Yüksek voltajlı güç kaynağı

[taydin]

Hazır 2 kV, 15 mA lik bir güç kaynağı alma niyetindeydim. Ama cihazın servis manual'ını bulamadım. Ayrıca cihaz çok eski ve lambalı, kullanılan dirençler ve kapasitörler vs de standart olmayan tipler. O yüzden herhalde bundan vazgeçeceğim ve kendim bir tane yapacağım ve burada detayları anlatıp geri bildirim almak istiyorum.

Cihaz 3 kV, 100 mA olacak. Bunu izolasyon direnci ölçümü, sızıntı akımı ölçümü, voltaj dayanım seviyesini bulmak için kullanmak istiyorum.

Bu tip cihazlar genellikle SMPS bazlı boost converterlar ile yapılıyor, ama ben işi daha basit tutacağım ve lineer yapacağım. Şu özelliklerde trafo sipariş ettim:

400 Hz, 300 VA

Primer: 2 tane bağımsız 24 Vrms sargı
Sekonder: 3 tane bağımsız 800 Vrms sargı, 1 tane bağımsız 10 Vrms sargı

Trafoyu 400 Hz seçmekteki amaç, hem boyutu küçültmek hem de ripple azaltmak. Bu trafoyu ilk aşamada 300 W gibi bir audio amfi ile süreceğim. Primer direnci muhtemelen standart 4 Ω veya 8 Ω değil, çok daha düşük olacak, ona göre çıkış katı lazım. Bu amfinin girişine de 400 Hz sinüs osilatör bağlayacağım.

 

[taydin]

Trafoya 3 tane bağımsız 800 Vrms sargı yaptırıyorum, çünkü 3 ayrı çıkış kademesi olmasını istiyorum. Bunda da amaç, daha düşük voltajlarda daha iyi doğruluk elde etmek. 24V dan 2400V a dönüşüm oranı 100, dolayısıyla mesela 100 V çıkış elde etmek zor olacak, girişteki çok küçük voltaj değişimleri bile çıkışı baya değiştirecek. O yüzden 800V, 1600V, ve 2400V kademesi olacak. Böylece 800V kademesinde 33.333 dönüşüm oranı sayesinde daha büyük bir doğruluk elde edeceğiz.

Voltaj regülasyonu şimdilik olmayacak, cihaz açık döngü çalışacak. Belli bir giriş için elde edilen çıkışları ölçüp ona göre kalibre edeceğim. Ama kısa devre koruması olacak. Kısa devre durumunda ya çıkış voltajını keseceğim yada akımı sınırlandırma moduna sokacağım.

 

[taydin]

Sızıntı akımı ölçümü oldukça zor olacak. Akım seviyesi pA ler seviyesinde olabilecek, o yüzden çok düşük gürültülü, çok stabil bir ölçüm devresi gerekecek. Bir de referans dirençler bulmam lazım ki cihazın kalibrasyonunu yapabileyim.

 

[taydin]

Bir de yüksek voltaj devresini çok dikkatli yapmamız gerekecek. 3 kV gerilime göre ark mesafelerinin bırakılması, bu voltaja uygun çıkış terminalleri ve prob kabloları kullanmamız gerekecek.

 

[taydin]

Trafo geldi

 

[taydin]

İzolasyon testi yapan cihazlar var piyasada. Fiyatları 1000 ₺ den başlıyor, 40 bin ₺ nin ötesine kadar gidiyor. Ucuz olanlarda hem verebileceği voltaj sınırlı oluyor, hem kaçak akım göstermiyorlar, sadece izolasyon direncini ölçüyorlar. Bir de ucuzlarda kısa devre koruması olmuyor, yüksek voltaj çıkışı kısa devre edilirse cihaz ya nalları dikiyor, yada sapıtıyor, kapatıp açmak gerekiyor.

Pahalılarda ise kaçak akım görüntüleme, kısa devre koruması ve çok yüksek izolasyon direnci ölçme var. Ama bunlarda de çok düşük voltajlarda ölçüm yapılamıyor. Mesela Megger'in MIT 525 cihazı 10 TΩ a kadar izolasyon direnci ölçüyor, kaçak akım ölçüp görüntülüyor, kısa devre koruması da var ve 5 kV'a kadar ölçüm yapıyor. Ama fiyat 25 bin ₺ Bu kadar para vereceğine şüphelendiğin kapasitörleri direkt değiştirirsin

 

[taydin]

Şimdi ben 3 kV üretip, düşük toleranslı 1 MΩ şönt direnç üzerinden akımı ölçersem, 1 TΩ luk dirençte 3 nA akım geçecek ve şönt üzerinde 3 mV gerilim düşecek. Elimdeki hassas ölçü aletleri ile rahatlıkla ve çok yüksek doğrulukta ölçülebilecek bir değer.

Eğer 200 V üretip, düşük toleranslı 1 MΩ şönt direnç üzerinden akımı ölçersem, 100 GΩ luk dirençte 2 nA akım geçecek ve şönt üzerinde 2 mV gerilim düşecek. Gene sorun yok.

Voltaj düştükçe işler zorlaşıyor. Yani 16V luk bir kapasitörde belki de sadece 10 GΩ lara kadar çıkabileceğim. Ama sorun değil, bence gene arızalı veya değil şeklinde bir fikir verir. Tipik değerlerin ne olduğunu bilmiyorum, artık cihaz hazır olduktan sonra deneyip göreceğiz.

 

[taydin]

Sene sonuna doğru Keithley 2450 SMU olacak elimde.

Bu cihazda 10 fA, yani 10 x 10^-15 A akım ölçme duyarlılığı var. Bununla en düşük voltajlı kapasitörde bile izolasyon direnci ölçebileceğim. Tabi bu cihazı bunun için almıyorum, ama bu işe de yarayacak.

 

[tsahin]

Şönt üzerinde düşen voltajı arttırmak için daha yüksek değerli şönt kullanmak daha mantıklı değil mi? örneğin 10 megaohm olsa daha iyi olmaz mı?

 

[taydin]

Şönt üzerinde düşen voltajı arttırmak için daha yüksek değerli şönt kullanmak daha mantıklı değil mi? örneğin 10 megaohm olsa daha iyi olmaz mı?

Direnç değeri arttıkça, tolerans değerleri de hızla kötüleşiyor. %1 lik (hatta kesenin ağzını açarsan %0.1 lik) 1 MΩ direnç bulunabiliyor, ama 10 MΩ için bu toleransları yakalamak çok daha zor, varsa da dirençlerin fiyatları astronomik oluyor.

Bir de gürültü faktörü var. Her direnç, "direnç" olmasının doğal bir sonucu olarak gürültü üretir. Bu termal gürültüdür ve elektronların dirençten geçerken sağa sola takılmasının sonucu gibi düşünülebilir. Bu gürültünün seviyesi de direnç arttıkça artar. yani 10 MΩ luk bir şönt, belki 10 kat daha fazla gürültülü olacaktır. Zaten 3 mV seviyelerindeyiz, gürültü olayına çok dikkat etmemiz gerekiyorken, gürültüyü 10 kat arttırmak hiç de iyi olmaz. Bu iki çelişen uç arasında iyi bir denge noktası bulmak gerekiyor.

 

[taydin]

Primer direnci 0.32 Ω

Aslında IGBT kullanarak bu trafoyu belki 400 Hz kare dalga ile de sürebilirim. Bunu da deneyeceğim inşallah.

 

[tsahin]

Bu trafoya 12V versen sargılardan 36 amper geçer. 24V versen 72 amper geçer. Daha doğrusu geçemez ve güç kaynağı ya akım sınırlama moduna girer yada yanar. Bunun direnci çok düşük değil mi?

 

[taydin]

Eğer bir anahtarla bu trafoya 12V verirsen, primer hemen satürasyona gider ve dediğin gibi çok yüksek akımlar geçer. Ama 400 Hz lik sinüsoidal voltaj verince ne oluyor hesaplayalım:

Trafonun 24V primer sargısının endüktansını şimdi ölçtüm, 1.2 mH

Z = ωL = 2πfL = 2 * 3.14 * 400 * 1.2 * 10^-3 = 3 Ω

Bu durumda 12VAC, 400 Hz lik bir AC voltaj verirsek, kabaca 4 A akım geçecek. 30VAC için 10 A akım geçecek, ve bu akımda da zaten trafonun güç limitine ulaşmış olacağız.

Zaten 24V sargı kullanılacağı da kesin değil. Belki iki ayrı 24V sargıyı ters yönde anahtarlama ile kullanacağım, veya iki sargıyı seri bağlayıp lineer bir amplifikatör ile kullanacağım. Bu esneklik olsun diye zaten iki ayrı 24V sargı yaptırdım.

 

[taydin]

Cihazın 3 kademesi olacak. 0 - 1100VDC (800Vrms * 1.41), 0 - 2200VDC, 0 - 3300VDC.

İlk başta 3300VDC kademesi için üç tane 800Vrms sargıyı seri bağlar ondan sonra da 2400Vrms'i doğrulturum diye düşünüyordum. Ama bu iyi bir çözüm değil. Hem bu seviyede çalışacak doğrultucu diyot bulmak zor, hem de filtre kondansatörü bulmak zor. O yüzden bu yapıyı kullanmayacağım. Onun yerine her 800Vrms sargı, ayrı bir doğrultucu devre ile doğrultulacak. Böylece elimizde 3 x 1100VDC olacak. Sonra gerekirse bu DC çıkışları seri bağlayacağız.

Bunun önemli avantajları var. Hem bu voltajlarda diyot bulmak çok kolay, hem de uygun filtre kondansatörü gene pahalı da olsa en azından erişilebilir olacak. Ama bunun önemli de bir dezavantajı var. Her 3 çıkışın voltajı da beraber kontrol ediliyor olacak, bu nedenle kontroldeki hata payı, 3 ile çarpılmış olacak. Mesela 1100VDC olan çıkış %1 hata oranına sahip ise, 3300VDC çıkış %3 hata oranına sahip olacak. Ama bu çok da önemli değil. Neticede bu seviyedeki voltajlar daha çok yüksek seviyelerinden dolayı kıymetlidir, yüksek doğruluklarından dolayı değil.

 

[taydin]

Sistemin ana hatlarıyla yapısı da şöyle olacak: TDM seri porta sahip olan bir MCU kullanacağız ve bu porta da ilk aşamada TDM DAC bağlı olacak (16 bit yeterli olur diye düşünüyorum şu aşamada). TDM olmasının amacı da ileride genişletilip daha fazla çıkış elde edebilmek.

TDM DAC ile 400 Hz sinüs dalga üreteceğiz. Bu sinüs dalgayı da bir ses amplifikatörüne vereceğiz ve bu amfinin çıkışı da bizim trafonun primeri olacak. Trafodan aldığımız geri besleme sinyalini de bir ADC ile MCU okuyacak ve PID kontrol ile çıkış voltajını istediğimiz değere getireceğiz. Amfi kazancı sabit olacak, kontrolü DAC'ta üretilen sinüs dalganın genliği üzerinden yapacağız.

Yazılım bazlı PID kontrol olduğu için tepki süreleri uzun olacaktır, ama bu sorun değil, amacımız çok hızlı yük değişimlerinde stabil çıkış elde etmek değil. Amacımız, yavaş da olsa iyi bir hat ve yük regülasyonu elde etmek.

 

[taydin]

Sekonder sargılar tam olarak aynı olmadığı için, belli bir primer voltaj için her 3 çıkış da biraz farklı voltaj üretecektir. Belli bir referans değer için bu voltajları ölçüp "kalibrasyon verisi" olarak MCU'ya saklayacağız. Böylece MCU, kullanılan kademeye göre doğru voltajı üretmek için tam olarak hangi genlikte primer voltajı üretmesi gerektiğini bilecek.

Aşırı akım ve kısa devre koruması da her üç kademede de kullanılan 1100V luk kaynaktan bir şönt ile gerçekleştirilecek. Bu şönt üzerinde akım ölçümü yapılıp gene bir ADC ile MCU'ya bildirilecek. İki çeşit akım kontrolü yapılabilir:

1) En basit olarak, çıkış akımını MCU takip eder, tanımlanmış sınırın üzerinde ise amfiye verilen sinyali keser böylece çıkış voltajı da sıfıra iner. Bu en basit, ama aynı zamanda en yavaş yöntem. Çıkış voltajının kesilmesi yüzlerce milisaniye süre tutabilir.

2) Çıkış akımını MCU'ya bildiririz, ama onun dışında otomatik bir devre de aşırı akım durumunda röleler ile çıkışı yükten ayırır. Bu metot, süreyi 100 ms nin çok altına indirir.

 

[Furkan KELEŞOĞLU]

Abi aklıma takılan bir şey var ? MCU bir kesme yardımıyla anlık olarak tepki verebilir aşırı akıma neden bir geçikme oluşuyo 100ms gibi ? En basitinden comparatör veya HLVD donanımı bu işi görebilir.

Acaba şundan dolayı mı trafoyu son hadde kadar zorlayacakmısınız ? eğer öyle değilse max akımın biraz altınna programlanırsa buna yetişebilir diye düşünüyorum. bizim şu kondansatör olayı gibi şu kadar akım kesin verebilir üstünü veremeyebilir gibi. Ayrıca yükü röle ile ayırmak bana göre daha fazla zaman alır cünkü röle mekanik bir yapı tepki süresi bence MCU dan daha fazla olacaktır diye düşünüyorum. ama tabi tecrübeler nedir bilmiyorum anlatırsan sevinirim abi.

 

[taydin]

Kesme mantıklı olmaz, çünkü hep bir fark olacak ve işlemci de sürekli kesmede olacaktır. Onun yerine ana döngüde sürekli olarak feedback okuyup ayarlama yapmak lazım. Veya değişime bağlı değil de, belki peryodik bir kesme ile de yapılabilir.

Trafonun maksimum akımı 100 mA olacak, ama tabi kısa devre anında bu birkaç ampere fırlar. Birkaç saniye de bu değerde kalsa sorun olmaz aslında, ama gene de bir an önce çıkışı kesmek lazım.

Eğer sinüs sinyalini keserek çıkışı keseceksek, o zaman sinüs sinyalini aniden kesmemek lazım, yavaşça azaltmak lazım:

Eğer böyle yapılmazsa o noktada bolca harmonik oluşur ve çıkışı keseceğimize çıkışta bilumum yeni dalga şekilleri oluşturmuş oluruz

Bir de trafo sekonderinin ve filtre kapasitörünün biraz enerji saklayacağını, bunun dışında tüm sinyal zincirini düşündüğünde, epey bir gecikme olacaktır.

Benim bildiğim röleler 10 ms'nin altında açar, ama tabi modele göre değişebilir. Ama yüksek voltaj rölesi gerekir yoksa ark yüzünde kısa zamanda röleler gider.

 

[taydin]

Eğer çok sıkı bir PID döngüsü yapılırsa, laboratuvar güç kaynağı gibi akım sınırlama da yapılabilir. Ama bu her zaman istenecek birşey değil. Mesela bir kablodaki kısa devre noktasını bulmak için özellikle ark istiyorsak, voltajın hep maksimumda kalmasını isteriz.

 

[Furkan KELEŞOĞLU]

İyi bir PID döngüsü icin cok kısa zamanlarda örnekler almak lazım. buda bi kaç kHz lik kesme oluşturmak demektir. aslında hız bakımından yüksek bir mikrodenetleyici bunu kaldırabilir yetişebilir bu hıza mesela PIC18F45K22 64MHz hızı var. bu işin yeter bence.

Hocam kesme konusunda acaba ben sizi anlamıyormuyum ? bizim max akımda kesmeye gitmesini istediğimiz bir donanım dışsal bir kesmeden yararlınarak yapmayacakmıyız ? Dışsal bir kesme , Dışardan donanımı kesmeye götürecek bir sinyal gelmedikce de ana program akışında bir duraksama yaşatmaz ki ?