Fırat DEVECİ

Güç Kaynağı İncelemesi ve Fan Kontrolü

  • 1 hafta önce, Fırat DEVECİ tarafından yazılmıştır.
  • 0 Yorum
  • 342 Kişi Okudu

Güç kaynağı elektronik ile ilgilenen bir çok kişi için masa üstünde bulunması gereken yegane cihazlardan. Güç elektroniği üzerine geliştirdiğim mühendislik çalışmaları nedeniyle, çok değişik güç kaynakları ile hem çalışma hem de benzerlerini tasarlama fırsatım olduğu için şahsıma ait bir adet güç kaynağı edinme konusunda uzun süre direndim. Bu direncin en büyük nedeni olarak piyasada bulunan genel/geçer cihazlardan, özellikle elektronik yapıda, daha iyi bir cihaz tasarlayabilecek kabiliyetim olması yatsa da acil bir ihtiyaç altında bu cihazlardan bir tane edinmek zorunda kalmam beni bir seçime yönlendirdi. Uzun bir araştırma sonucunda fiyat/performans olarak işimi göreceğine inandığım UNI-T firmasının 3315-TF ürün kodlu 0-30V, 0-5A ayarlı lineer güç kaynağını aldım.

Lineer Mi Yoksa SMPS Mi?
Güç kaynağı alımı yapacak kişilerin sorduğu soruların başında, alınacak güç kaynağı topolojisinin anahtarlamalı mı yoksa lineer mi olması gerektiği gelir. Bilindiği üzere anahtarlamalı yapıdaki güç kaynakları hem az yer kaplamakta, hem daha verimli çalışmakta (hatta bu nedenle fan kullanılmadığı için sessiz olmakta) hem de daha ucuz olabilmektedirler. Buna karşın lineer topolojideki kaynaklar ise ağır, verimsiz, boşta dahi ısı üretebilen, fanlı ve ses açısından gürültülü sistemler olarak görülmektedir.
Uygulamaya göre kullanılacak güç kaynağı tipi değişkenlik gösterse de, anahtarlamalı güç kaynakları oluşturdukları elektromanyetik ya da elektriksel gürültü nedeniyle uygulama içerisinde farklı davranışlar görülmesine neden olabilir. Bunun yanında tepki süreleri de lineer güç kaynaklarına nazaran oldukça yavaştır. Anahtarlamalı güç kaynaklarının bir diğer sorunu ise oluşturdukları gerilimin dalgalılık göstermesidir. Tüm bunlar hassas ölçüm yaparken, istenmeyen ve nedeni belli olmayan sorunların oluşmasına birer etkendir. Lineer güç kaynakları her ne kadar hantal yapıda olsa da sundukları elektriksel kalite, tüm olumsuzluklarını görmezden gelmeyi sağlamaktadır.

Yukarıdaki neden ve sonuç ilişkileri ele alındığında; eğer elektronik tasarım yapmıyor, sadece bir cihazı beslemek ya da çalışıp çalışmadığını kontrol etmek istiyorsanız anahtarlamalı (SMPS) güç kaynaklarına yönelebilirsiniz; fakat ölçüme dayalı tasarımlar yapıyor ya da ürün geliştiriyorsanız bakmanız gereken kaynak türü lineer olmalıdır.

UNI-T UTP3315TF-L İncelemesi
Ürünün incelemesine geçmeden önce UNI-T firması hakkında küçük bir bilgi vermek gerek. UNI-T firması, bir çok osiloskop ve ölçü aleti üreten ve bununla tanınan bir firma. Her ne kadar Fluke kadar olmasa da piyasada uzak doğulu rakipleri karşısında el üstünde tutulabilecek bir yere sahip olan UNI-T, “muhteşem” deyip şaşırdığım ya da”rezillik” diye nitelendirip çöpe attığım özelliklerde cihazlara sahip bir firma. Örneğin UNI-T temassız akım ölçerlerden uzak durmanızı söylerken, multimetrelerini öğrenciler için önerebilirim.

Yukarıdaki deneyimlerim ışığında ihtiyacım olan tek kanal 0-30V ve 0-5A ayarlı güç kaynağı için bir çok piyasa ürünün yanında yaklaşık 250TL civarı bir ücret karşılığı UNI-T UTP3315TF-L’yi edindim. Cihaz boyutları genel olarak 10.5×16.0×24.0cm civarında ve benzerlerine nazaran küçük bir hacme sahip. 2.5~3kg civarı ağırlığı ise 150-180W gücünde bir SMPS’e kıyasla oldukça ağır fakat bu ürünün içerisinde yaklaşık 180VA çıkışlı bir trafo olduğunu unutmamak gerekiyor. 3 digit akım ve gerilim göstergesi bulunan üründe, bu değerleri ayarlamak için ise hassas ve normal olmak üzere ikişer şekilde ayar yeri bulunuyor.

Cihazın iyi özelliklerine değinecek olursak; cihaz 30.5V genlikte 5A değerini uzun süre verebiliyor. Akım ve gerilim kalibrasyonları %1 hata payı içerisinde ve ekstra bir ölçü aleti kullanmadan değere güvenebilmenizi sağlıyor. Yanında gelen kalın soketli kablo ile 5A gibi değerleri sorunsuzca taşıyabiliyorsunuz ve elbette bunları düşük fiyata alabilmek da cabası.

Cihazın kötü yanlarına gelecek olursak; her lineer cihazda olduğu gibi güç elemanlarının güven vermeyecek düzeyde ısınması başlı başına bir sorun olarak görülebilir. Bunu engellemek için yüksüz anda bile sürekli çalışan fan, özellikle sessiz bir ortamda çalışırken oldukça rahatsız edici. Ekran kısmında kapamak için kullanılan plastik oldukça ince ve herhangi bir darbede kolayca zarar görmesi mümkün. Taşıma kısmının olmaması ise yine eksikliklerden bir tanesi.

Biraz Geri Mühendislik Yapalım…
Lineer güç kaynağı tasarımının sırrı, yarı iletken malzemeyi ayarlı direnç gibi kullanıp ve bunu her yük durumuna göre otomatik olarak ayarlamaktan geçmektedir. Ürünü ele ilk aldığımızda aşağıda görülebilecek paralel iki adet transistör bu görevi üstlenmektedirler; dolayısı ile cihazda en çok ısınacak  bölümün burası olacağını öngörmek çok da sürpriz olmayacaktır. Lineer güç kaynaklarında temel devre yapısı aşağıdakine benzerdir.İlgili devre yapısında sağlam bir referans kaynağı opamp üzerinden karşılaştırılarak çıkış gerilimi ayarlaması yapılmaktadır. Buradaki en büyük sorun, giriş gerilimi çok yükseldiğinde opamp beslemesinin de o denli yükselmesi gerektiğidir; kullanılacak opampın rail-to-rail olmayacağı ön görüldüğünde, opamp beslemesi giriş geriliminin yaklaşık 5-6V daha yükseğinde olmalıdır. Şebekenin (220V/50Hz nominal) minimum gerilimi 180Vac alınırsa ve bu koşulda da çıkış gerilimi 30V olsun isteniyorsa devrenin giriş gerilimi yaklaşık 35V civarında olması gerekmektedir. Şebeke geriliminin 250Vac civarına yükseldiği ön görüldüğünde ise devrenin giriş gerilimi 48V civarına yükselecektir. Bu koşullar altında 50V+ üzeri çalışabilecek bir opamp gerekir ki bu da fiyat/performans ürünlerinden uzaklaşmak demektir. Bu konuda çözüm bulmak için başka bir metot kullanmak gerekir; referans noktasını kaydırmak. (Şemayı büyütmek için üzerine tıklayın)Yukarıdaki şema sadece gerilim kontrolünü gösteren konsept çizimdir. Burada birbirinden bağımsız üç besleme kaynağı üzerinden öncelikle +-12V ile opamp beslemeleri sağlanmıştır. +42V besleme ise diğer beslemeler gibi trafonun başka bir sargısından doğrultularak elde edilmiştir. Burada, opamplı yapının referans noktası, diğer beslemenin pozitifine basmaktadır. Dolayısı ile diferansiyel olarak gerilim ölçümü ile feedback sağlanıp ilgili gerilim ayarı yapılabilmektedir. Bu şekilde sadece transistör base-emitter arası gerilimler karşılanarak çıkış gerilimi ya da akımı kontrol edilebilmektedir. Bu devre yapısı ile hem çıkışta tam 0V gerilim elde edilebilmektedir hem de basit opamplarla devre oldukça ekonomik hale gelmektedir. UNI-T’ye bu özelliği kazandıran trafonun etiketi aşağıdaki gibidir.Isıl kaybı azaltmak ya da verimi yukarıda tutmak için trafonun 0-8-21-36Vac çıkışları birbiri arasında anahtarlanarak giriş ve çıkış gerilimi arasında farkın küçük tutulması sağlanır. Trafonun 19-0-19Vac sargıları ile opamp beslemeleri sağlanmıştır; bu gerilimler doğrulttuktan sonra 7812 ve 7912 ile +-12V gerilimler elde edilmiştir. 9-0-9Vac ile elde edilen gerilimler ise ekran beslemesi için kullanılmıştır. 16Vac tek çıkış ise 24V fan beslemesi için kullanılmıştır. Dikkat edildiyse trafonun girişi birbirinden bağımsız 2x110V sargıdan oluşur. 220V şebeke için bu sargılar seri bağlanır, 110V şebekeli yerlerde ise bir sargı kullanılarak cihazın çalışması sağlanır. Dolayısı ile eğer cihaz ayarını 110V ayarlar ve 220V ile beslerseniz, yukarıda saydığım tüm gerilimler 2 katına çıkarak kontrol kartınızın zarar görmesine neden olur.

Fan Kontrol Nerede!!?
Yukarıda da dediğim gibi zaman içerisinde bir çok güç kaynağı ile çalışma fırsatı edindim. 1W güçten 1MW güç oranlarına kadar çok fazla değişik güç kaynağı tasarladım ya da inceledim. Bazı tasarımlarda fiyat baskısından bazı tasarımlarda ise kolaya kaçmaktan dolayı fan kontrolü yapılmaz ve kullanıcı aşırı seslere maruz bırakılır. Özellikle sessiz ortamda yazılım vb. geliştiriyorsanız başlangıçta rahatsız etmeyen bu sesler bir süre sonra çin işkencesine dönüşebilmektedir. UNI-T’nin bu cihazında da trafodan anlaşılacağı üzere herhangi bir fan kontrol bulunmazken soğutucu alanının küçük olmasından dolayı fan oldukça yüksek devirde çalışmaktadır. Belli bir süre sonra bu gürültüye dayanamamaya başlayınca evde bulunan malzemeler ile aşağıdaki devre yapısını oluşturup hızlıca sorunuma çözüm buldum.Devre yapısında PIC12F683 tasarımın kalbini oluşturmaktadır, ADC kanalının olması ve kristal gibi alt elemanlar gerektirmemesi ve piyasada oldukça fazla bulunması beni bu işlemciyi kullanmaya itti. Aşağıda devre şeması bulunan yapıyı, aynı zamanda PCB haline getirip, cihazın içine yerleştirerek kalıcı bir çözüm de sağlamış oldum.Oldukça sade olan tasarımı Eagle 9.x versiyonu ile çizdim. Burada Eagle programına ayrı bir parantez açmak istiyorum; Eagle yıllarca öğrencilerin, hobicilerin kullanımı kolay olduğu için tercih ettiği bir program olsa da zaman içinde bir çok özelliği diğer PCB çizim programlarından geri kaldı. AutoCad programı ile tanınan AutoDesk firmasının Eagle CAD’i satın almasından sonra aşırı ivme kazanan geliştirme süreçlerinde PCB çizim programı o kadar güzel evrimler geçirdi ki (anlatmak için ayrı bir yazı yazmak gerekir) PCB çizme süreleri en az yarı yarıya azaldığı gibi, çizim daha zevkli hale geldi. Eagle 9.x ile çizilen PCB ve çıktılar aşağıda görülebilir.


Son olarak devreyi aşağıdaki şekilde de cihazın içine yerleştirince (fandaki bir vidayı bunun için kullandım) artık düşük yüklerde sessiz, sadece ısınınca çalışan bir güç kaynağına sahip oldum.
Sonuç Olarak…
Bu kadar uğraşa değdi mi diye soracak olursanız; değdi! Çünkü konsantrasyon ve konfor tasarım yaparken en önemli parametrelerden birisi ve bu tür bir gereksinimi basit bir şekilde çözmek ve ilgili gereksinimi gidermek de tasarımcının görevleri arasında. UNI-T’nin sunmuş olduğu güç kaynağı piyasadaki benzerleri arasında oldukça iyi noktada, tam bir fiyat/performans ürünü. Ayrıca cihaz modifikasyon yaparak digital kontrollü, haberleşmeli gibi özellikler eklemeye de oldukça uygun. İleride bununla da ilgili çalışmalarım olursa sizlerle yine buradan paylaşacağım.

Proje ile ilgili tüm dosyaları buradan indirebilir (indirdikten sonra dosya uzantısını .rar haline getirin), siteye destek olmak için PCB ya da tüm malzemeleri ile toplanmış halini iletişim bölümünden bana ulaşarak satın alabilirsiniz.

Herkese çalışmalarında başarılar dilerim.

Yorum Yazınız

error: Kopyalama KARDEŞ!