Merhabalar, uzun süredir ara vermiş olduğum yazılarıma (yine uzun süredir aklıma olan) kendi alan adım üzerinden devam edeceğim. Buyrunuz efendim oraya:
Endüktansın doyması nedir?
Elektrik mühendisliği ile ilgili bir çok kişinin mutlaka duyduğu bir kavramdır: “Endüktansın doyması”. Peki nedir bu? Nasıl gerçekleşir? Doyan tam olarak nedir?
Kısaca:
Ferromanyetik malzemenin içerisindeki manyetik domainlerin tamamının ya da çok büyük bir çoğunluğunun yönlenmesi sonucu manyetik malzemenin manyetik işlevini yerine getirememesidir. Böylece endüktans, içerisinde manyetik malzeme yokmuş gibi; yani hava hüveli bir endüktans gibi davranır. Bu endüktansın da değeri çok düştüğü için endüktansın akım sınırlama yeteneği ortadan kalkar. Doyan endüktansın elektrik devrelerindeki istenmeyen yönü budur, neredeyse kısa devre (bir tel parçası) gibi davranır.
Galvanik İzolasyon
Galvanik izolasyon nedir?
Çok önemli bir şeydir! Devrenin giriş kısmı ile çıkış kısmı arasına bir mesafe koyar, sınırlar.
Küçük bir analoji yapıp örnek vermek istiyorum. İki ülke arasındaki bir sınırı düşünelim (tabi Avrupa’da olmadığınızı düşünüyorum 🙂 ).
1 – Flyback Çeviriciye Giriş
Flyback çevirici nedir?
En basit anlamda Flyback çevirici DC gerilimi başka bir DC gerilme çevirir.
Biraz daha güzel açıklarsam,
DC bir gerilimi başka bir DC gerilime çevirmeye yarayan ve giriş-çıkış arasında galvanik izolasyon sağlayan en basit çevirici devre tiplerinden birisidir.
Galvanik izolasyon nedir?
Çok önemli bir şeydir! Diyerek Galvanik izolasyon ile ilgili yazıma yönlendiriyorum.
Nerede kullanılır?
Eğer birisi size gelip: “Ucuz olsun, şebekeden girişi olsun, çok güçlü olmasına gerek yok” diye bir talepte bulunursa orada kullanılır.
Burayı açar isek; Okumaya devam et
Endüktans / Endüktör Nedir?
Önemli not: Yazılarıma kendi domainim olan giraybalci.com adresinden devam edeceğim.
Bu yazının yeni linkine buradan ulaşabilirsiniz.
Flyback çevirici tasarımı yazımda her şeyi “explain like i’m 5” formatında anlatmak istediğim yazmıştım. O yüzden teorik hesaplamalara geçmeden önce genel olarak gözlemlediğim ve çok bilinmeyen, konunun önemli noktalarına değineceğim.
Endüktans nedir?
Endüktans, bir devre elemanının (endüktör) enerjiyi manyetik alan olarak depolama yeteneğidir ve L harfi ile gösterilir, birimi Henry’dir.
Endüktör nedir?
Endükleme işini yapan devre elemanıdır. Pratik anlamda bobin olarak geçer. Kayda değer bir endüktansı olan her elemana endüktör diyebiliriz. Örnek olarak transformatörler de birer endüktördür.
Yani
Toparlarsak, endüktans değeri yüksek bir endüktör, büyük bir manyetik alanı depolama yeteneğine sahiptir, küçük endüktans için tam tersi… Bu noktada “Nasıl oluyor yahu!? Nasıl depoluyor?” diye düşünebilirsiniz.
Şöyle oluyor,
Aslında içerisinden akım geçen her iletken etrafından sabit bir manyetik alan oluşturuyor. Bunu lise fiziğinden biliyoruz zaten. İşte bu oluşturabildiği, oluşturma yeteneği var dediğimiz manyetik alan miktarı endüktans değeri ile ifade ediliyor. Elimize bir tel alıp bunu LCR metre ile endüktans değerini ölçtüğümüzde tahminen bir kaç nano henry mertebesinde olacaktır. Teli kendi etrafında halkalar şeklinde sarıp ölçtüğümüzde bu değer sarım sayısına göre bir kaç yüz nano henry civarına çıkabilir. Tel aynı tel, ölçüm aynı; ama sonuçlar farklı. Burada telimizin endüktans değerini yani manyetik alan yaratabilme yeteneğini değiştirmiş olduk. Üst üste sarımlar yaparak tek bir telin etrafında oluşturduğu manyetik alanı üst üste getirerek daha büyük bir manyetik alan elde ettik. Altta paylaştığım iki videoyu izleyerek güzel bir görsel kaynağa ulaşabilirsiniz.
Endüktans enerjiyi manyetik alan olarak depoladı. Ee sonra? Malesef bu enerji kaynağımız sadece üzerinden akım geçerken etkili. Elektrik akımını kestiğimiz an enerji bir yerlere kaybolmak istiyor. Daha net olmak gerekirse, manyetik alan oluştuğu kaynağa, yani akıma geriye dönüşüyor(bu kısım Maxwell denklemleriyle açıklanabilir; ancak şimdi oraya girmeyeceğim). Ve endüktör üzerinden akım bir süre daha akma eğiliminde bulunuyor. Yani akım ani olarak sıfıra düşemiyor.
İşte bu noktada altta verdiğim formül önemli bir konuma geliyor.
- V: voltaj
- L: endüktans
- i: akım
- t: zaman
Üzerinden akım geçen tel etrafında manyetik alan oluşturur dedik, sarım sayısını arttırarak bu manyetik alanı artırabiliyoruz. Süper! Ancak doğru akımda (DC) endüktör sadece bir mıknatıs gibi çalışır, başka da bir işe yaramaz. Üstteki formüldeki türev, endüktörün değişimi ne kadar sevdiğini gösteriyor aslında 🙂 Yeterince goy goy yaptım, şimdi ne anlama geldiğini yazayım:
Doğru akımda endüktör üzerinde herhangi bir akım değişimi olmadığı için (denge durumunda) üzerinde bir gerilim de olmaz. Formülden bunu rahatça görüyoruz zaten. di/dt = 0 olduğu için v = 0 oluyor.
Ancak değişen bir şeyler olduğunda çok da güzel tepkiler verebiliyor 🙂 Bu “değişen şeyler” şunlar olabilir:
- Sinüsoidal dalga
- Kare dalga
- Üçgen dalga
- Testere dalga
- DC çalışmada açıp kapama (on/off) anları
- …
Bu şekilde değişimin olduğu her durumda endüktör üzerinde bir gerilim endüklenir. Bu gerilimin büyüklüğü için yine formüle bakabiliriz:
- Akım
- Endüktans değeri
- Geçen süre
İlk ikisinin etkisi çok bariz zaten. Geçen süre, yani dt kısmına değinmek istiyorum.
Eğer bir endüktör üzerindeki akımı çok ani olarak değiştirmek istersek karşımıza önemli bir problem çıkıyor. dt kısmında zaman değişimi çok küçük bir değer olduğu için di/dt değeri çok büyük değerlere ulaşabiliyor. Bunu da endüktans değeriyle çarpınca endüktansın uçlarındaki gerilim çok büyük bir değer alabiliyor. Hemen basit bir örnek yapalım:
Elimizde resimdeki gibi bir endüktör olsun. Endüktans değeri L = 100 uH ve üzerinden geçen akım i = 5 A olsun. Eğer bu akımı 100 nano saniye içerisinde sıfırlamak istersek bobinin uçları arasında 5000 voltluk bir gerilim oluşacaktır ve bu değer bir mosfete çok kolay zarar verebilir. Hatta bir bobini güç kaynağının uçlarına değdirip bağlantısını kopardığınızda uçlarında kıvılcımlar oluşacaktır. Bunun sebebi anlık olarak oluşan çok yüksek voltajdır. Tabi güç kaynağınıza akım sınırlaması yapmayı unutmayın 🙂
Son olarak toparlarsak
- Endüktans, bir büyüklük
- Endüktör, bir devre elemanı
- Endüktör, akımı kullanarak üzerinde manyetik alan depoluyor
- Endüktör üzerindeki akım anlık olarak değişemiyor
- Endüktör üzerindeki ani akım değişimi yüksek gerilimler yaratıyor
Bir sonraki yazıda görüşmek üzere
0 – Flyback Çevirici Tasarımı
Bir önceki yazımda bahsi geçen flyback çevirici hakkında detaylı bir yazı yazmak istiyorum. Bu yazıyla ilk önce konunun sınırlarını ve hedeflerimi belirleyeceğim. Sonrasında sırayla hepsini yeni yazılarla aktarmaya çalışacağım. İTÜ Elektrik Mühendisliği 3. sınıf derslerinden olan “Design of Power Electronic Circuits” dersinde yaptığım hali hazırda çalışan bir Flyback çeviricim var. O yüzden ders projesini yaparken izlediğim gidişatı burada adım adım anlatacağım. İzlediğim adımları genel, yaptığım hesaplamaları ise somut örnek üzerinden vereceğim. Bu şekilde güzel bir anlatım olacağını düşünüyorum.
“Explain like I’m 5.”
diye bir kalıp var. Hedefim aynen o şekilde bir anlatım olacak. Umarım yazarken atladığım yerler olmaz.
Madde madde listemi en sona saklıyorum, öncesinde neleri anlatmayı düşündüğümü yazayım, baştan anlaşalım.
Nasıl bir teknisyenin en büyük aracı alet kutusu ise bir mühendisin de en büyük aracı matematik ve teoridir. O yüzden Flyback çevirici tasarımına en temelden, teorisinden başlayacağım. Bazı yerleri çift dikiş gideceğim, en başta anlattığım bazı yerleri 3 yazı sonrasında tekrar üzerinden geçeceğim ki başta havada kalan yerleri güzelce oturtalım. Teorik hesaplamalardan sonra PSIM simülasyon programı ile yaptığım teorik hesaplamaları bir de simülasyona dökeceğim. Simülasyon programı sayesinde dalga şekillerini net bir şekilde görüp, devre üzerinde hangi değişikliğin hangi sonucu yarattığını göreceğiz. Ancak burada önemli bir nokta var: Teori ve simülasyonu gerçek hayatı (nüve çeşitleri, kablo kalınlığı, kayıplar vb) düşünmeden yapınca gerçekte ulaşmak istediğimiz sonuçlara ulaşamayabiliyoruz. O yüzden simülasyonda çalışan devrenin gerçekte çalışmaması çok olağan bir durum. Bu noktada önemli yerleri de aktarmaya çalışacağım.
Hesaplama ve simülasyondan sonra gerçekleme aşamasına geçmeden önce gerekli komponentlerin seçilmesi var. Mosfet, diyot, kapasiteler, koruma elemanları, ve en önemlisi endüktör (transformatör). Endüktans tasarımını ayrıca ayrıntılı olarak inceleyeceğim. Gerekli endüktans değeri hesaplandıktan sonra sarım aşamalarını tek tek anlatmaya çalışacağım. Hava aralığı kavramına ve deri etkisine değineceğim.
Komponentlerin alınması ve transformatörün sarılmasından sonra PCB tasarımı ve basımı var. PCB’yi nerede çizdiğimi, nereye bastırdığımı, çizgi kalınlıklarının ve şeklinin önemini burada aktaracağım. Ve ardından lehimleme işlemi tabi ki 🙂 Lehimlemede doğrudan aktaracağım çok şey yok şimdilik; ancak kaynaklar vereceğim.
En son olarak da ek özelliklere değineceğim. Nedir bunlar? Kendi devreme eklediklerimden başlayacağım tabi ki 🙂 Kontrol devresinin içten beslenmesi, açma kapama tuşu, led ve aklıma sonradan gelebilecek konular…
Aslında şöyle bakınca uzun bir yol var önümde. Ama konuları küçük parçalara böldüm. Çok güzel bir şekilde ilerlemeyi ve 1 ay içerisinde yazı dizisini tamamlamayı düşünüyorum.
Son olarak da kullanacağım kaynak kitapları ekleyeyim, isteyen oradan bakıp kendi yolunu çizebilir. Ancak şunu ekleyeyim, ben bu kaynaklarda tam istediğim verilere ulaşamadım. Hepsini birleştirip üzerine çok kafa yormam gerekti. Bazılarında işlem hataları, bazılarında neyi hangi birimde aldığı vb ayrıntıları yok. O yüzden hayal kırıklığına uğramamak lazım 🙂
- Daniel W. Hart – Power Electronics
- Marty Brown – Power Supply Cookbook
- Robert W. Erickson Fundamentals of Power Electronics
- Keith Billings
- Giriş yazısı
- Devre analizi
- Teorik hesaplamalar
- Simülasyon sonuçları
- Komponent seçimi
- Mosfer, diyot, kapasitör, PWM üreteci seçimi
- Endüktör tasarımı
- PCB çizimi ve tasarımı
- Ek özellikler
Kapasitelere Dikkat!
Bugün İTÜ Güç Elektroniği Labı’nda yaşadığım bir olayı aktaracağım.
Aylardır trafo ve devre tasarımıyla uğraştığımız Flyback converter için artık somut adımlar atmaya başladığımız son 2-3 haftadır işler iyice ciddiye bindi. Bugün giriş aşaması için şebeke gerilimini (220V) doğrultma ve kapasitif filtre ile sabitleme amaçlı küçük bir devre kurdum (devrenin açıklaması aşağıda). Devreyi prize taktığımda gayet güzel çalıştı, 220 RMS değerli voltajım geldi, doğruldu ve kapasitede peak değerinde sabit kaldı. Her şey buraya kadar güzeldi.
-Devre Açıklaması-
Devre aslında çok basit, devre demek bile yersiz 🙂 Bir adet klemens ile prizden gelen elektriği alıyor. Ardından köprü diyot KBU4M ile doğrultuyor ve 400V 220 uF elektrolitik kapasitör ile de filtreliyor.
Dediğim gibi ilk çalışmanın sonuna kadar her şey güzeldi. Multimetre ile ölçümleri aldım ve prizden çıkardım. Daha sonra osiloskop ile de dalga şekillerine bakmak isteyince olan oldu.
Çatara putara silah sesleri top sesleri, fatihin topları fatihin topları, yer misin yemez misin!!
Hala daha çözemediğim bir sebepten ötürü devre bir anda kısa devre oldu ve anında elektriği kestim. Sonradan baktığımda köprü diyotun AC giriş uçlarının kısa devre olduğunu (kılıf içerisinden) gördüm. Şimdi başlığın dikkat çektiği yere gelebilirim artık.
Bu aşamada kapasitenin voltajına bakmak -iyi ki baktım- aklıma geldi ve 310 V civarı bir değeri gördüm. İçl neredeyse tamamen doluydu!
E = CV^2 / 2 formülünden hesapladığımızda (V = 310 V C = 220 uF). 10 Joulelük bir enerji çıkıyor ki hiç de azımsanmayacak bir değer. 10 saniye boyunca 1W’lık güç sağlayabiliyor.
Tabi bu aşamada kapasiteyi boşaltmam lazımdı. Direnç ile üzerindeki yükü boşaltmaya çalıştım en basit olarak. 1k direnç ile denemem dirençten duman çıkmasına sebep oldu 🙂 Sonrasında aklım başıma geldi ve hemen küçük bir hesap ile elimdeki çeyrek wattlık dirençlere uygun bir değer seçebildim;
V^2 / P = R
384K direnç işimi görecekti. Ama ben 1M ile şansımı denedim 🙂 Tabi ilk saniyeden sonra voltaj iyice azaldığı için akım da iyice düştü ve 1M işimi görmedi. Kapasite üzerinde hala 25 V gerilim vardı. Bu noktada kapasite içindeki enerji iyice azaldığı için doğruda uçları kısa devre yaparak gerilimi sıfırlayabildim (Bilale selam olsun).
Ancak dediğim gibi hala ikinci taktığımda neden bir sorun oldu anlayabilmiş değilim. İlk tahminim kapasite gerilimi üzerine şebeke gerilimi bindi ve gerilim yüksek bir değere çıktığı için diyotlar dayanamamış olabilir. Ama çok da olası gelmedi bana; çünkü 1kV ters gerilimi gözüküyor köprü diyotun. Neyse, nedenini bulursam yeni bir postta onu da yazarım.
Benim eyyorlamam bu kadar hadi…
Merhaba dünya!
Bu yazıyı daha sonra yazacağım 🙂
dedim ve 1 Haziran 2015 itibari ile yazıyorum.
Blogumun adı “Çalışırken”! Yani çalıştığım her hangi bir konu üzerine düşüncemi, yaşadığımı ya da tecrübemi aktarmak için yazacağım. Konularım genelde elektrik mühendisliği, daha da özelleştirirsek güç elektroniği üzerine olacak. Ama neler olacağını 6 ay sonra geriye baktığımda görmek daha kolay olacak 🙂
Bir kaç soruyla blogu özetleyeyim:
Neden blog?
Daha önceden bir şey bilmeden aktarmaya çalıştım (çalıştık: unprotech), ilerlemedi. Şimdi ilgilendiğim ve bilgili olduğum konular var. Ve bununla ilgili biriktirdiğim ve taşmaya başlayan şeyleri birilerine kaynak olması amacıyla yazacağım. Bahaneyle ileride baktığımda kendime de güzel kaynak yaratıyorum 🙂
Neden güç elektroniği?
Seviyorum.
Neden wordpress?
Esas olarak aktarmak istediğim üstte belirttiğim konular olduğu için ıvır zıvırla uğraşmadan, doğrudan onlara yönelebilmek için hazır şablon ve blog motoru kullanmak istedim. Enerjimi blog için kod yazmaya harcamak istemedim.
Neden bu görsel tema?
Ben yapsam bundan çok farklı yapmazdım. İstediğimi çok yakın. Bunu buldum, kullanıyorum. Yapanın eline sağlık 🙂
Çalışırken 