Lineer Güç Kaynağı Tasarım Notları - I

  Arduino kontrollü bir güç kaynağı yapmak istiyordum. Yazılım kısmında istediğim hemen hemen her şeyi yapabilmeme rağmen bu yazılım ile kontrol edilecek istediğim kriterlerde bir güç katı bulamadım. Bir sürü güç kaynağı tasarımını inceledim. Nihayetinde kendimi kendi güç katımı tasarlar iken buldum. Tasarımda iki temel kriter benimsedim. Birincisi devre istenir ise dijital, istenir ise analog kullanılabilmeliydi. Bu nedenle akım/gerilim ayarları şaseye (gnd) göre referans almalıydı. Mevcut bir çok güç kaynağı projesi bu koşulu sağlamadığı için hazır projelerin dijital kullanımı zor olacaktır. İkinci tasarım kriterim ise uygun fiyatlı rahat bulunabilir bileşenler ile bir tasarım ortaya çıkarmaktı. Tabi diğer bir temel amaçta bu tasarım kriterleri ile iyi bir regülasyon elde edebilmekti....

Kaynak : https://www.edn.com/control-an-lm317t-with-a-pwm-signal/

  İlk başta lm317 temelli gelişmiş bir devre tasarımı yönüne gittim. Ancak Lm317 nin çıkışının sıfıra inmemesi büyük bir sorundu. Gerilim regülasyonu iyi olsa da mükemmel değildi. Ayrıca çıkış akımı da yetersiz olduğundan çıkış ek  transistörler ile güçlendirilmeliydi. Bu arada Eevblog un güç kaynağı tasarımında kullanılan LT3080 kolay erişilebilir bir parça olsaydı. Belki daha farklı bir tasarım ortaya çıkabilirdi. Lm317 den istediğimi alamadım ancak lm317 den çok şey öğrendim. Bu nedenle lm317 tasarımına saygımdan ayrı bir proje olarak basit bir güç kaynağı daha hazırladım. Lm317 güç kaynağım için buraya tıklaya bilirsiniz. 

    Güç kaynaklarını regüleli ve regülesiz olarak ikiye ayırırsak; Regülesiz güç kaynakları diyot ile doğrultulmuş ve kondansatör ile filtre edilmiş voltaj üretirler. Çok detaya girmek istemiyorum ama bilmemiz gereken can alıcı nokta filtre kondansatörünün çıkış gerilimini 1.41 kat yükselttiğidir. Örneğin 12Vac bir trafo ile regülesiz bir güç kaynağı yapıldığında çıkış voltajı 12 x 1.41 ≌ 16V olacaktır. Çıkışa bir yük bağlandığında 16V aşağıya 11V seviyesine doğru kontrolsüz bir şekilde düşer. Çıkış voltajının formu da oldukça bozularak büyük salınımlar (ripple) oluşur. Regüle devresi ise tüm bu olumsuzlukların önüne geçmeyi hedefler. Çıkış voltajı akımından bağımsız olarak sabit tutulmaya çalışılır. Lm317 devresine tekrar göz atalım. 

    Lm317 nin temel dış devresi oldukça basittir. Ancak bu dış devrenin nasıl çalıştığını anlamış olmak önemlidir. Adjust (ayar) bacağındaki gerilim seviyesi ile çıkış voltajı (Vo) seviyesi ayarlanır. 

    Adj ye uygulanan gerilim gerilim seviyesini değiştirmenin iki koşulu vardır. Birincisi potu çevirmektir. İkincisi ise Vo seviyesinin değişmesidir. İşte işin püf noktası burada... Çıkışa bir yük bağlandığında çıkış voltajı değişme eğilimi gösterir. Buna bağlı olarak adj voltajı da değişir. Adj değişim gösterdiği için Vo çıkışı da hemen Lm317 tarafından yeniden ayarlanır ve bu yeniden ayarlama o kadar hızlı ve yumuşak olur ki çıkış voltajında bir dalgalanma olmaz. Bu bir kapalı çevrim kontrol sistemidir. Çıkışın durumu sürekli kontrol edilerek istenilen düzeyde kalması sağlanır. Çıkıştan adj bacağına gelen sinyale ise feedback (geri besleme) sinyali denir. Benzer bir yapıyı transistörle ile kuralım. 

Simülasyon için tıklanıyınız

Bu devre, Lm317 nin yetenekleri ile elbette kıyaslanamaz ancak transistör ile (zener diyot kullanmadan) regülasyon için basit bir örnek teşkil eder. Çıkış transistörüne bakalım.

Simülasyon için tıklayınız.

 Yukarıdaki bağlantı şeklinde baktığımızda, bir npn transistörün emiter ucundan ancak base ucuna bağladığınız gerilim seviyesinin yaklaşık 0.7V eksiği kadar çıkış alındığını görmekteyiz. Zener diyotlu basit regülasyon devreleri bu şekilde çalışırlar. 

Simülasyon için tıklayınız.

  Zener diyot sabit çıkış gerilimimiz için referans voltajı oluşturur. Güç kaynakları düzgün bir çıkış üretebilmek için bir voltaj referansına ihtiyaç duyar. 

Simülasyon için tıklayınız.

    Referans voltajı gerilim bölücü bir potansiyometre ile kontrol edilerek ayarlı bir referans elde edilebilir. Böylece ayarlı bir çıkış gerilimi oluşturulur. Devre bir miktar regülasyon sağlasa da bu hali ile hala çıkışı tam olarak kontrol edememektedir. Transistorün Base-Emiter ucları üzerinde düşen gerilimi de kontrol altına almak için çıkıştan bir geri besleme sinyali gereklidir. 

Simülasyon için tıklayınız.

    Bu aşamada tasarımda opamp kullanma gerekliliği ortaya çıkıyor. Aslında benimde bu projeyi gerçekleştirme amaçlarımdan biri opamp kullanımı konusunda kendimi geliştirmekti. Bu devrede opampın nasıl bir görev yaptığından biraz bahsedelim. 

 Bir opamp ın (+) girişi, (-) girişi, çıkış ucu ve iki adet besleme gerilimi uçları bulunur. Genelde çizimlerde yukarıda olduğu gibi besleme uçlarına yer verilmez. Opamp doğası gereği girişlerine uygulanan sinyalleri eşitlemeye çalışır. (+) girişindeki sinyal büyük ise çıkışını pozitif yönde, (-) girişindeki sinyal büyük ise çıkışını negatif yönde arttırır. Giriş sinyallerinin seviyesi eşit ise çıkış sabit olur ve opamp çıkışı değiştirmeye çalışmaz.  Başka bir ifade ile opamp her zaman giriş sinyallerini eşitlemeye çalışır.

  Yukarıdaki resimde solda (+) girişe 5V gerilim uygulanmış ve çıkış ucundan (-) girişe geri besleme bağlantısı yapılmıştır. ilk anda (-) girişindeki herhangi bir gerilim (sıfır gibi düşünülebilir) olmadığından (+) giriş daha yüksektir. Opamp çıkışını hızlıca yükseltir. Opamp çıkışı yükseldikçe (-) girişindeki gerilimde yükselir. Opamp çıkışı 5V 'a ulaştığında (-) girişte 5V olmuştur. Dolayısı ile (+) ve (-) girişteki gerilimler eşittir. Opamp çıkışını daha da arttır ise (-) girişteki gerilim yüksek olduğu için opamp çıkış gerilimini aşağı çekmek ister. Bu nedenle opamp çıkış gerilimini daha fazla arttırmaz ve 5v da sabit tutar. Resimde sağ tarafa bakacak olursak (+) girişe -5V uygunlandığı görülür. İlk anda (-) giriş sıfırdır ve (+) girişten daha büyüktür. Bu nedenle opamp çıkışını negatif yönde artırarak -5Voltta dengeye gelir. Görüldüğü üzere opampın (+) girişine pozitif sinyal uygulanır diye bir kural yoktur. Hem (+) hemde (-) girişlere pozitif ve negatif sinyaller uygulanabilir. Aslında (+) giriş faz çevirmeyen, (-) giriş ise faz çeviren opamp girişlerdir. 

 Giriş sinyalinde faz (ters) çevirme isteniyor ise sinyal (-) girişe uygulanır. Bir başka önemli detay ise opmaplar da geri besleme her zaman (-) girişe bağlanır. Yukarıdaki devrede (+) giriş gnd ye bağlıdır ve dolayısı ile sıfırdır. (-) giriş ise 5V dur. (-) giriş büyük olduğu için opamp çıkışını negatif yönde arttırır. Çıkış -5V e geldiğinde 10K dirençler ile oluşturulmuş gerilim bölücünün orta noktasındaki yani opamp ın (-) girişindeki gerilim 0V olur. Dolayısı ile (+) ve (-) girişteki gerilimler eşitlenmiş olduğundan opamp -5V çıkış ile dengeye oturur. 

  (+) giriş kullanıldığında da geri besleme üzerinde gerilim bölücü kullanılabilir. Gerilim bölücü ile de çıkış gerilimi seviyesi istenildiği gibi ayarlanabilir. Yukarıda çıkış seviyesi giriş sinyaline göre iki kat yükseltilmiştir. Opamp adındaki (işlemsel yükselteç) yükseltici ifadesi de buradan gelmektedir. Diğer bir önemli konu ise Opamplar giriş uçlarından çok az akım çekerler buna karşın çıkış ucundan nispeten yüksek akım çekilmesine izin verirler. Opamp çıkışından çekilen akım çıkış sinyalini etkilemez. Opamp giriş çıkış bağlantıları üzerinde daha birçok cambazlıklar yapılarak opamplar ile bir çok farklı kullanım durumu oluşturulur. Ayrıca dikkatinizi çekmek istiyorum. Yukarıdaki gerilim bölücü dirençler lm317 dış devresi ile aynı değil mi...

 Opamp ın çıkış voltajı ne kadar yüksek olmalı veya en fazla ne kadar olur konusu da  açıklamaya çalışayım. Öncelikle opamp ın negatif voltaj ile işlem yapması isteniyor ise mutlaka opamp beslemesi +/- şeklinde (simetrik) olmalıdır. Negatif sinyal kullanılmayacak ise negatif besleme girişi Gnd ye bağlanabilir. Pozitif besleme girişi pozitif ray, negatif besleme girişi negatif ray olarak ifade edilir. Çıkış voltajının seviyesi bu iki ray arasında sınırlıdır ve genellikle rayların seviyesine eşit olamaz. Kabaca hem pozitif hem de negatif taraftan 1V civarında bir marj vardır. Ancak bazı opamp çeşitleri rail to rail özelliğine sahiptir ve çıkış voltajları ray voltajına eşit olabilir. Kullanılan opampın çıkış seviyesi hakkında en iyi referans üreticinin datasheet dosyasını incelemek olacaktır. Besleme voltajları ise genelde +/-15V seviyesindedir. Opamplar hakkında yeterince fikir sahibi olduğumuza göre tasarımımıza geri dönelim ve tekrar inceleyelim. 

Simülasyon için tıklayınız.

  Ayarlı bir referans gerilimimiz var ve opamp ın (+) girişine bağlı. (-) girişe geri besleme sinyalimiz bağlı ve bu sinyal gerilim bölücü üzerinden gelerek iki kat kazanç sağlıyor. İlk durumda (+) girişte 4.5V var ve (+) giriş daha yüksek olduğu için opamp çıkış voltajını yükseltiyor. Çıkış sinyali 9.6V olduğunda geri besleme gerilim bölücü direnci bağlantı noktasında (aslında çıkışta) 9V gerilim seviyesi oluşuyor. Gerilim bölücü ile 9V bölünerek 4.5V geri besleme sinyali gönderiliyor ve opamp dengeye oturuyor. Çıkış gerilimi düşme eğilimi gösterir ise geri besleme voltajı da düşeceği için opamp hemen çıkışı yükselterek dengeyi tekrar sağlıyor. Bu tasarım bizim temelimizi oluşturacaktır. 

   

 

Simülasyon için tıklayınız.

 Yukarıdaki resimde solda zener çalışma bölgesi görülmektedir. Grafikten anlaşılacağı üzere zener akımı üzerindeki değişiklik zener voltajı üzerinde azda olsa bir etkiye sahiptir. Zener besleme gerilimimiz pozitif baraya (devrenin girişine) bağlıdır ve çıkıştan çekilen akıma göre bu hat üzerindeki voltaj seviyesi değişkenlik gösterir. Dolayısı ile referans voltajımız istediğimiz kadar stabil değildir. 

Simülasyon için tıklayınız.

 Daha stabil bir referans elde etmek için bir voltaj referans entegeresi kullanılabilir. Ben tercihimi çok yaygın ve ucuz olması nedeni ile TL431 den yana kullandım. Yukarıdaki resime ait simülasyona bakıldığında TL431 in zener diyottan çok daha stabil bir referans sağladığını görüyoruz. 

Simülasyon için tıklayınız.

  Yukarıda Voltaj referansı bölümümüzün son hali yer almaktadır. "ARef" ile adlandırdığımız voltaj referansı sinyalimiz 2.5V ile 10V arasında ayarlanabilir. 

  Bu bölümde gereklilikleri ve temel prensipleri inceleyerek tasarımımız şekillendirmeye başladık. Sonraki bölümde akım gerilim ilişkilerine göre tasarımımızı geliştirmeye devam edeceğiz.