Daha önce gerçekleştirdiğim elektronik yük projesinden istediğim verimi alamadım ve projedeki hatalardan ders çıkartarak yeni bir proje geliştirmeye karar verdim. Önceki projeye buraya tıklayarak ulaşabilirsiniz. Bu projede digital ile analog kısmı ayrı ayrı yapmayı planlıyorum. Bu nedenle proje şimdilik sadece analog bir devre olarak tasarlanacaktır. Projenin başarısına göre dijital bölüm sonradan eklenecektir. Önceki projede mosfetlerin sürülmesi ile ilgili ciddi sıkıntılar vardı. Bu nedenle bu projede mosfetleri sürme konusunda daha tedbirli ilerleyeceğiz.
İlk aşama olarak limitlerimizi belirleyelim. Maksimum 50V giriş gerilimi benim için yeterli olacaktır. Maksimum akım ise 50V için 10A olsun. O halde 500W bir güçten bahsediyoruz. Hassasiyetimiz ise 5mV ve 5mA olsun. Bakalım bu hedefleri başarabilecek miyiz...
500Watt gücü bir kaç tane paralel mosfet üzerinde harcamamız gerekecektir. N kanal mosfet kullanacağız. Elimde 75NF75 olduğu için bu mosfetin özelliklerine bir göz atalım.
 |
| Referans : https://www.st.com/resource/en/datasheet/stb75nf75.pdf |
50V olan çalışma gerilimimiz 75V 'un altında olduğu için voltaj yönünden uygun olduğunu görüyorum. TO-220 kılıf için harcanacak enerji tek bir mosfet için en fazla 300W olarak verilmiş. Biz 500W istiyorduk, O halde bize iki adet mosfet yeterli olur diyebilmek isterdim ama o kadar basit değil... Mosfetin güvenli çalışma bölgesine göz atalım.
 |
| Referans : https://www.st.com/resource/en/datasheet/stb75nf75.pdf |
Yukarıdaki grafiğe göre 50V için mosfet üzerinden 4A geçirmek mümkün görünüyor. Bu durumda mosfet üzerinde 200W harcanacaktır. Bu değer 300W limitinin altında kaldığı için uygundur. Ancak mosfet oldukça fazla ısınacaktır. Isınma durumunu düşünelim ve mosfetimizin ne kadar ısınmasını istediğimize karar verelim. Mosfetin iç sıcaklığı 175C° ye kadar dayanabiliyormuş. 45C° sıcaklık dokunduğumuzda elimizi yakacak bir değerdir. 100C° ise üzerine su damlatsak suyun hemen buharlaşacağı sıcaklıktır. Ben mosfetlerin 80-90C° sıcaklığı aşmamasını istiyorum. O halde sıcaklık güç ilişkisini inceleyelim. Bunun için termal direnç konusunda biraz hakim olmamız gerekiyor. Daha önce bu konuyu incelemiştik. Buraya tıklayarak soğutucu hesaplamalarına ulaşabilirsiniz.
Tablo bize soğutucu kullanılmaz ise mosfet üzerinde harcanacak her 1 Watt için kılıf sıcaklığının 62.5C° artacağını söylüyor. Ortam sıcaklığı 30C° kabul edilir ise 1W harcandığında 30 + 62.5 = 92.5C° sıcaklığa ulaşılır. 500W harcamak istiyorduk. Demek ki soğutucu kullanmadan bunu başarmak için 500 adet mosfet kullanmak gerekir. Elbette böyle bir şey yapmayacağız. Soğutucu kullanmanın önemini vurgulamak istedim...
175C° limit verilmişti. Ortam sıcaklığı ise bu tarz hesaplarda 25C° olarak kabul edilir. Geçek limit tespit etmek için ortam sıcaklığı limit sıcaklıktan çıkartılır. O halde 175-25 = 150C° en fazla ısı üretebiliriz. Mosfetin iç yapısı ile dış kılıfı arasındaki termal direnç 0.5C°/W olarak verilmiş. Yani her bir watt için sıcaklık 0.5C° artar deniyor. O halde sağalama yaparak 150/0.5=300W Mosfet üzerinde harcanabilecek olan maksimum güç hesaplanmış olur.
En iyi fan destekli CPU soğutucularının bile termal direnci 0.5C°/W civarındadır. Termal macun direnci ise 1C°/W cıvarı kabul edilir. Mosfet CPU soğutucusuna bağlanır ise 2C°/W termal direnç oluşur ki bu bize 150 / 2 = 75W güç harcama imkanı sağlar. Bu bize gerçek ve en iyi koşullar altında ulaşılabilir en yüksek değeri gösterir. 300W 'dan 75W ' a dramatik bir düşüş yaşadık...
Kullanacağımız soğutucu ile termal direncinin toplam 5C°/W olacağını öngörelim. Ayrıca 90C° yi geçmemek istiyorduk. O halde 90/5= 18W mosfet başına güç harcayabiliriz. Hesabımızı biraz yuvarlayalım ve mosfet başına 25W kabul edelim. 500W bir yük yapmak için 20 Adet mosfet kullanmak gerekiyor. Bu kadar mosfet kullanma şansım yok. Bu nedenle hedeflerimi küçültmem gerekiyor. İki adet mosfet (50W) ile çalışacak modüler bir yapı oluşturalım ve bunun üzerinden tasarımı şekillendirelim. Nihai olarak 4-8 adet arası mosfet kullanabilirim...
Bu aşamada tasarımsal olarak bir karar vermek gerekiyor. 6 Adet mosfet kullandığımızı 150W gücünde bir yük tasarladığımızı varsayıyorum. 50V maksimum gerilim için 150/50= 3A Maksimum giriş akımı olacaktır. Bu şartlar altında cihazımız Tüm koşullar altında sorunsuz çalışır. Akımı 3A ile sınırlandırır isek 10V giriş gerilimi için akım maksimum 3A olacaktır. Buda bize 30W harcama imkanı sunar. Halbuki mosfetler 10V seviyesinde çok daha yüksek akımlara dayanabilir. Akımı 3A yerine 10A olarak sınırlandırmamız durumunda yük tüm giriş voltajı seviyeleri için 10A kadar akım çekebilir hale gelir. Giriş voltajı 15V u aştığı durumlarda ise cihaza aşırı yüklenmeye başlarız. Normal şartlarda aşırı yüklenen bir cihaz zarar görecektir. Ancak bir sıcaklık limitimizi 90C° gibi nispeten düşük tuttuk. 15V u biraz aştığımızda mosfetlerimiz 90C° biraz üzerine çıkacaktır. Voltajı nekadar fazla yükseltirsek mosfetlerde öngördüğümüzden o kadar fazla ısınacaktır. Sıcaklık limitleri aşıldıktan sonra mosfetler arızalanacaktır anacak ısınma süresi boyunca cihaz çalışmaya devam edecektir. Bu noktada termal bir koruma ile limit aşımında cihazı korumaya alabiliriz. Buna rağmen girişten 50V/10A uygulanır ise termal koruma devreye girmeden önce mosfetler yanabilir. Uç limitler için tam koruma sağlayamayabiliriz. Ancak yine de akım limitini yeniden 10A olarak belirliyorum.
Toparlayalım cihazımız 50V/10A kapasiteli ancak gücü 150W ile sınırlı olacak. 6 Adet mosfet kullanacağız. 10A bizim için belirleyici. Bu noktadan sonra tasarım buna göre şekillenecek. 6Adet mosfet olduğuna göre mosfet başına en fazla 10/6= 1,6A düşecektir. 2A kabul edelim.
2A akım için opamp girişine yaklaşık 200mV gerilim uygulamak gerekirken 5mA için bu değer 500uV seviyesine kadar düşüyor. Bu kadar düşük bir değer sorunlara yol açabilir. Muhtemelen belirli bir değerden daha düşük akımları ayarlayamayız. Akım ölçümü yaptığımız 100mR şönt direnç değerini yükseltmek opampın giriş voltajı aralıklarını yukarı doğru çekecektir. Ancak bu seferde şönt değeri arttığı için şönt üzerindeki güç artacak ve daha büyük bir şönt kullanmak gerekecektir.
Şönt üzerinden gelen gerilimi ikinci bir opamp ile yükselterek bu sorun azaltılabilir.
Yukarıda tek bir opamp kanalı için tasarladığım yapı görülmektedir. İki opamp kullanmanın gürültüsel olarak etkilerini tam olarak kestiremediğim için bu aşamada bu yapıyı pcb üzerinde deneyerek başarımına göre projeyi şekillendirmeye karar verdim. Bir sonraki bölümde deneme pcb si ile devam etmeyi planlıyorum...