Fırat DEVECİ

Nasıl Ölçülür: Voltage Ripple

  • 4 sene önce, Fırat DEVECİ tarafından yazılmıştır.
  • 6 Yorum
  • 7.806 Kişi Okudu

Signal2Tasarım yapmak uzun ve zahmetli bir süreç. Daha öncesinde kağıt üzerinde hesaplanan değerlerin, uygun aletler yardımıyla, uygun şekilde ölçümü tasarımın kendisi kadar önemlidir. Söz konusu güç elektroniği olduğunda bahsedilen ölçümler tasarım için hayati değerde ve kritik olabilir.
Güç kaynağı ya da bir şarj cihazı uygulamasında çıkış geriliminin en önemli parametrelerinden biri voltage ripple değeridir.
Peki bu oranlar nedir ve neden oluşur?

1) Ripple Kaynağı
Ripple oluşumunun iki nedeni bulunmaktadır. Bunlardan bir tanesi temel anahtarlama frekansıdır. Bu frekans şebeke için 50Hz ile 60Hz, switch mode ile çalışan güç kaynakları için anahtarlama frekansı ve katlarındadır. Bu frekanslarda oluşan ripple değerinin frekansı düşük seviyededir.Ripple_SampleBunun yanında özellikle yüksek frekanslarda akım ve gerilim oranlarının ani değişimlerinden ötürü devredeki kaçak endüktans ve kapasite değerlerinden ötürü oluşan salınımlardan dolayı ise daha yüksek frekanslı bileşenler ortaya çıkar. Bu ripple oranı anahtarlama frekansından bağımsız olduğundan “noise” olarak adlandırılır. Noise özellikle EMI konusunda oldukça önem arz eder ve devrede kullanılan yarı iletken ve iletken (PCB ya da vb.) tasarımı ile yakından ilgilidir.

1.a) Low Frequency Ripple Kaynağı
Düşük frekanslı ya da diğer bir değişle anahtarlama frekansı ile aynı periyotlu ripple değerinin ana nedeni çıkış kapasitelerinin içlerinde barındırdıkları kaçak endüktans (ESL) ve direnç (ESR) değerleridir.
CapacitorEqu Ripple oranını etkileyen bu değerlerin ise kendi içerisindeki değişiklikleri ripple şeklini aşağıdaki gibi değiştirmektedir.
RippleESLESRŞekillerden de görülebileceği üzere buradaki en iyi sonucu seramik kapasitörler vermektedir. Yalnız yüksek sığalı seramik kapasite üretiminin zorluğundan dolayı, yüksek sığa gerektiren uygulamalarda alüminyum elektrolitik kapasiteler kullanılır. Bu kapasitelerin de ESR değerleri, diğer kapasitelerden büyük olduğu için temel frekanstaki ripple oranları çok büyümektedir. Üretim teknolojisinden ötürü düşük ESR değerlikli kapasiteler maliyet açısından yüksek mertebede sunulmaktadır.

Kapasite içerisinde bulunan ESR ve ESL değerleri düşük de olsa da kötü bir PCB yerleşimi, kapasiteye seri dış kaynaklı direnç ve endüktans değeri getireceğinden ripple seviyeleri yüksek değerlere ulaşabilir.

1.b) High Frequency Ripple Kaynağı
Özellikle switch mode güç kaynaklarında, akım değerleri çok ani değişiyorsa osiloskopta aşağıdakine benzer sinyaller görülür.HF NoiseBu gürültüler tasarlanan devredeki elemanların ideal olmayışından kaynaklanır. PCB’deki her bir yolun kaçak endüktansı, direnci ve yolların kendi arasında kaçak kapasiteleri ve bunun yanında her bir bobinde, seri kaçak direnç ve paralel kaçak kapasite bulunur. Ayrıca ilk bölümde bahsettiğimiz üzere kapasitelerin de ESR ve ESL değerleri vardır. Sistem anahtarlama içerisindeyken ani akım (dI/dt) ve gerilim (dV/dt) değişimi, sistemi bu kaçak endüktans ve kapasiteler üzerinde salınıma sokar ve anahtarlama frekansımızdan genellikle yüksek gürültülere neden olur. Tüm bu değerlere “noise” adı verilir.IdealVsRealBu tür yüksek frekanslı değerler özellikle anahtarlama elemanı seçerken çok fazla önem arz eder. Bu yüzden iyi bir PCB tasarımı güç elektroniğinde çok önemlidir.
Tüm bunların yanında, bu tür yüksek frekanslı değerleri ölçebilmek için dijital tarafta bant genişliği ve örnekleme sayısı oldukça yüksek osiloskoplar kullanılmalıdır.
2) Nasıl Ölçülür?
Diğer tüm dallarda olduğu gibi güç elektroniğinde yukarıda nedenleri açıklanan yüksek ve düşük frekanslı bileşenlerin doğru ölçümü oldukça önemlidir.
Günümüzde ölçüm aletlerinin büyük bir bölümü dijitalleştiği için iyi çözünürlük, sample oranına ve bant genişliği yüksek bir osiloskop kullanmak, özellikle yüksek frekans bandındaki dalgalanmayı ölçmek için çok önemlidir. Bunun yanında ölçümün de doğru bir şekilde yapılması gerekmektedir. Çoğu osiloskop üreticisi aşağıdaki gibi 1x-10x aralığındaki probları kullanıcılara ücretsiz vermektedirler.RigolPrbwBilindiği üzere prob yanında çıkan kablolu yapı genellikle devrenin “sıfırı” kabul edilecek noktasına bağlanır ve diğer uçtan ise ölçüm alınır. Yüksek frekanslı salınımların olduğu bir ortamda ise, her bir PCB hattı kendi içinde bir anten görevi görerek ortama elektromanyetik gürültüler yayar. Probun yanından çıkan kablo kullanarak yapılan ölçümlerde ise, bu ek kablo birer alıcı gibi çalışır ve osiloskopta yanlış sinyallerin okunmasına yol açar.
Tüm bunların önüne geçmek için ölçüm noktasıyla referans noktası arasındaki mesafe oldukça kısa tutulmalıdır.Good and Bad ProbeYukarıda görüleceği üzere bazı osiloskop üreticileri problar ile birlikte referans noktasına bağlanabilmesi için yaylar sunmaktadırlar.

Yukarıda anlatılan tüm ölçümler sadece güç elektroniği için değil, dijital elektronik için de uygulanıp ve kullanılabilir. Bu konuda Sanjaya Maniktala‘nın yazdığı Switching Power Supplies A to Z adlı kitaptan faydalanabilirsiniz.

  1. Hakan dedi ki:

    Hocam Merhabalar,

    Yine endüstriye dönük gerçeklerden bahsettiniz. Hocam bu probun referans ucunun proba sarmak çok orjinal bir çözüm. Resimlerde görüldüğüne göre Rigol marka scope kullanıyorsunuz, nasıl hocam memnun musunuz güç elektroniğinde izole giriş gerektiğinde nasıl ölçüm yapıyorsunuz. Benim Fluke 196c el tipi 2 izole kanallı 100 Mhz 1 GS örneklemeli scope var. 4 kanala ihtiyaç duyduğum için osiloskop alma niyetim var. Bana Rigol’u önerir misiniz ve izole için diferansiyel prop dışında ne önerirsiniz?

    Bu arada blogununuzu iki gündür fark ettim hayırlı olsun, FxDev.org sitesini sıkı takip ederdim kapanması kötü olmuştu. Sizi burada görmek güzel.

    • Fırat DEVECİ dedi ki:

      Öncelikle temennilerin için çok teşekkür ederim.

      Rigol DS1154Z kullanıyorum projelerimde. 100MHz Bandwidth ve 1Gs/s ile çoğu projede yeterli çözümü sunuyor. İzolasyon probu için Pintek DP-100 kullanıyorum. İzolasyon probu alırken dikkat etmeniz gereken en büyük etmen frekans değerleri. Çoğu izolasyon probu 50Hz ölçme üzerine özelleşmiş. Bu yüzden yüksek frekans ölçümü için frekans değerlerine bakmanızı öneririm. Pintek DP-100 bu konuda idare eder gözüküyor ama dikkatli olmak gerekiyor.

      Rigol açısından daha önce Tektronix kullanan biri olarak çok iyi olduğunu söyleyebilirim. Eğer güç elektroniği bölümünde maksimum 100-500kHz aralığında çalışıyorsanız gayet yeterli. Yalnızca çoğu skopta olan, kanal sayısını arttırdıkça sample oranı kanal başına düşüyor. Özellikle bir çok matematiksel çözüm yapıyor ki bu benim için önemli. Bunun yanında eğer yazılımını satın alırsanız RS232, SPI gibi dijital iletişimleri de çözüyor.

      Fiyat açısından Rigol DS1054Z alıp malum yöntemlerle Rigol DS1154Z haline getirebiliyorsunuz. Bu yöntem ile cihazınızı yükselttiğinizde garanti dışına çıktığını belirtmek isterim.

      Son olarak eğer bir destek kapsamında osiloskop alıyorsanız Lecroy’lara da bakmanızı öneririm.

  2. Şehmus Fidan dedi ki:

    Merhaba Fırat bey yorumlarda izolasyon probundan bahsetmişsiniz bu nedir? Ne işe yarar? Güç elektroniği devrelerinde gerekli midir? Maliyeti nedir? Rigolun osiloskobundan almayı düşünüyorum. 1700 TL civarı normalmidir?

    • Fırat DEVECİ dedi ki:

      Merhaba Şehmus,

      İzolasyon probu yapacağın uygulamaya göre değişmekle birlikte gerekli değildir. 1000V üzerini skopla ölçmek isterken kullanılır. Son fiyatları bilmiyorum yalnız 400-450$ civarı olduğunu düşünürsek alacağın model DS1054Z ise bir nebze pahalı gözüküyor.

  3. Şehmus Fidan dedi ki:

    Fırat Bey hızlı cevabınız için çok teşekkür ederim. İlgili, bilgili ve paylaşımcı olmanız gerçekten takdire şayan bir davranış. Son bir soru diferansiyel probu bir izolasyon probumudur?

Yorum Yazınız

error: Kopyalama KARDEŞ!