Kare dalga üreteçleri-multiVİbratörler
Seri Gerilim Regülatörleri
Yüklə 345,81 Kb.
|
2.5.2 Seri Gerilim Regülatörleri Seri gerilim regülatörlerinde, regülasyon transistörü yüke seri bağlanır. Çıkış gerilimi V0, zener gerilimi (VZ) ile transistörün beyz-emiter gerilimi (VBE) farkına eşittir. Şekil-2.10'da seri regülatör devresi görülmektedir. Buna göre çıkış gerilimi; V0=VZ+(-VBE) olur. Çıkış yük akımı ise, seçilen transistörün beyz akımını sağlayabilmesi şartı ile; I0max=ß(IZmax-IZmin) değerinde olur. Burada transistörün kaldırabileceği maksimum güç kaybı da dikkate alınmalıdır. , transistörün akım kazancıdır. RS direncinin bu durumda değeri; 
ifadesinden bulunur. Burada IBMAX; 
değerine eşittir. 
Şekil-2.10 Seri Gerilim Regülatörü Devresi Önceki bölümlerde anlatılan gerilim regülatörleri uygulama da bu halleri ile yeterli değillerdir. Bu devrelerde çıkış geriliminin değeri kullanılan elemanların toleranslarına bağlıdır. Bu ise bir dezavantajdır. Uygulamada; çıkış geriliminin istenilen değere ayarlanabilmesi, yüksek akım verebilmesi ve aşırı akım koruması iyi bir güç kaynağından istenilen özelliklerdir. Şekil-2.11'de, yukarıda sıralanan bazı özelliklere cevap verebilen bir regülatör devresi çizilmiştir. Görüldüğü gibi bu devrede üç adet transistör kullanılmıştır. Çıkış yük akımı Q3 transistörü üzerinden alınmaktadır. Q2 transistörü ise Q3'ü sürmek amacı ile kullanılarak (Darlington montajı) ß'ya aşırı bağımlılık yok edilmiştir. Devrenin analizine gelince; toprağa göre Q1 transistörünün kollektöründeki gerilim VCEQ1; VCEQ1=V0-Vz+VBEQ3+VBEQ2 VCEQ1 geriliminin değeri, VZ gerilimine bağlı olarak en az 2 volt olmalıdır. Böylece en küçük çıkış gerilimi belirlenmiştir. Örneğin Vz=5.6 volt kullanılırsa; V0min=Vz+VCEQ1-(VBEQ2+VBEQ3) V0min=5.6+2-(0.6+0.6) =6.4 Volt. Dolayısıyla bu devreden en az 6.4 V çıkış gerilimi elde ederiz. Daha küçük çıkış gerilimi elde etmemiz mümkün değildir. 
Q1 Q3 Şekil-2.11 Çıkışı Ayarlanabilen Kararlı Gerilim Regülatörü Q3 transistöründe harcanabilecek maksimum güç PQ3; 
değerindedir. Devrede giriş gerilimi Vi, ayarlanabilecek çıkış gerilimi V0'dan daha büyük olmalıdır. Örneğin çıkış geriliminin maksimum değeri 24 volt, minimum değeri 6 V ve akımı ise 0.5 Amper olsun. Bu durumda PQ3 transistöründe harcanacak maksimum güç;
= (24-6).0,5 = 9 W elde ederiz. Kullanılacak transistör, bu güce dayanabilecek güçte seçilmelidir. Devredeki diğer elemanların analizine gelince: Önce devrede kullanılan R3, R4, R5 gerilim bölücü dirençlerinin değerlerini bulalım. Bunun için önce Q1'in beyz akımını bulmamız gerekir. BC107 transistörü kullanalım. Katologdan bu transistörün beyz akımı IBmax=100μA bulunur. Devredeki direnç değerleri, ilgili akım ve gerilim denklemleri kurulduğunda şu şekilde elde edilir: R1max=20 k, R2=680 , R3=560 , R4=620 . 2.5.3 Aşırı Akım Koruması Regüleli gerilim kaynaklarından istenen bir diğer özellik ise aşırı akım korumasıdır. Regüleli bir akım kaynağının çıkışından aşırı akım çekildiğinde veya kısa devre olduğunda regüle devresinin ve güç kaynağının zarar görmemesi için aşırı akım koruma devresi eklenir. Şekil-2.12'de böyle bir devre verilmiştir. Bu devrede, Şekil 2.11'deki devreye ilave olarak R6 ve Q4 transistörü ilave edilmiştir. Devrenin diğer kısımları aynıdır. Bu yeni elemanlar bize iki seçenek sunarlar: 1) Çıkış akımı IL, önceden belirlenen bir akım değerinde sınırlanır. 2) Çıkış akımı IL, önceden belirlenen bir değeri aşarsa çıkış gerilimi sıfıra indirilir. Devrenin çalışması kısaca şöyledir: Çıkıştan alınan IL (I0) akımı, R6 direnci ve Q3 transistörü üzerinden geçer. Bu anda IL akımı R6 direnci üzerinde bir gerilim düşümüne neden olur. R6 üzerine düşen gerilim, Q4 transistörünün beyz-emiter gerilimine ulaştığında Q4 iletime geçer ve Q3 transistörünün beyz gerilimini sınırlar. Böylece akım sabit bir değerde kalır ve aşağıdaki gibi hesaplanır. 
Böylece R6 direncini istediğimiz değere ayarlayarak akım sınırlaması yapabiliriz. Aşırı akım ve kısa devre korumasında diğer elektronik devre elemanlarından da yararlanılabilir (SCR, Opamp, Flip-flop gibi). Bu tercihe bağlıdır. 
Q3 Q1 Şekil-2.12 Aşırı Akım Korumasının Gerçekleştirilmesi 2.5.4 Komple güç kaynağı: Bir komple güç kaynağı devresi Şekil 2.13’de gösterilmektedir. 
Şekil 2.13 Komple güç kaynağı devresi Regülatörün VL’deki değişmelere karşı duyarlılığını artırmak için Darlington devresi konmuştur. Şekilde gösterildiği gibi güç kaynağının bir bölümü önregülatör devresi gibi davranmaktadır. 
Regülatörün VL’deki değişmelere karşı duyarlılığını daha da artırmak için bir fark yükselteç devresi kullanılmıştır. Çıkıştaki 10 F’lık kapasite besleme gerilimini daha iyi filtrelemek amacıyla kullanılmıştır. 2.6 LİNEER TÜMDEVRE GERİLİM REGÜLATÖRLERİ Lineer tümdevre gerilim regülatörleri; ayrık elemanlarla oluşturulan regülatörlere göre hem daha ekonomik, hem de daha işlevseldirler. Bu tür regülatörler genellikle seri gerilim regülatörü gibi düşünebilir. Lineer tümdevre gerilim regülatörleri; genellikle çıkış gerilimleri (sabit/ayarlı) kutuplama yönleri (pozitif/negatif) dikkate alınarak kendi aralarında sınıflandırılabilir.
DC gerilimi, tüm etkilere karşı kararlı (regüleli) hale getirebilmek için regüle işleminin önemli olduğunu biliyoruz. Regüle işlemi ise regülatör devreleri kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Bir önceki bölümde; aktif ve pasif devre elemanları kullanarak regülatör yapımını gerçekleştirdik. Gelişen elektronik teknolojisi tek bir tümdevre (chip, ICs) içerisinde gerilim regülatörü üretimine imkan sağlamıştır. Günümüzde tek bir tümdevre içerisinde yüzlerce farklı tip ve özellikte gerilim regülatörü üretimi yapılmaktadır. Bu bölümde elektronik piyasasında yaygın olarak kullanılan birkaç farklı tip tümdevre gerilim regülatörünün tanıtımı yapılacak ve uygulama örnekleri verilecektir. 2.6.1 Sabit Gerilim Çıkışlı Lineer Tümdevreler Tümdevre imalatçıları, çeşitli sabit gerilim değerlerinde regüleli çıkış gerilimi verebilen tip tümdevreler üreterek kullanıcıya sunmuşlardır. Sabit gerilim regülatörleri genellikle üç uçlu imal edilirler. Küçük boyutlu, kolay kullanımlı ve oldukça ucuzdurlar. Bu tür gerilim regülatörleri kendi aralarında pozitif ve negatif olmak üzere iki gruba ayrılırlar. Tablo-2.1’de oldukça sık kullanılan; üç terminalli, sabit çıkışlı pozitif gerilim regülatörlerinin bazı önemli özellikleri verilmiştir. 78’li sayılarla kodlanan gerilim regülatörlerinde ilk iki rakam (78) regülatör tipini sonraki harf çıkış akımını, son rakamlar ise çıkış gerilimi değerini verir. Örneğin 7805 ile kodlanmış bir regülatör; +5V çıkış gerilimi ve 1A çıkış akımına sahiptir. 
Tablo-2.1 Tümdevreli Pozitif Gerilim Regülatörleri 78M15 şeklinde kodlanmış bir gerilim regülatörü ise +15V çıkış gerilimine ve 500 mA çıkış akımına sahiptir. Pozitif veya negatif sabit gerilim regülatörleri kullanarak regülatör yapmak için Tablo 5.1’de belirtilen sınır değerlere uymak gerekir. Örneğin; tümdevre gerilim regülatörünün girişine uygulanacak regülesiz gerilim değeri, regülatör geriliminden en az 2V daha büyük olmalıdır. Tümdevre gerilim regülatörlerinin pek çoğunun çıkışları ısıl korumalıdır. Çıkıştan aşırı akım çekildiğinde ısıl duyarlı koruma devresi etkinleşerek tümdevreyi aşırı akıma karşı korur. Pozitif sabit gerilim regülatörlerinin terminal bağlantıları ve kılıf tipleri ise Şekil-2.14’de verilmiştir. 
Şekil-2.14 Tümdevre pozitif gerilim regülatörlerinin kılıf tipleri ve pin bağlantıları Negatif çıkışlı sabit gerilim regülatörleri ise 79’lu sayılarla (7912, 79L15, 79M09 v.b gibi) kodlanırlar. Tablo-2.2’de ise negatif gerilim regülatörleri özellikleri ile birlikte verilmiştir. Tümdevreli negatif gerilim regülatörlerinin kılıf tipleri ve terminal bağlantıları Şekil- 2.15’de verilmiştir. Negatif gerilim regülatörlerinin terminal bağlantıları, pozitif regülatörlerden farklıdır. Bu duruma devre tasarımı ve montajında dikkat edilmelidir. 
Tablo 2.2 Tümdevreli Pozitif Gerilim Regülatörleri 
Şekil-2.15 Tümdevre negatif gerilim regülatörlerinin kılıf tipleri ve pin bağlantıları 2.7 PRATİK REGÜLELİ ve TÜM DEVRELİ GÜÇ KAYNAKLARI: Üç uçlu sabit pozitif gerilim regülatörü ile yapılan temel uygulama devresi Şekil-2.16’da çizilmiştir. Bu bağlantı tipiyle yapılan devre montajında; doğrultucu, regülatör ve beslenecek devre birbirlerine yakın iseler, C1 ve C2 kondansatörlerine gereksinim olmaz. Ancak bağlantı kablolarının boyları birkaç santimin dışına çıktığında yüksek frekanslarda titreşimi önlemek için bu kondansatörler mutlaka kullanılır. C2 kondansatörü ayrıca çıkış geriliminin kararlılığını sağlamada ve regülasyon hızını iyileştirmede kullanılmaktadır. - Sabit gerilim regülatörleri: 
Şekil-2.16 Üç uçlu pozitif gerilim regülatörünün temel bağlantı şeması ÖRNEK: Aşağıdaki devrede LM7805 entegresi kullanılarak 5 V’luk sabit çıkış gerilimi elde edilmektedir. Buna göre, bu DC güç kaynağı devresinin çalışmasını a) 150 mA ve b) 300 mA’lik yük akımlarında inceleyiniz. 7805 elemanının özelliklerinde, şebeke regülasyonunu korumak için kabul edilebilir giriş gerilimi 7.3 V olarak verilmiştir. 
Ç Vr (p-p)  ÖZÜM:
   
Tam dalga ve küçük yüklerde dalgalılık gerilimi (Vr) aşağıdaki formülle verilebilir: 
f=50 Hz alınarak: 
Burada IDC miliamper, C mikrofarad ve RL kiloohm’dur. Buna göre yukarıdaki örneğimize dönecek olursak:
250 F’lık filtreleme kapasitesi üzerindeki DC gerilim: VDC=Vm-Vr(tepe)=15 V – 2.99 V = 12 V Giriş, bu DC gerilim civarında dalgalanacağı için minimum giriş gerilimi aşağıdaki değere kadar düşebilir: Vgiriş(min)= Vm-2Vr(tepe)=15 V – 2(2.99) V = 9.02 V Bu değer 7.3 V anma değerinin üzerinde olduğu için çıkış gerilimi +5 V düzeyinde kalacaktır. b) Yukarıdaki hesaplamalar IL=300 mA için yapıldığı zaman : Vgiriş(min)= Vm-2Vr(tepe)=15 V – 2(6) V = 3 V bulunacaktır. Bu ise kabul edilebilir minimum giriş gerilimi olan 7.3 V’un çok altındadır. Regülasyon, 150 mA’in altındaki yük akımlarında korunurken, 300 mA’in üstündeki yük akımlarında gerçekleşmez.
Sabit gerilim regülatörlerinin çıkış akımları istenirse yükseltilebilir (Şekil 2.17). Bu devrede regülatörün çıkış akımını artırmak için tümdevreye bir PNP güç transistörü (Q1) bağlanmıştır. Devrede R1 direnci ve LM78XX’den akan yük akımı (IL), R1 üzerinde Q1 transistörünü süren bir gerilim düşümü oluşturur. LM..’den akan akım ne kadar büyükse R1’deki gerilim düşümü ve T1’den akan akım da o kadar büyük olur. Bu durumda IL akımı, LM.. ve transistör üzerinde ikiye bölünür. Böylece, devrenin çıkış akımı LM..’ye zarar vermeden yükseltilmiş olur. Devre çıkışından transistörün gücüne bağlı olarak yüksek akımlar alınabilir. Çıkış gerilimi sabittir. LM.. entegresi içten aşırı akıma karşı korumalı olmakla birlikte Q1 transistörünü de aşırı akıma karşı korumak için devreye Q2 transistörü ile R2 direnci bağlanmıştır. Devrede R2 üzerinden geçen yük akımı (IL), R2 üzerinde bir gerilim düşümüne neden olur. Bu gerilim değeri Q2 transistörünün eşik gerilimi (VBE=0.6 V) değerine ulaştığında Q2 iletime geçer, Q1 ise kesime gider. Dolayısıyla LM entegresi ve Q1 transistörü aşırı akımdan korunmuş olur. Devrede aşırı akım koruması R2 direnci ile sağlandığından değeri uygun bir biçimde seçilmelidir. 
Şekil 2.17 Aşırı akım korumalı yüksek çıkış akımlı regülatör devresi - Ayarlı gerilim regülatörleri Sabit gerilim regülatörlerinin çıkış gerilimleri istenirse ayarlanarak istenilen değerlerde çıkış gerilimi vermesi sağlanabilir. Çıkış gerilimi istenilen bir değere ayarlanabilen bir devre örneği Şekil-2.18'de verilmiştir.   
Şekil-2.18 Çıkış Gerilimi Ayarlanabilen Regülatör Devresi Bu devrede tümdevre çıkışına R1 ve R2 dirençleri bağlanmıştır. Bundan dolayı regülatörün şase ucu 0 volttan farklı bir gerilimdedir. Regülatörün çıkış gerilimi V0; 
formülü ile bulunur. Formülde kullanılan IQ akımı, tümdevrenin R2 direncinden akan sükünet akımıdır ve değeri 5mA ile 10mA arasında değişir. Devrenin çıkış geriliminin dalgalılık oranı oldukça büyüktür. Dalgalılık oranını azaltmak amacı ile çıkışa 100µF’lık bir kondansatör bağlanmıştır. Çıkış dalgalılık oranı buna rağmen ancak 20mV’a kadar düşürülebilmiştir. Şekil-2.19’da ayarlanabilir çıkış veren pozitif ve negatif gerilim regülatörleri verilmiştir. Her iki devrede de çıkış gerilimi R2 ayarlı direnci tarafından ayarlanmaktadır. R2 değerine bağlı olarak çıkış geriliminin alabileceği gerilim değerleri ise tablo olarak verilmiştir. 
Şekil 2.19 Ayarlanabilir pozitif ve negatif gerilim regülatörleri 
NOT: LM 79... serisi ile gerçekleştirilen negatif gerilim regülatörlerinin de devre bağlantı şemaları pozitif gerilim regülatörleri ile aynıdır. - Simetrik çıkışlı sabit gerilim regülatörleri Pozitif ve negatif gerilim regülatörleri birlikte kullanılarak simetrik çıkışlı sabit gerilim regülatörleri yapılabilir. Şekil 2.20’de böyle bir devre verilmektedir. Bu tip regüleli gerilim kaynakları yapılırken kondansatörlerin polaritelerine ve tümdevre bacak bağlantılarına dikkat edilmelidir. Şekil-2.20 Sabit Simetrik çıkışlı regüleli güç kaynağı 2.8 ANAHTARLAMALI GERİLİM REGÜLATÖRLERİ (SWITCHING VOLTAGE REGULATORS) Kullanım alanı ve önemine bağlı olarak çeşitli tiplerde güç kaynağı ya da dc besleme kaynaklarının tasarımı yapılmaktadır. DC güç kaynakları genel olarak; regülesiz, regüleli ve anahtarlamalı olarak başlıca üç ana kategoride sınıflandırılır. Düşük güçlü dc güç kaynaklarının tasarımında genellikle lineer (doğrusal) tümdevre gerilim regülatörleri tercih edilmektedir. Tercih nedeni olarak; basit yapıları, yük değişimlerine hızlı cevap vermeleri, gürültüsüz çalışmaları ve düşük maliyetleri gibi etkenleri sıralayabiliriz. Fakat bu tip regülatörlerde verim çok düşük ve güç kaybı fazladır. Yüksek güçlü dc kaynaklarının tasarımında verimleri çok daha fazla olan anahtarlamalı gerilim regülatörleri (switching regulators) kullanılmaktadır. Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin kullanım alanları teknolojik gelişmelere paralel olarak son yıllarda oldukça artmıştır. Birkaç farklı tip anahtarlamalı gerilim regülatörü tasarımı yapılmaktadır. Güç kaynaklarının tasarımında dikkat edilmesi gereken önemli faktörlerden birisi verimliliktir. Doğrusal (lineer) tümdevre gerilim regülatörlerinde verimlilik oldukça düşüktür ve yaklaşık olarak %25 ile %60’lar seviyesindedir. Bu durumda ac’den dc’ye dönüştürme işleminde yaklaşık olarak %50’ler seviyesinde bir enerji kaybı söz konusudur. Düşük güçlü (10W altı) dc güç kaynaklarının tasarımında önemsenmeyecek boyutlarda olan bu kayıp özellikle yüksek güçlerde sorunlara neden olmaktadır. Doğrusal (lineer) bir regülatörde güç kaybı yaklaşık olarak; PREG = (Vİ −V0 ) ⋅ IL ≅ ≅ VCE ⋅ IC olarak ifade edilmektedir. Dolayısıyla kayıpların tümüne yakını kontrol elemanı olarak kullanılan ve aktif bölgede çalıştırılan transistör üzerinde oluşmaktadır. Anahtarlamalı Gerilim Regülatörlerinin avantajları:
Anahtarlamalı Gerilim Regülatörlerinin dezavantajları:
2.8.1 Anahtarlamalı Gerilim Regülatörünün çalışma prensibi: Anahtarlamalı gerilim regülatörünün temel çalışma prensibi, girişine uygulanan dc işaretin yüksek frekanslarda anahtarlanarak çıkışa aktarılmasına dayanmaktadır. Bu işlem için giriş gerilimi kıyılmakta ve darbe-periyot oranı değiştirilmektedir. Kısaca darbe genişliği modülasyonu (Pulse Widh Modulation=PWM) yapılmaktadır. Bu işlem; regülatör çıkışını yük ve giriş geriliminde oluşan değişimlerden bağımsız hale getirir. Ayrıca devrede kullanılan elemanlar (yarıiletkenler) kesim/doyum modunda anahtarlamalı olarak çalıştıkları için güç kayıpları minimumdur. Anahtarlamalı bir güç kaynağının blok olarak temel yapısı Şekil-2.21’de verilmiştir. 
Şekil 2.21 Anahtarlamalı DC gerilim regülatörünün blok diyagramı Blok diyagramı verilen anahtarlamalı gerilim regülatörünün temel çalışma ilkelerinden olan darbe genişliği modülasyonunun (PWM) temel prensibi ise Şekil-2.22’de gösterilmiştir. 
Şekil 2.22 Anahtarlamalı dc gerilim regülatöründe dalga biçimleri Anahtarlamalı gerilim regülatörünün blok diyagramının da görüldüğü gibi hata amplifikatörünün eviren girişindeki gerilim (VM), geri beslemeden dolayı; 
Opamp’ın ideal olduğu kabul edilirse (eviren ve evirmeyen girişleri arasında gerilim farkı yoktur), evirmeyen girişteki VREF değeri; Elde edilen çıkış geriliminin devre giriş gerilimi Vİ’den ve yük akımı IL’den bağımsız olduğu görülmektedir. Devrede R2=2·R1 ve VREF=10V olarak seçilirse, devrenin çıkış gerilimi V0; 
olarak bulunur. Dolayısı ile çıkış geriliminin maksimum değeri Vİ kadar olduğundan bu devre V0 
Görüldüğü gibi darbe periyot oranını (D); VA geriliminin periyodu (T) belirlemektedir. VA gerilimi ise Şekil-2.21’de görüldüğü gibi karşılaştırıcı girişine verilen VM değerine bağlıdır. Dolayısıyla sistemin lineer bir darbe periyot modülatörü (PWM) gibi çalıştığını söyleyebiliriz. 
Devrede (Şekil-2.21) PWM modülatörü çıkışından alınan VA gerilimi kare dalgadır. Bu gerilimin gücü, bir güç anahtarından geçirilerek yükseltilmektedir. Dolayısıyla güç anahtarı çıkışından alınan VB gerilimi de kare dalgadır. Bu gerilimde bulunabilecek yüksek frekanslı harmonik bileşenleri zayıflatmak için bir LC alçak geçiren filtre devresi kullanılır. Bu işlem için XL>>XC seçilmelidir. Bu durumda devre çıkışından alınacak V0 çıkış gerilimi, VB’nin ortalama değerine eşittir. Anahtarlamalı regülatör devresinde kullanılan güç anahtarı ise (power switch) bir grup transistörle gerçekleştirilen özel bir anahtardır. Bu devrede transistörler aktif bölgede çalıştırılmaz. Kesim ve doyum bölgelerinde bir anahtar gibi çalıştırılır. Bu yüzden güç kayıpları çok azdır. Güç anahtarı devresinde verimliliği artırmak amacıyla kollektör-emiter doyum gerilimi (VCE(SAT)) düşük ve anahtarlama hızı yüksek transistörler tercih edilir. Yüklə 345,81 Kb. Dostları ilə paylaş:
|
