Lineer Güç Kaynağı Tasarım Notları - III

 Önceki bölümlerde parça parça ortaya çıkardığımız devre bölümlerini birleştirirsek aşağıdaki yapı ortaya çıkacaktır. 

Simülasyon için tıklayınız.

Akım kontrolü gerekmediği durumlar için bu yapı oldukça yeterlidir. Ancak biz akım kontrolü de sağlamak istiyoruz. Akımı kontrol altına almak için ise önce akımı ölçmeliyiz. Akım ölçmek için ise aslında bir şönt direnç üzerinde düşen gerilimi ölçmemiz gerekmektedir. Direncimiz ise çıkışa seri olarak bağlanmış olmalıdır. 

Simülasyon için tıklayınız.

 Yüksek (+) taraftan akım ölçüldüğü durumlarda şönt direnç üzerindeki gerilim bir fark yükselteç opamp bağlantısı ile kullanılır. Direnç feedback noktasından önce konumlandırılarak direnç üzerindeki düşen gerilimin çıkış voltajı regülasyonunu bozması engellenir. Bu yöntemin sıkıntılı tarafı fark alınarak ölçülecek gerilimlerin opamp besleme gerilimini aşmaması gerekliliğidir. Biz kontrolümüzün voltaj seviyesinden bağımsız olmasını istediğimiz için bu yöntem bizim için uygun değil ve bu yöntemi eliyoruz...

Simülasyon için tıklayınız.

  Diğer bir yöntem ise şase tarafından ölçüm almaktır. Bu yöntemde yüksek gerilim sorunu yaşanmaz ancak çıkış gerilimi regülasyonu şönt direnç üzerinde düşen gerilim kadar bozulma gösterir. Biz bu yöntemi kullanacağız ancak çıkış gerilimi regülasyonunun da bozulmamasını sağlamak için birkaç alengirli numaramız olacak...

Simülasyon için tıklayınız.

 Devremiz normalde şaseden (gnd noktasından) referans alarak regülasyon sağlamaktadır. O halde şönt direncimizi devrenin gnd si ile kaynağın gnd si arasına yerleştirir isek çıkış gerilimi regülasyonumuz bozulmaz. Ancak devrenin gnd noktasını yukarı kaydırdığımız ve sıfır kabul ettiğimiz için şönt direnç üzerinde oluşan gerilim ters fazda (negatif) olur. Bu durumda da opampları simetrik besleme zorunluluğu ortaya çıkar ki bu iyi bir regülasyon için katlanmamız gereken bir külfettir. 

Simülasyon için tıklayınız.

   Şönt direnç değerimiz 1 Ohm olduğu durumda her bir amper için direnç üzerinde (ohm kanuna göre) 1V gerilim oluşur. Örneğin 5A için direnç üzerinde 5V gerilim oluştuğunu (düştüğünü) görürüz. Şönt direnç 0.1 Ohm olduğunda ise 5A için 0.5V gerilim ölçülür. Şönt direnç değeri azaldıkça üzerinde düşen gerilimde azalır. Böylece direnç üzerinde harcanan güç de azalmış olur. Bu yönden bakıldığında mümkün olduğu kadar küçük direnç kullanmak faydalıdır. Ancak çok küçük değerlerde gürültü yönünden sakıncalıdır. Bu durumda 30 ila 100 mR arasındaki değerlerin ideal olduğu söylenebilir.

    Şönt direnç değerimiz ne olursa olsun şönt direnç üzerinden okuduğumuz gerilim opamp tarafından faz çevirme sırasında bizim belirlediğimiz bir seviyeye yükseltilir. Bu noktadan sonra işler biraz daha karmaşıklaşıyor. Mümkün olan en basit şekilde aktarmaya çalışacağım... TL431 ile ayarlı bir referansımız vardı. Referans değerini 2.5V ile 10V arasında istediğimiz bir değere ayarlayabiliyorduk. Bu değer tamamen sizin seçiminize bağlı. Ben 4V u referans olarak belirledim. Şimdi sayfanın en üstünde yer alan şema da çıkış voltajını ayarlıyorduk. Opamp girişi 4V olduğu zaman çıkış voltajının 30V olmasını feedback üzerindeki gerilim bölücüler ile sağlıyoruz. Yani voltaj yönünden 4V bizim için 30V çıkış demek. Maksimum çıkış akımı olarak da 5A belirlediğimiz için 4V akım referansı bizim için 5A demek olacaktır. 


Akım ve gerilimi kontrol eden iki ayrı potumuz var. İkiside referans voltajına bağlı olarak gerilim bölücü olarak çalışıyor. Voltaj potunu sonuna kadar açtığımızda voltaj çıkışı 4V oluyor. Buna bağlı olarak çıkış gerilimimiz 30V seviyesine ulaşıyor. Akım potumuz sonuna kadar açıldığında akım çıkışı yine 4V oluyor ve çıkış akımımız 5A ile sınırlanıyor. Bu ilişkilerin hepsini biz belirledik. Şimdi tekrar şönt direcimize dönelim. Devreden 5A aktığı durumda 4V bir sinyal oluşmasını istiyoruz ki akım referansımız ile karşılaştırma sağlayabilelim...

Simülasyon için tıklayınız.

 Yukarıda görüldüğü gibi opamp gerilim bölücü dirençleri ile kazanç sağlayarak devre üzerinden 5A akar ilen 4V seviyesinde bir sinyal elde ettik. Devremizde 2.5A geçiyor olsaydı alacağımız sinyal 2V olacaktı.

Simülasyon için tıklayınız.

 Yukarıdaki bağlantıyı iyi inceleyip anlamaya çalışalım. Akım ayarı 2V seviyesine ayarlanmış ki bu bizim için 2.5A demekti. Sol üst taraftaki akım kaynağı çıkış akımımızı simule ediyor. Çıkıştan 2.2A akar iken şönt üzerinden opamp ile 1.7V okuyoruz. Ölçülen değer ile ayarlanan değeri ikinci bir opamp üzerinden karşılaştırıyoruz. Yazımızın birinci bölümünde opampların nasıl çalıştığını açıklamıştık. yukarıdaki durumda karşılaştırıcı opampın (+) girişi büyük olduğu için çıkış maksimum değeri almış durumda ki bu değer simülasyonda 15V olarak gösterilmektedir. 

Simülasyon için tıklayınız.

 Çıkış akımı set edilen değerin üzerine çıktığı anda karşılaştırıcı opamp çıkışı negatif yönde maksimum değer alır. Yine bu değer simulasyonda -15V olarak gösterilmektedir. Bizim devremizde bu değerler gerçekte +/-10V seviyesindedir. Bu yapı sayesinde ayarlanan (izin verilen) akım ile gerçekte devre çıkışından akan akım ölçülüp karşılaştırılmaktadır. Eğer çıkış akımı izin verilen değerden yüksek ise opamp negatif çıkış vermektedir. Bu negatif sinyal de bize sınırı aştığımızı bildirmektedir. Akım limitlemesi için bir kontrol sinyalimiz var. O halde akımı nasıl kontrol edeceğimize bakalım...

    Ohm kanuna göre direnç sabit iken akım ve gerilim doğru orantılıdır. Biri artar iken diğeri de artar veya biri azalır iken diğeri de azalacaktır. Bu durumda akımı yükselerek limit değerimizi aşıyor ise akımı azaltmak için çıkış geriliminin azaltılması gerekir. Biz bu kontrolün devremiz tarafından otomatik yapılmasını istiyoruz. 

Simülasyon için tıklayınız.

 -15V olan akım limitleme sinyalini bir diyot üzerinden voltaj regülasyonu yapan opampın referans girişine bağlar isek akım limitleme durumunda çıkış voltajı kesilir. Voltaj kesildiği anda çıkış akımı da kesildiği için akım limitleme sinyali +15V olur. Diyot üzerinden bağlantı sağlandığı için pozitif sinyal işlevsizdir. Devre tekrar voltaj referansına göre çıkış voltajı üretmeye başlar. Buna bağlı olarak çıkış akımı tekrar limiti aşar ve akım limitleme sinyali çıkışı tekrar keser. Sistem bu şekilde çalışarak bir kontrol döngüsü oluşturur. Gerçekte sinyaller birden kesilip birden yükselmez. limitleme sırasında opamp çıkışı +15V dan -15V a doğru değişim gösterirken seviye voltaj referansının altına indiği anda akım çıkış voltajı azaldığı için akımda azalmış olur. diğer bir ifade ile akım kontrolü yapan opamp ın çıkışı +/-15 yerine voltaj referansına yakın çok dar bir aralıkta kontrol sağlar. Buna bağlı olarak akım limitlemesi olduğu durumda çıkış voltajı aşağı çekilerek açıkladığımız kontrol döngüsü sayesinde akım regülasyonu gerçekleştirilir. 

  Devre tasarımızda voltaj regülasyonu döngüsünü kontrol eden bir adet opamp, akım değerini okuyan bir adet opamp, akım değerini referans akım değeri ile karşılaştıran bir adet olmak üzere toplam üç adet opamp kullanılmaktadır. Aynı kılıf içerisinde 4 adet opamp barındıran LM324 uygun fiyatı ve rahat temin edilebilirliği nedeni ile tercih ettiğim model olmuştur. 

 




Yorum Gönder

Daha yeni Daha eski