Konuya girmeden önce DC-DC dönüştürücüler hakkında biraz bilgi vermek istedim.
DC-DC Dönüştürücüler için günümüzde kullanılabilecek 2 farklı yöntem mevcut.
DC-DC Dönüştürücüler için günümüzde kullanılabilecek 2 farklı yöntem mevcut.
Yöntemlerden ilki "Lineer Dönüştürücüler"dir. Bu yöntem uzun yıllardır kullanılan bir yöntem olup tasarımlarının kolaylığı ve kararlı çıkışları nedeniyle günümüzde hassas uygulamalarda görebileceğimiz bir yöntemdir. Ancak ısıl kayıpları nedeniyle verimliliklerinin düşük olması bu sistemleri ikinci yöntemimiz olan "Anahtarlamalı Sistemlerin" (SMPS) gerisine düşürmüştür.
Yöntemlerden ikincisi ise günümüzde farkında olarak ya da olmayarak kullandığımız hemen hemen bütün elektronik cihazların beslemesinde ya da harici olarak cihazlarla birlikte bizlere sunulan adaptörlerin içerisinde bulunan "Anahtarlamalı Sistemler" (SMPS) dir. Bu sistemlerin yüksek frekanslarda çalışıyor olması nedeniyle filtreleme işlemleri ve tasarım süreçleri daha zordur. Ancak yüksek verimlilikleri, küçük boyutları ve ısıl kayıplarının daha düşük olması DC-DC Dönüştürücüler içerisinde bu sistemi en çok kullanılan sistem haline getirmiştir.
Temel bilgilerden sonra artık konuya giriş yapmak istiyorum. Bir elektronik kart/cihazın çalıştırılabilmesi için bir güce ihtiyaç vardır. Bu güç temel olarak şebekeden (220V/50Hz) özel olarak ihtiyaca uygun tasarlanmış devrelerle ya da piyasadan yine ihtiyaçlar göz önüne alınarak satın alınabilecek adaptörlerle sağlanmaktadır. Ancak unutulmamalıdır ki elektronik devrelerde genellikle tek bir gerilimin kullanılması pek mümkün değildir. Bu ihtiyaç basitçe açıklanacak olursa; bir elektronik devrenin kontrol birimi ve bu birimin etrafına dizilmiş çevresel birimlerin, sensörlerin, rölelerin vb. komponentlerin çalışma gerilimlerinin farklı olmasından doğmaktadır.
İşte tam bu noktada yardımımıza DC-DC güç dönüştürücü (DC-DC Power Converter) devreleri koşmaktadır. Genellikle sistemler talep edilen en yüksek gerilim değeriyle beslenip, gerekli olan diğer gerilimler ana beslemeden düşük olacağından Buck Konverterler diğer adıyla Step-Down Konverterler ya da Lineer Regülatörler ile sağlanmaktadır. Piyasada bulabileceğimiz farklı güç değerlerinde onlarca entegre mevcuttur.
Bu yazımda ayarlanabilir çıkış voltajlı 3A SMPS (LM2596) ve lineer (LM350) konverterdan ve bunların üzerindeki tecrübelerimden bahsedeceğim. Bu devrelerin ikisinin de çıkış voltajlarını 5 - 5.1 Volt olarak ayarladım. Devreler zaten hazır bir şekilde datasheetlerinde verilmiş olduğundan sadece birkaç ekleme ve düzenleme yaptım sizlerde kendi sonuçlarınıza göre bu düzenlemeleri yapabilirsiniz. Devrelerin datasheet dosyalarının linklerini ve yaptığım tasarımları aşağıda paylaşıyorum.
Datasheetlere göz attığınızda bu 2 entegrenin de 3 amperlik bir yük altında çalışabileceğini düşünüyoruz. Ancak devreler gerçeklendiğinde pek de öyle olmuyor. Entegreler 1.5 amperden sonra ciddi anlamda ısınıyor ve 2 ampere doğru da termal kapamaya (Thermal Shut-Down) giriyor. Şimdi temel olarak bu iki farklı metodu kullanan entegrelerin çalışma prensiplerinden bahsedecek olursak aslında temel problemin kaynağına da inmiş olacağız.
Öncelikle, lineer bir regülatörün giriş voltajı çıkış voltajına ne kadar yakın olursa (kullanılabilecek minimum gerilim değerleri entegrelerin datasheetlerinde belirtilmektedir) regülatörün üzerindeki ısı o kadar az olacak. Bunu basitçe açıklayacak olursak 5 Volt çıkış almak istediğiniz bir lineer regülatörü 7 ile 8 volt arasında beslemek size maksimum ısıl kazancı sağlayacaktır. Bunun nedeni lineer regülatörlerin içerisindeki çıkış akımını sağlayan transistördür. Kabaca bir hesap yapacak olursak; 5V - 1A çıkış 5W' lık bir güce eşittir. Burada çıkış transistörünün besleme geriliminin sizin entegrenizin besleme gerilimi olduğunu düşünürseniz, 12 volt ile beslediğinizde (12 - 5)V' tan 7 V ve 1 A çıkış için de 7 W kaybınız olacaktır. Öte yandan 5W çıkış için devrenizi 7V ile beslerseniz kaybınız (7-5)V ve 1A için 2 W olacaktır. Bu kayıp lineer regülatörlerde direkt ısıya dönmektedir. Her ne kadar burada bahsettiğim lineer regülatör LM350 için girişinde bir 6.3 V zener diyot kullanılmışsa da unutulmamalıdır ki entegrelerin yarı iletken tasarımları belirli bir alan içerisinde yapılmış olup ısıl kayıplara da pek duyarlı olamıyorlar.
Kullandığım diğer regülatör LM2596 anahtarlamalı bir regülatör olup çalışma prensibi lineer regülatörlere göre daha farklıdır. Burada bahsedilmesi gereken ilk durum lineer regülatörlerin giriş ve çıkış gerilim değerlerinin birbirine yakın olması gerekirken anahtarlamalı regülatörlerde bu giriş ve çıkış gerilimi arasındaki farkı arttırmak entegrenin çalışmasını rahatlatmaktadır. Bunu temel olarak açıklamak gerekirse; devrenin giriş ve çıkış gücünü birbirine eşit düşünmeliyiz. Burada yine 5W' lık bir güçten bahsedelim. 5 volt 1 amper bir çıkış için devrenin girişini 10 volta yükselttiğinizde girişten çekilecek akım da 0.5 ampere düşecektir. Böylelikle devrenin giriş akımını düşürerek ısıl kayıpları aşağı çekmiş olacaksınız. Burada gerilimin yükselmesiyle birlikte ısının düşmesinin sebebi de entegrenin yongasında bulunan güç transistörlerinin anahtarlama periyotlarıdır (Ton ve Toff). Devrenin giriş gerilimini ne kadar yükseltirseniz entegrenin içerisinde oluşacak kare dalganın Ton ve Toff süresini de o kadar kısaltmış olursunuz. Diğer bir deyişle entegrenin Ton ve Toff sürelerinin uzaması direkt ısıya dönüşen bir kayıptır. Transistör üzerinde yaşanan bu kayıpların nedeni de entegre yongasının içerisinde kullanılan transistörlerin akımlarının sınırılı ve iç dirençlerinin yüksek olmasıyla alakalıdır.
Sonuç olarak bir DC-DC regülatör devresi tasarımı yapılırken sistem ne olursa olsun devrenin çıkış gücüne bağlı olarak giriş gerilim ve akımları göz önünde bulundurulmalıdır. Bunun yanı sıra eğer devrenizin çıkışından 1.5 amperin üzerinde bir akım çekilecekse tasarıma uygun bir soğutucu düşünülmeli ve testleri yapılmalıdır. Bu bilgilerin yanı sıra tasarlanacak en verimli devre bir kontrolör yardımıyla harici olarak sürülecek bir mosfet ve harici diyotlarla yapılacak bir tasarımdır. Bu tasarımda da akım değeri yüksek ve iç direnci düşük bir mosfet kullanılması halinde ısıl kayıplar minimuma indirilecektir.
Burada datasheetleri verilen entegrelerin 2 amperden sonraki akım değerlerinde çalışırken hayli zorlandığı gözlemlenmiştir. Uygun olan kullanımları ise genellikle 1.5 - 2 amperi geçmeyecek akımlarda kullanılması ve olası durumlara karşı anlık yükselmelerin oluşabileceği sistem tasarımları için ideal entegreler olduğunu söylemek de yanlış olmayacaktır.
Burada datasheetleri verilen entegrelerin 2 amperden sonraki akım değerlerinde çalışırken hayli zorlandığı gözlemlenmiştir. Uygun olan kullanımları ise genellikle 1.5 - 2 amperi geçmeyecek akımlarda kullanılması ve olası durumlara karşı anlık yükselmelerin oluşabileceği sistem tasarımları için ideal entegreler olduğunu söylemek de yanlış olmayacaktır.
Sign up here with your email
ConversionConversion EmoticonEmoticon