G ELEKTRON 190

BLM 5 DC-DC DNTRCLER

A. Deneyin Amac DC-DC gerilim azaltan dntrc (buck converter) ve DC-DC gerilim artran

dntrc (boost converter) devrelerinin davranlarQ incelemek. Bu deneyde gerilim azaltan ve gerilim artran dntrc devrelerinin kalF durum davranlar gzlenecektir. Darbe geniliinin N gerilimine etkisi ile birlikte yk deLiminin devre zerindeki sonular ve anahtarlama frekansQn dntrcnn verimine etkisi incelenecektir. Anahtarlama eleman olarak kullanlan mosfet ve diyotun anahtarlama karakteristikleri de gerektii takdirde tekrar bu devreler zerinde incelenebilir.

B. Teori

*5

DC-DC dntrcler endstride olduka yaygn olarak kullanlmaktadr. Zaman zaman dorudan, ayarlanabilir gerilimli bir g kayna uygulamas, herhangi bir uygulamada gerekli olan herhangi bir DC gerilim seviyesinin elde edilmesi , ya da empedanslar uyumsuz olan ardk 2 katn birbirine uydurulmas vb. sebepler iin kullanOrlar.

Piyasada 1W seviyesinden birka yz watt seviyesine kadar olan kHz seviyesinde

frekanslarda anahtarlama yapan DC-DC dntrcler bulunmaktadr.

Gerilim Azaltan Dntrcnn KalF Durum Devre Analizi

ekil 5.1de tipik tek transistorl bir gerilim azaltan dntrc devre emas grnmektedir.

Grld zere devrede biri kontroll(MOSFET) dieri ise kontrolsz (diyot) olan

iki adet anahtar bulunmaktadr. MOSFETin kap-kaynak terminaline sabit frekansta , ayarlanabilir darbe geniliine sahip, yine ekil 1de grlen PWM sinyali uygulanmaktadr. Bu sinyalin DTS sresince (yani darbenin uyguland srede) transistr, geriye kalan (1-D)TS ile gsterilen sresinde de diyot iletimde olacaktr. Bu durum devrenin 2 ayr modda alarak lineer olmayan bir yap gstermesine sebep olur. imdi devrenin bu 2 ayr modunu inceleyerek gerilim azaltan dntrcnn giri ile oN gerilimi arasndaki ilikiyi bulabiliriz.

G ELEKTRON 191

ekil 5.1

ekil 5.2 ekil 5.3.a da dntrcnn, transistrn iletimde diyotun kesimde olduu mod

1deki durumu gsterilmitir. Transistr iletimde olduu iin ksa devre olarak, diyot ise kesim durumunda olduu iin ak devre olarak gsterilmitir.

ekil 5.3a ekil 5.3b

ekilde de grld gibi mod 1de indktr , dorudan N ile giri arasna

balanmWr. Bu durumda bu modda indktrn ular arasndaki gerilim giri gerilim ile N gerilimi arasndaki fark kadardr.

VVV gL ekil 5.3bdeki mod 2 durumunda bakarsak bu kez transistorn kesimde diyotun

iletimde olduunu grrz. Bu durumda indktr zerinde, N gerilimine eit ve ters polariteli bir gerilim gzlemleriz.

VVL

G ELEKTRON 192

Bu durumda indktr geriliminin dalga ekli ekil 3te gsterildii gibi olacaktr.

ekil 5.4

Artk bobinin her iki modda da hangi gerilim deerlerini aldQ biliyoruz. Bu

durumda giri ve N arasnda bir bant bulabiliriz. KalF duruma ulaP, dengedeki bir sistemde , bir anahtarlama periyodu sresinde indktrn akPndaki net deLim VIrdr. Bu indktr volt-saniye dengesi olarak bilinir. Buna gre aDdaki ifadeyi yazabiliriz.

dttdiLtV LL)(

)( dttVL

tiTs

LTs

L 0

0 )(1)]([ dttV

LiTi

Ts

LLSL 0

)(1)0()(

Burada TS ifadesi bir anahtarlama periyodunu ifade etmektedir ve yukarda da sylediimiz gibi bir anahtarlama periyodunda akm deLimi sIrdr. En sondaki eitliin sol taraf bir anahtarlama periyodunun ba ve sonundaki akm deerlerinin birbirinden okarlmasQ yani bir anahtarlama periyodu boyunca akmdaki deLimini ifade etmektedir. DolayVyla sIra eittir ve bu ekilde eitliin sol tarafQn da sIra eit olmasQ gerektiren aDdaki denklemi elde ederiz.

0)(1

0

dttVLTs

L 0)(0

dttVTs

L

Bu denklem aka ekil 3te gsterilen indktr gerilimi dalga eklinin altnda kalan I ve II ile gsterilmi alanlar toplamQn sIr olduunu ifade etmektedir. Buna gre;

0)1)(())(()(0

SSgTs

L TDVDTVVdttV

0 SSSSg VDTVTVDTDTV 0 SSg VTDTV 0)( VDVT gS 0 VDVg

VDVg Grld gibi giri gerilim ile N gerilim arasndaki ilikiyi indktr volt-saniye

dengesi prensibini kullanarak bulduk. Burada D darbe genilii(duty cycle) deeri olup 0 ile 1 arasnda deLmektedir.

Yalnz bu ifadenin, bir takm yaklamlar ve varsaymlar yaplarak elde ettiimiz bir sonu olduunun farknda olunmalGr. Bu varsaymlar devrenin ideal olduuna dair olan varsaymlardr. rnein her iki moddada, indktr gerilimi denklemini yazarken transistr ve diyot zerindeki gerilim dmn hesaba katmayarak bunlarn sIr olduunu varsaydk. Ayrca mod 2de transistr kesimde olduu iin giriteki kaynak devreyi beslememekte yani N devresi akPQ dolayVyla enerjisini kendi iinde evirmektedir. Yk, bu modda kaynaktan enerji almad iin enerjisini kapasitr ve

G ELEKTRON 193

indktrde depolanan enerjiden almaktadr. Bu sebeple enerjisi azalan bu elemanlarn akm ve gerilimlerinde azalmalar olacaktr.

Daha sonra devre tekrar mod 1e dnnce kaynak devreye balanacak ve transistr zerinden yke enerji aktarmaya balayacaktr. DolayVyla kapasitr ve indktrn de enerjisi artacak ve srasyla gerilim ve akmlar da artacaktr. Yani biz her iki modun denklemini de yazarken N gerilimini V gibi sabit bir deer olarak aldk. Oysa N gerilimi, kapasitrn az nce bahsettiimiz enerji al verileri sebebiyle V+v(t) eklinde V+V ile V- V arasnda salnan bir deerdir . DolayVyla biz V deerini alarak bu V salQPQn V ortalama deerine gre ok kk ve ihmal edilebilir olduunu varsaydk.

Son olarak, nemli olan bir baka parametremiz de indktr akPGr. nk devreden de grld gibi yk akPQn sreklilii indktr sayesinde salanmaktadr. Kapasitr ve ykn ektii akmlarn toplam bize bobinin akPQ verecektir.

Bobin de devrede srekli olarak enerji alveriinde bulunan bir eleman olduu iin akPnda deLimler olacaktr. Bu salQmlarn seviyeleri bobinin her modda maruz kald gerilimler bilindii takdirde hesaplanabilir.

dttdiLtV LL)(

)( dt

tdiL

tV LL )()(

Burada dt

tdiL )( bize bobin akPQn eiminin ifadesini vermektedir. Yani bobin akP

mod 1de L

VVg Himiyle DTS sresince artarken mod 2de LVHimiyle azalmaktadr.

Bu deLim ekil 4te gsterilmitir.

ekil 5.5

G ELEKTRON 194

Gerilim Artran Dntrcnn KalF Durum Devre Analizi

ekil 5.6 da tek transistrl tipik bir gerilim artran dntrcnn (boost converter) devre emas grlmektedir. Bu devre de gerilim azaltan dntrc devresi gibi anahtar olarak bir mosfet bir de diyot bulundurmaktadr. Mosfet yine aynekilde, sabit frekansl bir PWM sinyali ile srlmektedir.

ekil 5.6 Bu devre de diyotun ve transistorn iletimine gre 2 moddan olumaktadr. ekil 5.7de bu modlar gsterilmektedir.

ekil 5.7a ekil 5.7b

Devreyi, gerilim azaltan dntrcde yaptPz gibi bobin gerilimi zerinden

modelleyerek, giri gerilimi ile N gerilimi arasnda ilikiyi elde edebiliriz. Transistorn iletimde diyotun kesimde olduu mod 1de bobin, transistr zerinden dorudan topraa balanm durumdadr. DolayVyla zerinde giri gerilimi olduu gibi grnecektir.

gL VV

Mod 2de transistr kesimdedir ve devre diyot zerinden Na enerji aktarmaktadr. Bu durumda bobin gerilimi giri gerilimi ile N gerilimi arasndaki farka eit olacaktr.

VVV gL

G ELEKTRON 195

Buna gre bobinin terminalleri arasndaki gerilim ekil 5.8 de gsterildii gibi olacaktr.

ekil 5.8

Gerilim artran dntrcye de indktr volt-saniye dengesi prensibini

uygulayarak giri-N gerilimi ifadesini bulabiliriz. Bir nceki kVmda akladPz ekliyle volt-saniye dengesi iin

0)(0

dttVTs

L durumu salanmalGr. Bu da ayn ekilde indktr gerilim dalga

eklinin altnda kalan alanlar toplamGr.

0)1)(())(()(0

SgSgTs

L TDVVDTVdttV

0 SSgSSgSg VDTDTVVTTVDTV 0 SSSg VDTVTTV 0)( VDVVT gS

0 VDVVg VDVVg )1( DVVg

DV

V g 1

Bobin akPQn eimini yine benzer ekilde gerilimlerden hesaplayabiliriz. Buna

gre mod 1de bobin akP L

Vg eimiyle artacak ve mod 2de L

VVg eimiyle

azalacaktr. Bu durum ekil 8de gsterilmitir.

LVg

LVVg

ekil 5.9

G ELEKTRON 196

5. 1 DC-DC Gerilim Azaltan Dntrc 5.1.1. Darbe Genilii Etkisi

ekil 5.10

ekil 5.11

ekil 5.10da grlen devreyi kurunuz. Yk olarak balayacaQz reostay 10 ohma ayarlayQz. Balantlar kontrol ettikten sonra devreye enerji veriniz. Osiloskoptan bakp duty cycle potunu kullanarak darbe geniliini 0.5e ayarlayQz. Yine ayn ekilde switching frequency potunu kullanarak anahtarlama frekansQ 20kHze ayarlayQz.

G ELEKTRON 197

Yk baladktan sonra dntrcnn giriine baladQz g kaynaQ aarak giri gerilimini 15Va ayarlayQz. Darbe geniliini 0.1den 0.9a kadar 0.1 lik admlarla deLtirerek her admda N geriliminin ortalama deerinin lnz. D=0.1 D=0.5 ve D=0.9 deerleri iin indktr akPQ ve N geriliminin zerindeki dalgalanmay osiloskopta gzlemleyerek dalga ekillerinin iziniz. (Not : ndktr akP lm kartQn akm ksmndan, N geriliminin zerindeki dalgalanmalar ise, osiloskobun AC modundan grlebilir.)

5.1.2. Anahtarlama Frekans Etkisi Devreyi deLtirmeksizin darbe geniliini 0.5e ayarlayn. Yk gerilimi dalgalanmasQn tepe-tepe deerini lnz. Bobin akPQn dalga eklini iziniz. Ayn Llemleri, 40kHz,60kHz, 80kHz ve 100 kHz iin tekrarlayQz.

5.1.3. Yk Etkisi

Anahtarlama frekansQ 100kHze , darbe geniliini de 0.5e ayarlayn. Yk olarak baladQz reostann direncini devre sreksiz akm moduna geene kadar yava yava artUn. N geriliminin deerini lerek, mosfet (aka-kaynak gerilimi) ve diyot gerilimleriyle birlikte dalga ekillerini iziniz. (Not: Mosfetin aka(drain) terminali de kaynak(source) terminalide toprakta olmad iin bu elemann gerilimini osiloskopta gzlerken daha dikkatli olunuz. Yanl toprak kullanP sigortalar attrabilir) 5.1.4. Verim

Anahtarlama frekansQ 40kHze darbe geniliini 0.5e ayarlayQz. Yk direncini tekrar 10 ohma getiriniz. Giri akP ile, N akm ve geriliminin ortalama deerlerinin lerek ortalama giri ve N glerinin hesaplayQz. Bu deerleri kullanarak dntrcnn bu frekanstaki verimini hesaplayQz. Ayn ilemleri 60kHz, 80kHz, 100kHz iin tekrarlayQz.

Gerilim azaltan dntrc iin alnan baz lmler aDda gsterilmitir. 25kHz frekansta D=0.5 deerinde darbe genilii dalga ekilleri.

ekil 5.12

G ELEKTRON 198

Ayn frekansta bobin ular arasndaki gerilim

ekil 5.13

D=0.5 iin N gerilimi ve zerindeki dalgalanma

ekil 5.14

D=0.75 iin bobin zerindeki gerilim ve darbe genilii-yk gerilimi dalga ekilleri

ekil 5.15

G ELEKTRON 199

5. 2 DC-DC Gerilim Artran Dntrc

5.2.1. Darbe Genilii Etkisi

ekil 5.16

ekil 5.17

ekil 5.16da grlen devreyi kurunuz. Yk olarak balayacaQz reostann direncini 50 ohma ayarlayQz. Giri gerilimini 10 Va ayarlayQz. Balantlar kontrol ederek devreye enerji veriniz. Anahtarlama frekansQ 50kHze ayarlayQz. Darbe geniliini minimumdan 0.7e kadar 0.1likadmlarla artUQz. Her admda yk geriliminin ortalama deerini kayt ediniz. ndktr akPQ ve N gerilim zerindeki dalgalanmay osiloskopta gzlemleyerek dalga ekillerini iziniz.

G ELEKTRON 200

5.2.2. Anahtarlama Frekans Etkisi

Darbe geniliini 0.5e, anahtarlama frekansQ 100kHze ayarlayQz. Ykn 50 ohmda olduuna emin olunuz. N bobin akPQn dalga eklini iziniz. Ayn ilemi 40kHz, 60kHz ve 80kHz iin tekrarlayQz.

5.2.3. Yk Etkisi

Darbe geniliini 0.4e, anahtarlama frekansQ 100kHze ayarlayQz.Devre sreksiz akm moduna geene kadar yk artUQz. Mosfet ve diyotun terminalleri arasndaki gerilimi iziniz. Yk geriliminin ortalama deerini lnz. (Not: Gerilim artran dntrcde diyot terminallerinden hibiri toprakta olmad iin diyot gerilimi lmnde dikkatli olunuz. Differential probe ya da osiloskobun 2 kanalQ birden kullanQz)

5.2.4. Verim

Anahtarlama frekansQ 100kHze, darbe geniliini 0.5e ayarlayQz. Yk direncini , yk akP 0.4 A olacak ekilde ayarlayQz. Giri akPQ ve N gerilimini lerek , dntrcnn bu frekanstaki verimini hesaplayQz. Ayn basamaklar 40 kHz, 60 kHz ve 80 kHz iin tekrarlayQz.

DC-DC gerilim artran dntrc iin alnan baz sonular aDda verilmitir:

D=0.6 iin darbe genilii ve yk gerilimi ekil 5.2.3

D=0.6 iin bobin gerilimi dalga ekli ekil 5.2.4

ekil 5.18 ekil 5.19

G ELEKTRON 201

Sonular

x Deney 5.1.1de her bir darbe genilii iin ltnz gerilim deerlerini darbe genilii- yk gerilimi eklinde grafie dknz. Her bir darbe genilii deeri iin yk gerilimini teorik olarak hesaplayQz. Teorik deerler lnlenlerle uyuuyor mu. Uyumuyorsa neden? AklayQz.

x Deney 5.1.2de her bir frekans deeri iin gzlemlediiniz dalga ekillerini lekli kada izerek raporunuza ekleyiniz. Anahtarlama frekansQn bobin akP zerindeki etkisini ksaca aklayQz.

x Deney 5.1.3teki dalga ekillerini lekli kada izerek raporunuza ekleyiniz. x Deney 5.1.4te her bir frekans iin elde ettiiniz verim deerlerinin grafiini iziniz.

Anahtarlama frekansQn, devrenin verimine yapt etkiyi nedenleriyle aklayQz. x Deney 5.2.1de gerilim artran dntrc iin yaptQz lmleri grafik haline

getirerek deney raporuna ekleyiniz. Her bir darbe genilii iin yk geriliminin deerini teorik olarak hesaplayQz. Teorik ve pratik deerler uyuuyor mu? Uyumuyorsa neden? AklayQz Bobin akPQn dalga eklini lekli kada izerek raporunuza ekleyiniz.

x Deney 5.2.3de her bir frekans iin elde ettiiniz dalga ekillerini lekli kada izerek raporunuza ekleyiniz.

x Deney 5.2.3te elde ettiiniz diyot ve mosfet gerilim dalga ekillerini lekli kada iziniz. 0.4 darbe geniliine gre elde etmeniz gereken yk gerilimini teorik olarak hesaplayQz. Deneyde ltnz deerle uyuuyor mu? AklayQz

x Deney 5.2.4te elde ettiiniz verim sonularQ tablo haline getirerek grafiini iziniz. Sonular yorumlayQz.