlar.

Soft Start ve Yardımcı Beslemeler

Toroidal trafolar ilk enerjilendirme anında yüksek ani akım çekebilir. Ayrıca büyük filtre kondansatörleri boşken kısa süreliğine neredeyse kısa devre gibi davranır.

Bu yüzden girişte soft start devresi kullanılmıştır. Trafolar ilk anda 27R / 20W dirençler üzerinden beslenir, yaklaşık iki saniye sonra röle kontakları bu dirençleri kısa devre eder.

Bu yapı sigorta atmasını azaltır, anahtar kontaklarını korur ve büyük güç kaynaklarında daha yumuşak açılış sağlar.

Şebeke tarafında çalışan uygulamalarda 220V soft start devresi mantığına dikkat etmek gerekir; direnç gücü, röle kontak akımı ve izolasyon mesafeleri güvenlik açısından kritik noktalardır.

Yardımcı besleme katı ise röleleri, fan kontrolünü, LED göstergeleri ve panel ölçü aletlerini besler. Voltmetre ve ampermetrelerin toprak noktaları her zaman aynı potansiyelde olmayabilir.

Bu nedenle panel ölçü aletleri için izole yardımcı sargılar kullanılması doğru bir tercihtir. Dijital gösterge tarafında farklı seçenekler için voltmetre ampermetre devreleri de incelenebilir.

Termal Koruma ve Soğutma

Lineer güç kaynaklarında en zor bölüm soğutmadır. Bu tasarımda en kötü durumda yaklaşık 160W kayıp oluşabileceği kabul edilmiştir.

Kayıp üç TIP141 transistör arasında paylaştırılır, ancak köprü doğrultucular ve bazı yardımcı elemanlar da ısı üretir.

Bu nedenle transistörleri yalnızca küçük soğutucuya bağlamak yeterli değildir.

Tasarımda büyük bir soğutucu, fanlı hava akışı ve iki kademeli termal koruma kullanılmıştır. İlk sıcaklık eşiğinde fanlar devreye girer.

Sıcaklık daha da yükselirse kaynak trafoları soft start hattından ayrılarak regülatör bölümü devre dışı bırakılır.

Yardımcı devrelerin çalışmaya devam etmesi, sıcaklık düşünce sistemin tekrar normal duruma dönebilmesini sağlar.

Termal sensör kablosu koparsa korumanın güvenli tarafa geçecek şekilde davranması iyi bir ayrıntıdır.

Güç elektroniğinde koruma devresinin yalnızca normal arızaya değil, kendi sensör arızasına da tepki vermesi gerekir.

Ölçüm Sonuçları ve Pratik Sınırlar

Ölçümlerde gerilim, akım, volt-amper karakteristiği, verim ve zaman kararlılığı kontrol edilmiştir.

Sonuçlar simülasyonlarla genel olarak uyumludur. Ancak seçilen trafo ve seri eleman kayıpları nedeniyle kaynak, her aralıkta maksimum gerilimde maksimum akımı koruyamamaktadır.

Bu sonuç kötü bir regülasyon hatasından çok, lineer kaynaklardaki gerilim payı meselesidir. Seri transistör, emiter dirençleri, şönt dirençler, köprü diyotlar ve trafo iç direnci toplamda birkaç volt kayıp oluşturur.

Tam 40V ve 4A isteniyorsa sekonder gerilimi artırılabilir; fakat bu durumda düşük çıkış gerilimlerinde ısı kaybı daha da büyür. Tasarımda her değişiklik soğutma hesabıyla birlikte düşünülmelidir.

Kurulum ve Kalibrasyon Sırasında Dikkat Edilecek Noktalar

• İlk çalıştırmada güç transistörleri takılı değilken yardımcı beslemeler ve referans gerilimi kontrol edilmelidir.
• Çıkış sıfır volt ayarı, hassas bir multimetreyle ve akım sınırı düşük seviyedeyken yapılmalıdır.
• Akım sınırı kalibrasyonu yük direnci veya kontrollü kısa devre yöntemiyle, kısa süreli denemelerle yapılmalıdır.
• 0R56 akım algılama dirençleri ve 0R33 emiter dirençleri yüksek akımda ısınacağı için PCB üzerinde hava akışı bırakılmalıdır.
• TIP141 transistörler aynı soğutucuya bağlanıyorsa izolasyon pulları ve termal macun doğru uygulanmalıdır.
• Panel ölçü aletlerinin beslemeleri rastgele ortaklanmamalıdır; aksi halde ölçüm hatası veya kısa devre oluşabilir.
• 230V şebeke tarafında sigorta, topraklama, izolasyon mesafesi ve kablo sabitleme ihmal edilmemelidir.

Bu Tasarım Nerelerde Kullanılır?

Bu kaynak, özellikle analog ve ses devresi denemelerinde işe yarar. Simetrik çıkış sayesinde opamp ön yükselteçleri, aktif filtreler, ton kontrol devreleri ve küçük güç amplifikatörü katları rahatça denenebilir.

Akım sınırlama ayarı, yeni toplanmış devrelerin ilk enerjilendirmesinde büyük avantaj sağlar. Çıkışa bağlanan kartta kısa devre veya ters takılmış eleman varsa, kaynak akımı sınırlar ve arızanın büyümesini azaltır.

Yüksek akım aralığı sayesinde motor, röle kartı, direnç yükü ve LED sürücü denemeleri de yapılabilir.

Yine de bu tasarım bir akü şarj cihazı veya sürekli tam güç çalışan endüstriyel kaynak gibi düşünülmemelidir. Lineer yapısı nedeniyle uzun süre yüksek akımda çalıştırılacaksa soğutucu sıcaklığı mutlaka izlenmelidir.