Tasarım 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.Bunun 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.
Ripple oranını etkileyen bu değerlerin ise kendi içerisindeki değişiklikleri ripple şeklini aşağıdaki gibi değiştirmektedir.
Şekillerden 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.Bu 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.Bu 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.Bilindiği 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.Yukarıda 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.