da-da buck, boost ve buck-boost konverter deney seti tasarımı ve ...
da-da buck, boost ve buck-boost konverter deney seti tasarımı ve ...
da-da buck, boost ve buck-boost konverter deney seti tasarımı ve ...
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
MYO-ÖS 2010- Ulusal Meslek Yüksekokulları Öğrenci Sempozyumu<br />
21-22 EKĐM 2010-DÜZCE<br />
DA-DA BUCK, BOOST VE BUCK-BOOST KONVERTER DENEY SETĐ<br />
TASARIMI VE UYGULAMASI<br />
Muhammed ÖZTÜRK Engin YURDAKUL Samet EŞSĐZ<br />
Teknik Eğitim Fakültesi - Gazi Üni<strong>ve</strong>rsitesi – Ankara<br />
muhammedozturk85@hotmail.com engin.yur<strong>da</strong>kul@hotmail.com sametessiz@gmail.com<br />
ÖZET<br />
Bu çalışma<strong>da</strong> eğitim amaçlı olarak DA-DA <strong>buck</strong>, <strong>boost</strong> <strong>ve</strong> <strong>buck</strong>-<strong>boost</strong> kon<strong>ve</strong>rtör tasarlanarak bir <strong>deney</strong> <strong>seti</strong><br />
hazırlanmıştır. Bu çalışma ile lisans düzeyinde güç elektroniği dersini alan öğrencilerin uygulamalı olarak her bir<br />
kon<strong>ve</strong>rtör üzerinde ayrı ayrı çalışmalarının sağlanması amaçlanmıştır. Yapılan <strong>deney</strong> <strong>seti</strong> ile Gazi Üni<strong>ve</strong>rsitesi<br />
Teknik Eğitim Fakültesi Elektrik Öğretmenliği 4. sınıf öğrencilerinin güç elektroniği dersi kazanımı gösterilmiş<br />
<strong>ve</strong> oldukça başarılı olduğu görülmüştür.<br />
Anahtar kelimeler: Kon<strong>ve</strong>rtör, DA-DA dönüştürme, <strong>deney</strong> <strong>seti</strong>, güç elektroniği<br />
1. GĐRĐŞ<br />
Günümüzde sanayinin hızla gelişmesi ile birlikte kontrol edilebilir elektrik gücüne olan<br />
gereksinim hızla artmıştır. DA/DA Motor Hız Kontrol Üniteleri, UPS, Akü Şarj Üniteleri,<br />
Anahtarlama Modlu DA/DA Güç Kaynakları, Statik Gerilim Regülatörleri gibi cihazlar,<br />
önemli endüstriyel güç elektroniği uygulamalarıdır [1]. Bu uygulamalar<strong>da</strong> DA-DA<br />
kon<strong>ve</strong>rtörler kullanılmaktadır. Ayrıca kon<strong>ve</strong>rtörler, elektrikli otomobillerde, deniz yük<br />
asansörlerinde, çatal kaldırıcılı kamyonlar<strong>da</strong>, maden ocağı çekicilerinde motor çekim kontrolü<br />
için oldukça sık kullanılır. Yumuşak hız kontrolü, yüksek <strong>ve</strong>rim <strong>ve</strong> dinamik tepki gibi<br />
avantajları DA/DA kon<strong>ve</strong>rtörlerin tercih nedenleridir. Ayrıca enerjiyi malzemenin içine geri<br />
göndermek için de motorların aktif frenlenmesinde de kullanılmaktadır. Bu özellik sık<br />
durmalı aktarım sistemlerinde enerjinin korunmasını sağlar [2]. Çok değişik tiplerde DA-DA<br />
kon<strong>ve</strong>rtör bulunmaktadır. Hepsinin birbirlerine göre avantaj <strong>ve</strong> dezavantajları vardır. Bazı<br />
kon<strong>ve</strong>rtörler gerilimi azaltma<strong>da</strong>, bazıları artırma<strong>da</strong>, bazıları ise hem azaltma hem de artırma<strong>da</strong><br />
kullanılmaktadır. Çoğu endüstriyel uygulamalar<strong>da</strong> sabit gerilimli DA kaynağın, değişken<br />
gerilimli DA kaynağa çevrilmesi gerekmektedir. DA/DA kon<strong>ve</strong>rtörler olarak <strong>da</strong> bilinen bir<br />
DA kıyıcı direkt olarak DA’yı DA’ya dönüştürür. Bir kon<strong>ve</strong>rtör, sürekli değiştirilebilir sarım<br />
oranlı bir AA transformatörün eşdeğer DA devresi gibi de düşünülebilir. Transformatörün AA<br />
gerilimi arttırıp azaltabildiği gibi DA/DA kon<strong>ve</strong>rtör de bir DA kaynağın gerilim değerini<br />
arttırıp, azaltabilir [3]. Bu kon<strong>ve</strong>rtörlerle ilgili çeşitli konfigürasyonlar yapılmıştır. Bunlar<strong>da</strong>n<br />
en yaygın olarak kullanılanları ise, gerilim azaltıcı (<strong>buck</strong> con<strong>ve</strong>rter), gerilim artırıcı (<strong>boost</strong><br />
con<strong>ve</strong>rter) <strong>ve</strong> gerilimi azaltıp artıran (<strong>buck</strong>-<strong>boost</strong> con<strong>ve</strong>rter) tipleridir [4, 5]. DA-DA<br />
kon<strong>ve</strong>rtörler gerilim seviyesini bir değerden başka bir değere getiren <strong>ve</strong> anahtarlama mantığı<br />
ile çalışan elektronik devrelerdir. Bu cihazın temel çalışma prensibi bir pasif filtrenin çıkış<br />
geriliminin kontrol edilmesi esasına <strong>da</strong>yanır [6]. DA-DA çeviricilerde, çıkış doğru gerilimi<br />
öyle denetlenmelidir ki, giriş gerilimi <strong>ve</strong> çıkış yükü değişse bile, çıkış geriliminin ortalaması<br />
1
Öztürk, M., Yur<strong>da</strong>kul, E., Eşsiz, S.<br />
istenen değerde olmalıdır. Anahtarlamalı DA-DA dönüştürücülerde doğru akımı bir düzeyden<br />
başka bir düzeye ulaştırmak için bir ya <strong>da</strong> <strong>da</strong>ha fazla anahtar kullanılır. Verilen bir giriş<br />
gerilim değeri için bir DA-DA çeviricide çıkış gerilimi, anahtarların iletimde <strong>ve</strong> kesimde<br />
olduğu sürelerin denetlenmesiyle ayarlanır [7]. Anahtarların iletim kesim süreleri Darbe<br />
Genişlik Modülasyonu PWM ile ayarlanmaktadır. Literatür taramasın<strong>da</strong> yapılan çalışmaların,<br />
bu üç kon<strong>ve</strong>rtörle ilgili pratiksel eksikliklerin giderilmesi üzerine ya <strong>da</strong> kon<strong>ve</strong>rtörlerin<br />
uygulama bünyesinde ihtiyaca yönelik kullanıldığı görülmüştür. Üç yapının bir ara<strong>da</strong> olduğu<br />
eğitim <strong>seti</strong> şeklinde bir çalışmaya rastlanmamıştır.<br />
Bu çalışma<strong>da</strong> literatürde bulunan DA-DA kon<strong>ve</strong>rtörler incelenerek kon<strong>ve</strong>rtörler hakkın<strong>da</strong><br />
yeterli bilgi toplanmış devre simülasyonları <strong>ve</strong> hesaplamalar yapılarak 200w değerinde <strong>buck</strong>,<br />
<strong>boost</strong> <strong>ve</strong> <strong>buck</strong>-<strong>boost</strong> kon<strong>ve</strong>rtörleri bir <strong>deney</strong> <strong>seti</strong> haline getirilmiş olup öğrencilere güç<br />
elektroniği dersinde gördükleri bu tip kon<strong>ve</strong>rtörlerin <strong>deney</strong>ini yapılabilmesi imkânı<br />
sunulmuştur.<br />
2. KONVERTÖR<br />
Kon<strong>ve</strong>rtörler DA gerilim seviyesini bir değerden başka bir değere getiren <strong>ve</strong> anahtarlama<br />
mantığı ile çalışan elektronik elemanlardır. DA gerilim değeri bazı yerlerde düşürülmesi bazı<br />
yerlerde yükseltilmesi bazı yerlerde de hem yükselip hem düşürülmesi gerekmektedir bunun<br />
için üç tip kon<strong>ve</strong>rtör bulunmaktadır. Bunlar DA-DA Buck, Boost <strong>ve</strong> Buck-Boost<br />
kon<strong>ve</strong>rtörlerdir. Bölüm 2.1, 2.2 <strong>ve</strong> 2.3’de bu kon<strong>ve</strong>rtörler ayrıntılı olarak anlatılacaktır.<br />
2.1 DA-DA Buck kon<strong>ve</strong>rtör<br />
DA-DA <strong>buck</strong> kon<strong>ve</strong>rtör DA mevcut kaynak gerilimini düşürülerek kontrol edilmesinde<br />
kullanılır girişinden gelen gerilim değerini işlemciden aldığı PWM <strong>da</strong>lgalarıyla devreye kesip<br />
uygulayarak gerilim değerinin etkin değerini küçültür <strong>ve</strong> bu şekilde düşürülerek gerilim<br />
kontrolü yapılmış olur.<br />
En yaygın olarak kullanıldığı yerler;<br />
a) Regüle edilmiş DA güç kaynakları<br />
b) DA motor hız kontrol devreleri<br />
Şekil.1’deki devrede Id akımının anahtar ile iletimi sağlanarak bobin üzerinden geçen IL akımı<br />
hem yük üzerinden akar hem de kon<strong>da</strong>nsatörü şarj eder anahtar kesime gittiği an<strong>da</strong> bobin<br />
üzerinde depo edilen enerji diyot üzerinden devresini tamamlar <strong>ve</strong> boşalıncaya ka<strong>da</strong>r yük<br />
üzerinden akım akıtmaya devam eder. Bu ara<strong>da</strong> kon<strong>da</strong>nsatörde yük üzerinden akımını<br />
akıtmaya devam eder. Anahtar kesintili iletim modun<strong>da</strong> çalıştırıldığın<strong>da</strong> kon<strong>da</strong>nsatör tam<br />
dolmayacağın<strong>da</strong>n etkin değeri <strong>da</strong>ha küçük bir gerilimle depolanır bu şekilde azaltan<br />
dönüştürücü devresi tamamlanmış olur.<br />
2
Öztürk, M., Yur<strong>da</strong>kul, E., Eşsiz, S.<br />
Şekil.1-Buck kon<strong>ve</strong>rtör devre şeması<br />
2.2 DA-DA Boost kon<strong>ve</strong>rtör<br />
Boost kon<strong>ve</strong>rtörlerde çıkış gerilimi giriş geriliminden büyüktür. Anahtar kapatıldığın<strong>da</strong> diyot<br />
ters kutuplandığı için iletime geçmez. Böylece çıkış katı girişinden izole edilmiş olur. Anahtar<br />
açıldığın<strong>da</strong>, çıkış katı bobin üzerinden beslenir. Kararlı durum analizinden, sabit bir çıkış<br />
gerilimi elde etmek için çıkış filtre kon<strong>da</strong>nsatörünün kapasitesi oldukça büyük olmalıdır. (V o (t)<br />
≅ V o ) Bu tip kon<strong>ve</strong>rtörler, regüleli DA güç kaynakların<strong>da</strong> <strong>ve</strong> DA motorlarının dinamik<br />
frenlenmesinde yaygın bir biçimde kullanılmaktadır. Şekil.2’deki devrede V0 gerilimi sürekli<br />
Vd gerilimine tabi tutulmaktadır. Dolayısıyla V0 gerilim değeri Vd gerilim değerinin altına hiç<br />
inmeyecektir devredeki, anahtar kesintili iletim moduna geçtiğinde akımın büyük bir kısmı<br />
bobin üzerinden geçecek <strong>ve</strong> bobin kesime gittiğindeyse bobin üzerinde sıçrama gerilimi<br />
oluşacak bu gerilim kon<strong>da</strong>nsatöre şarj edilerek çıkış gerilim değeri yükseltilecektir.<br />
2.3 DA-DA Buck-Boost kon<strong>ve</strong>rtör<br />
Şekil.2 Boost kon<strong>ve</strong>rtör devre şeması<br />
Düşürücü-yükseltici kon<strong>ve</strong>rtörler, DA güç kaynaklarının regülasyonun<strong>da</strong>, giriş voltajının<br />
ortak terminaline göre çıkışın negatif kutuplu olması istenildiğinde <strong>ve</strong> çıkış voltajının, giriş<br />
voltajın<strong>da</strong>n <strong>da</strong>ha az <strong>ve</strong>ya <strong>da</strong>ha fazla olabileceği yerlerde yaygın bir biçimde kullanılır. Bu tip<br />
bir kon<strong>ve</strong>rtör, düşürücü <strong>ve</strong> yükseltici tip iki kon<strong>ve</strong>rtörün ard ar<strong>da</strong> bağlanmasıyla elde<br />
3
Öztürk, M., Yur<strong>da</strong>kul, E., Eşsiz, S.<br />
edilebilir. Kararlı halde çıkış-giriş voltaj dönüşüm oranı; ard ar<strong>da</strong> bağlanan kon<strong>ve</strong>rtörlerin<br />
dönüşüm oranlarının çarpımıdır. Şekil.3’teki devrede anahtar kesintili iletim modun<strong>da</strong><br />
çalışmaktadır. Anahtarın iletim süresi kısa tutulduğun<strong>da</strong> bobinin üzerine aldığı enerji düşük<br />
olduğun<strong>da</strong>n devre alçaltıcı olarak çalışacaktır anahtarın iletim süresi uzun tutulduğun<strong>da</strong> bobin<br />
<strong>da</strong>ha çok yüklenecek <strong>ve</strong> kon<strong>da</strong>nsatör üzerindeki gerilim Vd gerilimine eşitlenecek bu<br />
anahtarlama<strong>da</strong>n dolayı bobin üzerindeki sıçrama gerilimleriyle de kon<strong>da</strong>nsatör Vd<br />
geriliminden <strong>da</strong>ha yüksek değerlere ulaşacaktır.<br />
3. TASARIM VE UYGULAMA<br />
Şekil.3 Buck-Boost kon<strong>ve</strong>rtör devre şeması<br />
Oluşturulan Buck, Boost, Buck-Boost kon<strong>ve</strong>rtör <strong>deney</strong> <strong>seti</strong> bir AA/DA kaynaktan<br />
beslenmektedir kon<strong>ve</strong>rtörlerin anahtarlama elamanları bir mikrodenetleyici ile kontrol<br />
edilmektedir. Deney <strong>seti</strong>ne ilişkin blok diyagramı Şekil.4’te sunulmuştur.<br />
Şekil.4-Devre blok diyagramı<br />
4
Öztürk, M., Yur<strong>da</strong>kul, E., Eşsiz, S.<br />
3.1. Program Algoritması<br />
Oluşturulan Buck, Boost, Buck-Boost kon<strong>ve</strong>rtör <strong>deney</strong> <strong>seti</strong>nin anahtarlama elemanları bir<br />
mikroişlemciyle kontrol edilmektedir. Bu mikroişlemci ADC kanalın<strong>da</strong>n aldığı gerilim<br />
sinyaline göre PWM <strong>da</strong>lgası üretmektedir. Programa ilişkin algoritma Şekil 5’te sunulmuştur.<br />
Başlangıçtan itibaren program çalışması için gerekli olan değişkenler tanımlanır, PWM<br />
çalışma frekansı <strong>ve</strong> <strong>da</strong>rbe genişlik ayarları yapılır, ADC giriş sinyali çevrim oranı ayarlanır.<br />
Program ADC kanalını okumaya başladığın<strong>da</strong>n itibaren sonsuz döngüye girer, ADC’den<br />
aldığı bilgiyi PWM’e gönderir PWM gelen bu sinyalle <strong>da</strong>rbe genişlik oranını kontrol eder,<br />
<strong>da</strong>ha sonra döngü sorgulaması yapar şart doğruysa ADC’den bilgi al kısmına geri döner şart<br />
doğru değilse program sonlanır.<br />
Şekil.5 Program algoritması<br />
5
Öztürk, M., Yur<strong>da</strong>kul, E., Eşsiz, S.<br />
3.2. Anahtarlama Devresi<br />
Gerilimin etkin değerinin kontrol edilmesi için PWM anahtarlama frekansı uygulanmaktadır.<br />
Bu anahtarlama frekansı ile ilgi programın çalışması 3.1’de ayrıntılı olarak anlatılmıştır.<br />
Şekil.6’<strong>da</strong> görülen devrede Şekil.5’te <strong>ve</strong>rilen kontrol algoritması uygulanmaktadır.<br />
PIC16F877A mikroişlemcisinin RA0 portuna bağlı bulunan potansiyometre ile<br />
mikroişlemciye analog sinyal gönderilmektedir, bu analog sinyal işlemci içersinde dijitale<br />
çevrilerek PWM sinyalinin Ton süresi kontrol edilmektedir. Mikroişlemcinin CCP1 çıkış<br />
portun<strong>da</strong>n PWM çıkış sinyali alınmaktadır. Mikroişlemcinin çıkış portlarının hasar<br />
görmemesi <strong>ve</strong> mosfetin karalı çalışma gerilimi olan 15V‘ta anahtarlama kontrolü<br />
yapılabilmesi için transistörlerle uygun bir sürücü devre tasarlanmıştır.<br />
45%<br />
3.3. Deney Seti<br />
Şekil.6- Anahtarlama Devresi<br />
Şekil.7’de gösterilen <strong>deney</strong> <strong>seti</strong>nde devre elemanlarının bağlantı uçları dip bornvi<strong>da</strong>lar<br />
vasıtasıyla <strong>deney</strong> <strong>seti</strong> kutusun<strong>da</strong>n dışarı çıkarılmış bağlantı şekli değiştirilebilir bir şekle<br />
getirilmiştir. Şekil.6’<strong>da</strong> örnek olarak bir <strong>boost</strong> kon<strong>ve</strong>rtörün bağlantı şekli gösterilmiştir mavi<br />
ile belirtilen kısımlar <strong>deney</strong> <strong>seti</strong>ndeki devre elemanlarının bağlı bulunduğu dipborn vi<strong>da</strong>ları<br />
kırmızı ile belirtilen kısımlar <strong>boost</strong> kon<strong>ve</strong>rtörün bağlantı tipini belirten jaklı kablolardır. PWM<br />
sinyal üreteci <strong>deney</strong> <strong>seti</strong> içerisinde mosfetin geyt ucuna doğru<strong>da</strong>n bağlanmıştır. Deney <strong>seti</strong>nde<br />
Buck, Boost, Buck-Boost olmak üzere 3 tip kon<strong>ve</strong>rtör tipi başarıyla uygulanmıştır.<br />
6
Öztürk, M., Yur<strong>da</strong>kul, E., Eşsiz, S.<br />
Şekil.7-Deney <strong>seti</strong><br />
4. SONUÇ<br />
Bu çalışma<strong>da</strong> Boost, Buck-Boost kon<strong>ve</strong>rtör <strong>deney</strong> <strong>seti</strong>nin simülasyonları yapılmıştır <strong>ve</strong><br />
devreye ait bir tasarım gerçeleştirilmiştir. Simülasyon ile <strong>deney</strong> sonuçları karşılaştırılmıştır <strong>ve</strong><br />
beklenen sonuçlar elde edilmiştir. Bu çalışma sonucun<strong>da</strong> lisans düzeyinde güç elektroniği<br />
dersini alan öğrencilerin uygulamalı olarak her bir kon<strong>ve</strong>rtör üzerinde ayrı ayrı çalışmaları <strong>ve</strong><br />
derslerinde gördükleri teorik bilgilerini pratikle pekiştirerek konuyu <strong>da</strong>ha iyi kavramaları<br />
sağlanmıştır.<br />
5. TEŞEKKÜR<br />
Bu bildiri ELK-410 Mesleki Tasarım Dersi kapsamın<strong>da</strong> hazırlanmıştır. Yazarlar sağladığı<br />
katkılar<strong>da</strong>n dolayı ders öğretim üyesi Doç. Dr. Ramazan BAYINDIR’ a teşekkür eder.<br />
6. KAYNAKLAR<br />
[1] Vehbi B., Seta B., Metin G.,“Paralel Aktif Filtre Uygulamaların<strong>da</strong> A<strong>da</strong>ptif Bulanık<br />
Mantık Kontrol Yöntemlerinin Uygulanması”, TÜDERG_S_/D, mühendislik Cilt:4, Sayı:2,<br />
105-115, Nisan 2005<br />
[2] Ferenczi Ö.,”Linear Power Supplies-DC-DC Con<strong>ve</strong>rters” ,Elsei<strong>ve</strong>r,1987<br />
[3] Maz<strong>da</strong> F.F.,”Electronics Engineer’s Reference Book”, 6 th Edition,Butterworths<br />
[4] Pablo C., Gabriel G., Adolfo H., ”Fuzzy Gain Scheduling Control Of Switch-mode<br />
DC/DC Con<strong>ve</strong>rters”. IEEE ISIE , - 0-7803 -5 662-4/99, 1999<br />
[5] Jose A.R. Gerardo E.P.; “Stability Of Current-mode Control For DC-DC Power<br />
Con<strong>ve</strong>rters” Systems&Control Letters p-p113-119, 2002.<br />
[6] Şekkeli M., Yıldız C., Özçalık H., R., “Bulanık Mantık <strong>ve</strong> PI Denetimli DA-DA<br />
Kon<strong>ve</strong>rtör Modellenmesi <strong>ve</strong> Dinamik Performans Karşılaştırması”, K.Maraş Sütçü Đmam<br />
Üni<strong>ve</strong>rsitesi, Mühendislik- Mimarlık Fakültesi, Elektrik-Elektronik Bölümü, K.Maraş<br />
[7] Mohan, N., Undeland, M., T., William P., R., Power Electronic: Con<strong>ve</strong>rters, Applications,<br />
And Design, Ocak 2002<br />
7
Change language