alçaltıcı çevirici(buck converter) - Kocaeli Üniversitesi | Mühendislik

T.C.
KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2014 GÜZ DÖNEMİ
GÜÇ ELEKTRONİĞİ ÖZEL UYGULAMALARI
ALÇALTICI ÇEVİRİCİ(BUCK CONVERTER)
MURAT ÖNSAL
100205732(4-B)
ALÇALTICI TİP DA-DA DÖNÜŞTÜRÜCÜ DEVRESİNİN TASARIMI ve
GERÇEKLEŞTERİLMESİ
Özet
DA-DA çeviricileri, doğru akım kaynağını
bir gerilimden başka bir gerilim seviyesine
çıkarmaya yarayan elektronik devrelerdir.
Bu devreler, genellikle ayarlarlı d.a güç
kaynağı uygulamalarında, bilgisayar, tıbbi
cihazlar, haberleşme sistemleri, televizyon
alıcıları ve batarya şarj edici gibi
devrelerde sıklıkla kullanılır. Bu ödevde
gerilim azaltan dönüştürücü devrenin kalıcı
durum
davranışları
gözlenecektir.
Anahtarlama elemanı olarak kullanılan
MOSFED ve diyotun anahtarlama
karakteristikleri de gerektiği takdirde
tekrar bu devre üzerinde incelenebilir.
2.ALÇALTICI TİP DA-DA
DÖNÜŞTÜRÜCÜLERİN ANALİZİ
Bir buck çevirici, d.a giriş geriliminden
daha düşük ortalama çıkış gerilimi veren
bir çevirici türüdür. Temel bir alçaltıcı
çevirici Şekil 1'de verilmiştir. DA-DA
buck converter DA mevcut kaynak
gerilimini anahtar elemanıyla devreye
kesip uygulayarak gerilim değerinin etkin
değerini küçültür ve bu şekilde düşürülerek
gerilim kontrolü yapılmış olur. Şekil 2’de
anahtarın açık ve kapalı durumları için
devredeki akım durumu gösterilmiştir.
1.GİRİŞ
Bu çevirilerde çıkış gerilimi genellikle bir
anahtarlama elemanı ile kontrol edilir.
Gelişmiş çeviricilerde anahtarlama elemanı
olarak MOSFED veya IGBT ’ler kullanılır.
DA-DA çeviricideki ortalama çıkış
geriliminin regülâsyonu anahtarın iletimde
kalma süresi ( 𝑇𝑜𝑛 ), darbe genişliği ve
anahtarlama
frekansı 𝑓𝑠 ‘nin
bir
fonksiyonudur.
Darbe
genişlik
modülasyonu, çıkış gerilimini kontrol
etmek için çok sık kullanılan bir
yöntemdir. Görev oranı (D), anahtarın
iletimde kalma süresi (𝑇𝑜𝑛 ) ve anahtarlama
periyodu 𝑇𝑠 ‘ye bağlı olarak şöyle
tanımlanır.
𝐷=
𝑇𝑜𝑛
𝑇𝑜𝑛 +𝑇𝑜𝑓𝑓
=
𝑇𝑜𝑛
𝑇𝑠
Şekil 1:Düşürücü tip dönüştürücü
Şekil 2: Anahtar konumuna göre akım
durumu
...................(1)
MOSFED on-state durumundayken, bobin
akımı hem yük üzerinden akar hem de
kondansatörü
şarj
eder.
Off-state
durumunda
bobin
ve
kondansatör
üstlerinde depoladıkları
üzerinden boşaltırlar
enerjileri
yük
2.1 Sürekli Mod
İndüktanstan akan 𝐼𝑙 akımı komutasyon
boyunca sıfır değerine inmediği sürece
devre sürekli iletim modundadır. Bu
durumdaki durum grafikleri Şekil 3’de
gösterilmiştir.
kapasitör değerleri aşağıdaki formüllerle
hesaplanır.
𝐿≥
𝐶≥
𝑇𝑠 2 (1−𝐷)
2𝑓𝑠
𝑇𝑠 2 (1−𝐷)
8𝐿(
∆𝑉𝑜
)
𝑉𝑜
……………………..(8)
...…………………..(9)
2.3 Çevirici Devrelerde FED’lerin önemi
Fed anahtarlama elemanlarının çevirici
devrelerde tercih edilmelerinin başlıca
nedenleri şöyle sıralayabiliriz.

Şekil 3:Sürekli iletim durumu için grafikler


Sürekli durum için çıkartılmış eşitlikler:
𝑉𝑜= 𝐷𝑉𝑑
……………………………(2)
𝐼𝑜= 𝐷 𝐼𝑑
1
……………………………(3)
𝐼𝑙 = 𝐼𝑜
……………………………(4)
1
……………………………(5)
𝑓𝑠 =
Yüksek frekanslarda çalışabilirler.
Yüksek frekans demek, düşük
değerlikli
endüktans
ve
kondansatör demektir.
Düşük eşik gerilimine sahiptir,
daha kolay tetikleme sağlar.
Düşük
drain-source
direncine
sahiptir.
2.4 High-side ve Low-side
𝑇𝑠
𝐼𝑙𝑚𝑎𝑥 =
𝐼𝑙𝑚𝑖𝑛 =
𝑉0
𝑅
𝑉0
𝑅
𝑉
+ 2𝐿𝑜 (1 − 𝐷)𝑇𝑠 ………….(6)
𝑉
− 2𝐿𝑜 (1 − 𝐷)𝑇𝑠 ………….(7)
2.2 Kritik Endüktans ve Kapasitör
Değerleri
Devrenin sürekli çalışmada yer alabilmesi
için gerekli minimum endüktans ve
High side ve low side ile yükün nasıl
sürüleceği kastedilir.
High side kullanılan bir sürücü için, drain
ucu kaynağın pozitif ucuna, source ucu da
yüke bağlıdır. Bu gibi devrelerde
MOSFED ‘off’ konumuna geçerken
sönümlemede sıkıntı yaşandığı için
MOSFED sürücüsünden ek bir bağlantıya
ihtiyaç duyar.
Low side kullanımda ise, drain ucu yüke,
source ucu ise kaynağın negatif ucuna
bağlıdır. Ek bir bağlantıya ihtiyaç duymaz.
3.DEVRENİN SİMÜLASYONU
Uygulamada kullanılan elemanlar:









TL494 entegresi
IRF540 mosfed
IR2101 (mosfed sürücüsü)
L=1mH
D=1n4148 ve 1N5822
C=4.7uF, 0.01uF, 0.22uF
R=2x1k ve 1x100ohm
50 ohm 5W taş direnç
10k ve 50k potansiyometre
Şekil 4: Devrenin genel benzetim şeması
4. LABORATUVAR ORTAMINDA ALINAN SONUÇLAR
Gerilim Büyüklükleri: (Yeşil sinyal çıkış gerilimidir)
(Yeşil sinyal çıkış gerilimidir)
Şekil 5: D=0,1 ve 3,5 KHz giriş sinyalleri, Vçıkış=7V
Şekil 6: D=0,8 ve 5 KHz giriş sinyalleri, Vçıkış=7V
Şekil 7: D=0,8 ve 8 KHz giriş sinyalleri; Vçıkış=8V
Şekil 8: D=0,8 için 10 KHz giriş sinyalleri, Vçıkış=7V
Şekil 9: D=0,7 için 15 KHz giriş sinyalleri, Vçıkış=8V
Frekans - Akım İlişkisi:
Şekil 7: Frekans artıkça azalan bobin akımı değerler; Sırasıyl, 10 KHz ve 15KHz ve 20Khz
SONUÇ: Bobin yolu üzerine seri 1Kohm direnç eklendiğinden, çıkış gerilimi bu değerden
etkilenmektedir. Dolayısıyla alınan değerler gerilimin direnç etkisinde olduğu andaki bobinden
geçen akımdır. Bu akım büyüklüğünün de frekans artıkça gerilimle paralel olarak azaldığı
söylenebilir.
Çıkış Gerilimleri:
Şekil 11: 10V çıkış gerilimi(Volt/Div =5V)
Şekil 12: 3V çıkış gerilimi (Volt/Div =1V)
MOSFED Sürücüsü Giriş-Çıkış Gerilimleri (IR2101 MOSFED sürücüsü giriş ve çıkış
sinyalleri)
5. ARES BASKI DEVRE ÇİZİMLERİ
Şekil 13: Baskı devre PDF formatı
Şekil 14: Baskı devre yolları
Şekil 15: 20V Giriş -17V-0V BUCK devresi
DEVRE ONAYI
NOT : Osiloskop görüntüleri iki farklı osiloskoptan alınmıştır hocam.
6. SONUÇLAR
İlk durumda giriş gerilimi 20V iken çıkış gerilimi değişken frekans değerleri için farklı
geldiği gözlemlenmiştir. Farklı frekans değerleri için simülasyon ve uygulama grafikleri
yukarıda verilmiştir. Simülasyon programı olarak Proteus-ISIS programı kullanılmıştır. 5
farklı frekans değerinde çıkış gözlemlenmiştir. Sonuç olarak frekans artıkça (2.5Khz -10Khz
arası) çıkış gerilimde azalma görülmüş buna rağmen gerilimin 10Khz frekans değerine kadar
gittikçe dalgasız bir DC gerilimine dönüştüğü söylenebilir. 10 Khz ve üstü frekanslarda
gerilim düşmeye devam etmesine rağmen çıkış geriliminin dalganlanması artmıştır. Ayrıca
bobin üzerinde geçen akımında frekans artıkça azaldığı belli bir frekans değerinden sonra
sıfırlandığı gözlemlenmiştir. Görev oranını belirleyen potansiyometre ile oynandığından
görev oranı azaldıkça çıkış olarak 17V-0V arası bir çıkış elde edilmektedir.
7.KAYNAKÇA
1. Kocaeli Üniveristesi, Mekatronik Mühendisliği Güç Elektroniği Deney Föyü 2012
2. . Güç Elektroniği, Mohan/Undeland/Robbins Literatür yayınlıcılık çeviri