Elektronik yük pil, akü, dc güç kaynağı gibi güç kaynaklarını test etme amacı ile kullanılan bir ölçüm cihazıdır. Bu konuda bahsedilecek olan elektronik yük doğru akım (DC) için uygundur. Örneğin 5Volt 1Amper değerinde bir şarj cihazınız var. Bu cihazın gerçekten bu değerleri sağlayıp sağlamadığını test edebilirsiniz.
Elektronik yükün temel çalışma prensibi kaynaktan kontrollü bir şekilde akım çekme ilkesine dayanır. Akımın ayarlanabilir olması için yük direncinin de ayarlanabilir olması gerekir. Bu projede yük direnci olarak Mosfet kullanılmıştır. Mosfet bir opamp yardımı ile kontrollü bir şekilde iletime sokularak çok düşük akımlardan çok yüksek akımlara kadar kontrol sağlamak mümkündür. Aşağıdaki bağlantı şeması projenin temelini oluşturmaktadır. Opamp voltaj takipçisi olarak çalışır ve + girişine uygulanan gerilimin - girişinde de olması için çıkış gerilimini ayarlar. Opamp ın çıkışındaki bu gerilim mosfet in iletime sokulmasında kullanılarak bir yük akımı oluşturulur. Yük akımı 0R1 şönt direnci üzerinde bir gerilim düşümüne sebep olur ve bu gerilim opamp ın - girişine bağlanarak devrenin mosfet in sabit bir akım akıtması sağlanır.
10A akım değerinde 0R1 üzerinde 1V gerilim oluşur. O halde devrenin 10A akıtması için opampın + girişine 1V uygulanmalıdır. Bu durumda yük voltajından bağımsız olarak yükten 10A akım çekilecektir. Devre aslında akım takipçisi olarak çalışır.
0-5V arası bir analog sinyal ile 0-10A arasında bir akım sağlanmak isteniyor ise 5V giriş sinyali 10 ampere karşılık gelen 1V seviyesine bir gerilim bölücü ile indirilir. Gerilim bölücü bir trimpot ile sağlanarak devrenin maks 5V giriş sinyali ile maks akıtacağı akım belirlenmiş / limitlenmiş olur. 0-5V ile istediğimiz şekilde akım kontrolü sağlayabiliyorsak bu kontrolu bir mcu sağlamak mümkün hale gelir.
Simulasyon : Link
Ancak bu yapının kendi içerisinde bir kusur barındırır. Yükün ters bağlanması durumunda mosfet in gövde diyot üzerinden kontrolsüz bir akım geçişi başlar. Örneğin bir lipo pili ters bağladığınızda pil patlama ihtimali olabilir. Bu durumda yükün polaritesini tespit edip daha sonra bağlantı sağlama amacı ile ek bir devreye ihtiyaç bulunmaktadır. Aşağıdaki devrede ters polarite ile bağlandığında hiçbir şey olmamaktadır. Ancak yük doğru bağlandığında Mcu için bir sinyal üretilir. Sonrasında yine mcu ile röle kontrol edilerek yük devreye alınır. Devrenin önemsiz gördüğüm bir kusuru ise 700mv altındaki yükleri algılamamasıdır.
Simulasyon : Link
Bu projede mümkün olduğu kadar basit yapılar ile basit ve herkes için ulaşılabilir bir elektronik yük yapmayı hedefliyorum. Bu nedenle kontrolcü (Mcu) olarak arduino nano kullanmaya karar verdim. Nano nun ADC girişleri 10bit kapasiteli ve çözünürlük olarak ihtiyacı karşılayacak durumda. Ancak akım kontrolü için gerekli olan DAC dönüştürücüsü nano üzerinde mevcut değil. Harici bir DAC ile bu ihtyaç giderilebilirdi ancak ben yine nano üzerinde bulunan 8Bit Pwm sinyalini bir low-pass filtre ile analog sinyale dönüştürmeyi hedefledim.
Yukarıdaki yapıları bir şema üzerinde uyguladım ve devre şemasını hazırlarken basitlik, kullanışlılık, düşük maliyet, erişilebilirlik ve esneklik gibi tasarım ilkelerini göz önünde bulundurdum.
Devrede mosfetin sürülmesi için, pwm sinyalini analog sinyale dönüştürmek için ve şönt üzerinden akım okuyabilmek için birer opamp kullanmak gerekiyordu. Malzeme seçimi olarak kılıf içerisinde dört adet opamp barındıran ve yaygın olarak bulunabilen LM324 tercih ettim. Mosfet olarak ise herhangi bir mosfet kullanılabilir. Ben şimdilik elimde bulunan 75NF75 ile devreyi gerçekleştirdim. Yük üzerinde harcanabilecek güç doğrudan tercih edilen mosfetin yapısı ve sayısı ile ilişkili. Kompakt bir yapı hedeflediğim için iki adet (paralel) mosfet kullanmaya karar verdim. Daha yüksek güç ihtiyacı olan durumlarda daha çok sayıda mosfet bir soğutucu blok üzerine dizilerek yine aynı devre üzerinden sürülebilir. Burada dikkat edilmesi gereken konu mosfetlerin her biri kendi gate dirençlerine sahip olmalı.
Lm324 12V ile beslendiği için maksimum çıkış voltajı 12V seviyesine yakın olacaktır. Bu değer Mosfetlerin Vgs voltajı için uygundur. Ancak Lm324 ün çıkış akımı 20ma seviyesindedir. 12V ve 0,02A değeri referans alınarak gate direnci hesaplanır. Tek Mosfet kullanılması durumunda en düşük R=V/I=12/0,02=600R gate direnci kullanılmalıdır. Birden çok mosfet kullanıldığında ise gate dirençleri paralel olarak hesaplanıp 600R değerine ulaşılmalıdır. Yukarıdaki şemada Gate direncleri 1K alırak toplam çıkış direncinin 500R olması sağlanmıştır. Hesaplanın değerin az altında olmasına rağmen sürekli tepe akımları çekilmeyeceği için değer uygun görülmüştür.
Elekronik yük devresinde güç mosfetler üzerinde harcanarak ısıya dönüşmektedir. Bu nedenle etkin bir soğutucu kullanmak gerekli ve bu iş için en ideal olanı eski masaüstü bilgisayarların işlemci soğutucuları. Bu soğutucular 80x80, 100x100 mm bir alana ihtiyaç duymaktadırlar. Bu nedenle pcb nin bu ölçülere uygun olarak 90x90mm olmasına karar verdim. Projenin şeması ve pcb si Kicad 5 programı ile hazırlanmıştır. Kicad tamamen ücretsiz ve 3 Boyutlu gösterim özelliğine sahiptir.
Kolay uygulabilirlik hedefi doğrultusunta tek yüzlü bir pcb hazırladım. Yine tüm malzemelerin Thd tip olmasını hedefliyordum ancak 90x90 mm alana tüm malzeler sığmayınca montajı en kolay olan 2 ve 3 bacaklı malzemeleri Smd olarak tercih ettim. Böylece yukarıda resimde görünen tasarım ortaya çıktı.
Pcb den biraz bahsetmek gerekirse; sistemin kendi beslemesi 12-15V aralığında bir trafodan sağlanacak şekilde tasarlandı. Çok fazla güç tüketimi olmadığı için 10W civarında bir trafo yeterli olacaktır. Trafo yerine dc bir kaynakta doğrudan ac girişine bağlanabilir. (Uyarı: Sisteme bağlanacak yük ile devre beslenemez!) Nano için 7805 opamp için 7812 regülatörleri kullanıldı. Bu regülatörler mosfetler ile aynı soğutucuya bağlanacak. Ancak 78XX lerin bağlantısında izolatör kullanılmalı. Mosfetler ise termal direnci düşük tutmak adına doğrudan bağlanılacak. Devreye sonradan bir eklenti geliştirme yapılmak istenirse düşüncesi ile genel amaçlı 5V ve 12V çıkış bağlantı noktalarına yer verildi. Soğtucu üzerindeki fan için bir bağlantı noktası, soğutucu sıcaklığı için bir sensör (LM35) bağlantı noktası konuldu. Program özelliğine göre düşük sıcaklıklarda fan kapatılabilir. Kontrol için 5 adet buton, 1 adet rotary encoder, 1 adet pot bağlantı noktasına yer verildi. Pin tasarrufu için ekran bağlantısının i2c üzerinden sağlanması hedeflendi ve bu doğrultuda biri ekran için biri de genel amaçlı olmak üzere 2 adet i2c bağlantı noktası konuldu. Rx/Tx pinleri kullanılmayarak genel amaçlı bir rx/tx bağlantı noktası konuldu. Ayrıca nano nun usb bağlantısının kullanılabilir olması düşünüldü. Doğru polarite ile yük bağlantısını gösteren bir onbord led ile istenir ise kutu üzerinde de gösterim sağlamak için bir adet led bağlantı noktası konuldu. Ayrıca yazılım ile kontrol edilecek genel amaçlı bir led bağlantı noktasına daha yer verildi. Sesli ikaz içinde kart üzerine bir adet buzzer yerleştirildi. Pcb üzerinde herkes tarafından uygulanabilirlik düşüncesi ile çok ince yol kullanımından kaçınıldı. Ancak ütü ile pcb hazırlama yöntemi ile özenli bir çalışma gerektirecektir. Bazı noktalarda mecburen 0,40mm yollar kullanıldı...