Gerilim kaynakları; elektronik tasarım ile uğraşan kişilerin masasında bulunması gereken demirbaşlar arasındadır. 0-30V genel gerilim aralığından 0-1000V aralığında uç noktalarda akım sınırlı gerilim kaynakları çeşitli fiyat aralıklarında bulunabilmektedir. Bu cihazların düşük gerilim aralıkta olanları hem yaygın hem uygun fiyatta bulunurken, kullanılması gereken aralık ve gerilim düzeyi arttıkça hem bulmak zorlaşır hem de fiyat uç noktalara doğru yükselir. İlk önce nixie saat tasarımlarımda (Geçmişe Dönüş: Nixie Clock! – Geçmişe Tekrar Dönüş: One Nixie Clock – Yeniden: IN8 Nixie Saat) yaşadığım akım sınırlı yüksek gerilim bulamama daha sonrasında yüksek gerilim ölçüm devrelerinin testi sorunu dolayısı ile uzun süredir proje taslağı halinde duran; düşük güçte, akım limitli yüksek gerilim kaynağı tasarımını ele almanın vakti gelmişti.

Ön Hazırlık

Gerilim aralığı seçerken genelde hangi gerilimlerde çalıştığımı bulmam gerekti; PFC uygulamalarında 400V, nixie ve benzeri tüp uygulamalarında 170-250V ve şebeke ile çalıştığımda ise 180-390V aralığında gerilimler çok fazla uygulama geliştirdiğim alanlar olarak gördüm. Güç kademesi olarak ise 15W hedef olarak belirledim. Aşağıda yüksek gerilim kaynağının özellikleri aşağıda görülebilir.

Topoloji Seçimi ve Analog Tasarım
Yüksek gerilim kaynağı için düşünülebilecek ilk topoloji boost dönüştürücüdür. Yalnız 12V girişte 400V elde etmek için boost dönüştürücünün çalışma oranı Duty=Vout/(Vout+Vin)=400V/(400V+12V)=%97 eder ki anahtarlama yapabilmek için oldukça yüksek bir çalışma oranı değeridir. Aşağıda çıkış gerilimine göre çalışma oranı çizildiğinde de kontrol için 33 kat gerilim yükseltmenin oldukça yüksek olduğu görülebilir.Bu koşullar altında gerilim yükseltmek için az yer kaplayan, sorunsuz çalışabilecek tek topoloji flyback olarak görünür.

Flyback topoloji ile ilgili daha önce aşağıda başlıkları görülebilecek yazılarla nasıl hesaplanacağını sizlere iletmiştim. İstediğiniz bölüme tıklayarak okuyabilirsiniz.
– Off-Line Flyback Converter: Part 1
– Off-Line Flyback Converter: Part 2
– Off-Line Flyback Converter: Part 3
– Off-Line Flyback Converter: Part 4
– Off-Line Flyback Converter: Part 5 (Final)

Yukarıdaki yazılardaki hesapları kullanarak yaptığımız hesaplar ele alındığında buradaki tabloya ulaşırız. Dosyayı indirdikten sonra .ra olan uzantıyı .rar yapmanız gerekmektedir.

Bu hesaplardan sonra elde ettiğimiz trafo aşağıdaki şekilde olacaktır. Resme tıklayarak büyük halini görebilirsiniz. Bu formatı Çinli ve İtalyanlar dahil bir çok üreticide kullandım. İlgili üretim için İstanbul’da bulunan Sedasan firmasından destek aldım. Sedasan firması ile yaklaşık 8 senedir bir çok trafo üretimi gerçekleştirdik ve özellikle firma sahibi Yaşar Bey ve firma üretim sorumlusu Ahmet Bey konularında oldukça ilgililer. Türkiye’de hakkıyla sarım yapan çok az firma olduğu için bu tür firmaların desteklenmesi gerektiğini savunuyorum.Mikrodenetleyici kontrollü flyback yapısı için kullandığım işlemci favorim STM32F072 olmuştur. Bu denetleyici 3.3V gerilim ile çalıştığından, flyback mosfetinin hızlı bir şekilde sürülmesi için daha önce Nixie projelerimde burada paylaştığım TC4427 mosfet driver kullanmayı tercih ettim. Aşağıda flyback sürücü bölümünün şemasını görebilirsiniz.

Mekanik ve PCB Tasarımı
PCB tasarıma başlarken referans aldığım kutu daha önce USB2RSx projesinde de kullandığım Altınkaya HH-050 kutusu olmuştur. İlgili kutu için PCB tasarım boyutları 56x95mm olmaktadır.PCB konusunda artık çalışmaya alıştığım PCBway.com sitesi ile çalıştım. İlk çalıştığım 2 yıl öncesinde 22$ civarına kargo teslim PCB bastırabilirken, şimdilerde bu ücret 15$ civarına kadar inmiştir. Bunun yanında kargo süreleri ise, özel olmayan şirketleri dahi seçseniz 1-1,5 hafta dolayına gerilemiştir. Bu konuda yeni eklenen E-Packet adlı kargo firmasını kullanmanızı öneririm. Aşağıda PCB’nin üretim sürecini görebilirsiniz.Aşağıda gelen PCB’lerin arka ve ön yüzleri ile mekanik montaj hali görülebilir.

Yüksek Gerilim Kaynağı Yazılım Kontrolü
Yüksek gerilim kaynağının tüm kontrolü dijital olarak yapılmıştır. Çıkış gerilim ve akım değerleri ölçülerek yapılan kontrolde, akım ve gerilim limitleri değiştirilebilir tasarlanmıştır. Aşağıda kullandığım PID kontrol algoritmasının genel şemasını bulabilirsiniz; grafiğin üzerine tıklayınca büyüyecektir.Yukarıdaki algoritmada gerilim ve akım için kullanılan iki ayrı PID 1ms periyotla işletilmektedir. Daha sonrasında hangi limit ile çalışılıyorsa o bölüm, PWM duty çıkışına yansıtılır. Bu işlem sonrasında akım gerilim şeklini aşağıdaki gibi değiştirmek mümkün olabilmektedir.

Yüksek Gerilim Kaynağı Testi

İlgili güç kaynağın testini aşağıdaki videodan izleyebilirsiniz.

Sonuç Olarak…
İlgili istenilen gerilim seviyesinde %1 hata payıyla ulaşılabilmektedir. Verim olarak %75 civarında bir verim yakalansa da gerilim katlama oranı düşünüldüğünde oranın iyi olduğu görülmektedir. Bunun yanında uygulama dijital güç kaynağı tasarımı için iyi bir örnek olarak karşımıza çıkmıştır.

Yüksek gerilim kaynağını edinmek isteyen arkadaşlar ürünler bölümünden detaylara ulaşabilirler.

Herkese çalışmalarında başarılar dilerim.