Hassas Laboratuvar Güç Kaynağı Yapımı (0-40V / 1.5A)

Proje, orta karmaşıklıkta, oldukça ciddi bir evrensel güç kaynağı devresinin montajıdır. Başlıca tasarım özellikleri, düşük çıkış akımı sayesinde yüksek voltaj kalitesidir:

• Çıkış voltajı 0 V'dan 40 V'a kadar ayarlanabilir;
• 0 A'dan itibaren ayarlanabilir 1,5 A'ya kadar çıkış akımı;
• Dahili çıkış direnci < 1 mOhm;
• Çıkış voltajı kararlılığı < 1 mV

Güç kaynağının şematik diyagramı​

2 sargılı bir transformatör devresindeki güç kaynağı, ana sargı 33 V ve yardımcı sargı 11 V'dur. Bu sargılar, işlemsel yükselteçleri beslemek, referans gerilimi sağlamak ve yönetici transistörü (+9 V/-5 V) kontrol etmek için kullanılır. Basitçe söylemek gerekirse, yardımcı güç kaynağının topraklaması, çıkış geriliminin pozitif terminaline bağlanır.

Referans gerilimi +5 V, son derece kararlı bir referans gerilim kaynağı olan LT1021 temelinde, R18/R19 dirençleri ve P2 potansiyometresi (Uout'un hassas ayarlanması için çok turlu) ile birlikte bir araya getirilerek çıkış gerilim seviyesi belirlenir.

Gerilim stabilizasyonunu akım stabilizasyonuna çeviren devre, operasyonel amplifikatör üzerine kuruludur. U4B, U4A, T2 ve D8 üzerindeki akım kaynaklarını kullanarak yönetici kademe T1 ve T4'ü kontrol eder. Ek devre T3 ve D11, çıkış akımının sınırlandırılması/stabilize edilmesi durumunun ayrı ayrı sinyallenmesi için kullanılır (tıpkı operasyonel amplifikatör U4'ün yanına monte edilmiş D9 gibi). C24, D19 ve T5 devreleri, güç kesildiğinde çıkış voltajında ani bir artış olmasını önleyen bir aşırı gerilim koruma devresi oluşturur.

U7 (LM317) ve LM34 sensöründeki (10 mV/1'F) güç kaynağı – sıcaklık kontrol devresi ve olası radyatör soğutması (havalandırma yaklaşık >50C'de, yani 1,3 V'ta açılır). LM7805(U5) üzerindeki ek bir güç kaynağı, harici LED gösterge panellerine (Iout ve Uout ölçümü) güç sağlamak için kullanılır.

Çift OPA2227 operasyonel amplifikatör - SR>1V/µs, düşük U_io_offset <0.1mV ve en önemlisi çok düşük sıcaklık ve zaman kayması: 1µV (yukarıdaki parametreleri karşılayan OP27 veya başka bir amplifikatör olabilir).

R18/R19 dirençleri ve P2 potansiyometresi Uout değerlerini önemli ölçüde etkilediğinden düşük sıcaklık katsayılı dirençler ve kaliteli bir potansiyometre kullanılması tavsiye edilir.

Soğutucunun T1 transistöründen en az 60 W alabilmesi gerekmektedir - 65 x 70 x 38 mm ölçülerinde bir PC soğutucu ve bir fan kullanılmıştır.

Güç kaynağı ölçümlerinin nihai sonuçları:

• Çıkış gerilim aralığı Uout – 0 – 40,17 V (gerçek ayar çözünürlüğü: 2-3 mV).
• Çıkış akımı aralığı Uout – 0 – 1,5 A (gerçekte 1,92 A).
• Ölçülen R_dahili (voltaj sabitleme modu) – 0,51 mOhm.
• Sabit voltaj (voltaj sabitleme modu) – 0,3 mV.
• Ölçülen R_dahili (akım sabitleme modu) – 5 kOhm (mod değişiminin sınırında).
• Ölçülen R_dahili (akım sabitleme modu) – 20 kOhm (mod değişim sınırının altında).

Güvenli bir çalışma rezervi için güç kaynağı Imax = 1,5 A'ya kadar çalışır (radyatörün artırılması ve R15 = 11,5 kOhm'un biraz azaltılması Imax = 2 A'ya kadar çalışmaya olanak sağlar).

Geliştirme Notları, Isıl Analiz ve Kritik Devre Tavsiyeleri​

Bu harika ve yüksek hassasiyetli (ultra-low ripple/noise) şemayı hayata geçirecek veya modifiye etmek isteyecek arkadaşlar için kritik birkaç teknik analiz ve güncelleme notunu buraya eklemek istedim. Devrenin kararlılığını korumak ve güvenle kullanmak için şu noktalara dikkat edilmesinde fayda var:

1. Regülatör Transistörlerinde Güç Dağılımı (Thermal Dissipation) ve Güvenli Çalışma Alanı (SOA)​

• Kritik Durum: Devre 40V giriş/çıkış potansiyeline sahip ve maksimum 1.5A akım veriyor. Eğer çıkışı 5V / 1.5A gibi düşük bir gerilime ayarlayıp uzun süre yük çekerseniz, ana transistör (T1/T4) üzerinde harcanacak güç:
  
  (40V - 5V) x 1.5A = 52.5 W
  olacaktır.
• Tavsiye: Tek bir transistör (örneğin tipik 2N3055 veya TIP3055) sınır değerlerde çok ısınacaktır. Isı yükünü paylaşmak ve transistörün ömrünü uzatmak için T1 ana güç transistörüne paralel bir transistör daha eklenmesi (paralel bağlarken emiterlerine 0.22 Ohm / 5W dengeleme dirençleri koyarak) güvenliği katlayacaktır. PC fanlı soğutucu montajında termal macun kalitesine kesinlikle önem verilmelidir.

2. Giriş Gerilimi Kademe Anahtarlaması (Preregulator / Tap Changing)​

• Devrenin termal yükünü (boşa harcanan ısıyı) radikal şekilde azaltmak adına, trafodaki 33V ana sargının orta uçlu (örn: 18V - 33V) seçilmesi ve çıkış voltajı 15V'un altına düştüğünde bir röle vasıtasıyla trafo kademesinin otomatik olarak alt sargıya geçirilmesi (Tap Changer devresi) bu tasarımı tam anlamıyla "endüstriyel" seviyeye taşır.

3. Kritik Komponent Seçimleri​

• P2 Potansiyometresi: Çıkış gerilim kararlılığı doğrudan bu potansiyometreye bağlıdır. Karbon potlar zamanla tozlanıp kararsızlık yapacağı için voltajda ani sıçramalara sebep olabilir. Burada kesinlikle Spectrol veya muadili kaliteli çok turlu (10-Turn) tel sarımlı potansiyometre kullanılmalıdır.
• Dirençler: LT1021 referans çevresindeki dirençler (R18/R19) ve op-amp kazanç dirençleri, sıcaklıkla direnç değeri değişmeyen %0.1 veya %1 toleranslı metal film direnç olmalıdır.

4. Akım Limiti ve Akım Algılama (Shunt) Direnci​

• Akım algılama direncinin değeri sıcaklıkla kayarsa (thermal drift), ayarladığınız 1.5A limiti cihaz ısındıkça aşağı veya yukarı doğru sapma yapabilir. Bu yüzden şönt direnci yüksek wattlı ve kaliteli seçilmelidir. Konuda belirtildiği gibi akımı 2A sınırına çekmek isterseniz, sadece R15 direnci ile oynamak yetmez; şönt direncinin de güç kapasitesi kontrol edilmelidir.

5. Ters Gerilim Koruması (Çıkış Güvenliği)​

• Güç kaynağının çıkış terminallerine ters bağlı bir 1N5408 veya hızlı diyot eklenmesi, bu güç kaynağı ile bir akü veya batarya şarj edilirken ya da motor gibi endüktif bir yük sürüldüğünde, cihaz kapatıldığında yükten gelebilecek ters akımların hassas regülatör katını (T1-T4) yakmasını engeller.