Elektronik yükün çalışma mantığını ele aldığımız ilk iki bölümden (ilk bölüm – ikinci bölüm) ve uzun bir aradan sonra, sıkı bir çalışmanın ardından DC Elektronik Yük projemi bitirmiş bulunmaktayım. Proje gelişim sürecinde bir çok fikir ortaya çıksa da, yıllar içinde farklı güç değerliklerinde tasarlamış olduğum güç kaynakları ve onlara yaptığım yükleme testleri ile birlikte ihtiyacım olan akım ve gerilim aralığı ile test türlerini belirlemiş oldum. Bilgisayar programı ile birlikte bir çok kaynağın testine olanak sağlayan elektronik yük, hedefimiz olan basit yapı ile de geliştirmeye oldukça açık hale geldi.

Elektronik Yükün Genel Özellikleri

Elektronik yükün tasarımında temel aldığım firma BK Precision oldu. Bu firmanın bir çok ürünü olsa da özellikle DC elektronik yükleri oldukça iyiler; ben yıllar önce 8601 ve 8602 modellerini kullandığımda hayran kalmıştım. Bir tane edinmek istediğimde ise bir yük için bu kadar ücretin fazla olduğunu düşündüm. Dolayısı ile aşağıdaki özelliklere sahip cihazı tasarlama işlemlerine başladım.

Bu tür bir cihazın pisasada karşılığının 600-1000$ aralığında olduğu görülebilir. Özellikle çok düşük akım oranlarında hassasiyet istemiyorsanız, genel çalışma aralığınız 2-18A, ölçüm adımınız ve hassasiyetiniz +-20/30mA sizin için çok kritik değilse, bahsettiğim büyük meblağları vermek gerekmemektedir. Tüm bu yukarıda anlattıklarımı birleştirerek yaptığım DC Elektronik Yük projesinin kutusuz halini aşağıda görebilirsiniz.
Elektronik yük modüler halde 3 ana parçadan oluşmaktadır, bunlar sırasıyla; LCD ekran ve rotary pot, mikrodenetleyici ve güç katıdır. Bu projede kartların her biri değiştirilerek güç değerinin arttırılması, ekran ve işlemci kartının diğer projelerde de kullanılması amaçlanmıştır.

Projede kullandığım mosfet kılıfı SOT227 olduğu için güç katında, iki adet ilgili paket yerleşecek şekilde pad yerleri ayrılmıştır. Bunun yanında tüm kart geçişleri basit 10’lu ve 16’lı flat kablolar ile sağlanmıştır. Mosfetlerin koruması içinse sıcaklık sensörü yeri ayrılmıştır.

Tüm devre 12V/1.5A DC adaptör ile beslenebilmektedir. Kartın üzerinde bir adet fan çıkışı (1.0A), bir adet ses çıkışı (buzzer), RS485 çıkışı ile HC-05 bluetooth modül bağlantı yuvası bulunmaktadır.

Elektronik Yük Bölümleri
Elektronik yük yukarıda da değindiğim üzere 3 bölümden oluşmaktadır. Bu bölümlerin hepsi PCBway sitesinde basılmak üzere ayrı ayrı 10x10cm altında olacak şekilde ayarlandı ve malzemelerin ise Türkiye’de kolay bulunmasına özen gösterildi.

a) Güç Katı
Elektronik yükün kalbi olan güç katı oldukça sade bir yapıya sahiptir. Aşağıdaki PCB’de 2 adet SOT227 kılıf mosfet (IGBT’de kullanılabilir) kullanılmıştır.Bu tür mosfetler üzerilerinden 1000W civarında ısıyı atacak şekilde tasarlanmışlardır. Ayrıca kılıfları izolasyonlu olduğu için istenilen noktaya kolaylıkla monte olabilmektedirler. Güç katında kullandığım mosfet IXFN230N20T olmuştur. Bu kılıfta bir çok mosfet Türkiye’de bulunabilir ve elektronik yükün maliyet açısından en yüksek elemanlarıdır. Mosfetin datasheeti incelendiğinde aşağıdaki grafiklere ulaşırız.Yukarıdaki şekilleri incelediğimizde, öncelikle güvenli çalışma bölgesinde (safe operating area) kırmızı ile belirlediğim alanda çalışacağımız göz önüne alındığında mosfetin sağlıklı şekilde çalışacağı görülmektedir. Bunun yanında power dissipation (Pd) yani ısı atma kapasitesinin de 1090W civarında olduğu görülebilir. Mosfetin iç direncinin küçük olması çalışmamızı etkileyen bir unsur değildir. Mosfetin datasheetindeki bu değerlerin nasıl yorumlanacağını daha önce değindiğim Datasheet Okumak – Mosfetler (Part 1) ve Datasheet Okumak – Mosfetler (Part 2) yazılarımda bulabilirsiniz.Yukarıda, güç katında iki adet paralel olarak bulunan toplojinin basitleştirilmiş halini görebilirsiniz. Olası osilasyonları engellemek için ayrıca mosfet uçlarına RC snubber eklenmiştir. Bu tasarımla birlikte güç katı 20A maksimum akıma, 70V gerilime ve 300W güce dayanabilmektedir. Güç katı değiştirilerek daha yüksek güçler elde etmek oldukça kolaydır.

b) Mikrodenetleyici Katı
Elektronik yük için tasarlanan, aşağıda görülebilecek mikrodenetleyici katı temel olarak akım, gerilim ve sıcaklık ölçümünün yanında tüm haberleşmeyi ve kontrolü kullanıcı için sağlamaktadır.Mikrodenetleyici kartının kalbini favori işlemcim olan STM32F072 denetleyicisi oluşturmaktadır. Bu işlemci sahip olduğu 12 bit ADC sayesinde gerilim ve akımı istenen hassasiyette ölçerken, dahili 12 bit DAC ile elektronik yükün çalışması için gerekli referansı oluşturabilmektedir.Akım kontrolünün sağlanması ise yukarıda görülebilecek akım PID kontrolü ile sağlanmıştır. Sistem (kaçak endüktans vb. ihmal ederseniz) lineer bir sistem olduğu için PID, elektronik yük için en iyi kompanzasyon sistemi olmaktadır. Çok hızlı akım regülasyonu yapmak bu şekilde mümkün olmuştur. STM32F072 ayrıca rotary pot ve ekran kontrolü ile tüm haberleşmeleri gerçekleştirebilmektedir. Bunun yanında tüm kalibrasyon değerleri de işlemcinin hafızasına yazılarak, eeprom gibi ekstra malzeme kullanımından kaçınılmıştır.

c) Ekran Katı
Ekran kartı içerisinde bir adet 2×16 LCD ve rotary pot bulundurmaktadır. Bu kart sadece elektronik yük ile değil, herhangi bir projede kullanılmak üzere de tasarlanmıştır. LCD arka ışığı cihaz kullanılmadığında kendilinden kapanmaktadır. Aşağıda bu kartın çalışma anındaki görüntüsünü görebilirsiniz. Ekran ve rotary pot bilgisayar bağlantısı olduğu anda deaktif moda geçerek, sadece gösterge olarak çalışmaktadır.

Elektronik Yükün Toplu Hali
Elektronik yük hem bilgisayar ile hem de bilgisayarsız çalışmak üzere tasarlandığından dilenirse sadece işlemci ve güç katı ile birlikte, bilgisayar bağlantısıyla kullanılabilir. Cihazın üzerinde RS485 bağlantısı bulunmaktadır. Eski deneyimlerimle birlikte; özellikle SMPS yüklemesinde, yüksek frekanslı elektrik sinyallerinden dolayı USB ve RS232 bağlantının çok fazla sorun yarattığına şahit oldum. Dolayısı ile bu yük tasarımında RS485, diferansiyel fiziksel yapısı nedeni ile ilk tercihim oldu. Basit bir USB/RS485 dönüştürücü ile bağlantı kurabilecek olsanız da izolasyonun ihtiyaç olduğu ya da bilgisayarınızı testte korumak istediğinizde daha önce bahsettiğim USB2RSx ile birlikte yükün sorunsuz çalıştığını belirtmek isterim. Aşağıda sırasıyla ekranlı ve ekransız elektronik yükü görebilirsiniz.

Son Bölüm Öncesinde…
Tasarlamış olduğum DC elektronik yükün en önemli özelliği bilgisayar ile kontrol edilebilir olmasıdır; eğer bu özellik olmasaydı basit bir pot ve opampla birlikte bir yük yapmak bu kadar uğraştan daha iyi olacaktı. Aşağıda elektronik yükün bilgisayar programına ait ekran görüntüsünü görebilirsiniz, detaylar için ekran görüntüsünün üzerine tıklayabilirsiniz.Anlık yükleme, kademeli yükleme, batarya ve periyodik testler gibi bilgisayar programının detaylarını, DC elektronik yükün nasıl kullanıldığını ve grafiksel verileri nasıl elde ettiğimizi son bölümümüzde sizlere aktarmış olacağım.

Konuyla ilgili tüm sorularınızı yorum bölümünden bana iletebilirsiniz.
Çalışmalarınızda başarılar dilerim!