MANYETİK KUPLAJLI AZALTAN- ARTTIRAN DA-DA DÖNÜŞTÜRÜCÜ TASARIMI

Transkript

1 T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü MANYETİK KUPLAJLI AZALTAN- ARTTIRAN DA-DA DÖNÜŞTÜRÜCÜ TASARIMI LİSANS BİTİRME ÇALIŞMASI Ayhan ERTEM Aslı Nur ÖMEROĞLU Danışman Doç.Dr.Halil İbrahim OKUMUŞ Haziran 2014 TRABZON

2 T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü MANYETİK KUPLAJLI AZALTAN- ARTTIRAN DA-DA DÖNÜŞTÜRÜCÜ TASARIMI LİSANS BİTİRME ÇALIŞMASI Ayhan ERTEM Aslı Nur ÖMEROĞLU Danışman Doç.Dr.Halil İbrahim OKUMUŞ Haziran 2014 TRABZON Bu Proje 2241 A Sanayi Odaklı Lisans Bitirme Tezi Destekleme Programı Kapsamında TÜBİTAK Tarafından Desteklenmektedir.

3 LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU Aslı Nur ÖMEROĞLU ve Ayhan ERTEM tarafından hazırlanan Doç. Dr. Halil İbrahim OKUMUŞ yönetiminde hazırlanan Manyetik Kuplajlı Azaltan- Arttıran DA-DA Dönüştürücü Tasarımı başlıklı lisans bitirme projesi tarafımızdan incelenmiş, kapsamı ve niteliği açısından bir Lisans Bitirme Projesi olarak kabul edilmiştir. Danışman: Doç. Dr. Halil İbrahim OKUMUŞ Jüri Üyesi 1: Prof. Dr. Sefa AKPINAR Jüri Üyesi 2: Prof. Dr. İsmail Hakkı ALTAŞ Bölüm Başkanı: Prof. Dr. İsmail Hakkı ALTAŞ II

4 ÖNSÖZ Bu tez kitapçığında bir Manyetik Kuplajlı Azaltan-Arttıran DA-DA Dönüştürücü Tasarımının yapılması, kontrol ünitesinde çıkış gerilimi ve akım takip edilerek gerilim ve akım kontrolünün yapılması hedeflenmiştir. Bitirme çalışmamız boyunca bize her zaman yardımcı olan danışman hocamız Doç. Dr. Halil İbrahim OKUMUŞ a, tez süresince yardımını bizden esirgemeyen Ünal YILMAZ a, Feyzullah GÜNDEREN e, bölüm olanaklarından yararlanma imkanı sunduğu için Bölüm Başkanlığına, desteklerinden dolayı Mühendislik Fakültesi Dekanlığına, KTÜ Rektörlüğüne, TÜBİTAK a ve hayatımız boyunca desteklerini bir an bile bizden esirgemeyen ailelerimize teşekkür ederiz. Mayıs,2014 Aslı Nur ÖMEROĞLU Ayhan ERTEM III

5 İÇİNDEKİLER LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU... II ÖNSÖZ... III İÇİNDEKİLER... IV ŞEKİLLER LİSTESİ... VI ÇİZELGELER LİSTESİ... VII SEMBOLLER VE KISALTMALAR... VIII ÖZET... IX 1. GİRİŞ TEORİK ALTYAPI DA-DA Anahtarlamalı Güç Kaynaklarına Genel Bakış DA-DA Anahtarlamalı Güç Kaynaklarının Çalışma Prensibi TASARIMIN GERÇEKLENMESİ Dönüştürücü Devresinin Tasarımı Dönüştürücünün Süreksiz Durum Analizi Sönümlendirme Devresi Hesabı Mosfet Seçimi Trafo Seçimi Çıkış Kondansatörü Çıkış Diyodu Kontrol ve Geri Besleme Devresi Soğutucu Levhaların Seçimi UYGULAMALAR VE DENEYSEL ÇALIŞMALAR SONUÇLAR VE ÖNERİLER KAYNAKLAR IV

6 7. EKLER ÖZGEÇMİŞ V

7 ŞEKİL LİSTESİ Şekil 2.1 DA-DA Anahtarlamalı Güç Kaynaklarının Genel Şeması... 3 Şekil 3.1 Manyetik Kuplajlı DA-DA Dönüştürücü... 4 Şekil 3.2 DA-DA Dönüştürücü Anahtar Kapalı Konumu... 4 Şekil 3.3 DA-DA Dönüştürücü Anahtar Açık Konumu... 5 Şekil 3.4 Sönümlendirme Devreli DA-DA dönüştürücü... 7 Şekil 3.5 Trafo Çekirdeği Sarım Alanı... 9 Şekil 3.6 ETD-29 Çekirdeği Şekil 3.7 Deri Olayında İdeal Tek Tel Kesit Alanı (AԐ) Şekil 3.8 İdeal Kesitlerden Oluşmuş Ana Kesit Şekil 3.9 Geri Besleme Devresi Şekil 3.10 Geri Besleme Devresi Şekil 3.11 Çıkış Gerilimi-Zaman Grafiği Şekil 3.12 Geri Besleme Devresi Eleman Değerleri Şekil 4.1.Manyetik Kuplajlı Azaltan-Arttıran DA-DA Dönüştürücü Devresi Tasarımı Şekil 4.2. Manyetik Kuplajlı Devrenin Arttıran Durumda Çalışması Şekil 4.3. Manyetik Kuplajlı Devrenin Azaltan Durumda Çalışması Şekil 4.4 Darbe Genişlik İşareti (Yeşil), Osilatör İşareti (Sarı) Osiloskop Görüntüsü Şekil 4.5 MOSFET D-S Voltajı (Yeşil), Transformatör üzerinden geçen akım (Sarı) Osiloskop Görüntüsü Şekil 5.1. Manyetik Kuplajlı Azaltan-Arttıran DA-DA Dönüştürücü Devresinin ISIS Çizimi Şekil 5.2 Dönüştürücü Devresinin Baskı Devre Kartı Şekil 5.3 Dönüştürücü Devresinin SMD Kısmı Şekil 5.4 Dönüştürücü Devresi VI

8 ÇİZELGELER LİSTESİ Çizelge 3.1 ETD Ferrit Çekirdek Tasarım Bilgileri Çizelge 3.2 ETD Ferrit Çekirdek Ölçüleri Çizelge 3.3 Kondansatörlerin ESR Değerleri VII

9 SEMBOLLER VE KISALTMALAR DA Dmaks DGM ESR ISIS PID PCB SMD MOSFET : Doğru Akım : Görev Oranının Maksimum Değeri :Darbe Genişlik Modülasyonu : Eşdeğer Seri Direnç : Şema Çizim Programı : Oransal-İntagral-Türevsel Denetleyici : Baskı Devre Kartı : Yüzey Baskı Devre Kartı :Metal Oksit Yarı-İletken Alan Etkili Transistör VIII

10 ÖZET Günümüz dünyasında enerjinin önemi, insanlığın vardığı gelişmişlik seviyesinin temel bir sorunu haline gelmiştir. Gittikçe artan enerji ihtiyacı alternatif yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelimi ve mevcut enerji kaynaklarının da verimli ve kontrollü kullanılması gerekliliğini beraberinde getirmiştir. Enerji ihtiyacının büyük bir kısmı; sanayinin, teknolojik gelişimin sonucu olan günlük hayatımızı kolaylaştıran cihaz ve araçların çoğunun gereksinimi olan elektrik enerjisidir. Elektrik enerjisinin talep büyüklüğü, kaynakların yetersizliği, çevre şartları ve insan sağlığı gibi etkenlerden dolayı alternatif yenilenebilir enerji kaynaklarının verimli ve kontrollü kullanılması için uygun teknolojinin geliştirilmesi önem kazanmıştır. Alternatif yenilenebilir enerji kaynaklarına örnek olarak rüzgar enerjisi, güneş enerjisi, termal enerji, dalga enerjisi ve hidrokinetik enerji sayılabilir. Bu kaynaklardan rüzgar ve güneş enerjisi yerel olarak şiddet farklılığı gösterse de büyük oranda her yerde uygulanabilir olduğundan kullanımı daha yaygındır. Elektronik cihazlar DA gerilimle çalışır. DA çalışma geriliminin sabit ve sürekli olması istenir. Alternatif enerji kaynaklarından elde edilen elektrik enerjisi sürekli ve düzgün değildir. Kullanımdan önce, şarj cihazı vasıtasıyla akülerde depolanması ve istenen DA çalışma geriliminin sağlanması için dönüştürücülere gerek vardır. Projemizde Düzensiz ve süreksiz alternatif enerji kaynaklarını kullanan enerji üretim sistemlerinde üretilen enerjiyi düzenli ve sürekli hale getirmek için; cihaz kullanıcısı ve cihazın güvenliği için giriş ve çıkış gerilimlerini birbirinden izole eden azaltan arttıran manyetik kuplajlı DA-DA dönüştürücü tasarlanmıştır. DA-DA Dönüştürücü tasarımında darbe genişlik modülasyonu (DGM) yöntemiyle anahtarlama elemanının kontrolünde; kontrol sinyalinin bir mikroişlemci ile frekansının sabit tutulup gerektiğinde doluluk oranının (D) değişimiyle çıkışın düzenli ve sürekli olması sağlanmıştır. Manyetik kublajlı Azaltan-Artıran DA-DA Dönüştürücünün matematiksel analizi yapılıp amaca uygun giriş ve çıkış verilerine göre devre elemanları belirlenip, bilgisayarda bir simülasyon programında benzetimi yapılmıştır. IX

11 1. GİRİŞ Teknolojik ürünlerin günlük hayatta kullanımının artması, endüstrileşme, nüfus artışı, yeni yerleşim bölgelerinin oluşumu enerji talebini gün geçtikçe arttırmaktadır. Artan bu enerjinin bir kısmını oluşturan DA cihazlarının varlığı DA-DA dönüştürücülere olan ihtiyacı arttırmaktadır. Enerji talebini karşılayan alternatif enerji kaynaklarından elde edilen elektrik enerjisi sürekli ve düzgün değildir. Enerjinin kullanımdan önce, şarj cihazı vasıtasıyla akülerde depolanması ve istenen DA çalışma geriliminin sağlanması için dönüştürücülere gerek var-dır. Rüzgar, güneş gibi alternatif enerji kaynaklarının yerel olarak şiddet farklılığı ve gün lük değişim göstermesi sonucunda elde edilen değeri sabit olmayan elektriği sabitlemede kullanılan manyetik kuplajlı geri dönüşlü azaltan arttıran DA-DA dönüştürücü tasarlan- mıştır. Projemizde Düzensiz ve süreksiz alternatif enerji kaynaklarını kullanan enerji üretim sistemlerin de üretilen enerjiyi düzenli ve sürekli hale getirmek için; cihaz kullanıcı sı ve cihazın güvenliği için giriş ve çıkış gerilimlerini birbirinden izole eden azaltan arttıran manyetik kuplajlı DA-DA dönüştürücü tasarlanmıştır. Bu tasarım projesinin geçekleştirilmesi ile; Konut aydınlatmasında, güvenlik sistemleri ve iklimlendirme Elektrik motorlarının beslemesi ve kontrolü Tarım arazilerinde yapılan otomasyon işlemleri Karayolu ve demiryollarında trafik sinyalizasyon cihazları Otomotiv, beyaz eşya sanayi Havacılık sanayi, savunma sanayi DA enerji iletimi ve dağıtımı gibi uygulama alanlarında kullanılabilir 1

12 2. TEORİK ALTYAPI 2.1 DA-DA Anahtarlamalı Güç Kaynaklarına Genel Bakış Karmaşık devre teknolojisinin gelişimi daha az yer kaplayan ve daha güçlü güç kaynaklarına olan ihtiyacı beraberinde getirmiştir. Bu ihtiyacı giderebilmek için anahtarlamalı güç kaynakları üzerinde yapılan çalışmalar arttırılıp daha karmaşık ve daha verimli anahtarlamalı güç kaynakları elde edilmiştir. Anahtarlamalı güç kaynaklarının gelişimi yarı iletken teknolojisine bağlıdır. Yarı iletken malzemelerin geliştirilmesi ile transistör ve diyot devre elemanları olarak 1950 de kullanılmaya başlanmıştır ların başında tristörün bulunması ile üç temel DA-DA anahtarlamalı güç kaynakları (azaltan, arttıran, azaltan-arttıran dönüştürücü) geliştirilmiştir. Bu çalışmalara en büyük katkıyı ABD deki California Caltech üniversitesi güç elektroniği grubu yapmıştır.1970 li yıllarda Caltech grubu, DA-DA anahtarlamalı güç kaynakları için model geliştirmişlerdir.[1] Anahtarlamalı güç kaynaklarının doğrusal güç kaynaklarına karşı üstünlükleri; Verimleri daha yüksektir. Çıkış voltajı giriş voltajından büyük veya küçük olabilir. Doğrusal güç kaynaklarında ise çıkış voltajı giriş voltajından daima küçüktür. Yüksek frekanslarda çalışma olanağı olduğundan trafo boyutları küçüktür. Devre daha az yer kaplar. Doğrusal güç kaynakları düşük güçlerde çalışırken anahtarlamalı güç kaynakları yüksek güçlerde çalışırlar. Bu üstünlüklerine karşı anahtarlamalı güç kaynaklarının devre topolojileri daha karmaşıktır ve elektriksel gürültüleri fazladır. [2,3,4] Anahtarlamalı güç kaynakları; Buck (Azaltan) Dönüştürücüler Boost (Arttıran) Dönüştürücüler 2

13 Buck-Boost ( Azaltan-Arttıran) Dönüştürücüler Manyetik kuplajlı Dönüştürücüler İleri Yön Dönüştürücü Geri Yön Dönüştürücü Cuk Türü Dönüştürücü ler olarak sınıflandırılabilir. 2.2 DA-DA Anahtarlamalı Güç Kaynaklarının Çalışma Prensibi Anahtarlamalı güç kaynakları genel yapı itibariyle ana ünite; anahtarlama elemanı, enerjinin transfer edildiği geçici bir depolama elemanı (bobin.transformatör), çıkış filtresi ve kondansatörden oluşur. Kontrol ünite kısmında çıkış gerilimi örnekleme elemanı (gerilim bölümü veya sensör) çıkış bilgisi referans bir gerilimle karşılaştırılıp Şekil 2.1 de Darbe Genişlik Modülatörü (DGM) ile oluşturulan sinyalle anahtarlama elemanı tetiklenir. Şekil 2.1. DA-DA Anahtarlamalı Güç Kaynaklarının Genel Şeması 3

14 3. TASARIMIN GERÇEKLENMESİ 3.1 Dönüştürücü Devresinin Tasarımı Şekil 3.1. Manyetik Kuplajlı DA-DA Dönüştürücü Şekil 3.1 de anahtarlama elemanı iletimde iken manyetik kuplajlı trafonun birincil sargısından uygulanan giriş geriliminden dolayı iletim süresince (DT) akım akar. İletim süresi sonunda akım sıfır değerinden maksimum değere ulaşır. Bu esnada ters polarlamadan dolayı ikincil sargı çıkına bağlı diyot kesimdedir bu yüzden ikincil taraftan akım akmaz. Bu esnada çıkış yükümüz çıkıştaki kapasite (C) tarafından beslenir. Şekil DA-DA Dönüştürücü Anahtar Kapalı Konumu 4

15 Şekil 3.2 de anahtarlama elemanı kesimde iken manyetik kuplajlı trafonun birincil sargısından akım akmaz. Kesimde iken trafonun çekirdeğinde biriken enerji [(1-D)T] süresince ikincil tarafa transfer edilir. Böylece enerjilenen ikincil taraf sargısı doğru polarlanarak diyotu iletime sokar. İkincil sargıdan akan akım bir taraftan yükü beslerken diğer taraftan kondansatörü (C) doldurur. Kesim süresi sonunda bu akım sıfıra iner. Şekil 3.3. DA-DA Dönüştürücü Anahtar Açık Konumu Dönüştürücünün Süreksiz Durum Analizi Geri yönlü DA-DA dönüştürücünün sürekli ve süreksiz çalışma durumları vardır. Sürekli çalışma durumunda ve çıkış geriliminde dalgalanma azdır. Anahtarlama elemanı üzerinde iletim ve kesimde baskı azdır. Çıkış elemanı olan diyotun ölü zaman dilimi bulunmadığından ters polarlamada üzerinde bulunan pozitif gerilimden dolayı toparlanması kritiktir. Süreksiz çalışma durumunda ölü zaman (Td) dilimi anahtarlama elemanının ve çıkış diyotunun hızlı olarak geçici durumlara adapte olmasını sağlar. Ölü zaman (Td) dilimi çalışma periyodunun (T) %20 si kadar alınabilir. Birincil tarafta akımın bir süre sıfıra inmesi kontrol devresi tasarımını kolaylaştırır. Süreksiz durumda birincil ve ikincil akımlar sürekli duruma göre daha yüksektir. Bu dezavantaja karşılık süreksiz durum birincil endüktansının değeri sürekli durum birincil endüktansının değerine göre daha küçüktür. 5

16 Projede kontrol ünitesi varlığı, ve diğer avantajlar göz önünde bulundurularak dönüştürücü devresinin süreksiz çalışma durumunda analizi yapılmıştır. Süreksiz durumun matematiksel denklemleri; Ortalama çıkış gücü; P0 = V0.I0 (3.1) Birincil sargıdan transfer edilen ortalama güç; PB0 = P0/ η (3.2) Anahtar elemanı iletimde iken; VB0 = Vg0 -VDSaçık (3.3) Birincil ve ikincil sargılar arasındaki gerilim bağıntısı; Vi0= VV BB0DD (1 DD)aa (3.4) Birincil sargı ortalama akımı; IB0 = PP BB0 VV BB0 (3.5) Birincil sargı maksimum akımı; IBMAKS. = II BB0. 2 DD (3.6) Birincil sargı endüktansı; LB = VB0 DDDD II BBBBBBBBBB (3.7) Anahtar kesimde iken; İkincil sargı akımı; Iİ0 = IB0.a (3.8) 6

17 İkincil sargı akımının maksimum değeri; IİMAKS = II İ0.2 1 DD (3.9) Sönümlendirme Devresi Hesabı Mosfet kesime gittiğinde birincil tarafın tepe akımı Şekil 3.4 de görülen sönümleme devresine anlık olarak döner. Bu akım sönümleme devresinde sönümleme süresi (t s ) sonunda sıfırlanır. Şekil 3.4. Sönümlendirme Devreli DA-DA dönüştürücü Birincil sarım kaçak endüktansı (LKB), sönümleme devresi kondansatörü üzerindeki gerilim VV SS olmak üzere sönümleme süresi; t s = IBMAKS. LL KKKK VV SS aavv İ0 (3.10) t s = *78.125=12.75µs (3.11) Sönümleme devresinin gücü; PS = VV SS II BBBBBBBBBB tt ss 2 ff ss (3.12) PS = =25.93W (3.13) 7

18 Sönümleme devresi direnci; RS = VV SS 2 PP SS (3.14) RS = 602 = (3.15) Hesaplamalar yapılırken LKB yaklaşık olarak LB nin % 3 5 i alınır. VS de VB0 ın 2,5 katı seçilir. Sönümleme devresi kapasitesi; CS = VV SS ΔΔVV SS RR SS ff ss (3.16) ΔV S genel olarak % 5 10 kabul edilir. ΔV S =%5*60 =3V seçilir. CS = = 1.92 µff (3.17) 60V 1.92 µff kondansatör seçilir. Sönümle devresi diyotu ; II RRRRRR = A Anahtar kesimde iken üzerindeki gerilim= 70V Hızlı bir shocly diyot seçilir. CS = 2.2 µff 100V RS = 150 Ω 8

19 Anahtarlama Elemanının Seçimi Tasarımımızda anahtarlama elemanı olarak kullanılacak olan mosfetin seçiminde kırılma gerilim değerinin (VMK) belirlenmesi gerekir. Mosfet kesimde iken üzerindeki maksimum gerilim hesaplanır. Maksimum gerilim (VMMaks) hesaplanırken girişin maksimum DA (VgMaks) değeri kullanılır. VMK=VgMaks+Vi0.a (3.18) Mosfet üzerinden geçen maksimum akım IİMAKS tır. Mosfet seçilirken IİMAKS ve VMK değerleri göz önünde bulundurulur. VBRDSS = Mosfet Kırılma Gerilimi VYANSIMA = Çıkışın Girişe Yansıması (toff) Vyansıma =Vçıkış*a =24 V (3.19) VBRDSS = Vyansıma+Vdmaks (3.20) VBRDSS =24+36=70V Ibirincilrms=40.34A IRFB38N20D MOSFET seçilmiştir. 9

20 Trafo Seçimi Şekil 3.5. Trafo Çekirdeği Sarım Alanı Vgirişmin = 5V V0 =24V Vgirişmaks = 36V I0 =5A η = 0,8 Vd =1V Bm =0,25 Tesla P0 = (24+1)*5=125W F= 75 khz Dmaks=0,8 T=1,33x10 5 KK gg= TT 2 PP 0 η 2 0,145 BBBB (3.21) = 1, ,8 2 0,145 0, = 0,

21 Buck dizaynlarda KK gg nin 1,35 katı alınır.[5] K g= 0,0381 1,35 = 0,0514 Bu KK gg değerine uygun çekirdek EK-3 teki çizelgeye göre ETD-29 şeçilir. Şekil 3.6. ETD-29 Çekirdeği P g = P 0 n =125 =156,25W (3.22) 0,8 I Birincil = I Birinciltepe = 2 II 0 PP gg = 156,25 VV ggggggggşmmmmmm 5 = 31,25 2 DD mmmmmmmm 0,8 =31,25A (3.23) = 78,125A (3.24) I Birinciletkin =I Birinciletkin * D maks 3 =40,34 A (3.25) LL pp = VV ggggggggşmmmmmmmm VV mmmmmmmm II bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb (3.26) = 5 0,8 1, ,125 = 6,80*10 7 =0,680 µh 11

22 Enerji = 1 2 *LL pp*(itepe) 2 (3.27) = 1 2 *0,680*10 6 *(78,125) 2 =2,075*10 3 W.S Birincil Sargı Sayısı: NN bb = Enerji 10 4 I Birinciletkin B m A c (3.28) = 2, ,34 0,25 0,761 =2,7 sarım NN bb= 3 sarım Hava aralığı hesabı: LL gg = 0,4 π N b 2 A c 10 8 L p - MMMMMM µ MM (3.29) LL gg = 0,4 π 9 0, , , = 0,123 cm Akı Faktörü : F = 1+ L g A c *In 2GG LL gg (3.30) =1+ 0,123 0,761 *In( ,123 ) =1,503 12

23 F nin etkisiyle yeni NN bbbbbbbbbbbbbbbb NN bbbbbbbbbbbbbbbb = L g L 0,4 π A c F 10 8 (3.31) = 0,123 6, ,4 ππ 0,761 1, =2,41 NN bbbbbbbbbbbbbbbb =2 Tepe akı yoğunluğu: BB TTTTTTTT = 0,4 π N p F I Birinciltepe 10 4 L g + MPL µ M (3.32) = 0,4 π 2 1,503 78, ,123+ 7, =0,234 Tesla İkincil Sarım Sayısı: NN ii = N birincil (V 0 +1) (1 D maks ) V girişmin 0,8 (3.33) =2,5 NN ii =3 sarım Sargı teli kesiti ve deri olayı; Deri olayı etkisinde ideal kesit; Ԑ = 6,62 f = 6, (3.34) =0,0241cm 13

24 J=4,5 A/cm 2 AA BB = II bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb JJ = 40,34 4,5 (3.35) = 8,96 cm 2 telin yarıçapı Şekil 3.7. Deri Olayında İdeal Tek Tel Kesit Alanı (AԐ) Şekil 3.8. İdeal Kesitlerden Oluşmuş Ana Kesit AA BB = ππ rr 2 (3.36) rr BB = AA BB ππ = 8,96 3,14 =1,69 mm 14

25 rr BB > ε olduğundan yüzey etkisi vardır. Buna göre AA BB kesitini verecek en az AA pp = 8,96 =46 adet tel kullanılır. AA Ԑ 0,196 İkincil sarımda kullanılacak tel: I iiiiiiiiiiiiii = 5A I iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii = 2 I iiiiiiiiiiiiii (1 DD mm ) =10 =50A (3.37) 0,2 II iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii = I ikinciltepe * D min 3 (3.38) =50* 0,2 3 =12,9A AA ii = I ikinciltepe = 12,9 J 4,5 =2,86 mm2 (3.39) AA ii =π r i 2 (3.40) r i = AA ii π =0,955mm r i > ε olduğundan yüzey etkisi vardır. AA ii = 2,86 =15 tel kullanılır. AA Ԑ 0, Çıkış Kapasitesi Seçimi C= I 0 D maks V 0 0, (3.41) =5 0, , =2, F 15

26 Bulunan çıkış kapasitesi değerinin kontrol devresinin geç cevap vereceği göz önünde bulundurularak kat büyük seçilir. Eşdeğer seri direnç değeri: ESR= V 0 0,75 I 0 (3.42) = ,75 5 =0,015 ESR değerine göre EK-4 teki çizelgeden kondansatör seçilir. 0,015 ESR değerini oluşturmak için Çizelge 3.3 ten ESR değeri 0,037 olan; 25V 4700 μμf 35V 3300 μμf 50V 2200 μμf kondansatör gruplarından herhangi biri seçilip 2 adet paralel bağlanır Çıkış Diyotu Seçimi Diyot üzerindeki maksimum gerilim, giriş gerilimi maksimum iken ortaya çıkar; VDMAKS = V0 + (3.43) = ,66 =78,54V Diyot üzerindeki maksimum akımın tepe ve etkin değeri (RMS); IİMAKS = (3.44) Iİetkin = IİMAKS. (3.45) 16

27 =50* 0,8 3 =25,8 A Bu gerilim ve akım değerine göre BYV çıkış diyodu seçilmiştir Kontrol ünitesi DA-DA dönüştürücülerde geri besleme devresi istenen çıkış geriliminin sabit tutulması, hat ve yük regülasyonu için gereklidir. Geri besleme devreleri; temel, geliştirilmiş, optik yalıtıcılı-zenerli, optik yalıtıcılı TL431 türlerinde gerçekleştirilir. Yük regülasyonu,hat regülasyonu ve toplam regülasyon itibariyle karşılaştırıldığında optik yalıtıcı-tl431 uygulamanın daha verimli olduğu görülür. Optik yalıtıcı TL431 uygulamada toplam regülasyon + % 1,4 civarındadır. Şekil 3.9 da görülen kontrol ünitesinde çıkışta gerilim bölücü ile alınan örnekleme gerilimi bir optik yalıtıcı ile kontrol entegresine verilir. Çıkış gerilimi 24V u geçtiğinde, TL43 in referans gerilimi 2,5V geçildiğinden TL431 iletime geçer optik yalıtıcı vasıtasıyla kontrol ünitesine çıkış bilgisi aktarılır. İletime geçildiğinde MOSFET e giden tetikleme sinyalinin doluluk oranı düşer, çıkış gerilimi 24V un altına düştüğünde TL431 kesime gider MOSFET e giden tetikleme sinyalinin doluluk oranı artar. Böylece çıkış gerilimi sabit tutulur. Şekil 3.9 Geri Besleme Devresi 17

28 Şekil da görülen geri besleme devresini oluşturan direnç ve kondansatör değerleri PSIM programı kullanılarak, uygun çalışma bölgesi seçilerek belirlenmiştir. Şekil Geri Besleme Devresi Şekil Çıkış Gerilimi-Zaman Grafiği 18

29 Şekil Geri Besleme Devresi Eleman Değerleri Geri besleme devresinde bulunan denetleyicicnin parametreleri Şekil 3.11 de görüldüğü gibi uygun çalışma aralığı seçilerek hesaplanmıştır.bu değerler Şekil 3.12 de gösterilmiştir Soğutucu Levhaların Seçimi Anahtarlama elemanı ve çıkış diyodu eklem bölgeleri sıcaklıkları belirgin bir aralıkta tutulmalıdır, aksi takdirde bu elemanlar fazla ısınacağından zarar görürler. Bu durumu önlemek için bu elemanlar üzerindeki ısının bir soğutucu levha ile havaya transfer edilmesi gerekir. Soğutucu levha hesaplanırken; çevre sıcaklığı (Tç), yarıiletkenin eklem sıcaklığı(te), yarıiletkenin ısıl iç direnci(rie), harcadığı güç(pe), soğutucu yüzeyinin ısıl direnci(ry) göz önünde bulundurulur. R ie = T e T Ç P e (RR iiii + RR yy ) K/W (3.46) Bulunan R ie değerine göre soğutucu tipi seçilir. 19

30 4. UYGULAMALAR VE DENEYSEL ÇALIŞMALAR Şekil 4.1.Manyetik Kuplajlı Azaltan-Arttıran DA-DA Dönüştürücü Devresi Tasarımı Şekil 4.2. Manyetik Kuplajlı Devrenin Arttıran Durumda Çalışması 20

31 Şekil 4.3. Manyetik Kuplajlı Devrenin Azaltan Durumda Çalışması Şekil 4.4 Darbe Genişlik İşareti (Yeşil), Osilatör İşareti (Sarı) Osiloskop Görüntüsü 21

32 Şekil 4.5 MOSFET D-S Voltajı (Yeşil), Transformatör üzerinden geçen akım (Sarı) Osiloskop Görüntüsü 22

33 5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Bu tez çalışması sonucunda Manyetik Kuplajlı Azaltan-Arttıran DA-DA Dönüştürücü Tasarımı ve geri besleme kontrolü başarıyla gerçekleştirilmiştir. Çıkış gerilimi istenen regülasyon değerinde tutulmuştur. Tasarım ve simülasyon sonuçları Şekil 4.1,Şekil 4.2 ve Şekil 4.3 teki gibidir. Montajı tamamlanan devre elemanlarının davranışı ise Şekil 4.4, Şekil 4.5 ve Şekil 4.6 ta gösterilmiştir. Çıkış regülasyon değeri optik yalıtıcı- TL431 geri besleme devresi kullanılarak oluşturulmuştur. Çıkış ile giriş arasında bir opto kuplör kullanılarak yalıtım sağlanmıştır. Giriş ve çıkış arasındaki bu yalıtım ile kısa devre ve gerilim yükselmeleri etkileşimi önlenmiştir. Süreksiz durumda akımın sıfır değerine inmesi ile anahtarlama elemanı üzerindeki baskı ve kayıplar azaltılmıştır. Sönümlendirme devresi ile trafo kaçak endüktansının anahtarlama elemanındaki gerilim dalgalanması engellenmiştir. Çıkış gerilimi değişik gerilim regülatörleri ( Örn:78XX) serisi kullanılarak kullanım yerine göre değişik gerilimler elde edilebilir. Yapılan bu tasarıma teknoloji ve uygulamalarındaki gelişmelere paralel olarak yeni modüller eklenebilir. Bu modüllere arıza durumunda yedek anahtarlama elemanı, sıcaklık algılaması sonucuna göre zorlamalı soğutucu, mikroişlemci üzerinden haberleşme modülü ilave edilebilir. Giriş gerilim ve akım değerlerinin istenilen regülasyon değerlerinden daha yüksek olması durumunda mikroişlemci ile sürülen anahtarlamalı elemanının kapı sinyali kesilebilir. Akım ve gerilimin istenilen değerlere ulaşması durumunda çalışma tekrar başlatılabilir.[6],[7] 23

34 Şekil 5.1. Manyetik Kuplajlı Azaltan-Arttıran DA-DA Dönüştürücü Devresinin ISIS Çizimi 24

35 Şekil 5.2 Dönüştürücü Devresinin Baskı Devre Kartı Şekil 5.1 deki devrenin PCB yapımında gelecek çalışmalara yönelik daha yüksek akımlarda çalışabilmek için fazladan bir MOSFET, farklı güçlerde çalışmayı sağlayacak olan trafo bacakları için yer bırakılmıştır. İleriye dönük çalışmalar için tasarlanan PCB nin montajı Şekil 5.3 ve Şekil 5.4 teki gibidir.pcb de kontrol ünitesinin montajında SMD tekniği kullanılmıştır. 25

36 Şekil 5.3 Dönüştürücü Devresinin SMD Kısmı Şekil 5.4 Dönüştürücü Devresi 26

37 6. KAYNAKLAR [1]. R. W. Heron, B. Canada, Benefits of computerized power management, INTELEC proceedings, 1990.v. [2]. N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins, (Çevirenler: T. N. Gökaşan, M. Pressman, Switching Power Supply Desing, McGraw-Hill Inc.,New York, 4-7, 9-35, , (1991). [3]. M. H. Rashıd, Power Electronics Handbook, Academic Pres., San Diego, , (2001). [4]. C. Wm. T. Mclyman, Transformer and Inductor Design Handbook,2nd ed.270 Madison,K g Magnetics,Inc.New York,Basel [5]. M. E. Şahin, H. İ. Okumuş, A Sliding Mode and Fuzzy Logic Controlled PV Powered Buck-Boost DC-DC Converter, 9th International Conference On Electronics, Computer And Computation, November 1-3, 2012 Ankara, Turkey, pp [6]. M. E. Sahin, H. İ. Okumus, Fuzzy Logic Controlled buck-boost DC-DC Converter for Solar Energy-Battery System, Innovations in Intelligent Systems and Applications(INISTA), 2011 International Symposium on, June 2011 İstanbul- Turkey, pp

38 7. EKLER EK 1. IEEE ETİK KURALLARI 28

39 29

40 30

41 EK-2 DİSİPLİNLER ARASI ÇALIŞMA Bu bitirme çalışması boyunca PCB (baskı devre şeması) Nisa Elektronik şirketinden Yüksel Duman birlikte çalışılmıştır. Bluemavi ve Ersin Elektronik şirketlerinden bitirme çalışması için gerekli olan elektronik malzemelerin satın alımı gerçekleştirilmiştir. Ayrıca Faraday Elektrik Ltd. Şti. ile de teknik anlamda çalışmalar yapılıp çalışma boyunca bu kuruluşlarla kurulan ilişkiler devam ettirilmiştir EK-3 Çizelge 3.1. ETD Ferrit Çekirdek Tasarım Bilgileri Çizelge 3.2. ETD Ferrit Çekirdek Ölçüleri 31

42 EK-4 Çizelge 3.3. Kondansatörlerin ESR Değerleri 32

43 EK-5 Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü STANDARTLAR VE KISITLAR FORMU Tasarım Projesinin hazırlanmasında Standart ve Kısıtlarla ilgili olarak, aşağıdaki soruları cevaplayınız. 1. Projenizin tasarım boyutu nedir? Açıklayınız. Projemiz elektrik enerjisinin kullanıldığı tüm devrelerde kullanılabilir. Geliştirilmeye ve yatırıma açık bir konudur. 2. Projenizde bir mühendislik problemini kendiniz formüle edip, çözdünüz mü? Güç elektroniği devre uygulamaları ve anahtarlamalı güç kaynakları hakkında ayrıntılı bilgi edinip proje konumuz olan manyetik kuplajlı geri dönüşlü DA-DA dönüştürücü devresinin tüm devre parametrelerinin formüllerini kendimiz elde edip parametre hesaplamalarını yaptık. 3. Önceki derslerde edindiğiniz hangi bilgi ve becerileri kullandınız? Okulumuz ders kapsamında verilen güç elektroniği dersinde öğrendiğimiz bilgiler proje süresince bize çok yardımcı oldu. 4. Kullandığınız veya dikkate aldığınız mühendislik standartları nelerdir? EN Elektrik besleme devrelerinin oluşturacağı bozucu etkilerin sınırlandırılması ve IEEE Statik güç çeviricileri için harmonik kontrol ve reaktif güç kompanzasyonunu sağlayan standartlar kullanılıp hesaplamalar bu yönde yapılmıştır. 33

44 5. Kullandığınız veya dikkate aldığınız gerçekçi kısıtlar nelerdir? a) Ekonomi Projemiz anahtarlamalı güç devresi uygulaması olduğu için devremizin üstünlüklerinden olan yüksek frekansta çalışmalarından dolayı hafif ve küçük boyutlu malzemeler ile gerçekleştirilebilirler. Bu özelliklerinden dolayı diğer tip güç kaynaklarına göre daha ucuz, verimli, hafif ve çok da daha az yer kaplarlar. b) Çevre sorunları: Projemizde giriş işareti olarak yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen enerji kullanıldığından üretilen bu enerji çevre kirliliğine yol açmaz. Bu sebeple projemizin çevreye herhangi bir zararı yoktur. c) Sürdürülebilirlik: Projemiz genel olarak DA gerilim ile çalışan cihazları beslemektedir. Beyaz eşya bilgisayar ve cep telefonu gibi DA gerilim gereksinimi olan pek çok uygulamalarda kullanıldıklarından kullanımları oldukça fazladır. d) Üretilebilirlik: Alternatif enerji kaynaklarının çıkışındaki güç elektroniği devre uygulamalarında kullanılırlar. e) Etik: Projemizi oluştururken benzer herhangi bir projeden ya da kaynaktan etik değerlere aykırı bir şekilde yararlanılmamıştır. 34

45 f) Sağlık: Projemiz gerekli güvenlik koşulları sağlanıldığında insan sağlığını tehdit edici bir unsur içermez. g) Güvenlik: Gerekli güvenlik koşulları sağlanıp iş güvenliği ve sağlığı kurallarına uyulduğu takdirde projemiz herhangi bir güvenlik sorunu teşkil etmemektedir h) Sosyal ve politik sorunlar: Ülkelerin alternatif enerji kaynaklarının kullanımına dönük enerji politikalarının artması güç elektroniği devrelerine olan ilgiyi de arttırmıştır. Bu da güç elektroniği devrelerine yapılan yatırımları arttırmıştır. Bu yatırımlar ülke ekonomisine katkı sağlayarak sosyal ve politik sorunları önemli ölçüde iyileştirmiştir. 35

46 EK-6 Çalışma Takvimi YAPILMASI PLANLANAN İŞ(*) EYLÜL EKİM KASIM ARALIK OCAK ŞUBAT MART NİSAN MAYIS 1. İş Kısmı 2. İş Kısmı 3. İş Kısmı 4. İş Kısmı 5. İş Kısmı 6. İş Kısmı 7. İş Kısmı 8. İş Kısmı 9. İş Kısmı 10. İş Kısmı 11. İş Kısmı 12. İş Kısmı 13. İş Kısmı 14. İş Kısmı 15. İş Kısmı 16. İş Kısmı 17. İş Kısmı 18. İş Kısmı 19. İş Kısmı 20. İş Kısmı 36

47 Yapılacak olan iş kısımlarının ayrıntılı tanımı: 1. İş Kısmı: Kullanılacak olan yöntemlerin tespiti 2. İş Kısmı: Tasarlanacak sistem hakkında bilgi toplanması 3. İş Kısmı: Tasarlanacak sistemin türünün belirlenmesi 4. İş Kısmı: Tasarlanacak olan sistemin kontrol yöntemleri hakkında bilgi edinilmesi 5. İş Kısmı: Tasarlanacak olan sistemin kontrol yönteminin belirlenmesi 6. İş Kısmı: Tasarlanacak olan sistem türünün matematiksel analiz metodunun belirlenmesi 7. İş Kısmı: Sistemin matematiksel analiz metoduna göre matematiksel analizinin yapılması 8. İş kısmı: Matematiksel analize göre ana ünite elemanların belirlenmesi 9. İş kısmı: Kontrol ünitesi elemanlarının belirlenmesi 10. İş kısmı: Sistemin uygun bir benzetim programında simülasyonunun yapılması 11. İş kısmı: Malzemelerin ayrıntılı tespiti 12. İş kısmı: Tasarım raporu yazılması ve teslimi 13. İş kısmı: Malzeme temini 14. İş kısmı: Ana ünitenin gerçeklenmesi 15. İş kısmı: Ana ünitenin laboratuvar ortamında test edilmesi 16. İş kısmı: Kontrol ünitesinin yazılımının yapılması 17. İş kısmı: Kontrol ünitesinin gerçeklenip kontrol testinin yapılması 18. İş kısmı: Ünitelerin bağlantılarının yapılıp tümleşik yapının gerçeklenmesi 19. İş kısmı: Tüm sistemin test edilmesi 20. İş kısmı: Sisteme değişik DA cihazlar bağlanarak uygulamasının görülmesi 37

48 EK-7 Maliyet Çizelgesi 38

49 8. ÖZGEÇMİŞ Ayhan ERTEM; 1966 senesinde Akçaabat ta dünyaya gelmiştir.ilköğrenimini tarihlerinde 24 Şubat İ.Ö.O nda, ortaöğrenimini tarihleri arasında Cumhuriyet Orta Okulunda tamamlamıştır.1984 senesinde Trabzon Teknik Lisesi Makina Bölümünü bitirmiştir senelerinde ise Anadolu Üniversitesi Sivil Havacılık Yüksek Okulu Uçak Gövdesi Bölümünde lisans eğitimini tamamlamıştır.2012 yılından beri halen Karadeniz Teknik Üniversitesinde Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümünde öğrenimine devam etmektedir. Aslı Nur ÖMEROĞLU; 1992 senesinde Erzurum da dünyaya gelmiştir. İlk ve orta öğrenimini tarihleri arasında Özel Güneş İ.Ö.O nda tamamlamıştır tarihlerinde ise Mecidiye Anadolu Lisesini bitirmiştir. Lisans eğitimi 2010 yılında itibaren halen Karadeniz Teknik Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümünde devam etmektedir. 39