Bugünkü çalışmamızda çok kullanışlı olan ve piyasada alınabilecek en ucuz fiyatlı LM2596 DC DC Adım aşağı (Buck) voltaj regülatörüne akım kontrolü eklemeyi göreceğiz. Bu hazır kartlar üzerinde çıkış gerilimi zaten ayarlanabiliyor. Regüle edilmiş (doğrultulmuş, sabit, sıçrama-titreme (ripple) olmayan) gerilimi düşürmek için kullanılan yöntemlerden birisi anahtarlama yöntemi (switching) dir. Bu kartlar da bu yöntemle çalışıyor. Bir de Lineer (linear) dönüştürücüler var ki önce biraz onlardan bahsedelim.
Lineer olan dönüştürücülere örnek olarak pozitif çıkışlar için 78xx (7805,07812,..) serisi, negatif çıkışlar için de 79xx serisi kullanılır. Bir de 78xx serisinin ayarlı hali var LM317 gibi. Bu dönüştürücülerde giriş akımı ile çıkış akımı eşittir. Bu sebeple giriş ve çıkış gerilim farkı, aynı zamanda giriş çıkış güç farkına (P = I.V) sebep olur. Bu güç kaybı da devrede ısı olarak ortaya çıkar ki bu da istenen bir durum değildir. Kayıptır. Bu kayıp da bu tür dönüştürücülerin verimliliklerinin düşük olmasına neden olur. Örneğin aşağıdaki devrede giriş 12 volt iken çıkış 3 volta ayarlanırsa devrenin verimi en iyi ihtimalle (kayıpları da düşünürsek) %25 olur. Ve enerjimizin %75’ini ısıyla kaybetmiş oluruz.
Anahtarlamalı tip dönüştürücülerde ise verim çok daha yüksektir. Çünkü çıkış gerilimi düşürülürken çıkış akımı yükseltilir. Bunu yapabilmelerinin nedeni devrede kullanılan bobin (inductor) dir. Doğru akımda düz tel gibi davranan bobin, aslında kondansatör gibi bir enerji depolayıcıdır. Aşağıdaki basit düzeneğe bir göz atalım:
S1 anahtarı kapatıldığında L1 üzerinden geçen gerilim, kondansatörün dolmasını ve R direnci üzerinden çıkış akımının geçmesini sağlar. Ancak şunu söylemeliyiz; anahtarı açar açmaz bobin üzerinden akım anında geçmez. Bobinler üzerlerindeki gerilimi oluşturacak düzene karşı gelirler. Yani ilk başta akım yavaş yavaş yükselir. Anahtarı kapattığımızda da bobin üzerinden akımı keseriz. ama o buna da karşı çıkar. Ve kendisi bir kaynakmış gibi davranarak bir süre daha akım verir (biraz kondansatörün dolma/boşalmasına benzer). Bu akım da yine R yükü üzerinden akıp, diyot (D1) üzerinden bobinin diğer ucuna ulaşarak devreyi tamamalar. Tekrar butona basıldığında yukarıdaki işlem baştan tekrar eder. Dolayısıyla yük (R) üzerinden hem kaynaktan gelen akım, hem de bobin tarafından üretilen akım olduğu için çıkış akımı giriş akımından yüksektir. O yüzden ufacık aletlerde 2A, 3A gibi akımlara ulaşabiliriz. Bu butona da parmakla basmak yerine sürekli açıp kapatan (NE555 ile üretilen kare dalga düşünün) bir transistör (genelde MOSFET) düzeneği eklenir. Çıkış gerilimi de; giriş geriliminin (açıp kapanan anahtarın) görev döngüsü (duty cycle) ile çarpımı ile bulunur. Bu tür dönüştürücülerde ısı kaybı da daha düşük olduğundan verimlilikleri de daha yüksektir.
Gelelim bizim devremize:
Onsemi veri kağıdına göre bizim devremiz üç aşağı beş yukarı şekildeki gibi. Anahtarlama işi LM2596 ‘nın içinde gerçekleşiyor. İlgilenen arkadaşlar veri kağıdındaki iç yapıyı da inceleyebilirler. Burada bizim projemizde işe yarayan kısım entegrenin ‘Feedback’ (geri besleme) bacağı. bu bacak çıkış gerilimine bağlı. Çıkış geriliminin kararlı kalmasını sağlıyor. Zira çıkışa bağladığınız yük akım çekmeye başladığında çıkış geriliminde düşme eğilimi görülür. İşte geri besleme bacağı bu düşüşü hisseder ve gerilimi tekrar olması gereken değere çıkartır. Bu bacağın bu yeteneği çıkışa bağlanan bir gerilim bölücü ve bu bölücüdeki dirençlerin birin ayarlı yapmak çıkış gerilimini bu ayarlı direnç ile ayarlayabilmek anlamına geliyor. Modül üzerindeki mavi çok turlu trimpot da bu zaten. Be geri besleme bacağının gerilimini değiştirerek çıkış gerilimini değiştirmek insanlara ilham verici olmuş. Acaba “çıkış akımını bir şekilde gerilime dönüştürürsek, bu gerilimi de kontrol edip yine geri besleme bacağına bağlarsak, akımı kontrol edebilir miyiz?” Bu sorunun cevabı daha önceki projelerimizde (Arduino ile DC akım ölçme, ICL7107 ile Ampermetre) de kullandığımız yöntem. Devreyi etkilemeyecek kadar küçük bir direnci çıkışa seri bağlamak. Üzerindeki gerilimi almak ve Ohm kanunundan (Akım = Gerilim/ Direnç) bu değeri akım gibi kullanmak. Neticede direncin değerini biliyoruz ve bu sabit bir değer. Burada yine sıkıntı direncin olabildiğince küçük seçilmesi, üzerinde ölçtüğümüz gerilim değerinin de çok küçük olması. Bunu aşmak için de işlemsel yükselteç kullanarak bu değeri istediğimiz kadar yükseltebiliriz. Bu direnci Yükten sonra – girişe girmeden önce bağlamalıyız. Bunu yapan iki devre buldum.
Birinci devre LM2576 entegresini kullanmış. Bu bizim kullandığımız değil. ama geri besleme bacağı olan aynı aileden bir entegre. Bu mantığı kullanan tüm dönüştürücü entegrelerde kullanılabilir.
Bu devreyi kuranlar tüm devreyi baştan tasarlamışlar ve gerilim ve akım ayarlı bir dönüştürücü yapılmış. Şant direnci olarak 4 tane 0,5 R direnç paralel bağlanarak hem daha düşük bir direnç (0.125R) oluşturulmuş hem de bu sayede daha düşük güçlü dirençler kullanılarak halledilmiş. Bu dirençler üzerindeki gerilim (sonradan eklediğim kırmızı hat ile) bir işlemsel yükseltecin (LM358) evirmeyen girişine bağlanmış. R7 direnci ile kazanç artırlarak bir diyot (1N4148) ile geri besleme bacağına bağlanmış. Bu devre kuruldu. Ancak test düzeneğinde akım sınırlaması 100 mA seviyesinden daha aşığı inmedi. Bu arada benim devre düzeneğim kabaca aşağıdaki gibi oldu. Şant direnci olarak 0.1 R 5W değerinde taş direnç kullandım. Sadece LM358, 1N4148 ve birkaç direnç ve kondansatörle düzenek oluşturuldu.
Bulduğum ikinci devre yine benzer şekilde yapılmış. Bu arada ikinci devre YouTube videolarını takip ettiğim ve çok şey öğrendiğim GreatScott diye bir arkadaş, tavsiye ederim.
Bu devrede 0.1R şant direnç üzerindeki gerilim (R2 ve R3 ile yapılan gerilim bölücü üzerinden) alınmış yine. Burada kullanılan işlemsel yükselteç MCP602. Ve 3.3 volt ile besleme yapılmış. Çünkü be devreyi LM2587 (buck-boost) adım aşağı ve adım yukarı çalışan dönüştürücü üzerinde yapmış. ‘Feedback’ bacağı olduğuna göre her şey aynı. Bu arkadaş daha önce başka bir projede de (ICL8038’e genlik kontrolü eklerken) yapmıştı. Nasıl olsa aynı kılıfta çift yükselteç olduğuna göre ilk yükselteçte R4 ve R5 dirençleri ile tam yükseltme (buradaki değerlere göre yükseltme oranı(kazanç)= 100k / 3.3k + 1) yapıp, ikinci yükselteçte de bunu TM1 potu ile ayarlı hale getiriyor. Sistem de fena çalışmıyor.
Burada kullanılan işlemsel yükselteç yerine ben düzeneğimde çok daha ucuz olan LM358 kullandım. Aynı şekilde diyot da 1N4148 kullanıldı. Bu değerlerle kullandığım düzenekte akım sınırlamasını 30mA seviyelerine kadar indirebildim. bu devre daha kararlı diyebilirim.
Şu anda üzerinde çalıştığım proje LM2596 modülü, ve bir önceki projede yaptığımız ICL7107 voltmetre ve ampermetresi ile; akım ve gerilim göstergesi olan, çıkış akım ve geriliminin kontrol edilebildiği 3A akım çekilebilen bir güç kaynağı yapmak. Giriş güç kaynağı olarak da bit pazarından aldığım 24V gerilim veren bir LED panel güç kaynağı olacak.
Bu projenin de sonuna geldik. Sağlıcakla kalın…
Kaynaklar:
https://www.onsemi.com/pub/Collateral/LM2596-D.PDF
https://www.instructables.com/Adding-a-Current-Limit-Feature-to-a-BuckBoost-Conv/
Eğitim Şart 