Tasarım Projesi!

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

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’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.

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.

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.

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