6 h Inernionl Advnced echnologies Symposium (IAS 11, 16-18 My 211, lzığ, urkey Mikrodeneleyici bnlı İki Seviye DA/DA Alçln Dönüşürücü Ş. Demirbş 1,S. Byhn 2,İ. Grip 3 1 Gzi Üniversiesi, Ankr/ürkiye, demirbs@gzi.edu.r 2 Gzi Üniversiesi, Ankr/ürkiye, sbyhn@gzi.edu.r Microconroller Bsed wo Level DC/DC Buck Converer Absrc his pper inroduces design nd pplicion of microconroller bsed wo level buck converer. Implemened sysem consiss of conrol nd power circui. While conrol circui includes PIC18F452 microconroller, keypd, LCD nd IGB driver, power circui composed of wo buck converer. Relized wo level buck converer circui hs -3 vol volge rnge nd -2 mpere curren rnge. A PI conroller hs been used o obin consn oupu volge lod chnges. A sepre excied DC moor hs been conrolled using developed wo level buck converer. xperimenl resuls show h implemened wo level buck converer does no ffeced from lod chnges nd oupu volge remins consn during operion. As resul i cn be sid h developed sysem is cos effecive nd relible soluion for he lods needed wo level volge. B Keywords Buck converer, microconroller, PI conroller. I. GİRİŞ İRÇOK endüsriyel uygulmd sbi DA gerilim değeri yerine frklı seviyelerde DA gerilim değerine ihiyç duyulmkdır. Sbi DA gerilim seviyesini, frklı DA gerilim seviyelerine dönüşürmek mcıyl DA/DA dönüşürücü devre ypılrı kullnılmkdır. Giriş/çıkış gerilim değerlerine bğlı olrk frklı DA/DA dönüşürücü devre ypılrı kullnılmkdır. Dönüşürücü ypılrı seçilirken ihiyç duyuln çıkış gerilim değeri ile giriş gerilim değerinin büyüklüğü önemlidir. Örneğin giriş gerilim değerine göre çıkış gerilim değerinin yüksek olmsı isenen durumlrd yükselen DA/DA dönüşürücü ypısı kullnılırken, çıkış gerilim değerinin giriş gerilim değerine göre düşük olmsı gereken durumlrd lçln DA/DA dönüşürücü ypısı kullnılmkdır. DA/DA dönüşürücülerde, giriş geriliminin ve/vey yükün değişmesi durumlrınd çıkış gerilim seviyesinin isenen değerde klmsı isenir. Bunun için lierürde frklı deneim eknikleri önerilmekedir[1-3]. Seçilen deneim ekniğinde kullnıln memiksel işlemlerin yoğunluğun bğlı olrk bzı çlışmlrd syısl işre işleyici (DSP, FPGA kullnılırken bzı çlışmlrd ise mikrodeneleyici kullnılmkdır [4-6]. Mikrodeneleyicilerde çevresel rbirimler, bir ümleşik ygı içinde birleşirildiğinden sisem hızının ve güvenilirliğinin rığı, mliyein zldığı, kullnım kolylığı sğlnmkl birlike krmşık ypının ordn kldırıldığı bilinmekedir. Mikrodeneleyicilerin bu özellikleri dikke lındığınd; moor sürücüleri, DA/DA dönüşürücüler, gibi birçok endüsriyel uygulmd kullnıldıklrı görülmekedir [7]. Lierürdeki bzı lçln DA/DA dönüşürücü çlışmlrınd, gerilim seviyesinin yüksek olmsı ve nhr üzerindeki sresi zlmk için üç seviye lçln dönüşürücü ypılrı d kullnılmışır. Bu çlışmlrd nhr syılrı rığı için gerekli deneim ypısı zorlşmk, bun krşı nhrlmlr sıfır kım durumund ypıldığı için nhrlr üzerindeki sresler zlılmkdır [8-1]. Ypıln bu çlışmlrın hepsi ek seviye çıkış gerilimi verecek şekilde gerçekleşirilmişir. Oys ybncı uyrımlı DA moorlrı gibi bzı uygulmlrd ek seviyeli DA yeerli olmmkdır. Uyrım ve endüvi devresi için frklı değerlerde iki gerilime ihiyç duyulmkdır. Bu çlışmd birbirinden bğımsız çlışn, iki seviye lçln dönüşürücü mikrodeneleyici bnlı olrk gerçekleşirilmişir. Gerçekleşirilen sisem konrol ve güç devresi olmk üzere iki bsmkn oluşmkdır. Konrol devresinde PIC18F452 mikrodeneleyicisi, uş kımı, LCD ekrn ve IGB sürücüsü bulunurken güç devresinde iki de lçln dönüşürücü ypısı kullnılmışır. Şebeke gerilimi m köprü doğruluculr yrdımıyl doğrululdukn sonr dönüşürücü girişlerine uygulnmkdır. Gerçekleşirilen iki seviye lçln dönüşürücü devresi -3 vol gerilim yr rlığın ve -2 mper kım sınır rlığın shipir. Kullnıcı gerilim referns değerleri ile kım sınır değerlerini uş kımı yrdımıyl mikrodeneleyiciye girmeke ve bu değerleri LCD ekrndn izleyebilmekedir. Bu çlışmd çıkış gerilim değerlerinin, referns gerilim değerlerini kip emesi için PI deneim ekniğinden yrrlnılmışır. PI deneimin görevi, çıkış gerilim değerleri ile uş kımındn girilen referns gerilim değerleri rsındki hyı en z indirmekir. Bu syede dönüşürücü çıkış gerilim değerlerinin yük değişimlerinden ekilenmemesi sğlnmışır. Ayrıc dönüşürücü giriş kımlrı mikrodeneleyici rfındn sürekli izlendiği için dönüşürücülerin kım sınır değerlerinin lınd çlışmsı sğlnmkdır. Böylece hem lçln dönüşürücülerin hem de bu dönüşürücülerin beslediği sisemlerin güvenliği sğlnmışır. 198
Ş. Demirbş, S. Byhn, İ. Grip II. ALÇALAN DÖNÜŞÜRÜCÜ DVRSİ Şekil 1 de devre şemsı verilen lçln dönüşürücünün çıkış gerilim değeri nhrlm ornın bğlı olrk giriş geriliminden dh düşük olmkdır. Devre nhrın ileim ve kesim durumun bğlı olrk iki çlışm durumund incelenebilir [11]. L i s,i s i L,I L i L e L olrk hesplnır. Anhrlm periyodu ise şğıdki eşilik yrdımı ile bulunbilir; 1 I. L I. L I. LV. s 1 2 (4 f V V V V ( V V s Burd kımd yşnn dlglnm, V ( V V s I (5 flvs s V s Q 1 Dm v C i C,I C C Yük i o,i v o,v vey Vs k( 1 k I (6 fl Şekil 1. Alçln dönüşürücü devresi Anhr ileime sokulduğu nd kım yükselmeye bşlyrk bobin, kondnsör ve yük üzerinden devresini mmlmkdır. Alçln dönüşürücünün nhr ileim durumu için eşdeğer devresi Şekil 2. d verilmişir. is=il L il olrk bulunur. Gerilimde yşnn dlglnm ise şğıd verilen eşilikler yrdımıyl hesplnbilir [12]. V ( V V s Vc (7 2 8LCf Vs vey Vs ic io,i vc C Yük Dm vc C Yük ic io,i Vsk(1 k Vc (8 2 8LCf Anhr ileim durumund b Anhr kesim durumund Şekil 2. Alçln dönüşürücü eşdeğer devreleri Anhr kesime göürüldüğü ndki eşdeğer devre Şekil 2.b de verilmişir. Burd serbes dönüşüm diyodu yrdımıyl bobin üzerinde depolnn enerji kondnsör ve yük üzerinden devresini mmlmkdır. Anhrın bir sonrki ileim durumun kdr geçen sürede bobin kımınd düşüş meydn gelmekedir. Şekil 3 e her iki çlışm durumund devre gerilim ve kım değerlerine i dlg şekilleri görülmekedir. Burd 1 nhrın ileim süresini, 2 nhrın kesim süresini, nhrlm periyodunu, I bobin kım dlglnmsını, Vc kondnsör gerilim dlglnmsını belirmekedir. Akımın yükselmesi ve düşmesi doğrusl olrk kbul edilmişir. Normlde yrıileken nhrlr doğrusl olmyn bir direnç değerine shipir. Fk bu değer çok küçük olduğundn ihml edilmişir. Alçln dönüşürücü devresinde kullnıln elemnlr; nhrlm freknsın, giriş ve çıkış gerilim değerlerinin büyüklüğüne, kım ve gerilimde yşnmsın izin verilen dlglnmnın büyüklüğüne bğlı olrk şğıd verilen eşilikler yrdımı ile hesplnmkdır. Anhr ileim ve kesim süreleri, 1 k (1 (1 k (2 2 lde edilen bu eşilikler yrdımı ile srlnn lçlıcı dönüşürücü elemn değerleri hesp yönemi ile bulunmuşur. esplm gerçekleşirilirken dönüşürücü çıkış geriliminde yşnbilecek dlglnm göz önünde bulundurulmuşur. Bun göre devrede kullnıln bobin değerleri 1 m ve kondnsör değerleri 22 µf olrk seçilmişir. Anhrlm freknsı ise 4,8 kz olrk seçilmişir. v D V s 1 2 i L k I 2 I L I k I 1 I 2 i s k I 1 I 2 -I I 1 -I V i c V c k V c olduğu bilinmekedir. Bun göre lçlıcı dönüşürücünün çıkış gerilim değeri; 1 V Vs. kvs (3 I i o k 199
Mikrodeneleyici bnlı İki Seviye DA/DA Alçln Dönüşürücü Şekil 3. Çlışm durumlrın göre kım-gerilim dlg şekilleri III. GRÇKLŞİRİLN SİSM Gerçekleşirilen iki seviye lçlıcı dönüşürücüye i sisemin devre şemsı Şekil 4 e verilmişir. Sisem güç devresi ile sürücü ve konrol devresinden oluşmkdır. Güç devresi birbirinden bğımsız çlışn iki de lçln dönüşürücü devre ypısındn oluşmkdır. Güç devresinde, doğruluculr yrdımıyl elde edilen DA gerilim değerleri dönüşürücülerin girişlerine uygulnmkdır. Doğrulucu çıkışlrınd yşnn dlglnmlrı zlmk için C1 ve C3 kpsiörleri kullnılmışır. er iki dönüşürücünün giriş kım değerleri LM LA-1P kım lgılyıcılrı yrdımı ile okunurken çıkış gerilim değerleri gerilim bölücü devreleri üzerinden geçirilerek mikrodeneleyiciye uygulnmkdır. Uygulmd FUJI mrk 2MBI1U4A-12 modeli iki IGB kullnılmışır. Bu IGB ler 12 V, 1 A özelliklere shipir. Mikrodeneleyici rfındn üreilen PWM sinyllerinin IGB için uygun düzeye dönüşürülmesi, srlnn bir sürme devresi yrdımıyl ypılmkdır. IGB sürme devresinde Fuji mrk XB84 sürücü enegresi kullnılmışır. er iki dönüşürücü konrolünün sğlnbilmesi için bir konrol devresi srlnmışır. Progrm bşlngıcınd mikrodeneleyicinin kullnılck pinleri, nlog okum çözünürlüğü, PWM freknsı, vs. nımlmlrı ypılmışır. Progrmd nlog okum çözünürlüğü 1 bi ve PWM freknsı 4,8 kz olck şekilde yrlnmışır. Dh sonr lçln dönüşürücü seçme ekrnı kullnıcıy göserilmekedir. Kullnıcı burd hngi dönüşürücü vey dönüşürücülerin kullnılcğını uş kımı yrdımı ile seçmekedir. Kullnıcı bu ekrndn her iki dönüşürücüyü seçebileceği gibi sdece DÖNÜŞÜRÜCÜ 1 vey DÖNÜŞÜRÜCÜ 2 yi seçebilmekedir. Kullnıcının seçimine bğlı olrk sonrki şmd dönüşürücü vey dönüşürücülere i çıkış gerilim değerleri ile kım sınır değerleri mikrodeneleyiciye girilmekedir. Bu değerlerin mikrodeneleyiciye girilmesi için kullnıcı yine uş kımındn yrrlnmkdır. Kullnıcı uş kımı yrdımıyl siseme AMAM komuunu verdiken sonr yr edilen çıkış gerilim değerleri için PWM sinylleri mikrodeneleyici rfındn üreilmeye bşlnır. Bu ndn iibren lçln dönüşürücü kım ve gerilim değerleri mikrodeneleyicinin nlog knllrındn okunmkdır. BR 1 L 1 + 22 Vol ~ C 1 C 2 Q 1 D 1 c V ou1 - KONROL V SÜRÜCÜ KARI BR 2 b Q 2 L 2 + C 3 C 4 D 2 d V ou2 Şekil 4. Gerçekleşirilen sisemin devre şemsı - srlnn konrol devresi PIC 18F452 mikrodeneleyicisi, uş kımı ve LCD ekrndn oluşmkdır. srlnn sisemde mikrodeneleyici kullnılmsıyl çevresel rbirimler, bir ümleşik ygı içinde birleşirildiğinden sisem hızı ve güvenilirliği rmış, mliye zlmışır. Aynı zmnd kullnım kolylığı sğlnmış ve krmşık ypı ordn kldırılmışır. Kullnıcı uş kımı yrdımıyl dönüşürücü prmerelerini mikrodeneleyiciye girebilmeke ve üm işlemleri LCD ekrnd izleyebilmekedir. Dönüşürücü çıkışlrın bğlnck yük değerlerinin değişmesi ile çıkış gerilim değerinin sbi klmsını sğlmk mcıyl PI deneim ekniğinden yrrlnılmışır. PI deneimin görevi, çıkış gerilim değeri ile uş kımındn girilen referns gerilim değeri rsındki hyı en z indirmekir. Konrol devresinde yer ln mikrodeneleyici yzılımının hzırlnmsınd CCS C dili kullnılmışır [13]. zırlnn yzılımın kış diygrmı Şekil 5 de verilmişir. Okunn kım değerleri girilen sınır kım değerlerini şmış ise PWM sinylleri sınır kım değerlerini koruyck şekilde yeniden üreilmekedir. ğer kım sınır değerinde şm olmmış ise girilen gerilim referns değeri ile ölçülen gerçek gerilim değeri krşılşırılmkdır. Krşılşırm sonucund h vr ise h sinyli PI deneleyiciye gönderilerek uygun PWM sinylleri üreilmekedir. Böylece çıkış gerilim değerinin, referns gerilim değerini izlemesi sğlnmkdır. Sisem durdurulmdığı sürece üm bu işlemler sürekli ekrrlnmkdır. Çlışm esnsınd üm kım ve gerilim değerleri nlık olrk LCD ekrnd göserilerek kullnıcı bilgilendirilmekedir. er iki dönüşürücü çlışır durumd iken isenilen dönüşürücünün çlışmsı sonlndırılbilmekedir. Dönüşürücüler birbirinden bğımsız çlışığı için bir dönüşürücünün çlışmsı diğer dönüşürücüyü ekilememekedir. 2
Mikrodeneleyici bnlı İki Seviye DA/DA Alçln Dönüşürücü Bşl PIC 18F452 bşlngıç yrlrının ypılmsı Dönüşürücü seçme ekrnı Referns gerilim değeri ve kım sınırının girilmesi Değerler girildi mi? PWM sinyllerinin üreilmesi Anlog knllrdn kım ve gerilim bilgilerinin okunmsı Akım değeri sınır değeri şı mı? Şekil 6. Deneysel çlışmlr için kullnıln deney düzeneği Gerçekleşirilen deneysel çlışmlrın ilkinde dönüşürücü çıkış gerilimlerinin referns gerilime ourm zmnlrı ölçülmüşür. DA moorunun endüvi srgılrını besleyen dönüşürücü çıkış gerilimi 2 vol yrlnırken, uyrım devresini besleyen dönüşürücü çıkışı 5 vol yrlnmışır. Dönüşürücülerin çlışmy bşldığı ndki gerilim sinylleri Şekil 7 de verilmişir. er iki dönüşürücü çıkış gerilim değerlerinin referns gerilim değerine ourm zmnlrı incelendiğinde; birinci dönüşürücünün 2 vol referns gerilim değerine 82 ms de, ikinci dönüşürücünün 5 vol referns değerine 35 ms de ourduğu ve krrlı hle geldiği görülmüşür. PI Deneleyici Çıkış gerilim değerleri ref değerle ynı mı? Sisem durduruldu mu? Dur Şekil 5. Mikrodeneleyici yzılımının kış diygrmı IV. DNYSL ÇALIŞMALAR Deneysel çlışmlr için Şekil 6 d görülen deney düzeneği kullnılmışır. Bu deney düzeneği bir DA mooru ve bu moorun miline kuple bğlı bir yük düzeneğinden oluşmkdır. Gerçekleşirilen iki seviye lçln dönüşürücü, DA moorunun uyrım ve endüvi srgılrını besleyecek şekilde bğlnılr ypılmışır. Şekil 7. Dönüşürücü çıkış gerilim sinyllerinin referns gerilim değerine ourmsı Gerçekleşirilen diğer deneysel çlışmd ise DA moorunun miline bğlı yük birimi kullnılrk DA mooru yüklenmişir. Bu nd dönüşürücü çıkış gerilim değişimi 21
Ş.Demirbş, S. Byhn, İ. Grip izlenerek PI konrolörün epkisi gözlemlenmişir. Şekil 8 de görüldüğü gibi yüklenmenin yşndığı nd dönüşürücü çıkış gerilimi yklşık 17 vol düşmeke nck PI konrolör yrdımıyl 64 ms içinde ekrr 2 vol yerleşmekedir. Şekil 8. DA moorun yüklenmesi nınd dönüşürücü çıkış gerilim eğrisi Son olrk dönüşürücü çıkış gerilim seviyesinin frklı referns gerilim değerlerini izlemesi gözlemlenmişir. Bunun için frklı referns gerilim değerleri uş kımı yrdımı ile siseme girilmişir. İlk önce dönüşürücü çıkış gerilimi 5 vol dh sonr 15 vol son olrk 1 vol yrlnmışır. Şekil 9 d görüldüğü gibi dönüşürücü çıkış gerilimi girilen referns gerilim değerini uş kımındn girilen her değer için hızlı bir şekilde kip edebilmişir. Şekil 9. Dönüşürücü çıkış geriliminin referns değeri izlemesi V. SONUÇLAR Bu çlışmd frklı DA gerilim seviyelerine ihiyç duyn yüklerde (ybncı uyrımlı DA moor, vb. kullnılmk üzere birbirinden bğımsız çlışn, iki seviye lçln dönüşürücü mikrodeneleyici bnlı olrk gerçekleşirilmişir. Mikrodeneleyici olrk PIC18F452 kullnılmışır. Gerçekleşirilen iki seviye lçln dönüşürücü devresi -3 vol gerilim yr rlığın ve -2 mper kım sınır rlığın shipir. Kullnıcı gerilim referns değerleri ile kım sınır değerlerini uş kımı yrdımıyl mikrodeneleyiciye girmeke ve bu değerleri LCD ekrndn izleyebilmekedir. Bu çlışmd çıkış gerilim değerlerinin, referns gerilim değerlerini kip emesi için PI deneim ekniğinden yrrlnılmışır. PI deneimin görevi, çıkış gerilim değerleri ile uş kımındn girilen referns gerilim değerleri rsındki hyı en z indirmekir. Bu syede dönüşürücü çıkış gerilim değerlerinin yük değişimlerinden ekilenmemesi sğlnmışır. Ayrıc dönüşürücü giriş kımlrı mikrodeneleyici rfındn sürekli izlendiği için dönüşürücülerin kım sınır değerlerinin lınd çlışmsı sğlnmkdır. Böylece hem lçln dönüşürücülerin hem de bu dönüşürücülerin beslediği sisemlerin güvenliği sğlnmışır. Deneysel sonuçlr, gerçekleşirilen iki seviye lçln dönüşürücünün ni yük değişimlerine hızlı epki verdiğini, krrlı çlışığını ve düşük mliyeli bir sisem olduğunu gösermişir. KAYNAKLAR [1] Smedley K.M., Slobodn C., One-Cycle Conrol of Swiching Converers, I rnscions on Power lecronics, Vol 1, No 6, 625-634, (1995. [2] Sef İ., Alın N., Özdemir Ş., dspac Bsed Fuzzy Logic Conrolled Boos Converer, 4h Inernionl Conference on echnicl nd Physicl Problems of Power ngineering P-28, Universiy of Piesi, Piesi, Romni, (28. [3] Guo L., Nelms., Nelms R.M., Design nd Implemenion of Sliding Mode Fuzzy Conrollers for Buck Converer, I Inernionl Symposium on Indusril lecronics, 181-187, Monrel, Cnd, (26. [4] Demirş M., Sef İ., Irmk., Çolk İ., Güneş nerjili Sisemler İçin Mikrodeneleyici bnlı DA/DA Yükselen Dönüşürücü, Gzi Üniversiesi Mühendislik Mimrlık Fkülesi Dergisi, Cil 23, Syı 22, 719-728, (28. [5] Kouroulis., Klizkis K., Voulgris N.C., Developmen of Microconroller-Bsed Phoovolic Mximum Power Poin rcking Conrol Sysem, I rnscions on Power lecronics, Vol. 16, No. 1, 46-54, (21. [6] Yousefzdeh V., Wng N., Popovic Z., Mksimovic D., A Digilly Conrolled DC/DC Converer for n RF Power Amplifier, I rnscions on Power lecronics, Vol 21, No 1., 164-173, (26. [7] Çolk İ., Soysl M., Irmk., Byındır R., DA Moorunun Dör Bölge Deneiminin ğiim Amçlı Gerçekleşirilmesi, Polieknik Dergisi, Cil 1, Syı 3, 219-227, (27. [8] Ilic M., esermn B., Mksimovic D., Inerleved Zero Curren rnsiion hree-level Buck Converer, 21s Annul I Applied Power lecronics Conference nd xposiion, 77-78, (26. [9] Yousefzdeh V., Alrcon., Mksimovic D., hree-level Buck Converer for nvelope rcking Applicions, I rnscions on Power lecronics, Vol 21, No 2, 549-552, (26. [1] Ilic M., Mksimovic D., Averged swich modeling of he inerleved zero curren rnsiion buck converer, I 36h Power lecronics Speciliss Conference, 2158-2163, (25. [11] Rshid M., Power lecronics, Circuis, Devices nd Applicions, Prenice ll, hird diion, USA, (24. [12] Mohn N., Undelnd. M., Robbins W. P., Power lecronics: Converers, Applicions nd Design, 2nd diion, John Wiley & Sons Inc., nglnd, (1995. [13] Çiçek, S., CCS C ile PIC Progrmlm, Alş Yyıncılık, İsnbul, (27. 22