Programlanabilir DC Elektronik Yük Devresi 300W Arduino Nano

Programlanabilir DC elektronik yük devresi; laboratuvar güç kaynakları, aküler, solar paneller ve DC-DC dönüştürücüleri kontrollü şekilde test etmek için tasarlanmış 300W sınıfı bir ölçüm cihazıdır. 150V giriş, 25A akım, sabit akım, sabit direnç, sabit güç, darbe ve akü test modlarıyla deneyimli elektronikçiler için uygundur.

Programlanabilir DC Elektronik Yük Nedir?

Elektronik yük, test edilen DC kaynaktan kontrollü akım çeken aktif bir ölçüm cihazıdır.

Direnç bankası veya reosta gibi pasif yüklerden farkı, yük değerinin yazılımla veya kontrol devresiyle ayarlanabilmesidir.

Bu sayede güç kaynağının yalnızca boşta verdiği voltaj değil, yük altındaki davranışı da görülebilir.

Bu projede hedeflenen cihaz; 300W güce, 150V giriş gerilimine ve 25A giriş akımına kadar çalışacak şekilde tasarlanmıştır.

Çıkış değil, giriş olarak ifade edilmesinin nedeni elektronik yükün enerji üretmemesi, bağlı kaynaktan enerji çekmesidir.

Çekilen enerji MOSFET ve akım algılama dirençleri üzerinde ısıya dönüşür.

Benzer basit uygulamalar için MOSFET’li elektronik yük devresi ve LM324 ile 8 MOSFET 600W elektronik yük projeleri incelenebilir.

Bu tasarım ise daha çok laboratuvar tipi, kontrollü, ölçüm odaklı bir yapıya yakındır.

Temel Teknik Özellikler

300W programlanabilir DC elektronik yük blok şeması

Çalışma Modları

Elektronik yükün gerçek faydası, farklı test modlarında ortaya çıkar. Tek bir sabit direnç bağlamak yerine cihazın hangi davranışı taklit edeceği seçilebilir.

Güç kaynağı testi, akü kapasite ölçümü, solar panel karakteristiği veya DC-DC dönüştürücü geçici tepki ölçümü için farklı modlar gerekir.

CC Sabit Akım Modu

CC modunda elektronik yük, bağlı kaynaktan sabit akım çekmeye çalışır. Kaynak gerilimi değişse bile MOSFET kapısı kontrol edilerek akım aynı seviyede tutulur.

Akım değeri, MOSFET source hattındaki akım algılama dirençlerinden ölçülen gerilimle belirlenir.

Bu mod, laboratuvar güç kaynaklarının akım sınırlama davranışını, batarya gerilim düşümünü veya DC-DC dönüştürücülerin yük altındaki kararlılığını görmek için uygundur.

Düşük voltajlı kaynaklarda dikkat edilmesi gereken nokta, MOSFET üzerindeki gerilim düşümü ve shunt direnci üzerindeki düşümün toplamıdır.

Kaynak gerilimi çok düşükse yük istenen akıma çıkamayabilir.

CR Sabit Direnç Modu

CR modunda cihaz, ayarlanmış bir direnç gibi davranır. Giriş gerilimi ölçülür, istenen direnç değerine göre çekilecek akım yazılım tarafından hesaplanır.

Örneğin 75 ohm seçildiğinde 15V kaynakta yaklaşık 200mA, 75V kaynakta yaklaşık 1A akım çekilmesi beklenir.

Bu mod, rezistif yük davranışını taklit etmek için kullanışlıdır. Ampul, ısıtıcı, rezistans veya girişinde doğrusal sayılabilecek yük bulunan devreleri test ederken sabit direnç modu daha anlamlı sonuç verir.

CP Sabit Güç Modu

CP modunda elektronik yük, giriş gerilimi değişse bile çekilen gücü sabit tutmaya çalışır.

Güç formülü doğrudan kullanılır: P = U x I. Gerilim yükseldiğinde akım düşürülür, gerilim düştüğünde akım artırılır.

Solar panel, akü, adaptör veya endüstriyel DC kaynak testlerinde sabit güç modu önemlidir.

Çünkü bazı gerçek yükler, özellikle dönüştürücü girişleri, kaynaktan yaklaşık sabit güç çekme eğilimindedir.

Bu modda düşük gerilim bölgesinde akım hızla artabileceği için 25A sınırı ve 300W güç sınırı dikkatle korunmalıdır.

Darbe Modu

Darbe modunda elektronik yük iki farklı akım seviyesi arasında periyodik geçiş yapar.

Projede test için 10mA ile 9A arasında, 2ms periyotlu akım değişimleri kullanılmıştır. Bu mod güç kaynağının ani yük değişimlerine verdiği tepkiyi gösterir.

Sıradan multimetre ile görülemeyen kısa süreli voltaj çökmesi, aşma, salınım ve regülasyon gecikmesi osiloskopla bu modda izlenebilir.

Özellikle SMPS çıkışlarının kontrol döngüsü, darbe modu sayesinde daha net değerlendirilir.

Akü Test Modu

Akü test modunda cihaz, aküyü sabit akımla deşarj eder ve süreyi takip ederek kapasite hesabı yapar.

Bu mod için RTC devresi kullanılmıştır. Teste başlamadan önce akünün tam dolu olması ve kesme geriliminin akü kimyasına uygun seçilmesi gerekir.

Projede 12V 5Ah Westinghouse WA1250 kurşun asit akü test edilmiştir. 2C, 1C ve 0.5C akımlarda ölçülen kapasiteler farklı çıkmıştır.

Bu fark, kurşun asit akülerde yüksek deşarj akımının kullanılabilir kapasiteyi düşürmesinden kaynaklanır.

Arduino pil kapasite test cihazı benzer mantığı daha düşük güçlerde uygular. Bu elektronik yük ise daha geniş akım ve gerilim aralığıyla güç kaynaklarını da test edebilen daha kapsamlı bir cihazdır.

Güç Katı: Lineer MOSFET Yapısı

Programlanabilir DC elektronik yük IXTH60N20L2 MOSFET güç katı şeması

Güç katı dört adet paralel çalışan lineer MOSFET bölümünden oluşur. Her bölümde bir IXTH60N20L2 MOSFET, akım algılama dirençleri, hassas opamp ve gate sürme için buffer bulunur.

Dört bölümün ayrı ayrı kontrol edilmesi, akımın MOSFET’ler arasında daha dengeli paylaşılmasını sağlar.

IXTH60N20L2 seçimi rastgele değildir. Elektronik yüklerde MOSFET çoğu zaman anahtarlama bölgesinde değil lineer bölgede çalışır.

MOSFET üzerinde hem yüksek gerilim hem de yüksek akım aynı anda bulunabilir. Bu durum güvenli çalışma alanı, yani SOA açısından çok kritiktir.

Standart MOSFET’ler yüksek hızlı anahtarlama için uygun olabilir; fakat lineer modda uzun süre güç harcamaya uygun olmayabilir.

Bu nedenle lineer uygulamalara daha uygun, FBSOA karakteristiği güçlü MOSFET kullanmak gerekir. Aksi durumda MOSFET veri sayfasındaki anlık yüksek akım değerleri yanıltıcı olur.

Elektrotermal Kararsızlık Neden Önemli?

Lineer çalışan MOSFET’te çipin bir bölgesi diğerinden biraz daha fazla ısınırsa o bölgede akım yoğunluğu artabilir.

Akım artışı daha fazla ısı üretir, ısı artışı da aynı bölgeyi daha fazla zorlar. Bu pozitif geri besleme sıcak nokta oluşumuna ve MOSFET’in bozulmasına kadar gider.

Bu nedenle yüksek güçlü elektronik yüklerde tek büyük MOSFET kullanmak yerine birkaç MOSFET’i ayrı akım kontrol döngüleriyle çalıştırmak daha güvenlidir.

Projede toplam 300W güç dört MOSFET arasında paylaştırılmıştır. Teorik olarak her MOSFET yaklaşık 75W ısıyı üstlenir.

Akım Algılama Dirençleri

Her MOSFET kolunda akım ölçümü için iki adet 200 miliohm direnç paralel kullanılmıştır. Paralel bağlantı sonucunda algılama direnci 100 miliohm olur.

Bir MOSFET kolundan 6.25A geçtiğinde bu direnç üzerinde yaklaşık 625mV oluşur.

Bu gerilim, opampın referans aldığı kontrol sinyaliyle karşılaştırılır. MOSFET gate gerilimi artırılıp azaltılarak direnç üzerindeki gerilim istenen değerde tutulur. Böylece akım da sabitlenmiş olur.

Algılama dirençleri üzerinde ısı oluşur. 6.25A ve 0.1 ohm için yaklaşık 3.9W kayıp meydana gelir.

Bu nedenle küçük güçte direnç kullanmak hatalı ölçüme ve direnç arızasına yol açar. Projede iki adet 5W SMD direnç kullanılması bu açıdan doğru bir tercihtir.

Opamp ve Gate Sürme Yapısı

Her MOSFET kolunda hassas kontrol için OPA4189 opamp kullanılmıştır. Düşük offset ve düşük sıcaklık drift değeri, akım ölçüm hatasını azaltır.

Opamp çıkışı doğrudan MOSFET gate kapasitesini sürmek yerine BUF634A buffer üzerinden MOSFET gate hattına gider.

MOSFET gate’i kapasitif bir yük gibi davranır. Hızlı akım geçişlerinde gate kapasitesinin hızlı şarj/deşarj edilmesi gerekir.

Buffer kullanılmazsa opamp hem kararlılık hem de hız açısından zorlanır. BUF634A burada akım sürme kapasitesini artırarak opampın işini kolaylaştırır.

DAC8571 çıkışındaki 4.096V referanslı kontrol sinyali direnç bölücüden geçirilerek opamp girişine uygulanır.

16 bit çözünürlükte en küçük DAC adımı yaklaşık 62.5uV seviyesindedir. Bu yüksek çözünürlük, özellikle düşük akım ayarlarında ince kontrol avantajı sağlar.

Geri Besleme Kararlılığı

Elektronik yüklerde en hassas konulardan biri kararlı geri besleme döngüsüdür. MOSFET gate kapasitesi, opamp bant genişliği, shunt direnci, kablo indüktansı ve bağlı güç kaynağının kendi regülasyon döngüsü birlikte karmaşık bir sistem oluşturur.

Projede ilk testlerde 82pF kompanzasyon kondansatörü kullanıldığında 7A üzerindeki akımlarda sistemin kararsız davrandığı görülmüştür.

330pF ile kararlılık artmış fakat 24.5A skok yüklemede akım tepe değeri 35.7A seviyesine kadar çıkmıştır. Deneysel testler sonucunda 1nF kompanzasyon kondansatörü daha dengeli sonuç vermiştir.

Bu sonuç, elektronik yük tasarımında yalnızca simülasyona güvenilmemesi gerektiğini gösterir. Özellikle yüksek akım ve kısa süreli geçişlerde gerçek kablo, kaynak, prob ve PCB parazitleri devreye girer.

Soğutma Tasarımı

300W programlanabilir DC elektronik yük soğutucu ve fan yerleşimi

300W elektronik yükte çekilen enerjinin neredeyse tamamı ısıya dönüşür. Bu nedenle soğutma, devrenin yardımcı kısmı değil ana tasarım konusudur.

Projede kullanılan alüminyum soğutucu yaklaşık 260mm x 90mm x 52mm ölçülerindedir. Üzerine aktif hava akışı sağlamak için PWM kontrollü fan eklenmiştir.

MOSFET’ler TO-247 kılıfta kullanılmıştır. Termal hesaplarda junction-case, case-izolasyon ve izolasyon-soğutucu termal dirençleri dikkate alınmıştır.

Maksimum yarı iletken sıcaklığı güvenli tarafta kalmak için 120°C kabul edilmiş, soğutucu güvenlik eşiği daha düşük tutulmuştur.

Fan 36°C civarında düşük hızda devreye girer. 45°C civarında yüksek hıza ulaşır.

Testlerde 150W yükte soğutucu sıcaklığı yaklaşık 42-43°C aralığında, 300W yükte ise yaklaşık 53-54°C aralığında dengelenmiştir.

Bu değerler mekanik kutu ve fan hava akışının iş gördüğünü gösterir.

Termal Tasarımda Yapılmaması Gerekenler

• MOSFET güç değerini veri sayfasındaki maksimum watt değerine bakarak doğrudan kullanmak hatalıdır.
• Soğutucu olmadan kısa süreli deneme yapmak bile MOSFET’i bozabilir.
• İzolasyon pedi ve termal macun kalitesi ihmal edilmemelidir.
• Fan hava giriş ve çıkış yolları kutu içinde kapatılmamalıdır.
• Sıcaklık sensörü MOSFET’ten çok uzağa yerleştirilirse koruma gecikmeli çalışır.

Besleme Katları

Kontrol elektroniği için 12-36V DC girişten farklı gerilimler üretilmiştir. Cihaz içinde +12V, +9V, +5V, -5V ve 4.096V referans hattı bulunur.

Fanlar ve bazı yardımcı devreler +12V hattından, dijital ve analog bloklar ise daha temiz regüle hatlardan beslenir.

+12V hattı kompakt DC-DC dönüştürücüyle elde edilir. Fanların ani akım çekmesi nedeniyle analog ve dijital hassas bölümlerin doğrudan aynı hatta bağlanmaması doğru bir yaklaşımdır.

+9V ve +5V için lineer regülatörler kullanılmıştır. Girişte ters polarite koruması için düşük ileri gerilimli diyot tercih edilmiştir.

-5V hattı OPA277 ile yapılan giriş gerilimi ölçüm devresinde kullanılır. Böylece opamp sıfır volt civarında daha rahat çalışabilir.

4.096V referans ise DAC kontrol çözünürlüğü için kritik öneme sahiptir.

DC-DC dönüştürücü ve laboratuvar kaynaklarıyla ilgilenenler için DC-DC dönüştürücü nedir ve 0-30V 10A laboratuvar güç kaynağı yazıları bu projeyle bağlantılı okunabilir.

Gerilim ve Akım Ölçümü

Giriş gerilimi 150V seviyesine kadar çıkabildiği için doğrudan ADC’ye verilmez. OPA277 diferansiyel yükselteç ve direnç bölücüyle 150V giriş yaklaşık 1V seviyesine ölçeklenir.

Ölçüm için ana giriş terminalleri veya ayrı sense uçları seçilebilir. Ayrı sense uçları, yüksek akımda kablo üzerindeki gerilim düşümünü telafi etmek için kullanışlıdır.

Akım ölçümü shunt dirençler üzerinden yapılır. Dört MOSFET kolundan gelen algılama bilgisi ADS1115 ADC ile dijitale çevrilir.

Güç değeri ise ölçülen gerilim ve akım üzerinden yazılımda hesaplanır. Bu yüzden güç ölçüm hatası, gerilim ve akım ölçüm hatalarının birleşiminden oluşur.

Mikrodenetleyici ve Kullanıcı Arayüzü

Kontrol tarafında Arduino Nano ATmega328P kullanılmıştır. Bu kart, I2C üzerinden DAC, ADC, RTC ve LCD modülüyle haberleşir.

Kullanıcı ayarları 20×4 LCD ekranda görülür; 4×4 tuş takımı ve rotary encoder ile akım, direnç, güç, süre ve mod seçimleri yapılır.

LCD için PCF8574 tabanlı I2C modül kullanılmıştır. Bu sayede LCD’nin paralel bağlantı için ihtiyaç duyduğu pin sayısı azalır.

Tuş takımı 4 satır ve 4 sütun yapısındadır. Rotary encoder ise menüde hızlı gezinme ve hassas değer ayarı için kullanılır.

Akü test modunda süre takibi için MCP79410 RTC devresi eklenmiştir. Bu devre 32.768kHz kristal ile çalışır.

Zaman takibi, kapasite hesabında gereklidir; çünkü akü kapasitesi akım ve süre çarpımıyla hesaplanır.

Koruma Yapısı

Cihazda ters polariteye karşı diyotlar, ana güç girişinde sigorta, yazılım tabanlı aşırı akım koruması ve aşırı sıcaklık koruması bulunur.

Fan kontrolü de sıcaklığa bağlı olarak yapılır. Soğutucu sıcaklığı kritik eşiğe yaklaşırsa yük devreden çıkarılmalıdır.

Tasarım notlarında aşırı gerilim korumasının fiziksel olarak eklenmesinin faydalı olacağı belirtilmiştir. Bu önemli bir noktadır.

150V sınıfı bir elektronik yükte ters polarite, aşırı gerilim ve ani endüktif pikler MOSFET’ler için ciddi risk oluşturur.

Girişe uygun TVS diyot, varistör, sigorta ve röle/anahtar yapısı eklemek güvenilirliği artırır.

PCB ve Mekanik Yapı

Programlanabilir DC elektronik yük çift katmanlı PCB ve MOSFET yerleşimi

PCB, 250mm x 145mm ölçülerinde iki katmanlı olarak hazırlanmıştır. Bakır kalınlığı 35um, maske yeşil, yazı baskısı beyazdır.

Güç yollarında geniş bakır alanlar kullanılmıştır. 25A gibi yüksek akımlarda dar yollar ısınır, gerilim düşümü oluşturur ve ölçüm hatasına sebep olur.

MOSFET source hatları, shunt dirençlere mümkün olduğunca kısa ve düşük dirençli bağlanmalıdır. Geri besleme ve ölçüm hatları güç yollarından uzak tutulmalıdır.

DAC, ADC ve opamp çevresinde temiz analog topraklama önemlidir.

Kutu yapısı iki sac parça ve plastik ön panelden oluşur.

Ön panelde LCD, tuş takımı, rotary encoder, ana giriş terminalleri, sense terminalleri ve güç anahtarı yer alır.

İç kablolamada giriş terminallerinden karta giden hatlar için 4mm² kesitli kablo kullanılmıştır.

Ölçüm Sonuçları

Proje yalnızca teorik tasarım olarak bırakılmamış, gerçek cihaz üzerinde ölçümler yapılmıştır.

Gerilim, akım, soğutma, kararlılık, sabit akım, sabit direnç, sabit güç, darbe modu ve akü test modu ayrı ayrı denenmiştir.

Akü Testi Sonuçları

Akü testinde 12V 5Ah Westinghouse WA1250 kurşun asit akü kullanılmıştır. Testler farklı deşarj akımlarında yapılmıştır. Daha yüksek akımda akünün ölçülen kapasitesinin düştüğü açıkça görülmüştür.

Bu sonuç, kurşun asit akülerde etiket kapasitesinin hangi deşarj süresine göre verildiğinin önemli olduğunu gösterir.

5Ah yazan bir akü, yüksek akımda her zaman 5Ah vermez. Üretici kapasite değerleri genellikle 20 saatlik daha düşük akımlı test koşullarına göre belirtilir.

Akü ve pil testleriyle ilgilenenler için 18650 pil test cihazı modifiye ve pil akü ömrü hesaplama yazıları da faydalı olabilir.

Darbe Testinde Ne Görüldü?

Darbe testinde 100Ah LiFePO4 akü ve Siemens SITOP power 20 endüstriyel 24V 20A güç kaynağı denenmiştir.

Akü testinde yük akımı hızlı değişse bile terminal gerilimi çok az değişmiştir. Bu, akünün düşük iç dirençli sert bir kaynak gibi davrandığını gösterir.

Endüstriyel SMPS testinde ise yük değişiminde çıkış geriliminde yaklaşık 1V tepe-tepe salınım görülmüştür.

Yük ayrıldıktan sonra bu salınım yavaşça sönümlenmiştir. Bu tarz ölçüm, güç kaynağı regülasyon döngüsünün gerçek davranışını görmek için elektronik yükün en faydalı kullanım alanlarından biridir.

Sık Yapılan Hatalar

• Elektronik yük MOSFET’ini yalnızca maksimum akım değerine göre seçmek.
• MOSFET’in lineer bölgede güvenli çalışma alanını kontrol etmemek.
• Shunt direnç gücünü düşük seçmek ve ısınmadan doğan ölçüm hatasını hesaba katmamak.
• Opamp geri besleme kompanzasyonunu yalnızca simülasyona göre bırakmak.
• Yüksek akım yollarını dar PCB izleriyle taşımak.
• Sense bağlantısı kullanmadan uzun kabloyla hassas gerilim ölçmeye çalışmak.
• Fan hava yolunu kutu içinde kapatmak.
• Akü testinde kesme gerilimini akü kimyasına göre ayarlamamak.
• İlk testte doğrudan yüksek gerilim ve yüksek akımla başlamak.

Güvenlik Notları

Bu cihaz 150V DC ve 25A seviyesine kadar çalıştığı için düşük güçlü hobi devresi gibi ele alınmamalıdır.

DC gerilim ark oluşturabilir, yüksek akım kabloları ve terminalleri kısa devrede hızla ısınabilir.

Akü testlerinde akünün verebileceği kısa devre akımı çok yüksektir.

İlk çalıştırma akım sınırlamalı laboratuvar kaynağıyla yapılmalı, MOSFET gate sürmeleri ve shunt gerilimleri düşük akımda kontrol edilmelidir.

Soğutucu izole montajı, fan yönü, sigorta değeri, kablo kesiti ve kutu içi hava akışı ayrı ayrı test edilmelidir.

Osiloskop ölçümlerinde uzun ground kablosu hızlı pikleri olduğundan farklı gösterebilir; kısa toprak yaylı prob bağlantısı veya pigtail yöntemi daha doğru sonuç verir.

Geliştirme Önerileri

Tasarım başarılı bir 300W sınıfı elektronik yük sunsa da birkaç geliştirme noktası öne çıkıyor. Girişe fiziksel aşırı gerilim koruması eklenebilir.

Düşük akım ve düşük gerilim bölgelerinde daha iyi doğruluk için çok aralıklı akım ve gerilim ölçüm yapısı kullanılabilir.

Programlanabilir kazançlı yükselteç veya röleli shunt seçimi ölçüm çözünürlüğünü artırır.

Bilgisayar bağlantısı, veri kaydı, USB üzerinden grafik çizimi ve uzaktan kontrol de cihaza değer katar.

Özellikle akü test modunda zaman, gerilim, akım ve kapasite verilerinin CSV olarak kaydedilmesi pratik olur.

Projenin Genel Değerlendirmesi

Programlanabilir DC elektronik yük devresi, güç kaynağı ve akü testlerinde gerçek laboratuvar ihtiyacına karşılık veren ciddi bir projedir.

300W güç, 150V gerilim ve 25A akım sınırları hobi seviyesinin üstünde sayılır.

IXTH60N20L2 gibi lineer uygulamaya uygun MOSFET’lerin seçilmesi, dört ayrı güç kolu, aktif soğutma ve ölçüm testleri projeyi yalnızca teorik değil uygulanabilir hale getirir.

En kritik ders, elektronik yüklerde kararlılık ve termal tasarımın en az şema kadar önemli olduğudur. Devre kağıt üzerinde doğru görünse bile MOSFET gate kapasitesi, opamp kompanzasyonu, kablo indüktansı ve test edilen kaynağın kendi regülasyonu gerçek davranışı değiştirir.

Bu nedenle böyle bir cihaz yapılacaksa düşük güçten başlayarak adım adım test etmek en güvenli yoldur.

Kaynak: dspace.vut.cz/items/d152cea3-48a2-4634-9220-4b96cbd19382