MCU için TRAFOSUZ GÜÇ KAYNAĞI TASARIMI (Bülent ŞIVGIN)

[SpeedyX]

MIKRODENETLEYİCİLER için TRANSFORMATÖRSÜZ GÜÇ KAYNAĞI TASARIMI (Bülent ŞIVGIN)

Mikrodenetleyicileri beslemek için gerekli DC voltajı elde etmenin çeşitli yolları bulunmaktadır. Geleneksel olarak trafo ve doğrultucu elemanlar kullanılarak DC voltaj elde edilmektedir. Bunun yanında anahtarlamalı mod doğrultucularda bu tür sistemlerde kullanılmaktadır. Ancak mikrodenetleyici ve bir kaç az akım çeken elemanla gerçekleştirilen cihazlarda trafolu ya da anahtarlama modlu doğrultucu kullanmak hem yer bakımından hem de maliyet bakımından uygun olmamaktadır. Burada pratik yöntem şudur. Eğer güç kaynağının maliyeti beslediği devrenin maliyetinden yüksek ise trafosuz güç kaynağı tercih edilebilir (Her zam doğru olmayabilir). Örneğin çin malı bir çok gece lambasında, otomatik zamanlayıcılarda, fırın göstergelerinde vb. bir çok alanda bu tür beslemeden yararlanılmaktadır.

Tarafosuz güç kaynakları trafo tabanlı ya da anahtarlama modlu güç kaynaklarına göre daha düşük maliyetli bir alternatiftir. İki temel trafosuz güç kaynağı vardır. Bunlardan biri direnç tabanlı diğeri kapasitans tabanlıdır. Bu tür güç kaynaklarının en büyük dezavantajı Ac voltajdan bir izolasyon yapılmadığı için güvenliğin az olmasıdır.


Kondansatör Kullanılan Trafosuz Güç Kaynağı:

Kapasitör kullanılan trafosuz güç kaynağı aşağıda görülmektedir. Burada kapasitörün alternatif akımda gösterdiği kapasitans direncinden faydalanılmaktadır (Xc). Benzer uygulama florasan lambaların akımını kısıtlamak için balast adı verilen bobin ile yapılmaktadır.

Bobinlerde AC akımda direnç özelliği gösterirler (XL=2 x pi x f x L). Aynı şekilde kondansatörlerde AC voltajda direnç özelliği gösterirler. Bilindiği gibi kondansatör direnci alternatif akımın frekansı ve kondansatörün değeri ile ters orantılıdır. Yani kondansatörün değeri arttıkça alternatif akımdaki direnci azalır. Ayrıca aynı değerdeki kondansatör yüksek frekanslarda daha düşük direnç, alçak frekanslarda daha yüksek direnç gösterir.

Bu nedenle bildiğiniz gibi ses frekansına yakın değerlerde mikrofarad cinsinden, daha yüksek frekanslı gürültüleri süzmek için nanofarad cinsinden kondansatörler kullanılmaktadır. Bunun en tipik örneği, herhangi bir doğrultucu devresinin doğrultmadan sonraki kısmında 1000 mikrofarad cinsinden kondansatör kullanılırken, çıkışa yakın kısmında 100 nanofarad kondansatörler kullanılmasıdır. Tekrar aşağıdaki devremize dönersek; aşağıdaki devrede trafo yerine akım ve voltaj sınırlamak için C1 kondansatörünün kapasitif direncinden faydalanılmaktadır.

Devre yarım dalga voltaj doğrultucu şeklinde çalışmaktadır. Burada çıkış voltajı; çıkış akımı (Iout) giriş akımına (Iin) eşit ya da küçük ise sabit kalacaktır. Iin, R1 ve C1'in değeri ile orantılıdır. R1'in değeri girişteki aşırı akım sıçramalarını sınırlayacak şekilde seçilmelidir. R1'i belirlemenin en pratik yolu besleme voltajının her voltu için yaklaşık 1 Ohm dur. 220Voltluk bir giriş beslemesi için bu değer 220 Ohm dur. Ancak burada güvenlik faktörü de eklenerek direnç 470 ohm olarak seçilmiştir. Bu direncin Watajı hesaplanan akıma göre aşağıdaki bölümlerde tespit edilmiştir.

Buradaki formüller şu şekildedir;

Kondansatörün kapasitif direnci Xc = 1/2(pi)fC1 şeklindedir.

Giriş Akımı Iin= Vhf/(Xc1+R1) > Iout

Yarım Dalgada R1 ve C1 üzerinde düşen voltaj;

Vhf=

Buradan;


Vout=Vz-Vd şeklindedir.

Yukarıdaki devre yarım dalga voltaj doğrultucusu şeklinde çalışmaktadır. Bu temel prensipten yola çıkarak ilk olarak bize kaç volt kaç miliamper akım verecek bir güç kaynağı gerektiğine karar vermeliyiz. Örneğin 5 volt 12 mA verebilen bir güç kaynağına ihtiyacımız olduğunu farzedelim. Kullanacağımız zener 5.6 V ya da 5.1 volt olabilir. Çıkış voltajı D2 diyodunun üzerindeki iletim voltajı kadar eksiktir. Daha sonra yukarıdaki Iin formülünde akım ve voltaj değerlerini yerine koyarak kullanacağımız kapasitörü belirleyebiliriz. Tabi kullanılacak kapasitör voltajı giriş voltajının (220Voltun) 1.5 katı civarında seçilmelidir. Ya da X2 klas özelliğinde bir kapasitör kullanılmalıdır.

Şimdi bu güç kaynağı devresinin sürekli çalışacağını farzedersek kondansatör, şebeke frekansı ve şebeke geriliminin toleranslarına göre çıkış akımı değişecektir. Elde edebileceğimiz azami ve asgari akımları devre elemanlarının toleranslarını gözönüne alarak şu şekilde hesaplayabiliriz:

Minimum mümkün Iin için; Vz ve R1 maximum, diğer faktörler minimum değerde alınarak elde edilir Buna göre;

Vrms=210 V (220 Volt Giriş voltajının %5 toleranslı olduğunu farzedelim)

Vz=5.1 Volt (Zenerin %2 toleranslı olduğu farzedelim)

f=49.5 Hz ( 50 Hz lik Şebeke frekansının %1 toleranslı olduğunu farzedelim)

C1=0.38 mikroF (0.47 MikroF kondansatörün +/-%20 toleranslı olduğunu farzedelim)

R1=517 Ohm ( 470 Ohm direncin +/-%10 toleranslı olduğunu farzedelim)

Iinmin= (1,41x210-5,1)/2x[(1/(2x3,14x49,5x0,38mikro))+517]=16.2 mA

Maksimum mümkün Iin için; Vz ve R1 minimum, diğer faktörler maksimum değerde alınarak elde edilir Buna göre;

Vrms=220 V (220 Volt Giriş voltajının %5 toleranslı olduğunu farzedelim)

Vz=5 Volt (Zenerin %2 toleranslı olduğu farzedelim)

f=50.5 Hz ( 50 Hz lik Şebeke frekansının %1 toleranslı olduğunu farzedelim)

C1=0.56 mikroF (0.47 MikroF kondansatörün +/-%20 toleranslı olduğunu farzedelim)

R1=423 Ohm ( 470 Ohm direncin +/-%10 toleranslı olduğunu farzedelim)

Iinmax= (1,41x220-5)/2x[(1/(2x3,14x50,5x0,56mikro))+423]=25.2 mA

Özetle 0.47 MikroFarad lık bir kondansatör kullanılan trafozsuz bir güç kaynağından minimum 16.2 mA maksimumda 25.2 mA akım alınabilir.

Tabi bu tür bir devrede kullanılacak elemanların güç değerlerinin seçimi de önemli bir kriterdir. Genel kural olarak seçilecek elemanların güç değerleri hesaplanan değerlerin yaklaşık iki katı olması şeklindedir. Hesaplamada kullanılacak en önemli değerler maksimum AC RMS olarak ne kadar akım ve voltaj altında çalışılacağıdır. Şimdi sıra ile devrede kullanılan R1, C1, D1 ve D2 elemanlarının güç değerlerini hasaplayalım.

Devrede kullanılan R1 direncinden hem pozitif yarım peryotta hemde negatif peryotta akım geçmektedir. R1 üzerindeki akım şebeke voltajının maksimum değerinin C1'e bölünmesi ile elde edilir. Buna göre R1'in +/- %10 toleranslı olduğunu farzederek;

Pr1=0,54 W

olarak hesaplanır yani bu devrede 470 Ohm (0.54Wx2) bir Watt direnç kullanmak uygun olacaktır.

Devrede kullanılan C1 için (güçten söz edilemeyeceği için) seçilen kondansatörün voltajı önemlidir. Kondansatörün voltajı şebeke voltajının 2 katı olması uygundur (440 Volt). Hatta IEC664 İnstallation Category II'ye göre X2 klas kapasitör kullanmak daha güvenli olacaktır.

Devrede kullanılan D1 zener diyodu üzerinden en kötü şartta yarım peryotta hiç yük yokken ve C2 tamamen şarjlı iken maksimum akım geçer. Bu akım yukarıda R1 in değeri hesaplanırken elde edilen akımdır. Yani şebekenin Rms voltajının C1'in kapasitansına bölünmesi ile elde edilir.

Pd1=IxV=32,46mA x 5.1 V= 0.16 Watt

Bunu güvenlik faktörü olarak 2 ile çarpar isek 0.32 watt yapar. Bu da yarım watlık zener seçilmesinin uygun olduğunu gösterir.

Devrede kullanılan D2 diyodunun güç değeri maksimum Iin ile diyot iletim voltajı çarpımından hesaplanır.

Pd2=IxV=(25.2mA)x(0.7V)= 17.6 mW buradada çeyrek ya da yarım watlık diyot kullanılabilir.

C2 kapasitesinin voltaj değeri de zener voltajının 2 katı şeklinde seçilebilir. Yani burada 16 Voltluk bir kondansatör uygundur. C2 nin değeri dalgalanmaları azaltacak herhangi iki parelel kondansatör şeklinde seçilebilir.

Tabi bu güç kaynağının diğer güç kaynaklarında olduğu gibi yük faktörüne bağlı olarak çıkış voltajında değişim olması kaçınılmazdır. Ancak yukarıda da belirtildiği gibi Iout küçük yada Iin'e eşit olduğu durumlarda çıkış voltajı yaklaşık olarak sabittir. Aşağıda çeşitli yüklere göre çıkış voltajındaki değişimler verilmiştir.

Vout çıkışa başlangıçta bağlanmış 10KOhm luk bir yük için aşağıdaki şekilde değişim gösterir. Çıkış voltajı Vout=Vz-Vd=5,1-0,6=4.5 Volt . Çıkışa bağlanan 10 Kohmluk yük yaklaşık 0,45 mA çeker bu da devrenin sağlayacağı akım limitleri içindedir. Çıkış voltajıda oldukça stabildir. Sıfır Volttan 4,5Volta yükselme süresi 280ms dir. Bu da oldukça hızlıdır.

Yük azaltıldıkça çekilen akım talebi artacağı için yukarıda hesaplanan Iin değerine yaklaştıkça voltajın yükselme zamanı uzayacaktır. Çıkış akımının hem C2'yi şarj etmeye çalışması hemde yüke akım vermeye çalışması nedeni ile C2'nin yeterli şarj seviyesine ulaşamaması durumunu ortaya çıkararak çıkış voltajını düşürecektir. Aşağıda 500 ohm ve 270 Ohm için grafikler verilmiştir.

Yukarıda verilen temel devre UL gerekliliklerinin bir kısmını karşılamak için aşağıdaki şeklide geliştirilebilir. UL gerekleri hakkında daha fazla detaylı bilgi www.ul.com adresinden alınabilir.

Temel devreye yukarıda görüldüğü gibi UL gerekliliklerini karşılamak için ilave güvenlik elemanları eklenmiştir. Girişteki sigorta devreyi aşırı akımlardan korumak içindir. C1'e paralel R2'i direnci bağlanarak, şebeke üzerinden C1'in deşarj olması engellenmiş ve EMI azaltılmıştır. Ayrıca bu direnç ile kapasitör üzerinde biriken yüksek enerjinin sürekli kalması engellenerek ilave bir can güvenliği tedbiri kazandırılmıştır. Böylelikle enerji yokken herhengi birin devreye dokunması ile elektrik boşalmasının yaratacağı tehlike azaltılmıştır. Ayrıca girişe varistör ekelenerek ani voltaj yükselmeleri engellenmiştir.

Direnç Kullanılan Trafosuz Güç Kaynağı:

Direnç kullanılarak yapılan trafosuz güç kaynağının temel devresi aşağıda verilmiştir. Burada akımı sınırlamak için kapasitif raktans yerine yüksek watlı direnç kullanılmıştır. Kondansatörlü güç kaynağında olduğu gibi çıkış voltajı çıkşı akımı (Iout), giriş akımından (Iin) düşük ve eşit olduğu sürece sabit olacaktır. Buradaki devre de yarım dalga doğrultucu olarak çalışmaktadır. Bu devrenin kapasitif güç kaynağına göre en büyük dezavantajı verimsiz olması yani, R1 üzerinde çok güç harcanmasıdır.



Buradaki formüller şu şekildedir.

Çıkış Voltajı Vout= Vz-Vd dir

Giriş Akımı Iin=Vhf/R1 > Iout

Vhf= (direnç üzerinde yarım peryotta düşen voltaj)

Bu iki formülden giriş akımı;

olur.

Yukarıdaki devre yarım dalga voltaj doğrultucusu şeklinde çalışmaktadır. Bu temel prensipten yola çıkarak ilk olarak bize kaç volt kaç miliamper akım verecek bir güç kaynağı gerektiğine karar vermeliyiz. Örneğin 5 volt 12 mA verebilen bir güç kaynağına ihtiyacımız olduğunu farzedelim. Kullanacağımız zener 5.6 V ya da 5.1 volt olabilir. Çıkış voltajı D2 diyodunun üzerindeki iletim voltajı kadar eksiktir. Daha sonra Yukarıdaki Iin formülünde akım ve voltaj değerlerini yerine koyarak kullanacağımız direnci belirleyebiliriz.

Şimdi bu güç kaynağı devresinin sürekli çalışacağını farzedersek kullanılan direnç, şebeke frekansı ve şebeke geriliminin toleranslarına göre çıkış akımı değişecektir. Elde edebileceğimiz azami ve asgari akımları devre elemanlarının toleranslarını gözönüne alarak şu şekilde hesaplayabiliriz

Minimum mümkün Iin için; Giriş voltajı minimum değerde, Vz ve R değeri maksimumda alınarak elde edilir Buna göre;

Vrms=210 V (220 Volt Giriş voltajının %5 toleranslı olduğunu farzedelim)

Vz=5.1 V (Zenerin %2 toleranslı olduğu farzedelim)

R1=2,2 Kohm ( 2 KOhm direncin +/-%10 toleranslı olduğunu farzedelim)

Iinmin=66 mA

Maksimum mümkün Iin için; Giriş voltajı maksimum değerde, Vz ve R değeri minimumda alınarak elde edilir. Buna göre;

Vrms=220 V (220 Volt Giriş voltajının %5 toleranslı olduğunu farzedelim)

Vz=5 V (Zenerin %2 toleranslı olduğu farzedelim)

R1=1.8 Kohm ( 2 KOhm direncin +/-%10 toleranslı olduğunu farzedelim)

Iinmin=84 mA

Tabi bu tür bir devrede kullanılacak elemanların güç değerlerinin seçimide önemli bir kriterdir. Genel kural olarak seçilecek elemanların güç değerleri hesaplanan değerlerin yaklaşık iki katı olması şeklindedir. Hesaplamada kullanılacak en önemli değerler maksimum AC RMS olarak ne kadar akım ve voltaj altında çalışılacağıdır. Şimdi sıra ile devrede kullanılan R1, D1, D2 ve C2 elemanlarının güç değerlerini hasaplayalım

R1 direncinin güç değeri bu devredeki en önemli değerdir. R1 üzerindeki harcanan güç şu şekilde hesplanır;



PR1=(220x220)/(2KOhm x 0.9).......Direncin %10 toleranslı olduğu farzedilmiştir.

PR1=26.8 Watt ......30Wattlık bir direnç uygun olacaktır.

D1 diyodunun üzerinden her iki alternansta da geçmektedir. D1 üzerinden maksimum akım çıkışa herhangi bir yük bağlı değilken geçmektedir.



PD1=5.1 x [ 220/(2K x 0.9)]= 0,62 Watt..........1 Wattlık zener bu iş için uygundur

Devrede kullanılan D2 diyodunun güç değeri maksimum Iin ile diyot iletim voltajı çarpımından hesaplanır.

Pd2=IxV=(84mA)x(0.7V)= 58.8 mW buradada çeyrek ya da yarım watlık diyot kullanılabilir.

C2 kapasitesinin voltaj değeri de zener voltajının 2 katı şeklinde seçilebilir. Yani burada 16 Voltluk bir kondansatör uygundur. C2 nin değeri dalgalanmaları azaltacak herhangi iki parelel kondansatör şeklinde seçilebilir.

Çıkış voltajının yüke bağlı değişimi yaklaşık yukarıdaki kapasitörlü güç kaynağına benzer şekildedir.

Bülent ŞIVGIN - www.diyot.com
kaynak:www.microchip.com

---------------------------------

seri dirençleri hesaba katmazsanız çekeceğiniz akım, çıkış gerilimine ve kullanacağınız seri kondansatöre bağlıdır. tam formül:
I=C.(2.3,14.f.(220-V)) biçimindedir. köprü için f'in değeri 100Hz, tek diyotla doğrultmada 50Hz'dir. V çıkış gerilimidir, C farad cinsinden, V volt ve I amper cinsinden hesaba katılır.

Aşağıya bir formül verdim. Bu formülü
uygulayarak istediğiniz akımı verecek kondansatör değerini
hesaplayabilirsiniz.

C= (I/69.080) x 1000 I = Miliamper C = Nanofarad

Burada kullanacağınız kondansatörlerin herbirinin çalışma
voltajı (working voltage) 400 Volt DC.'nin üstünde olmalıdır.
Aksi halde 220 V. AC'ye dayanamazlar

---------

http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00954A.pdf

---------


http://ta2kk.kulup.org/content/view/244/31/

[d_yol]

Çok güzel yazı olmuş. Eline sağlık. Ancak yeni başlıyan arkadaşlar çok dikkat etmesi gerek. Çünkü 220V ölüm tehlikesi demek.
Herkese sağlıklı günler diliyorum.

[SpeedyX]

Çok güzel yazı olmuş. Eline sağlık. Ancak yeni başlıyan arkadaşlar çok dikkat etmesi gerek. Çünkü 220V ölüm tehlikesi demek.
Herkese sağlıklı günler diliyorum.

diyot.com kapanmış, o yüzden burada yedeği bulunsun dedim. Yazanların ellerine sağlık.

[debi]

Hocam çok teşekkür ederim,,güzel yazı.. SAbit oluşundan sanırım, görmedim bunla ilgili soru sormak amaçlı yeni bir başlık açmıştım.. tekrardan sağolasın..

[eee1984]

Çok guzel bi paylaşım olmuş çok teşekkür ederim  

[casper2]

köprü diyota direk 220 volt girilmiş çıkışında diyotun  artı ucundada haliyle 220 volt canlı uç olacak sonradan zener ve kapasiteyle düşürülüyor. fakat ister istemez tehlikeli olacak..yani güvenilir olmaz gibi micro işlemcili devrelerde sorun çıkarır.. sizce ?

[fahri-]

0-10V kontrollü dimmer devresinde kullandım buna benzer devreyi. Hiçbir sıkıntı olmuyor. Sadece eksi uca dokunulmaması gerek. Çarpılınıyor

[gambit1244]

enerji girişi live notr olarak belirtilmiş bu devreye 220 voltu ters verirsek ne olur çalışmazmı?

[fahri-]

Çalışıyor.

[pc]

Elinize sağlık, çok açıklayıcı bir yazı gerçekten. Acaba piyasa da bahsettiğiniz elemanları bünyesinde bulunduran, devre üzerinde kullanılabilecek bir entegre var mıdır? Aslında pic'i beslemek üzere benim böyle bir entegreye ihtiyacım var. Bilgisi olan arkadaşlar paylaşırlarsa sevinirim. Teşekkürler...

[Cetinal]

evet oldukca ucuz maliyetli bişey olmuş ancak evde masa başında çalıştırabilir sadece bi mcu yu ...

sanayi ortamında parazitin çok olduğu yerde çuvallar  hele birde analog sinyal varsa işin içinde ...   biri o binanın farklı yerinde florasan kapatıp açtığında  eş zamanlı ripple ı sinyalde de görebilirsiniz

[Windshair]

tam aradığım gibi bişey derken parazitten etkilenme olasılığı beni soğuttu. 2.2 kw ac monofaz motor kontrol eden bir devrem var ve ne yaptıysam reset problemini aşamadım. motorun bağlı olduğu makina şantiye şantiye geziyor. trafolu varistorlü bol kondansatörlü ne güç kaynakları yaptım nafile. hatta mcu için ayrı bir telefon şarj adaptörü kullandım yinede makina çalıştığı anda resetliyor. bu amaçla kullanılacak güç kaynağı öneriniz var mı ? devrede röle ve kontaktör var ve snubber önerisi olabilir diye belirtmek istedim normal anahtar ile motor kontrolündede reset devam ediyor.

[Mr.Java]

@Windshair
Besleme devrenizin baskısını kontrolden geçirin.Line'leri keskin değilde oval şeklinde çizip kartı dizayn edin.Ayrıca MCU'ya özel PCB'de bakır içerisine alıp bakırı toprağa bağlamanızda fayda var.

[emrah8230]

tam aradığım gibi bişey derken parazitten etkilenme olasılığı beni soğuttu. 2.2 kw ac monofaz motor kontrol eden bir devrem var ve ne yaptıysam reset problemini aşamadım. motorun bağlı olduğu makina şantiye şantiye geziyor. trafolu varistorlü bol kondansatörlü ne güç kaynakları yaptım nafile. hatta mcu için ayrı bir telefon şarj adaptörü kullandım yinede makina çalıştığı anda resetliyor. bu amaçla kullanılacak güç kaynağı öneriniz var mı ? devrede röle ve kontaktör var ve snubber önerisi olabilir diye belirtmek istedim normal anahtar ile motor kontrolündede reset devam ediyor.

Arkadaşım mclr bağlantısını 4.6k dirençle yap ve ardından mclr pinine 50v 0.22uf kondansatör bağla
Ardından 7805 le reğüle ettiysen 6.3v 1000uf kondansatör bağla beslemeye en az 4 tane
Yine ardından + uca küçük bir bobin filtre tak  daha da bişi olmaz

[sadikkeskin]

Gerçekten güze paylaşım olmuş paylaşanın yazanın ellerine sağlık arkadaşlar bende bu sistemi çin malı ledli gece lambası devresinde görmüştüm lambayı alınca içini açmadan duramadım çünkü bu kadar küçük alanda bu ledlerin nasıl çalıştığını merak etmiştim ben şimdi küçük akımlar için değilde 10v ile çalışan elimdeki 1 amperlik ledleri sürmek için bu seri kondansatörlü olan devreyi kullanmayı düşündüm fakat bir noktada takıldım kaldım amacım led kullanarak tasarruf yapmak fakat seri haldeki bu kondansatör aslında hiç kayıp yapmadan istediğim voltajı ve akımı bana verir ama kondansatör 220 ac sinus dalgada çalışırken ortalama sabit bir akımı sinus dalganın her voltaj seviyesinde değişmeden çekecek buda elektrik saatinin daha fazla dönmesine neden olacak diye çekindiğim için yapmaktan vazgeçtim bilgisi olan varmı acaba bu elektrik saatleri voltaj ile akıma bakarakmı döner yoksa yani VxI yoksa sadece şebekeden çekilen akıma bakarakmı kaç kilowat çekildiğini ölçer saatin çalışma prensibini bilmediğim için devreyi yapmaktan vazgeçtim fakat smps lerle bu işi yaptığımızda smps lar herzaman sinus dalganın üst voltaj bandlarında akım çeker sinus dalgada voltajın düşük olduğu kısımlarda hiç akım çekmez onları verimli yapan diğer bir etkende budur zaten çünkü şebeke gerilimini evimize getiren kablonun ve sokak trafosunun iç drencinden en az etkilenen sistem budur lafı çok uzattım sanırım ama saatleri hakkında bilgisi olan varsa yardım edebilirse sevinirim