Güç kaynağı tasarlayalım

[Endorfin35+]

Bu konu birkac gundur kafamda.. Bir guc kaynagi yapmak istiyorum. Her turlu talep ve oneriyi tartismaya, her turlu katkiyi kabullenmeye hazirim.

Birkac tasarim anafikrim var.

1. Guvenilir ancak Mumkun oldugu kadar basit bir yapisi olmali. Elektronige gonul vermis herkezin imal edebilecegi dusunulmeli. İmal edene temel bir seyler ogretebilmeli.

2. Piyasada rahatca temin ediecek malzemelerden olusmali. Guvenilirlikle birlikte ez maliyet ile bir araya gelmeli. En azindan piyasada bulanan mudaillerinden hesapli olmali.

3. Cezbedici ek ozellikleri olmali. İnsanlar yapmak, kullanmak istemeli. Tabiki acik kaynak olmali.

Konu tamamen tartismaya aciktir.

Benim ilk aklima gelenler:

Maks degerler asimetrik 30V 10A. Simetrik icin ayni yapidan birtane daha opsiyon...

Lineer yapi. Mumkunse lm317. Popiler ve ucuz oldugu icin arduino. Tabiki giris ve cikis koruma. Lcd ekran. Ayarli Sabit akim, sabit voltaj. Tasarim elverirse digital olarak ayarlama ve ayarlari hafizaya set etme geri cagirma. Olcme. Bilgiyar ile iletisim.

Muhtelif pillerin sarj ve dearj islemleri. Tasarimin elverdigi olcude kare dalga, Sinus ve ucgen. (Pozitif bolgede mumkun olur. Belki negatif tartisilir).

Tabi maliyet sismeye baslarsa atacaz bazi ozellikleri...

 

[taydin]

Eğer sadece kısa devre koruması yeterli ise, LM317 ile çok basit ama çok iyi regülasyon performansına sahip güç kaynağı yapılabilir. Devre sadece tam dalga doğrultucu, LM317 (ve akım gereksinimine göre paralel bağlı transistörler), ve kısa devre korum devresinden oluşur.

Ama akım sınırlama gerekiyorsa, o zaman sadece LM317 yeterli olmaz. İlave bir regülasyon devresinin akım ölçümü yapıp LM317 yi kontrol etmesi lazım.

Aşağıdaki konuda piyasada bulunan çok güzel 30V 3A güç kaynağı ile ilgili bilgi var. Aslında aldım bunlardan ama daha kurmaya vaktim olmadı. Bu hazır güç kaynağını kullanmayıp illa kendin mi sıfırdan tasarım yapmak istiyorsun?

0-30V, 0-3A laboratuvar güç kaynağı

Aşağıda bulunan ve birçok sitede demonte olarak satılan güç kaynağı kitini alıp montajını yapmak, bu montajı da kaydedip youtube'a yüklemek istiyordum: https://www.f1depo.com/urun/demonte-guc-kaynagi-devresi-0-30v-2ma-3a-diy-regule-karti Ama artık bu tip devrelerle beraber şeması verilmiyor...

mekatronik.org

 

[Endorfin35+]

Aşağıdaki konuda piyasada bulunan çok güzel 30V 3A güç kaynağı ile ilgili bilgi var. Aslında aldım bunlardan ama daha kurmaya vaktim olmadı. Bu hazır güç kaynağını kullanmayıp illa kendin mi sıfırdan tasarım yapmak istiyorsun?

Evet kendim yapmak istiyorum.

Eğer sadece kısa devre koruması yeterli ise, LM317 ile çok basit ama çok iyi regülasyon performansına sahip güç kaynağı yapılabilir. Devre sadece tam dalga doğrultucu, LM317 (ve akım gereksinimine göre paralel bağlı transistörler), ve kısa devre korum devresinden oluşur.

Ama akım sınırlama gerekiyorsa, o zaman sadece LM317 yeterli olmaz. İlave bir regülasyon devresinin akım ölçümü yapıp LM317 yi kontrol etmesi lazım.

Lm317 olması şart değil ancak yaygın ve ucuz olması tercih sebebi. Bir de nihayetinde proje bitince bu kendini geliştirmek isteyen birinin ya bende öğrencilikten kalma bir lm317 var çekmecede. elimde arduinoda var bende şunu yapayım diyebilmesi. cezbedici birşeyler ortaya çıkacağını düşünüyorum.

Dediğin gibi Akım sınırlama için LM317 yi kontrol edeceğiz. Opamplar konusunda tecrübem az, ancak bende bu sayedece biraz konuyu pişireceğimi düşünüyorum. Şöyle birşey var kafamda; tabirleri de yanlış kullanmak istemiyorum ama anlatmaya çalışayım. Şönt direnç üzerinden akım değerini alacağım. akım referans değeri ile karşılaştırarak izin verilen akım sinyalini elde edeceğim. voltaj referans sinyali ile akım sinyalini karşılaştırarak (böyle demek doğrumu emin değilim) lm317 yi kontrol edeceğim. tabi burda yaklaşık 30v çıkış verecek opamp lazım. Biraz birşeyler karaladım biraz daha belirginleşince paylaşırım.

 

[Endorfin35+]

Projeye biraz kafa yorma fırsatı buldum...

LM317 Kullanmayı ve 30V çıkış üretmeyi planladığım için giriş gerilimin ne olması gerektiği ile başlayalım. Giriş gerilimi hedeflenen çıkış geriliminden 3V yüksek ve en fazla 40V olmalı.

220/24V trafo kullanımında giriş gerilimine göre çıkış gerilimi değişiyor. Şebeke geriliminin 240 Volt lara kadar çıktığını düşünerek voltajları hesapladığımda;

205Vac giriş ile 30.5Vdc,
220Vac ile 32.5Vdc,
235Vac ile 35Vdc,
250Vac ile 37Vdc seviyelerinde dalgalanmalar yaşanıyor. 40V altında kaldığımız için sorun yok gibi görünüyor. Trafo kullanımına alternatif olarak 36V smps kullanılabilir. Örneğin LRS-350-36.

Beslemeye karar verdikten sonra lm317 yapılarına bir göz attım. Benim de daha önce yaptığım proje dahil olmak üzere internetteki şemaların (datasheet te olanlar hariç) büyük bir bölümü göreceli olarak hatalı.

Yukarıdaki şemada oluşan hata, beyz-emiter arasındaki iç dirençten dolayı oluşan ve akım yükseldikçe artan voltaj düşümünden entegrenin haberi yok. Regülasyonda hafif sapma oluyor. Lm317 nin çıkış (out) bacağı alıcıya/yüke kadar arada başka bir eleman olmadan ulaşmalı...

Yukarıdaki doğru bir kullanım. Devreden yüksek akım çekilebiliyor ve regulasyon bozulmuyor. Ancak potansiyometre yerine MCU dan gelen 0-5v analog sinyal ile ayar nasıl yapılır sorusuna aşağıdaki şema cevap veriyor.

Şimdi biraz biraz bir şeyler şekilleniyor. Ancak akım kontrolü de sağlamak istiyorum. Kontrol etmek için önce okumak gerekli. Nasıl ve nereden okumak gerekli bakıyoruz. Özel bir sensör kullanmak yerine sisteme seri bağlı bir direnç üzerinde düşen gerilimden akım okumak en kolay ve ucuz yöntem.

Yükün gnd dönüşü ile güç kaynağının gnd si arasında seri bağlanan düşük omajlı bir direnç ile akım değeri okunabilir. Bu yöntem çok sık kullanılıyor ancak yine burada bir regulasyon hatası var. LM317 direnç üzerinde düşen gerilimi kompanze etmiyor. O halde Lm317 nin çıkışının gerisinde bir noktadan akım okumak gerekli. En uygun yerin aşağıdaki şemada görünen R4 üzerinden olduğuna karar verdim.

Yukardaki şema projenin 5V bölümünü göstermekte. Alternatif olarak hazır ve çok ucuz olan lm2596 dc dc modüllerde kullanılabilir ancak step down regulatör oldukları için ben kullanmak istemedim. Normalde çok fazla akım çekmeyeceğim ve soğutucum sağlam olacağı için 7805 kullanırdım ancak 7805 in maks. giriş gerilimini aştığımız için 5V karşılamak üzere bir tane daha lm317 kullanmaya karar verdim. Hazır devreyi kurmuşken çıkış akımı transistor ile 5 amper seviyesine yükselttim. Böylece dışarıya da sabit bit 5V çıkışı eklemeyi planlıyorum.

Devredeki gerilimin 37V civarına kadar yükselebiliyor olması opamp kullanımında da beni biraz zora soktu. 44V kadar çalışan bir opamp buldum. Aslında analog kısmın tasarımı komple bitti ancak devreyi kurarken ne gibi sorunlar ile karşılaşacağımızı göreceğiz.

Fırsat buldukça aşamaları paylaşacağım.

 

[taydin]

Current sense'i şaseye göre alınması optimum olmaz gibime geliyor. Bu şelikde 5V CUR SEN, VO çıkış voltajına da bağlı olacak. Onun yerine bir fark yükselteç ile doğrudan R4 üzerindeki voltajı okumayı değerlendirebilirsin. Tamamen bu amaç için optimize edilmiş ve çok yüksek voltajlarla çalışabilen "high side current sensing" entegreleri var.

 

[taydin]

Bir de özellikle düşük voltajlarda yüksek akım gereken uygulamalar için, seri transistördeki ısı kaybını azaltmak için, çok sargılı sekonder trafo kullanabilirsin. Ve bir röle ile otomatik olarak voltaja göre uygun sekonder seçersin. Mesela 5V çıkış alırken 8 VAC sekondere geçersin.

 

[Endorfin35+]

Current sense'i şaseye göre alınması optimum olmaz gibime geliyor. Bu şelikde 5V CUR SEN, VO çıkış voltajına da bağlı olacak. Onun yerine bir fark yükselteç ile doğrudan R4 üzerindeki voltajı okumayı değerlendirebilirsin. Tamamen bu amaç için optimize edilmiş ve çok yüksek voltajlarla çalışabilen "high side current sensing" entegreleri var.

R4 onunden Saseye gore degil dedigin gibi uzerindekini okuyorum zaten. Semada acikca gostermedigim icin belli olmamis. Fark yukseltecin referans girisi 5volta yani direncin diger ucuna bagli.

Entegrelere baktim biraz. Cok ucuz degiller. Direnc candir.

 

[taydin]

Entegrelere baktim biraz. Cok ucuz degiller. Direnc candir.

Entegre de gene direncin üzerindekini okuyor yav

TSC1031 - STMicroelectronics

TSC1031 - High-voltage high side current sense amplifier, TSC1031IYPT, TSC1031IPT, TSC1031IYDT, TSC1031IDT, STMicroelectronics

www.st.com

Bu entegre 70V'a kadar çalışıyor. Fiyatı birkaç dolar bunun ama tabi Türkiye'de var mı bilemiyorum. Mouser'den getirtmeye kalksan bir sürü para.

 

[slewrate]

High side akım ölçümü için INA139 veya INA169 da kullanılabilir. Türkiye'de bulunuyor. Bu entegreler için 0.1 ohm veya 0.01ohm ideal diye düşünüyorum. Akım büyüdükçe direnci küçültmekte fayda var. Çünkü entegrelerin lineer kazanç bölgesi var. Küçük akımlar yanlış konfigrasyon nedeniyle yanlış okunabiliyor. Eğer kullanılacaksa datasheti iyice okumakta fayda var.

Ben olsam LM317 yerine 5A versiyonu olan LM338 kullanırım.

LM317 ve 338'in çıkışları kısa devre korumalı ama nasıl çalışıyor bilmiyorum. Ayrıca Kısa devre korumasına gerek var mı bilmiyorum. Ben tercih etmiyorum. Amaç tasarım yapıp öğrenmekse tristörlü devreler var. Mcu ile akım okunup ekrana yazdırılabilir. Kısa devre koruması yapılabilir.

DAC çıkışlı bir mcu ile programlanabilir güç kaynağı da yapılabilir.

 

[Endorfin35+]

Entegre de gene direncin üzerindekini okuyor yav

Direnc kullanmayan acs712 var. Hall efect mantigi ile calisiyor. Dolayisi ile gerilim dusumu goz ardi edilebilecek kadar az.

 

[Endorfin35+]

Sabit Voltaj ve Akım kontrol yapısını dilim döndüğünce anlatmaya çalışayım.
Opamp olarak MC33174 kullanmaya karar verdim. Piyasada var ve proje için uygun görünüyor.

MC33174 Datasheet : Link

30V üreten tasarım neredeyse 5 üreten tasarım ile aynı yapıda. Tek fark çıkış transistörü daha güçlü.

Akım okuma bölümü : 0R1 üzerinde 10 amper çekilirken 1v kadar gerilim oluşmakta. Fark yükselteç ile max seviye olan 1V sinyali 5V seviyesine yükseltiyorum. 5V tercih etmemim nedeni MCU için uygun seviye olmasıdır. Ancak şu aşamada daha mcu yu işe karıştırmıyorum.

Akım Karşılaştırma bölümü : Akım okumadan gelen 5V sinyal 10 Amper değerini temsil etmekteydi. sinyal 0.5V olursa 1 Amper, 1V olursa 2 Amper akım çekiliyordur (düz mantık). Aynı mantık ile Mcu nun adc kanalından 0-5Volt arası sinyal alıyorum. Mcu dan 2v geliyorsa akım limiti 4 Amper e ayarlanmış anlamına geliyor. 5V geliyorsa 10Amper e izin veriliyor anlamında sinyalimiz var. Bu bölümde düz mantık. Şimdi iki sinyali karşılaştırıyorum. Çekilen akım sinyali, Mcu dan gelen limit sinyalinin altında ise fark oluşmadığı için opamp sinyal üretmiyor. Ancak tersi durum söz konusu ise opamp sinyal üretmeye başlıyor. Mcu dan gelen 0-5v sinyal çizimde 5v gerilim bölücü pot ile simule edilmiştir. (Eğer istenir ise mcu ile uğraşmadan potlar ile sadece analog bir devre kurulabilir. Ancak akımın kaç ampere ayarlandığı anlaşılamayacaktır. )

Voltaj kontrol bölümü : 30V çıkış üretmek için Lm317nin referans bacağına 28V sinyal iletilmesi gerekmektedir. Mcu dan en fazla 5V alacağımız için 5V sinyali 28V a yükselecek şekilde bir fark yükselteç kullanılmıştır. Yük, ayarlanan limitten az akım çektiği durumlarda akım limitleme sinyali 0V olduğu için fark voltaj doğrudan Mcu nun voltaj kontrol sinyaline eşittir ve çıkışta bir akım kontrolü yapılmadan talep edilen voltaj üretilir. Ancak limitten fazla akım çekildiği anda akım limitleme sinyali yükselir ve fark voltaj azalarak çıkış gerilimini aşağı çeker. Böylece talep edilen akımda sistem dengede tutulur.

Sabit Akım Uyarı Ledi : Akım kontrol yapısının akımı limitlediği anda bir led ile bildirim alınmak istenirse aşağıdaki bağlantı şemaya eklenebilir. Yine bir karşılaştırıcı opamp limit sinyalinin olup olmadığını kontrol eder. limit sinyali oluştuğu anda çıkıştaki led aktif olur. Limit sinyali yokken opamp 0 v nin biraz üzerinde bir sinyal ürettiği için limit sinyalini Gnd ye göre karşılaştırmak istenilen sonucu vermediği için çizimdeki potansiyometre yardımı ile opamp ın boştaki voltajının çok az üzerinde bir sinyal ile karşılaştırma yapılır.

denemek isteyenler için simulasyon dosyasını ekte paylaşıyorum.

 

[Endorfin35+]

Ve bir soru,

opampları negatif voltaj ile beslemek için aşağıdaki yapı sağlıklı çalışır mı?

 

[Endorfin35+]

Elektronik Yük Kısmıda hazır.( 11. Mesajdaki dosyayı güncelledim. )

 

[taydin]

Negatif üreteç çalışmıyor sanki. 1 kΩ yüke sadece -2 V verebiliyor. Proteus simulasyonda çalışıyor mu?

 

[taydin]

Negatif voltajı neden ürettireceksin? Çıkışta 0 V alabilmek için mi?

 

[Endorfin35+]

Negatif üreteç çalışmıyor sanki. 1 kΩ yüke sadece -2 V verebiliyor. Proteus simulasyonda çalışıyor mu?

3647 eklentisine bak

Abi üşenmedin çizdin mi Teşekkür ederim.

Proteusda denemedim. Henüz. Amacım 0 volt değil o 1.3v seyisinde kalsın. Amacım ayrı bir siyna jeneratoru çıkışı eklersem +/- aralıkta sinyal üretmek. Bu method ile sağlıklı negatif voltaj alırsam anahtarlamayı 555 yerine mcu ya yaptırım.

 

[taydin]

Abi üşenmedin çizdin mi Teşekkür ederim.

Baya hızlandım ben MicroCap'te Bunu cizmem ve simulasyon sonucunu almam 10 dakika sürdü.

Proteusda denemedim. Henüz. Amacım 0 volt değil o 1.3v seyisinde kalsın. Amacım ayrı bir siyna jeneratoru çıkışı eklersem +/- aralıkta sinyal üretmek. Bu method ile sağlıklı negatif voltaj alırsam anahtarlamayı 555 yerine mcu ya yaptırım.

Eğer aynı cihazın içinde bir de sinyal jeneratörü yapacaksan bence en iyisi trafoyu ona göre sarıp ikinci sargıdan negatif besleme üretmen. Bu negatife çeviren devrenin akım verme kapasitesi çok düşüktür. Çıkışta 0V elde etmek için bunun verdiği -2V yeterli olur ama.

 

[Endorfin35+]

5v Bölümünde tasarım patladı...

Hazır elimde sağma 5V var iken kutu dışına sabit çıkartmak istiyordum. Ancak çıkış kısa devre olursa 5V çöktüğü için Mcu da çöküyor...

Ekteki düzenlemeyi yaptım ancak tam içime sinmedi...

 

[taydin]

Negatif üreteç çalışmıyor sanki. 1 kΩ yüke sadece -2 V verebiliyor. Proteus simulasyonda çalışıyor mu?

3647 eklentisine bak

Düzeltme. Bu MC deki 555 macrosu kendi Vcc voltajını tanımlıyor. Benim 9V vermem farketmiyor, o kendi dahili tanımı olan 5V u kullanıyor. Bunun için aşağıdaki SPICE komutunu girmek gerekiyor:

.param V555_VDD=9
.param V555_VSS=0

Bunu da girince şimdi -5.45 V gibi alınabiliyor.

 

[taydin]

5v Bölümünde tasarım patladı...

Hazır elimde sağma 5V var iken kutu dışına sabit çıkartmak istiyordum. Ancak çıkış kısa devre olursa 5V çöktüğü için Mcu da çöküyor...

Ekteki düzenlemeyi yaptım ancak tam içime sinmedi...

Güç kaynağının kendi devresi (analog devre ve dijital devre) ideal olarak trafonun ayrı bir sargısından beslenmesi lazım. Bu olmazsa da, hemen doğrultucu çıkışında tamamen bağımsız olarak kendi besleme voltajlarını üretmeli. Yani güç kaynağının dışarı verdiği 5V ayrı, güç kaynağının MCU sunu besleyen 5V ayrı.