Tweet
III. BASİT REGÜLELİ GÜÇ KAYNAÐI SİSTEMLERİ
III. BASİT REGÜLELİ GÜÇ KAYNAÐI SİSTEMLERİ
GİRİŞ
Bugünlerde yararlandığımız birçok kolaylığı modern dijital entegre devreler (IC) saylamaktalar. Bu IC'lerin çoğu, voltaj seviyesini dar limitlerin içinde kontrol edebilen hassas bir güç kaynağına gerek duyarlar. Güç kaynağının yük gereksinimindeki yükselme ve düşmelere çok hızlı cevap vermesi gerekmektedir, çünkü eğer bazı voltaj değişmleri oluşursa IC'ler ters etkilenebilmektedir. Bu yazıda güç kaynağının çıkışını kontrol etmek için basit metodlar anlatılacaktır, öyle ki yük akımındaki ve şebeke voltajındaki deşikliklerin çıkış voltajına etkisi az veya hiç olmasın. Çıkışı bu şekilde kontrol edilen güç kaynaklarına regüleli güç kaynağı denir.
Regüleli bir güç kaynağı tasarlamak için, geçen yazıda anlatıldığı gibi bir regülesiz güç kaynağı çıkışına bir regüle devresi eklenerek kullanılır. Bu yazı bir regülatörün güç kaynağının çıkışını nasıl izleyebildiğini ve çıkış voltajının tanımlanan limitlerde kalması için nasıl otomatik ayarlamalar yaptığını gösterecek. Bir regülatörün esas fonksiyonel bölümleri, bu fonksiyonları yerine getiren çeşitli entegre devreler açıklanacaktır. Bu IC'ler regüleli güç kaynağı tasarımını ve üretimini kolaylaştırmaktadır.
NEDEN BİR VOLTAJ REGÜLATÖRÜ GEREKLİDİR?
İşlevsel diagramı Şekil 2-1'de (önceki yazı) gösterilen regülesiz güç kaynağının şematik diagramı Şekil 3-1a'dadır. Şekil 3-1b, Şekil 3-1a'da gösterilen devrenin basitleştirilmiş şematik halidir. Bir çeşit açık devre (yüksüz) dc voltajı vardır; kaynağı VDC ve seri direnç RZ çıkış empedansıdır. Her yük akımı IL, RZ içinden akar. İki ana faktör çıkış voltajı V0'ı değiştirmek için çalışır. İlki yük akımındaki değişim, diğeri VDC yi değiştiren şebeke hattındaki giriş voltajı VIN'in değişimi. Bazen bu iki faktör birbirinden bağımsız oluşabilmekte ve bazen birbirlerini etkileyebilmektedirler.
Şekil 3-1. Regülesiz Güç Kaynağı Devresi
Yük Akımındaki Değişmeler
Dc çıkış voltajı V0, yükün akım isteklerinin inip çıkması ile değişir. Şekil 3-2 bu değişimlerin çizimidir.
Şekil 3-2. Regülesiz Güç Kaynağının Yük Çizgisi
Eğer hiç yük akımı yoksa (IL=0), o zaman V0 güç trafosundaki en yüksek ac seviyeye VDC'ye eşittir. Yük daha fazla akım istediğinde, RZ'deki voltaj düşüşü, çıkış voltajının düşmesine sebep olur. Yük belli çıkış akımındayken ILR, V0, V0R'dedir, bu nokta transformatörün bilinen RMS voltajının yanındadır. Yük devresi azçok sabit bir akım çekerse veya yük devresi, V0 daki değişimleri tolore edebilirse, bu voltaj değişimi bir problem değildir. Örneğin, bir ses güç amfisi için güç kaynağı çıkışı, sinyal kesilmesi veya başka distorsiyon oluşan seviyenin altına inmediği sürece, amfinin çalışmasını etkilemeden geniş bir aralıkta değişiklik gösterebilir.
Şebeke Voltajındaki Değişmeler
Şekil 3-2'de gösterildiği gibi, şebeke voltajı VIN değiştikçe, V0 da değişir. Eğer VIN değişirse, zaten birçok yerde sık sık olur, güç trafosu çıkışı ve filitreli V0 çıkışı değişecektir.
VOLTAJ REGÜLARÖRÜ PRENSİPLERİ
Sabir bir V0 elde etmek için, Şekil 3-3'de gösterildiği gibi bir regülasyon devresi RZ ve RL'nin arasına eklenir. Regülatörün uçları arasında bir voltaj düşüşü (VREG) mevcuttur; bu durumda giriş voltajı VDC , Şekil 3-1b'de gösterilen VDC den daha büyük olmalıdır. Şekil 3-3'de, V0 = VDC - (RZ + VREG) dir.
Şekil 3-3. Basitleştirilmiş Regülatör Devresi
Regülatörün Çalışma Şekli
Gerekli regülasyonu sağlamak için, IL ve VDC değiştikçe, V0 'ı sabit tutmak için regülatör devresi VREG 'i değiştirir. Eğer IL artarsa, VZ artar, bu da V0 'ın azalmasına yol açar; ancak regülatör VZ 'deki artışı dengelemek için VREG 'i azaltır, böylece V0 sabit kalır. Tersine, eğer IL azalırsa, ub da V0 'ı arttırmaya yönelir, regülatör V0 'ı sabit tutmak için VREG 'i arttırır. benzer şekilde, eğer VDC artar veya azalırsa, regülatör VREG 'i anılan sıraya göre arttırır veya azaltır.
Örnekleme Devresi
Örnekleme devresi çıkış voltajını izler ve hata amplifikatörüne bir çıkış voltaj örneği besler.
Referans Voltajı Üreticisi
Referans voltajı üreticisi, çıkış voltajındaki değişimlerden bağımsız olarak hata amplifikatörüne sabit bir referans voltajı sağlar.
Hata Amplifikatörü
Hata amplifikatörü, referans voltajını çıkış voltaj örneği ile kıyaslar ve eğer aralarında bir fark varsa bir hata voltajı üretir. Hata amplifikatörü çıkışı VREG değerini kontrol etmek için kontrol elemanını besler.
Kontrol Elemanı
Kontrol elemanı esasen VDC , RZ ve RL ile seri bağlı olan bir değişken dirençtir.VDC veya IL değişirse VO 'ı aynı tutmak için yukarıda açılandığı gibi, hata amplifikatöründen gelen giriş VREG 'i değiştirmek için bu değişken direnci ayarlar.
Şimdi konu şekillendiğine göre, regülatör devresinin çalışma detaylarını öğrenelim. Önce devrelerde kullanılan basit tranzistör işlevi açıklanacaktır.
TRANZİSTÖRÜN ÇALIŞMA ŞEKLİ
Tranzistör yapısı
Tranzistörün çalışma şeklini anlamak için Şekil 3-4'e bakın. Üç bölüme ayrılmıştır. Şekil 3-4a, bir tümlşik devre NPN tranzistörün yapısını gösterir. Tranzistör yarıiletken bir ince katmana yayılmış N, P ve N yarıiletken malzeme adalarından yapılmıştır. En yaygın kullanılan malzeme silikondur. Katmanın üzerinde, birbirine yan yana olan parçalar, bağımsız çalışabilmek için birbirlerinden izole edilmişlerdir. Küçük altın teller, tranzistörün üç terminalini, baz (B), emiter (E) ve kollektöre (C) dış elektriksel bağlantıları yapmak için, belirtilen metal bağlantılara, N, P ve N bölgelerine birleştirilmiştir.
a. NPN IC Tranzistörün İmali b. Devresi
c. Özellikleri
Şekil 3-4 Tranzistör İmalatı ve Çalışması
Tranzistör Devresi ve Karakteristik Eğrileri
Şekil 3-4b bir tranzistörü bir devre içinde iken göstermekte ve Şekil 3-4c tranzistörün çalışma şeklini, kollektör akımı IC 'nin kollektör-emiter voltajına VCE karşı çizimi ile açıklamaktadır. Baz-emiter voltajı VBE 0,7Volttan daha büyük olarak baz emiterden daha pozitifse, baz akımı IB bazdan emitere akar.Verilen bir baz akımı ile VCE değişirken, kollektör akımının karakteristik bir eğrisi çizilebilir. Faklı baz akımları için farklı karakteristik eğriler Şekil 3-4c'de gösterilmiştir. Örneğin, eğer IB 0,1 miliampere eşitse, o zaman 2 Volttan - 20 Volta kadar her VCE için IC yaklaşık 10 miliamperdir.
Tranzistörde bir akım kazancı olduğuna dikkat edin. IB 0,1 miliamper iken IC 10 miliamperdir, bu durumda baz akımı 100 kat büyük olan bir kollektör akımını kontrol eder. Akım kazancı, VCE 2 Volttan az veya kollektör emiter kesilme voltajından fazla olana kadar VCE den fazla etkilenmez.
Yük Çizgisi
Eğer RC , Şekil 3-4b'de, 200Ohm ise ve eğer kaynak voltajı 10V ise, o zaman her baz akımı IB için, tranzistörün VCE 'si Şekil 3-4c'de gösterilen karakteristik eğrilerin diyagonal kesik çizgisine düşecektir. Bu çizgiye bir yük çizgisi denir. Eğer IB=0 ise, IC=0 olur ve VCE 10 V iken, çalışma noktası yük çizgisinde B noktası olur. Eğer IB=0,5mA ise, o zaman IC=46mA; bu da yük çizgisindeki A noktasıdır. Eğer IB=0,3mA ise, o zaman VCE=4Volt, bu da yük çizgisindeki C noktasıdır. Böylece IB değiştikçe IC değişir ve VCE değişir.Bunun gibi tranzistör çalışma şekilleri, Şekil 3-5'deki regülatör devresi işlemlerin temelidir.
SERİ GEÇİŞLİ GERİ BESLEME REGÜLATÖRÜ
Bir regülatörün çalışmasını daha iyi kavramak için, Şekil 3-5'deki seri-geçişli geri besleme regülatörünü inceleyelim. Giriş voltajı VIN ve çıkış voltajı V0 arasında seri bağlı olan, seri geçişli olan, NPN tranzistör Q2 kontrol elemanıdır. Yük akımı IL, Q2'nin IC'si ile aynıdır, bu durumda tüm yük akımı Q2'nin üzerinden geçmelidir. Tranzistör çalışma şekli açıklamasından öğrendiğimiz kadarıyla, Q2 'ye bir IB akımı yoksa, IC akmaz, bu durumda IB, IC ve IL'yi kontrol eder. Bu durumun regülatör işlemini nasıl etkilediği şimdi açıklanacak.
Şekil 3-5 bir geri besleme regülatör devresi olarak tanımlanır, çünkü çıkış voltajının bir kısmını geriye besleyen ve referans voltajı ile kıyaslayan kapalı bir döngüdür. İki voltaj arasındaki fark, çıkışı sabit tutmak için gerekli hareketi belirler.
Şekil 3-5. Basit Geri Besleme Regülatörü
Referans Voltajı
Şekil 3-5'deki referans voltajı VREF, diyot D1'in üzerindeki voltajdır, ki bu diyot da özel bir diyot olan bir zener diyottur. İkinci kısımda kesim alanı olarak anlatılan, ters-biaslı yönde çalışır. Normal diyotlar bu alanda çalıştırılınca hasar görürler, ancak zener diyotlar bu alanda çalıştırılmak üzere tasarlanmıştır.
Şekil 3-5'de regülatöre gelen giriş voltajı, R1 ile seri olan D1'e verilir. Zener diyotun kesim alanı voltajı aşılır aşılmaz, üzerinde geniş voltaj değişimleri olsa da D1'deki voltaj oldukça sabit kalır. VIN en düşük değerde iken, D1'den geçecek gerekli en düşük akım R1 değeri ile seçilir.
Örnekleme Devresi
Şekil 3-5'deki örnekleme devresiçıkış voltajı ucuna seri olarak bağlanmış iki adet dirençten R3 ve R4'ten oluşur. Çıkış voltajı örneği R4 'ün üzerindeki voltajdır. Bu voltaj, direnç değerlerinin oranına bağlıdır. R3 ve R4'ün değerleri, R4'ün üzerindeki voltajın D1'in üzerindeki referans voltajının 0,7Volt üzerinde olacak şekilde seçilir. Daha önce belirtildiği gibi, 0,7Volt bir silikon tranzistörün VBE voltajıdır.
Hata Amplifikatörü
Q1 hata yükselticisidir ve Q1'in VBE 'si hata voltajıdır. Sabit referans voltajı Q1'in emiterine verilir ve çıkış voltajı örneği Q1'in bazına verilir.Böylece, V0 'daki herhangi bir değişim, Q1'in VBE'sini değiştirir, bu da Q1'in IB baz akımını değiştirir. IB 'deki değişiklikler, Q1 'in IC kollektör akımının değişmesine sebep olur.
Tranzistörün çalışma şeklinden dolayı Q1 akım kazancı sağlar. Q1 için kullanılan tranzistör tipine bağlı olarak, kollektör akımı baz akımındaki değişimin 50 ile 200 misline kadar değişir. R2 Q1'in kollektör devresini VIN besleme voltajına bağlayarak tamamlar.
Kontrol Elemanı
Daha önce belirtildiği gibi, Q2 bir silikon NPN tranzistördür. VIN, V0'dan daha büyük olsun diye tasarlanmıştır, böylece Q2 güç kaynağının yük akımı aralığı için, daima yeterli VCE verecek ve Q2 'nin güç harcama ve ısı limitlerini geçmek için yinede çok büyük olmayacaktır. Herhangi bir çalışma noktasında Q2 'deki güç harcaması Q2 'deki VCE çarpı Q2 den geçen akımdır.
Q2 'nin emiteri regülatör çıkış terminaline bağlıdır. Q1'in kollektörüne bağlı olan Q2 'nin bazı, Q2 'nin emiterinin 0,7Volt üzerindedir.Q2 'nin baz-emiter devresi, Şekil 3-4b'ye benzemektedir. Baz akımı, Q2 'ye kaynak voltajı VIN 'den R2 tarafından sağlanır. IB en yüksek derecedeki güç kaynağı yük akımını sağlamak için yeterince büyük olmalıdır. Eğer Q2 'nin kazancı en az 50 ise, o zaman R2 üzerinden sağlanması şart olan en az baz akımı, geçen yük akımı bölü 50dir.
Q1'nin kollektör akımı Q2'den baz akımını azalttığında Q1 Q2'yi kontrol eder.
Regülatör Çalışma Şekli
Şimdi hepsini birleştirelim ve geniş kapsamlı regülatör çalışma şekline bakalım. Devre kararlı bir çalışma durumunda ve sonra bir yük akımı düşüşü meydana geliyor.
Yük akımındaki bir düşüş, V0 'ı arttırmağa eğilimlidir. V0 'daki artış, Q1 'in baz akımını arttırır, bu da Q1 'in kollektör akımını arttırır. Q1 'in artan IC 'si Q2 'den baz akımını şöntler (azaltır). Q2 'nin azalan baz akımı, kendi kollektör akımını azaltır. Bu da kendi kollektör-emiter voltajını arttırır. Q2 'deki artmış voltaj düşüşü V0 'ı azaltır.
Yük akımındaki bir artış, ters işleme sebep olur. Eğer VIN artar veya azalırsa, benzer regülatör kontrol döngüsü işlevi V0 'ı sabit tutmak için meydana gelir.Okuyucu döngüyü takip edip, işlevin doğruluğunu kanıtlamalıdır.
IC REGÜLATÖRLER
Birçok kombinasyondaki, örnekleme elemanı, hata yükselteci ve kontrol elemanı entegre devre formunda mevcuttur. Bu devreler bir regüleli güç kaynağı imal etmek için birçok yıl öncesine göre işleri çok daha fazla kolaylaştırmaktadırlar. Bu kısımda bilinen üç voltaj regülatör entegre devresi tanıtılacaktır.
7800 Serisi Sabit Çıkışlı Voltaj Regülatörleri
Şekil 3-6'da gösterildiği gibi LM-7800 serisi üç terminalli regülatör, bir VIN terminali (Giriş), bir VOUT terminali (Çıkış) ve bir toprak terminali olan bir seri-geçişli regülatördür. 7800 serisinde, 5 ile 24 Volt arasında sınıflandırılmış çıkış voltajları mevcuttur. Malzeme numarasındaki son iki rakam regülatörün çıkış voltajını gösterir. Örneğin 7805 bir 5 Volt regülatör, 7812 bir 12 Volt regülatör ve 7815 bir 15 Volt regülatördür.
Her regülatör için regüleli çıkış voltajı sabittir. Regülatör Şekil 3-3'de gösterilen tüm fonksiyonlara sahiptir. Buna ek olarak, en yüksek çıkış akımını güvenli bir değerde sabitlemek ve iç güç dağılımını güvenli bir limitte tutmak için koruyucu devrelere de sahiptir. Eğer iç güç dağılımı belirlenmiş bir değere geçerse, bir termal kesici devre devreye girmektedir. Uygun soğutucularla, 7800 serisi, 1,5Amper yük akımı sağlayabilir. Dikkat edilmelidir ki, çıkış voltajının belirlenmiş değerde kalabilmesi için, örnekleme elemanı yüke yakın iyi bir toprak noktasına bağlanmalıdır.
Şekil 3-6. 7800-Seri Regülatör
Şekil 3-6'da gösterildiği gibi regülatör toprağı, topraktan daha yüksek bir voltaja yükseltildiğinde, regülatörün çıkışı arttırılabilmektedir.Çizgilerle gösterilen hat, regülatörün toprak ucu ile iki IN4001 diyotun seri olarak bağlandığını göstermektedir. Silikon diyotlardaki ileri-bias voltaj düşümünden dolayı, regülatörün toprak ucu, toprak seviyesinin 1,3 ile 1,4 Volt üzerinde olacak, bu da çıkışın belirlenmiş sabit voltaj çıkışından 1,3 ile 1,4 Volt yukarıda olmasına sebep olacaktır. Regülasyonun kalitesi düşecektir, çünkü sadeve V0'ın bir bölümü örneklenmektedir. Daha fazla diyotla veya ters-biaslı, yüksek akımlı zener diyotlarla, daha yüksek farklar elde edilebilir. Bu teknikler, sabit çıkış voltajını 1 veya 2 Volt arttırmak için kullanışlıdır.
Daha düşük akım (100mA) ve daha küçük malzeme boyutu için 78L00 serisi de kullanılmaktadır.
LM317 Ayarlanabilir Voltaj Regülatörü
LM317 üç bacaklı ayarlanabilir voltaj regülatörü, 7800 regülatöre benzer, ancak onun iç örnekleme elemanı bulunmamakta ve toprak ucu, bir ayarlanabilen (Adj) uç ile değiştirilmiştir. Bu uç, üç amacı olan bir dış voltaj bölücüsüne bağlanmıştır. Birincisi, içerisindeki hata yükselticisine bir örnekleme-elemanı voltajı sağlamaktır. İkincisi, devrenin içerisindeki voltaj referansını çalıştırmak için R1 üzerinden toprağa yeterli akımı sağlamaktır. Üçüncüsü, bir ayarlanabilir güç kaynağı yapmak için işleri daha kolaylaştırmaktır. İçerisindeki kontrol elemanı, bir NPN tranzistör, yeterli soğutucu kullanılırsa, LM317T'nin 1,5 Amper sağlaması için yeterince büyüktür. LM317T'nin içerisinde maksimum akım için ve belirli ısı aralığının üzerinde iç güç dağılımı aşıldığında deverye giren bir koruyucu bulunmaktadır.
LM317'nin çalışması 7800 serisinden biraz değişiktir, çünkü kendisi bir "yüzen regülatör" olarak bilinir. referans voltajını çıkış voltajı V0'a göre göreceli olarak korur. Bu yüzden çalışırken, çalışma noktasını öyle ayarlar ki, R1, R2 voltaj bölücüsündeki R1'in etrafındaki voltaj, daima VREF referans voltajına eşittir. Sonuş olarak, Şekil 3-7'de gösterildiği gibi, V0 eşittir VREF (LM317 kutusunda 1,25V) çarpı 1 artı R2 R1 oranıdır. Eğer R2, R1'den 9 kat fazla ise o zaman, bir LM317'de, V0 1,25Voltun 10 misli, veya 12,5Volt olur.
Şekil 3-7. LM317T Regülatör
Çok kolay görülebilir ki, eğer R2 bir ayarlanabilir direnç ise, VIN'in uygun sınırlar içerisinde olması sağlandığında, V0 geniş bir voltaj aralığında ayarlanabilmektedir.
VIN en az, V0 + VREF den büyük olmalıdır. VIN en çok, V0 +40 Volttan fazla olamaz. Örneğin V0 = 12 Volt ise, VIN = 52 Volttan fazla olamaz. Tabii ki, VDIFF (VFARK) büyüdükçe iç ısı dağılımı da artacaktır.
Uzaktan Algılama
Dış örnekleme elemanının bir başka avantajı da, uzaktan algılamanın kolay yapılmasıdır. Birçok sistem tasarımında, uzun güç dağıtım hatları kaçınılmazdır. Yüksek akımı olan uzun bir güç kaynağı hattı, regülatör döngüsünün dışında kalan, önemli voltaj düşüşüne sahip olacaktır. Bu sorunu çözmek için uzaktan algılama kullanılır. Esas yük noktasına ayrı bir kablo bağlanır ve örnekleme devresine doğrudan yük voltajını geriye besler. Kabloda çok küçük bir akım olduğundan, voltaj düşüşü önemsenmez ve yük noktasındaki regülasyon daha iyiye gider.
723 Regülatör Entegre Devresi
Şekil 3-8'de bir 723 regülatörü gösterilmektedir. Bir referans voltaj kaynağı, bir hata yükselteci, bir düşük akım kontrol elemanı ve iki ekstra parça - bir zener diyot ve bir tranzistör vardır. Ekstra tranzistör bir akım limitleyicisi olarak kullanılır. Gösterildiği gibi bir güç kaynağı imal etmek için 723 kullanırken, 7800 ve 317 regülatörlerden daha fazla dış malzemeye gerek vardır. Ancak, dış bacaklarında ana fonksiyonların hazır olmasından, 723 çok yönlü bir regülatördür. Düşük-akımlı (150mA) tek başına güç kaynaklarında 723 kullanılabilir, fakat, en çok kullanılan yönü, daha yüksek akım verebilen kontrol elemanlarını sürmektir.
Örneğin, benim imal etmiş olduğum sürekli 50A 13.8 volt verebilen uzaktan algılamalı güç kaynağında 723 kullanılmış ve yıllardır sorunsuz olarak çalışmaktadır. Şu anda Sayın Bilal Ekmekçi'de bulunmaktadır.
Şekil 3-8. 723 Regülatör
Daha Yüksek Çıkış Akımı İçin Dış Tranzistör Ekleme
Daha yüksek akımlı bir kontrol elemanı sağlamak için daha büyük akım sağlayabilen bir dış tranzistörün 723'e nasıl bağlandığını Şekil 3-8 göstermektedir. Dış tranzistörün kollektörü 723'ün VC'sine bağlanmıştır. Baz VOUT 'a bağlanmış ve emiter daha yüksek akımlı regülatörün yeni VOUT ucu olmaktadır. 723 dış kontrol eleman için bir sürücü olmaktadır. Dış tranzistörün güvenli çalışma alanını sağlamak için uygun bir soğutucu kullanılmalıdır.
REGÜLATÖRÜ KORUMA
Bir güç kaynağı regülatörü işini yerine getirirken önemli miktarda enerjiyi kontrol altında tutar. Eğer elektriksel ve termal güçler kontrol dışında kalırsa, devre kendisini bozabilir. Entegre devre ve dışarıdan bağlanabilen diğer entegre devre yarıiletken cihazların üreticileri geçilmemesi gereken voltaj, akım ve ısı limitlerini açıkça belirtirler. Bir devre tasarımı bu limitler içinde kalırsa, tüm malzemeler, güvenli çalışma alanlarında bulunurlar. Bu limitlerin dışındaki çalıştırma, cihazları bozabilmektedir. Bu limitler aşıldığında, regülatörlerin kendilerini bozmamalarını garanti etmek için, regülatörlere koruma devreleri eklenir.
Kısa-Devre Koruma
Genel bir olay, regülatörün çıkış ucunun toprak ucuna kısa devre edilmesidir. Bu olduğunda, regülatör kendi belirli değerinin üzerinde yüksek bir akım sağlamak için uğraşır. Daha önce anlatıldığı gibi, kısa devre koruma devreleri, 7800 serileri ve LM17T regülatörlerde içlerine konulmuştur. 723 için, Şekil 3-8'de gösterildiği gibi, çıkış ucu ile seri bağlı olan düşük bir direncin uçlarındaki voltaj düşüşünü ölçmek için akım limitleyici tranzistör bağlanmıştır. Yük akımı arttıkça, dirençteki voltaj düşüşü artar. Eğer bu voltaj tranzistörün VBE 'sinin üzerine çıkarsa, bu, yük tarafından aşırı akım istendiğini gösterir. Akım limitleyici tranzistör iletime geçer ve kendi IC 'sini limitlemek için ki bu da yük akımıdır, kontrol elemanının baz akımını şöntler (azaltır). Bu kontrol elemanını kendi güvenli çalışma alanında tutar.
Termal Kaçak
Aşırı yüksek ısılar, entegre devre regülatörlerinin çalışmasında ve diğer tümleşik devrelerde ciddi problemlere sebep olur. Eğer bir malzemenin dökümanlarında (data-sheet) belirtilen maksimum bağlantı ısısı aşılırsa, malzeme genelde bozulur. Bağlantı ısısı güç dağılımından dolayı artar. Bir seri-geçişli regülatörün ürettiği olması gereken güç dağılımı, kontrol elemanının uçlarındaki voltaj düşüşü (VIN - VOUT) ile içinden geçen akımın çarpılması ile hesaplanır. Bu güç ısıya çevrilir, bu da bağlantı ısısını arttırır. Eğer bu ısı ürettiğinden daha çabuk uzaklaştırılmazsa, termal kaçak denilen bir durum oluşabilir. Isı malzemenin daha fazla akım iletmesine neden olur, daha fazla ısı doğar, sonuçta malzeme tam olarak kendini imha eder. Tüm malzemenin limitleri aşılmadığı sürece, malzeme kendi güvenli temel çalışma alanında kalacaktır.
Termal İletim
Yarıiletkenlerin aralarındaki bağlantıları aşırı ısılardan korumak için, ısının üretildiği yerden, silikon malzemelerden dışarıya iletmek için bir yol sağlanmalıdır. Isının yolculuk etmesi için gereken doğal yol, silikondan entegre devre paketine veya kutusuna ve oradan da çevreyeki havayadır. Eğer malzeme maksimum değerinin çok altında çalıştırılırsa, bu genelde yeterli bir iletim yoludur, ancak güç arttıkça ısının daha hızlı çıkartılması gerekir.
Soğutucu
Soğutucu, cihazdan ısıyı dışarıya iletmesi amacıyla kullanılan, yarı iletken cihazlara veya entegre devre kutusuna bağlanan bir parça metaldir. Soğutucunun yüzey alanı arttıkça, iletme ile veya çevre havaya yayılmayla, ısı daha çabuk uzaklaştırılır. Şekil 3-9 bir metalin, ki bu daha çok etkili bir termal iletkendir, entegre devrenin çok ısınmasına nasıl mani olduğunu göstermektedir. Isı silikon çipten entegre devre kutusuna, oradan da bacaklar, baskılı devre ve soğutucu ile havaya geçer.
Şekil 3-9 Entegre Devreden Soqutucuya Isı AkışıEntegre devre kutusundan soğutucuya ısı transferi verimini arttırmak için, sık sık aralarında bir temel iletken bileşim kullanılır. Eğer malzemeyi soğutucudan elektriksel olarak izole etmek gerekli ise, bir miktar mika izolatör kullanılır. Piyasada bu tip malzemeleri bulmak mümkündür.
Bazen soğutucunun iletme ve soğutması, güç cihazını maksimum bağlantı ısısının altında
tutmak için yeterli değildir. Bu durumda, ısı yayılım soğutumunu arttırmak için, soğutucudan havayı geçirmek için bir fan kullanılır. Örneğin, bilgisayarların güç kaynaklarında olduğu gibi. Her tasarımda, maksimum ısıların geçilmediğini garantiye almak için ısı ölçümleri yapılmalıdır.
GİRİŞ
Bugünlerde yararlandığımız birçok kolaylığı modern dijital entegre devreler (IC) saylamaktalar. Bu IC'lerin çoğu, voltaj seviyesini dar limitlerin içinde kontrol edebilen hassas bir güç kaynağına gerek duyarlar. Güç kaynağının yük gereksinimindeki yükselme ve düşmelere çok hızlı cevap vermesi gerekmektedir, çünkü eğer bazı voltaj değişmleri oluşursa IC'ler ters etkilenebilmektedir. Bu yazıda güç kaynağının çıkışını kontrol etmek için basit metodlar anlatılacaktır, öyle ki yük akımındaki ve şebeke voltajındaki deşikliklerin çıkış voltajına etkisi az veya hiç olmasın. Çıkışı bu şekilde kontrol edilen güç kaynaklarına regüleli güç kaynağı denir.
Regüleli bir güç kaynağı tasarlamak için, geçen yazıda anlatıldığı gibi bir regülesiz güç kaynağı çıkışına bir regüle devresi eklenerek kullanılır. Bu yazı bir regülatörün güç kaynağının çıkışını nasıl izleyebildiğini ve çıkış voltajının tanımlanan limitlerde kalması için nasıl otomatik ayarlamalar yaptığını gösterecek. Bir regülatörün esas fonksiyonel bölümleri, bu fonksiyonları yerine getiren çeşitli entegre devreler açıklanacaktır. Bu IC'ler regüleli güç kaynağı tasarımını ve üretimini kolaylaştırmaktadır.
NEDEN BİR VOLTAJ REGÜLATÖRÜ GEREKLİDİR?
İşlevsel diagramı Şekil 2-1'de (önceki yazı) gösterilen regülesiz güç kaynağının şematik diagramı Şekil 3-1a'dadır. Şekil 3-1b, Şekil 3-1a'da gösterilen devrenin basitleştirilmiş şematik halidir. Bir çeşit açık devre (yüksüz) dc voltajı vardır; kaynağı VDC ve seri direnç RZ çıkış empedansıdır. Her yük akımı IL, RZ içinden akar. İki ana faktör çıkış voltajı V0'ı değiştirmek için çalışır. İlki yük akımındaki değişim, diğeri VDC yi değiştiren şebeke hattındaki giriş voltajı VIN'in değişimi. Bazen bu iki faktör birbirinden bağımsız oluşabilmekte ve bazen birbirlerini etkileyebilmektedirler.
Şekil 3-1. Regülesiz Güç Kaynağı Devresi
Yük Akımındaki Değişmeler
Dc çıkış voltajı V0, yükün akım isteklerinin inip çıkması ile değişir. Şekil 3-2 bu değişimlerin çizimidir.
Şekil 3-2. Regülesiz Güç Kaynağının Yük Çizgisi
Eğer hiç yük akımı yoksa (IL=0), o zaman V0 güç trafosundaki en yüksek ac seviyeye VDC'ye eşittir. Yük daha fazla akım istediğinde, RZ'deki voltaj düşüşü, çıkış voltajının düşmesine sebep olur. Yük belli çıkış akımındayken ILR, V0, V0R'dedir, bu nokta transformatörün bilinen RMS voltajının yanındadır. Yük devresi azçok sabit bir akım çekerse veya yük devresi, V0 daki değişimleri tolore edebilirse, bu voltaj değişimi bir problem değildir. Örneğin, bir ses güç amfisi için güç kaynağı çıkışı, sinyal kesilmesi veya başka distorsiyon oluşan seviyenin altına inmediği sürece, amfinin çalışmasını etkilemeden geniş bir aralıkta değişiklik gösterebilir.
Şebeke Voltajındaki Değişmeler
Şekil 3-2'de gösterildiği gibi, şebeke voltajı VIN değiştikçe, V0 da değişir. Eğer VIN değişirse, zaten birçok yerde sık sık olur, güç trafosu çıkışı ve filitreli V0 çıkışı değişecektir.
VOLTAJ REGÜLARÖRÜ PRENSİPLERİ
Sabir bir V0 elde etmek için, Şekil 3-3'de gösterildiği gibi bir regülasyon devresi RZ ve RL'nin arasına eklenir. Regülatörün uçları arasında bir voltaj düşüşü (VREG) mevcuttur; bu durumda giriş voltajı VDC , Şekil 3-1b'de gösterilen VDC den daha büyük olmalıdır. Şekil 3-3'de, V0 = VDC - (RZ + VREG) dir.
Şekil 3-3. Basitleştirilmiş Regülatör Devresi
Regülatörün Çalışma Şekli
Gerekli regülasyonu sağlamak için, IL ve VDC değiştikçe, V0 'ı sabit tutmak için regülatör devresi VREG 'i değiştirir. Eğer IL artarsa, VZ artar, bu da V0 'ın azalmasına yol açar; ancak regülatör VZ 'deki artışı dengelemek için VREG 'i azaltır, böylece V0 sabit kalır. Tersine, eğer IL azalırsa, ub da V0 'ı arttırmaya yönelir, regülatör V0 'ı sabit tutmak için VREG 'i arttırır. benzer şekilde, eğer VDC artar veya azalırsa, regülatör VREG 'i anılan sıraya göre arttırır veya azaltır.
Örnekleme Devresi
Örnekleme devresi çıkış voltajını izler ve hata amplifikatörüne bir çıkış voltaj örneği besler.
Referans Voltajı Üreticisi
Referans voltajı üreticisi, çıkış voltajındaki değişimlerden bağımsız olarak hata amplifikatörüne sabit bir referans voltajı sağlar.
Hata Amplifikatörü
Hata amplifikatörü, referans voltajını çıkış voltaj örneği ile kıyaslar ve eğer aralarında bir fark varsa bir hata voltajı üretir. Hata amplifikatörü çıkışı VREG değerini kontrol etmek için kontrol elemanını besler.
Kontrol Elemanı
Kontrol elemanı esasen VDC , RZ ve RL ile seri bağlı olan bir değişken dirençtir.VDC veya IL değişirse VO 'ı aynı tutmak için yukarıda açılandığı gibi, hata amplifikatöründen gelen giriş VREG 'i değiştirmek için bu değişken direnci ayarlar.
Şimdi konu şekillendiğine göre, regülatör devresinin çalışma detaylarını öğrenelim. Önce devrelerde kullanılan basit tranzistör işlevi açıklanacaktır.
TRANZİSTÖRÜN ÇALIŞMA ŞEKLİ
Tranzistör yapısı
Tranzistörün çalışma şeklini anlamak için Şekil 3-4'e bakın. Üç bölüme ayrılmıştır. Şekil 3-4a, bir tümlşik devre NPN tranzistörün yapısını gösterir. Tranzistör yarıiletken bir ince katmana yayılmış N, P ve N yarıiletken malzeme adalarından yapılmıştır. En yaygın kullanılan malzeme silikondur. Katmanın üzerinde, birbirine yan yana olan parçalar, bağımsız çalışabilmek için birbirlerinden izole edilmişlerdir. Küçük altın teller, tranzistörün üç terminalini, baz (B), emiter (E) ve kollektöre (C) dış elektriksel bağlantıları yapmak için, belirtilen metal bağlantılara, N, P ve N bölgelerine birleştirilmiştir.
a. NPN IC Tranzistörün İmali b. Devresi
c. Özellikleri
Şekil 3-4 Tranzistör İmalatı ve Çalışması
Tranzistör Devresi ve Karakteristik Eğrileri
Şekil 3-4b bir tranzistörü bir devre içinde iken göstermekte ve Şekil 3-4c tranzistörün çalışma şeklini, kollektör akımı IC 'nin kollektör-emiter voltajına VCE karşı çizimi ile açıklamaktadır. Baz-emiter voltajı VBE 0,7Volttan daha büyük olarak baz emiterden daha pozitifse, baz akımı IB bazdan emitere akar.Verilen bir baz akımı ile VCE değişirken, kollektör akımının karakteristik bir eğrisi çizilebilir. Faklı baz akımları için farklı karakteristik eğriler Şekil 3-4c'de gösterilmiştir. Örneğin, eğer IB 0,1 miliampere eşitse, o zaman 2 Volttan - 20 Volta kadar her VCE için IC yaklaşık 10 miliamperdir.
Tranzistörde bir akım kazancı olduğuna dikkat edin. IB 0,1 miliamper iken IC 10 miliamperdir, bu durumda baz akımı 100 kat büyük olan bir kollektör akımını kontrol eder. Akım kazancı, VCE 2 Volttan az veya kollektör emiter kesilme voltajından fazla olana kadar VCE den fazla etkilenmez.
Yük Çizgisi
Eğer RC , Şekil 3-4b'de, 200Ohm ise ve eğer kaynak voltajı 10V ise, o zaman her baz akımı IB için, tranzistörün VCE 'si Şekil 3-4c'de gösterilen karakteristik eğrilerin diyagonal kesik çizgisine düşecektir. Bu çizgiye bir yük çizgisi denir. Eğer IB=0 ise, IC=0 olur ve VCE 10 V iken, çalışma noktası yük çizgisinde B noktası olur. Eğer IB=0,5mA ise, o zaman IC=46mA; bu da yük çizgisindeki A noktasıdır. Eğer IB=0,3mA ise, o zaman VCE=4Volt, bu da yük çizgisindeki C noktasıdır. Böylece IB değiştikçe IC değişir ve VCE değişir.Bunun gibi tranzistör çalışma şekilleri, Şekil 3-5'deki regülatör devresi işlemlerin temelidir.
SERİ GEÇİŞLİ GERİ BESLEME REGÜLATÖRÜ
Bir regülatörün çalışmasını daha iyi kavramak için, Şekil 3-5'deki seri-geçişli geri besleme regülatörünü inceleyelim. Giriş voltajı VIN ve çıkış voltajı V0 arasında seri bağlı olan, seri geçişli olan, NPN tranzistör Q2 kontrol elemanıdır. Yük akımı IL, Q2'nin IC'si ile aynıdır, bu durumda tüm yük akımı Q2'nin üzerinden geçmelidir. Tranzistör çalışma şekli açıklamasından öğrendiğimiz kadarıyla, Q2 'ye bir IB akımı yoksa, IC akmaz, bu durumda IB, IC ve IL'yi kontrol eder. Bu durumun regülatör işlemini nasıl etkilediği şimdi açıklanacak.
Şekil 3-5 bir geri besleme regülatör devresi olarak tanımlanır, çünkü çıkış voltajının bir kısmını geriye besleyen ve referans voltajı ile kıyaslayan kapalı bir döngüdür. İki voltaj arasındaki fark, çıkışı sabit tutmak için gerekli hareketi belirler.
Şekil 3-5. Basit Geri Besleme Regülatörü
Referans Voltajı
Şekil 3-5'deki referans voltajı VREF, diyot D1'in üzerindeki voltajdır, ki bu diyot da özel bir diyot olan bir zener diyottur. İkinci kısımda kesim alanı olarak anlatılan, ters-biaslı yönde çalışır. Normal diyotlar bu alanda çalıştırılınca hasar görürler, ancak zener diyotlar bu alanda çalıştırılmak üzere tasarlanmıştır.
Şekil 3-5'de regülatöre gelen giriş voltajı, R1 ile seri olan D1'e verilir. Zener diyotun kesim alanı voltajı aşılır aşılmaz, üzerinde geniş voltaj değişimleri olsa da D1'deki voltaj oldukça sabit kalır. VIN en düşük değerde iken, D1'den geçecek gerekli en düşük akım R1 değeri ile seçilir.
Örnekleme Devresi
Şekil 3-5'deki örnekleme devresiçıkış voltajı ucuna seri olarak bağlanmış iki adet dirençten R3 ve R4'ten oluşur. Çıkış voltajı örneği R4 'ün üzerindeki voltajdır. Bu voltaj, direnç değerlerinin oranına bağlıdır. R3 ve R4'ün değerleri, R4'ün üzerindeki voltajın D1'in üzerindeki referans voltajının 0,7Volt üzerinde olacak şekilde seçilir. Daha önce belirtildiği gibi, 0,7Volt bir silikon tranzistörün VBE voltajıdır.
Hata Amplifikatörü
Q1 hata yükselticisidir ve Q1'in VBE 'si hata voltajıdır. Sabit referans voltajı Q1'in emiterine verilir ve çıkış voltajı örneği Q1'in bazına verilir.Böylece, V0 'daki herhangi bir değişim, Q1'in VBE'sini değiştirir, bu da Q1'in IB baz akımını değiştirir. IB 'deki değişiklikler, Q1 'in IC kollektör akımının değişmesine sebep olur.
Tranzistörün çalışma şeklinden dolayı Q1 akım kazancı sağlar. Q1 için kullanılan tranzistör tipine bağlı olarak, kollektör akımı baz akımındaki değişimin 50 ile 200 misline kadar değişir. R2 Q1'in kollektör devresini VIN besleme voltajına bağlayarak tamamlar.
Kontrol Elemanı
Daha önce belirtildiği gibi, Q2 bir silikon NPN tranzistördür. VIN, V0'dan daha büyük olsun diye tasarlanmıştır, böylece Q2 güç kaynağının yük akımı aralığı için, daima yeterli VCE verecek ve Q2 'nin güç harcama ve ısı limitlerini geçmek için yinede çok büyük olmayacaktır. Herhangi bir çalışma noktasında Q2 'deki güç harcaması Q2 'deki VCE çarpı Q2 den geçen akımdır.
Q2 'nin emiteri regülatör çıkış terminaline bağlıdır. Q1'in kollektörüne bağlı olan Q2 'nin bazı, Q2 'nin emiterinin 0,7Volt üzerindedir.Q2 'nin baz-emiter devresi, Şekil 3-4b'ye benzemektedir. Baz akımı, Q2 'ye kaynak voltajı VIN 'den R2 tarafından sağlanır. IB en yüksek derecedeki güç kaynağı yük akımını sağlamak için yeterince büyük olmalıdır. Eğer Q2 'nin kazancı en az 50 ise, o zaman R2 üzerinden sağlanması şart olan en az baz akımı, geçen yük akımı bölü 50dir.
Q1'nin kollektör akımı Q2'den baz akımını azalttığında Q1 Q2'yi kontrol eder.
Regülatör Çalışma Şekli
Şimdi hepsini birleştirelim ve geniş kapsamlı regülatör çalışma şekline bakalım. Devre kararlı bir çalışma durumunda ve sonra bir yük akımı düşüşü meydana geliyor.
Yük akımındaki bir düşüş, V0 'ı arttırmağa eğilimlidir. V0 'daki artış, Q1 'in baz akımını arttırır, bu da Q1 'in kollektör akımını arttırır. Q1 'in artan IC 'si Q2 'den baz akımını şöntler (azaltır). Q2 'nin azalan baz akımı, kendi kollektör akımını azaltır. Bu da kendi kollektör-emiter voltajını arttırır. Q2 'deki artmış voltaj düşüşü V0 'ı azaltır.
Yük akımındaki bir artış, ters işleme sebep olur. Eğer VIN artar veya azalırsa, benzer regülatör kontrol döngüsü işlevi V0 'ı sabit tutmak için meydana gelir.Okuyucu döngüyü takip edip, işlevin doğruluğunu kanıtlamalıdır.
IC REGÜLATÖRLER
Birçok kombinasyondaki, örnekleme elemanı, hata yükselteci ve kontrol elemanı entegre devre formunda mevcuttur. Bu devreler bir regüleli güç kaynağı imal etmek için birçok yıl öncesine göre işleri çok daha fazla kolaylaştırmaktadırlar. Bu kısımda bilinen üç voltaj regülatör entegre devresi tanıtılacaktır.
7800 Serisi Sabit Çıkışlı Voltaj Regülatörleri
Şekil 3-6'da gösterildiği gibi LM-7800 serisi üç terminalli regülatör, bir VIN terminali (Giriş), bir VOUT terminali (Çıkış) ve bir toprak terminali olan bir seri-geçişli regülatördür. 7800 serisinde, 5 ile 24 Volt arasında sınıflandırılmış çıkış voltajları mevcuttur. Malzeme numarasındaki son iki rakam regülatörün çıkış voltajını gösterir. Örneğin 7805 bir 5 Volt regülatör, 7812 bir 12 Volt regülatör ve 7815 bir 15 Volt regülatördür.
Her regülatör için regüleli çıkış voltajı sabittir. Regülatör Şekil 3-3'de gösterilen tüm fonksiyonlara sahiptir. Buna ek olarak, en yüksek çıkış akımını güvenli bir değerde sabitlemek ve iç güç dağılımını güvenli bir limitte tutmak için koruyucu devrelere de sahiptir. Eğer iç güç dağılımı belirlenmiş bir değere geçerse, bir termal kesici devre devreye girmektedir. Uygun soğutucularla, 7800 serisi, 1,5Amper yük akımı sağlayabilir. Dikkat edilmelidir ki, çıkış voltajının belirlenmiş değerde kalabilmesi için, örnekleme elemanı yüke yakın iyi bir toprak noktasına bağlanmalıdır.
Şekil 3-6. 7800-Seri Regülatör
Şekil 3-6'da gösterildiği gibi regülatör toprağı, topraktan daha yüksek bir voltaja yükseltildiğinde, regülatörün çıkışı arttırılabilmektedir.Çizgilerle gösterilen hat, regülatörün toprak ucu ile iki IN4001 diyotun seri olarak bağlandığını göstermektedir. Silikon diyotlardaki ileri-bias voltaj düşümünden dolayı, regülatörün toprak ucu, toprak seviyesinin 1,3 ile 1,4 Volt üzerinde olacak, bu da çıkışın belirlenmiş sabit voltaj çıkışından 1,3 ile 1,4 Volt yukarıda olmasına sebep olacaktır. Regülasyonun kalitesi düşecektir, çünkü sadeve V0'ın bir bölümü örneklenmektedir. Daha fazla diyotla veya ters-biaslı, yüksek akımlı zener diyotlarla, daha yüksek farklar elde edilebilir. Bu teknikler, sabit çıkış voltajını 1 veya 2 Volt arttırmak için kullanışlıdır.
Daha düşük akım (100mA) ve daha küçük malzeme boyutu için 78L00 serisi de kullanılmaktadır.
LM317 Ayarlanabilir Voltaj Regülatörü
LM317 üç bacaklı ayarlanabilir voltaj regülatörü, 7800 regülatöre benzer, ancak onun iç örnekleme elemanı bulunmamakta ve toprak ucu, bir ayarlanabilen (Adj) uç ile değiştirilmiştir. Bu uç, üç amacı olan bir dış voltaj bölücüsüne bağlanmıştır. Birincisi, içerisindeki hata yükselticisine bir örnekleme-elemanı voltajı sağlamaktır. İkincisi, devrenin içerisindeki voltaj referansını çalıştırmak için R1 üzerinden toprağa yeterli akımı sağlamaktır. Üçüncüsü, bir ayarlanabilir güç kaynağı yapmak için işleri daha kolaylaştırmaktır. İçerisindeki kontrol elemanı, bir NPN tranzistör, yeterli soğutucu kullanılırsa, LM317T'nin 1,5 Amper sağlaması için yeterince büyüktür. LM317T'nin içerisinde maksimum akım için ve belirli ısı aralığının üzerinde iç güç dağılımı aşıldığında deverye giren bir koruyucu bulunmaktadır.
LM317'nin çalışması 7800 serisinden biraz değişiktir, çünkü kendisi bir "yüzen regülatör" olarak bilinir. referans voltajını çıkış voltajı V0'a göre göreceli olarak korur. Bu yüzden çalışırken, çalışma noktasını öyle ayarlar ki, R1, R2 voltaj bölücüsündeki R1'in etrafındaki voltaj, daima VREF referans voltajına eşittir. Sonuş olarak, Şekil 3-7'de gösterildiği gibi, V0 eşittir VREF (LM317 kutusunda 1,25V) çarpı 1 artı R2 R1 oranıdır. Eğer R2, R1'den 9 kat fazla ise o zaman, bir LM317'de, V0 1,25Voltun 10 misli, veya 12,5Volt olur.
Şekil 3-7. LM317T RegülatörÇok kolay görülebilir ki, eğer R2 bir ayarlanabilir direnç ise, VIN'in uygun sınırlar içerisinde olması sağlandığında, V0 geniş bir voltaj aralığında ayarlanabilmektedir.
VIN en az, V0 + VREF den büyük olmalıdır. VIN en çok, V0 +40 Volttan fazla olamaz. Örneğin V0 = 12 Volt ise, VIN = 52 Volttan fazla olamaz. Tabii ki, VDIFF (VFARK) büyüdükçe iç ısı dağılımı da artacaktır.
Uzaktan Algılama
Dış örnekleme elemanının bir başka avantajı da, uzaktan algılamanın kolay yapılmasıdır. Birçok sistem tasarımında, uzun güç dağıtım hatları kaçınılmazdır. Yüksek akımı olan uzun bir güç kaynağı hattı, regülatör döngüsünün dışında kalan, önemli voltaj düşüşüne sahip olacaktır. Bu sorunu çözmek için uzaktan algılama kullanılır. Esas yük noktasına ayrı bir kablo bağlanır ve örnekleme devresine doğrudan yük voltajını geriye besler. Kabloda çok küçük bir akım olduğundan, voltaj düşüşü önemsenmez ve yük noktasındaki regülasyon daha iyiye gider.
723 Regülatör Entegre Devresi
Şekil 3-8'de bir 723 regülatörü gösterilmektedir. Bir referans voltaj kaynağı, bir hata yükselteci, bir düşük akım kontrol elemanı ve iki ekstra parça - bir zener diyot ve bir tranzistör vardır. Ekstra tranzistör bir akım limitleyicisi olarak kullanılır. Gösterildiği gibi bir güç kaynağı imal etmek için 723 kullanırken, 7800 ve 317 regülatörlerden daha fazla dış malzemeye gerek vardır. Ancak, dış bacaklarında ana fonksiyonların hazır olmasından, 723 çok yönlü bir regülatördür. Düşük-akımlı (150mA) tek başına güç kaynaklarında 723 kullanılabilir, fakat, en çok kullanılan yönü, daha yüksek akım verebilen kontrol elemanlarını sürmektir.
Örneğin, benim imal etmiş olduğum sürekli 50A 13.8 volt verebilen uzaktan algılamalı güç kaynağında 723 kullanılmış ve yıllardır sorunsuz olarak çalışmaktadır. Şu anda Sayın Bilal Ekmekçi'de bulunmaktadır.
Şekil 3-8. 723 RegülatörDaha Yüksek Çıkış Akımı İçin Dış Tranzistör Ekleme
Daha yüksek akımlı bir kontrol elemanı sağlamak için daha büyük akım sağlayabilen bir dış tranzistörün 723'e nasıl bağlandığını Şekil 3-8 göstermektedir. Dış tranzistörün kollektörü 723'ün VC'sine bağlanmıştır. Baz VOUT 'a bağlanmış ve emiter daha yüksek akımlı regülatörün yeni VOUT ucu olmaktadır. 723 dış kontrol eleman için bir sürücü olmaktadır. Dış tranzistörün güvenli çalışma alanını sağlamak için uygun bir soğutucu kullanılmalıdır.
REGÜLATÖRÜ KORUMA
Bir güç kaynağı regülatörü işini yerine getirirken önemli miktarda enerjiyi kontrol altında tutar. Eğer elektriksel ve termal güçler kontrol dışında kalırsa, devre kendisini bozabilir. Entegre devre ve dışarıdan bağlanabilen diğer entegre devre yarıiletken cihazların üreticileri geçilmemesi gereken voltaj, akım ve ısı limitlerini açıkça belirtirler. Bir devre tasarımı bu limitler içinde kalırsa, tüm malzemeler, güvenli çalışma alanlarında bulunurlar. Bu limitlerin dışındaki çalıştırma, cihazları bozabilmektedir. Bu limitler aşıldığında, regülatörlerin kendilerini bozmamalarını garanti etmek için, regülatörlere koruma devreleri eklenir.
Kısa-Devre Koruma
Genel bir olay, regülatörün çıkış ucunun toprak ucuna kısa devre edilmesidir. Bu olduğunda, regülatör kendi belirli değerinin üzerinde yüksek bir akım sağlamak için uğraşır. Daha önce anlatıldığı gibi, kısa devre koruma devreleri, 7800 serileri ve LM17T regülatörlerde içlerine konulmuştur. 723 için, Şekil 3-8'de gösterildiği gibi, çıkış ucu ile seri bağlı olan düşük bir direncin uçlarındaki voltaj düşüşünü ölçmek için akım limitleyici tranzistör bağlanmıştır. Yük akımı arttıkça, dirençteki voltaj düşüşü artar. Eğer bu voltaj tranzistörün VBE 'sinin üzerine çıkarsa, bu, yük tarafından aşırı akım istendiğini gösterir. Akım limitleyici tranzistör iletime geçer ve kendi IC 'sini limitlemek için ki bu da yük akımıdır, kontrol elemanının baz akımını şöntler (azaltır). Bu kontrol elemanını kendi güvenli çalışma alanında tutar.
Termal Kaçak
Aşırı yüksek ısılar, entegre devre regülatörlerinin çalışmasında ve diğer tümleşik devrelerde ciddi problemlere sebep olur. Eğer bir malzemenin dökümanlarında (data-sheet) belirtilen maksimum bağlantı ısısı aşılırsa, malzeme genelde bozulur. Bağlantı ısısı güç dağılımından dolayı artar. Bir seri-geçişli regülatörün ürettiği olması gereken güç dağılımı, kontrol elemanının uçlarındaki voltaj düşüşü (VIN - VOUT) ile içinden geçen akımın çarpılması ile hesaplanır. Bu güç ısıya çevrilir, bu da bağlantı ısısını arttırır. Eğer bu ısı ürettiğinden daha çabuk uzaklaştırılmazsa, termal kaçak denilen bir durum oluşabilir. Isı malzemenin daha fazla akım iletmesine neden olur, daha fazla ısı doğar, sonuçta malzeme tam olarak kendini imha eder. Tüm malzemenin limitleri aşılmadığı sürece, malzeme kendi güvenli temel çalışma alanında kalacaktır.
Termal İletim
Yarıiletkenlerin aralarındaki bağlantıları aşırı ısılardan korumak için, ısının üretildiği yerden, silikon malzemelerden dışarıya iletmek için bir yol sağlanmalıdır. Isının yolculuk etmesi için gereken doğal yol, silikondan entegre devre paketine veya kutusuna ve oradan da çevreyeki havayadır. Eğer malzeme maksimum değerinin çok altında çalıştırılırsa, bu genelde yeterli bir iletim yoludur, ancak güç arttıkça ısının daha hızlı çıkartılması gerekir.
Soğutucu
Soğutucu, cihazdan ısıyı dışarıya iletmesi amacıyla kullanılan, yarı iletken cihazlara veya entegre devre kutusuna bağlanan bir parça metaldir. Soğutucunun yüzey alanı arttıkça, iletme ile veya çevre havaya yayılmayla, ısı daha çabuk uzaklaştırılır. Şekil 3-9 bir metalin, ki bu daha çok etkili bir termal iletkendir, entegre devrenin çok ısınmasına nasıl mani olduğunu göstermektedir. Isı silikon çipten entegre devre kutusuna, oradan da bacaklar, baskılı devre ve soğutucu ile havaya geçer.
Şekil 3-9 Entegre Devreden Soqutucuya Isı AkışıEntegre devre kutusundan soğutucuya ısı transferi verimini arttırmak için, sık sık aralarında bir temel iletken bileşim kullanılır. Eğer malzemeyi soğutucudan elektriksel olarak izole etmek gerekli ise, bir miktar mika izolatör kullanılır. Piyasada bu tip malzemeleri bulmak mümkündür.
Bazen soğutucunun iletme ve soğutması, güç cihazını maksimum bağlantı ısısının altında
tutmak için yeterli değildir. Bu durumda, ısı yayılım soğutumunu arttırmak için, soğutucudan havayı geçirmek için bir fan kullanılır. Örneğin, bilgisayarların güç kaynaklarında olduğu gibi. Her tasarımda, maksimum ısıların geçilmediğini garantiye almak için ısı ölçümleri yapılmalıdır.
(alıntıdır)
Yorum