Fırat DEVECİ

Hafta Sonu Projesi: 4kW MPPT Converter (Part 2)

  • 5 ay önce, Fırat DEVECİ tarafından yazılmıştır.
  • 8 Yorum
  • 1.648 Kişi Okudu

Daha önceki bölümde haftasonu projesi olarak başladığım 4kW MPPT Converter cihazının amacından, gideceğimiz hedeften, isterlerden ve mekanik ön görünümden bahsetmiştim. Bu bölümde ise, bir elektrik elektronik mühendisi olarak, mekanik, ısıl atım, montaj bilmenin avantajlarından ve güç elektroniğinde mekaniğin öneminden bahsederek, cihazımızın donanım ayağının en önemlilerinden olan, kutulu ürün oluşturma ve üretme safhasını görmüş olacağız.

Biraz Mekanik Tasarıma Girelim…
Bir elektrik elektronik mühendisi olarak ne kadar yetenekli olursanız olun, son kullanıcı ürünü, kart olarak değil, kutu içerisinde görmek durumundadır. Bu kutu cihazı mekanik olarak muhafaza ederken, diğer yandan kullanıcıyı elektrik çarpması gibi durumlardan korumalıdır. Kullandığımız hemen hemen tüm ürünler bu esasa göre hazırlanarak kullanıcıya sunulmaktadır. Koruma ve muhafaza yanında ise görsel estetik, hoş görünme, dikkat çekme gibi unsurlar da bir ürünü öne çıkaran özellikler arasında olduğundan, yapılan işin üstünkörü yapılmış havasından uzak olması kritik önemdedir. Elbette göze hitap eden bir ürün tasarlayım derken, üretimi zor ya da maliyetli bir mekanikten de kaçınarak, optimum noktayı yakalamak gerekmektedir.Cihaz kutu tasarımında ayrıca cihazın koruma sınıfı adı verilen, dünyada kabul edilmiş IP standardı (Ingress Protection Rating) kullanılır. Yukarıda şekillerde görüleceği üzere (üzerine tıklarsanız büyüyecektir) bizim tasarladığımız cihaz IP20 sınıfı bir cihaz olarak karşımıza çıkacaktır.

3 Boyutlu Tasarım
İlk bölümdeki elektronik kart tasarımının oluşturulmasından sonra, gelişmiş 3D tasarım programlarını birlikte kullanarak aşağıdaki tasarıma ulaşmış oldum. Cihazın elektriksel verilerini daha sonra haberleşme üzerinde çekerek, gösterge halinde sunacağımdan, cihaza ekran yerine led göstergeler koymayı uygun buldum. Yukarıda 3D gösterimi bulunan cihaz 4kW güç yoğunluğunda, kabaca %92-93 verimde 200-250W ısı açığa çıkaracaktır. Bu ısının uzaklaştırılma görevi ise fanlara düşmektedir. Fan ile birlikte tasarım yaparken temel soru; fanların çekiş yönünde mi yoksa itiş yönünde mi çalışacağıdır. Eğer hava cihaz içerisine doğru gönderiliyorsa, cihazın girişine davlumbaz benzeri tasarım yapmak gerekecektir. İtiş yönünde tasarım yapmak nispeten daha basittir. Cihaz içerisindeki hava, çekiş yönünde hareket ediyorsa, mekaniğin içerideki hava vakumunu bozmayacak şekilde ve uygun yönlendirme ile yapılması gerekmektedir. Bu tasarımımda da fan, içerideki havayı vakum etkisi ile çekeceğinden, mekanik montajın uygun ve üretiminin daha dikkatli yapılması gerekmektedir. Unutulmamalıdır ki vakumlu ortamda oluşacak mekanik bir boşluk, aynı elektrik kısa devresi gibi, havayı uygun olmayan bir bölgeden çekerek, içerideki ısının atılmamasına ve dolayısı ile sıcaklık yükselmelerine neden olacaktır.

Elektronik Kartın Hazırlanması
Birinci bölümdeelektronik kart tasarımı ve topoloji seçimi ile ilgili bir çok konuda bilgi vermiştim. İlgili kartın elektronik malzemelerini üzerine topladığımda ise aşağıdaki esere ulaşmış oldum.Kartın üzeri incelenirse çok yoğunluklu olduğu görülecektir. Kartın üzerindeki en büyük malzeme giriş kapasiteleridir. Bu kapasiteler, dönüştürücü çalıştığında güneş panelinden DC akım çekilmesi için önemli bir işlev üstlenmektedirler.

Tasarımda hayat kurtarıcı en önemli bileşenlerden biri yukarıda görülebilecek gümüş kaplama vidalı montaj malzemeleri oldu. Muadilleri Würth markasında olan bu ürünler metrik 4 ve metrik 6 olarak üzerilerinden 80-100A mertebelerine kadar akım taşıyabiliyorlar. PCB yüzeyine kolayca lehimlenen bu ürünlerden kart üzerinde 12 adet metrik 4 ve 6 adet de metrik 6 ölçüsünde kullandım. Lehimlenme ve akım taşıma sıkıntısı çıkarmayan ve muadiline göre çok daha ucuz olan bu ürünlerden edinmek isterseniz iletişim kanalından bana ulaşabilirsiniz.

Bobinlerin yerleşimi, sabitlenmesi ve daha bir çok ayrıntıyı aşağıdaki görsellerde bulabilirsiniz.

Geri
İleri
previous arrownext arrow
Slider

Soğutucu Montajı
Güç elektroniğinde, cihazın, mekanik anlamda en kritik elemanlarından birisi soğutuculardır. Bir çok firmanın sayısız soğutucusu olsa da piyasada standart halde üretilen ve dünyanın bir çok yerinde kolayca bulabileceğiniz soğutucuları tercih etmek, ürün tedariğinde sorun yaşanmamasına neden olarak, üretimde aksamaları minimuma indirecektir. Ben de bu anlamda artık klasikleşmiş 20x20x4cm bir soğutucu seçerek, yarı iletken soğutma yüzeyimi belirledim. Bu yüzey, kartı da çeşitli noktalardan destekleyerek, titreşim ve darbelerde malzemelerin minimum zarar görmesini sağlayarak, cihazı daha güvenilir hale getirecektir.

Geri
İleri
previous arrownext arrow
Slider

Soğutma bölümünde en önemli elemanlardan biri ise güç yarı iletkenlerinin izolasyonunu ve aynı zamanda ısı iletimini sağlayan termal izolatörlerdir. Termal izolatörlerin Türkiye içerisinde bir çok modelini bulmak mümkün olsa da ısı iletimi iyi olanını bulmak için mutlaka markalı bir ürün tercihi yapılması gerekmektedir. Aynı mekanik boyut ve izolasyon gerilim dayanımda yalnız ısı iletimi çok iyi termal izolatör ile 10-15 dereceler farklarla yarı iletkenleri soğuk çalıştırmak mümkün olabilmektedir. 10-15 derece kulağa az gelse de güç elektroniğinde fark yaratan değerlerdendir.

Ana Oyuncu: Fanlar
Güç elektroniği ile uğraşıp fanlar ile ilgili bilgi sahibi olmayan tasarımcı çok azdır. Bir çok marka ve model bulabileceğiniz fanlar; DC/AC ile beslenebilen, hız ayarlı, devir ve sıcaklık bilgisi verebilen bir çok türüne sahiptir. Fanların güç değerleri genellikle aktarabilecekleri hava ile doğru orantılıdır. Küçük boyutta, yüksek hava debisine sahip fanlar oldukça maliyetli olabilmektedirler. Fan arızasının oluşabileceği, özellikle tozlu ortamlarda çalışacak cihazlarda mutlaka buna karşı bir önlem alınması zorunludur. Benim tasarımımda bu önlemi sıcaklık sensörü yerine getirmektedir.

Geri
İleri
previous arrownext arrow
Slider

Yukarıda bahsettiğim IP standardı gereği, cihazımız çalışırken içerisine herhangi parmak girmesi engellenerek kullanıcının ve cihazın zarar görmemesi sağlanmalıdır. Bunun için fan bölümünde, cihazın saç plakasında yarık açık, hava kanalı oluşturmaktansa 80x80mm fan teli kullanmaya karar verdim. Bu, cihaza güzel bir görünüm kazandırırken, daha fazla havanın, rahat şekilde akmasına da müsaade edecektir.

Taşıyıcı Alt Parça Montajı
Enerji dönüşümü sağlayan cihazların güç miktarları arttığında, ağırlık miktarları da onunla orantılı şekilde artmaktadır. Cihazların montaj ve ağırlık durumuna göre tutturma kulpları ya da parçaları yapmak gerekebilir. Cihazı tasarlarken hem bağlantının kolay yapılabilmesi hem de hava giriş çıkışının daha uygun olması nedeniyle duvar montaj tipini seçtim. Alt parça, ayrıca elektronik kartı da destekleyeceğinden, ilgili mesnet parçalarının parçaya montajını sağladım.

Geri
İleri
previous arrownext arrow
Slider

Yukarıdaki resimlerde, fan ve soğutucunun yerleşiminden görülebileceği üzere; cihazın, fanlar yukarıda kalacak şekilde monte edilmesi, ısınan havanın yükselmesi prensibi de göz önüne alındığında uygun olduğu görülür. Yanında bulunan 4 adet kulp ile de duvara sıkı bir şekilde montajı gerçekleştirilebilir.

Üst Parçanın Hazırlanışı
Üst parça hem kullanıcı tarafından görülen hem de cihazın vakum etkisi için en önemli parçalardan biridir. Bunun yanında üst parça elemanı, giriş çıkış bölümünü de kapsayacağından ilgili birimlere uygun büyüklükte rakor bağlantılarını gerçekleştirdim. Rakorların içerisinde, kabloyu kavrayan yumuşak plastikten bir malzeme olduğundan, kablo montajı sonrasında vakum kaybının minimuma indirilmesi sağlanmıştır. Akım değerlerimiz ışığında, cihaz montajında SKP tipi metrik 6 somun geçebilecek 10mm çapta kablo tutabilecek bir pabucun kullanılması öngörülmüştür.

Geri
İleri
previous arrownext arrow
Slider

Üst kapakta bir diğer unsur da gösterge ledleridir. Cihazın tüm bilgileri haberleşme üzerinden aktarılabileceğinden, cihaz üzerinde mekanik yapıyı karmaşıklaştırmadan 3 adet, kırmızı/sarı/yeşil led kullanılmıştır. Bu ledler cihazın senaryo durumlarını kullanıcıya bildirmek üzere kullanılmıştır. Her ne kadar bu mekanik yapıyı sevmesem de daha şık ve ucuz ledlere maalesef ulaşamadım. Sizlerin bu konudaki önerilerinizi yorumlar bölümüne bırakmanızı bekliyorum.

İç Yerleşim
Yukarıdaki tüm hazırlıklardan sonra mekanik ile elektronik aşağıdaki şekilde buluşarak, daha önce form verdiğim yarı iletkenler ve mekanik montaj aparatlarına yerleştirilen kart, somun sıkma ve lehimleme işlemlerinden sonra mekanik olarak sabitlenmektedir. Bu montaj şekli ile tasarım yapılırken, yarıiletken ayaklarına zarar vermemek adına, elektronik kartın sıkı bir şekilde mekanikle buluşması oldukça önemlidir. Daha sonrasında son adımda, yüksek akım taşıyan bobin kablolama işlemleri yapılarak elektronik montaj tamamlanmış olur.

Geri
İleri
previous arrownext arrow
Slider

Burada hemen bir güç elektroniği bilgisi vermek isterim; bizim topolojimizde bobin kablolarının her ne kadar uzun olması (bobine ek seri endüktans etkisinden dolayı) sorun teşkil etmese de, cihaz çalışırken oluşacak yüksek dV/dt etkileri, cihazın dış dünyaya fazla gürültü salınımına neden olabilir. Bu nedenle, kabloların uzun olduğu bu gibi tasarımlarda, elektronik kart ve kutulamada, bu gürültüleri engellemek adına önlemler almak gerekebilir.

Bir Cihazın Doğuşu: Poseidon 4000!
Her cihazın bir ismi olmak durumundadır. Bence bu, özellikle cihaz bunu hak ediyorsa, ona yapılan bir saygı duruşudur. Ben de cihazıma, yunan mitolojisini esinlenerek Poseidon 4000 adını verdim.

Cihaza karakterini katan son unsurlar ise etiketlemeler; her ne kadar kalitesiz baskı da olsa bence cihazı cihaz haline sokan yegane parçalardan biri. Özellikle etiket konusunda sponsor olmak isteyen arkadaşların iletişim ya da yorum bölümünden bana ulaşmalarını isterim.

Geri
İleri
previous arrownext arrow
Slider

Cihazın bu şekilde mekanik ölçüsü net olarak 45cm boy, 20cm genişlik ve 11cm yükseklik şeklinde oldu. Sıkı alanda daha yüksek güçler almış biri olarak bu tasarımda fiyat/performans bazlı çalışma yapıldığını belirtmek isterim.

İkinci Bölümün Sonuna Gelirken…
Profesyonel çalışma alanımda çok daha büyük güçleri, çok daha dar alanlarda üretmeye, dönüştürmeye alışkın biri olarak bu proje, benim için tam bir hafta sonu projesi oldu. Elektroniğin temel kurallarının gözetildiği bu tasarımda, bir ürünün nasıl ortaya çıkarıldığını (özellikle bu tarz tasarımları görmeyen ya da uğraşmayan kişiler için) göstermek istedim.

Birinci bölüm sonrasında bunu gören bir çok kişiden olumlu yorum ve sponsorluk teklifi aldığımı belirtmek isterim. Bunları da yakında sizlerle paylaşacağım. Yorum ve sponsorluk teklifinde bulunan herkese teşekkürü bir borç bilirim.

Ufuk açıcı olduğunu düşündüğüm yazımın sonuna gelirken, bir sonraki bölümde, adı artık Poseidon 4000 olan cihazımın, MPPT de dahil elektronik performansını sizlerle paylaşacağım.

Mekanik ya da elektromekanik konuda fikrinizi, yorumlarınızı, önerilerinizi varsa destek olmak istediğiniz konuları, merak ettiklerinizi lütfen bana yorum kısmından iletin.
Herkese çalışmalarında başarılar dilerim!

  1. Kenan Doğan dedi ki:

    Firat bey merhabalar.
    Çalışmalarınızda ki başarınızdan dolayi sizi kutlarim.
    Resimde görülen en sağdaki Gümüş kaplama bara ölçülerini öğrenebilirmiyiz.
    Ölçülerin uymasi halinde
    Fırçasız Motor sürücü kartinda kullanmayi düşünuyoruz.
    Kolaylıklar dilerim.

  2. İrfan Alan dedi ki:

    Fırat’çım tebrik ederim. Soğutucu boyutları çok büyük gibi geldi. Bu kadar büyük soğutucuya gerek var mı? Ölçümler yaptınız mı?

    • Fırat DEVECİ dedi ki:

      İrfan Hocam merhabalar,

      Sizleri burada görmek mutluluk verdi bana. Güç elektroniğinin ilk temellerini sizlerin dersinde almıştım.

      Projenin ilk aşaması 45A olsa da ileriki aşamalarda PCB bakır yüzey kalınlığını 1oz’dan 2oz’a çekerek 60A akıtabileceğimi ve cihaz gücünü 5.5kW mertebelerine çıkarabileceğimi ön gördüğümden, tasarımı iki kez ele almamak adına soğutucuyu bu şekilde kullandım. Bu açıdan dediğiniz doğrudur; soğutucu yüzeyi 1/3 oranında küçük kullanılması sorun olmayacaktı. Yalnız hem işin biraz daha hobi olması, hem de ileride aynı mekanik tasarımlarda başka projeler çıkarabilmek adına bu soğutucuyu kullandım.

      Bu proje fansız da yürütülebilirdi ayrıca 4kW gücünde hiç fan kullanmadığımız uygulamalarımız oldu.

      Yorumunuz için tekrar teşekkürler hocam, geçtiğimiz bu dönemde bolca sağlık dilerim.

  3. Selçuk dedi ki:

    Tebrikler,

    Bir çok kişi için ticari olabilecek bir ürün tasarımını A’dan Z’ye ele aldığınız için teşekkürler.

    Yapmak isteyip de yapamadığım işlere imza atıyorsunuz. Her okuduğum makalenizde yeni bir şeyler öğrenmek de keyif veriyor.

    Ülkemizde sizin gibi mühendisler olmasına bir mühendislik hocası olarak çok sevindiğimi belirtmek isterim. Derslerimde öğrencilerimize sitenizi takip etmelerini tavsiye etmekteyim.

    Yapabileceğim bir katkı olursa her zaman yardımcı olabileceğimi belirtmek isterim.

    Okurken aklıma gelen husus ise gürültüler ve manyetik etkilerdi. Siz de önlem alınması gerektiğini belirtmişsiniz. Hele işlemcinin üzerinden geçen kabloları görünce 😉

    • Fırat DEVECİ dedi ki:

      Selçuk Bey merhabalar,

      Öncelikle dilekleriniz için teşekkür ederim. Amacım özellikle profesyonel gözle projeye bakış açımı göstermekti. Bunu başardığımı düşünüyorum.
      dI/dt varken kablolar beni en az korkutan elemanlar. İşlemcinin üzerinden de geçiyor olsa, eğer devrenizde önleminizi almışsanız bir sorun oluşturmuyor. dV/dt ve elektromanyetik yayılım açısından sıkıtı olabilir yalnız teste sokmadan bu konuda yorum yapamayacağım.

      Son bölüm olan elektriksel testler kısmında bu konulara daha sık değinmeye çalışırım.

      Takipçi olmanız ve önermeniz benim için en büyük yardımlardan birisidir.

      Tekrar yorumunuz için teşekkürler.

  4. Emre Mert dedi ki:

    Merhaba, Çalışmalarınız çok güzel ilgiyle takip edip faydalanıyorum.

    Endüktansları neden smd kullanmadığınızı sorabilir miyim

Yorum Yazınız

error: Kopyalama Yasaktır, Eğer Bilgi İçeriğini Almak İstiyorsanız İletişim Bölümünden Yazara Ulaşın!