SMPS Tabanlı 12V 5A Transformatörsüz Akü Şarj Devresi

[guclusat]

12V 5A SMPS Akü Şarj Devresinin Çalışma Prensibi​

Önerilen 12V 5A SMPS akü şarj devresi, flyback (geri dönüşlü) dönüştürücü topolojisini kullanmaktadır. Bu yapı sayesinde yüksek akımlı, kompakt ve şebekeden izole edilmiş SMPS tabanlı bir dönüştürücü elde edilmektedir.

Burada yüksek güçlü bir MOSFET, anahtarlama elemanı olarak görev yapmakta ve ferrit transformatörün primer sargısını yüksek frekansta anahtarlamak için kullanılmaktadır.

MOSFET ilk kez ON olduğunda, 470 kΩ direnç MOSFET'in gate ucunu şarj ederek iletime geçmesini ve anahtarlama işleminin başlamasını sağlar.

Bu işlem sırasında transformatörün yardımcı (auxiliary) sargısında bir gerilim oluşur. Bu gerilim, 2n2/100V kondansatör üzerinden MOSFET'in gate ucuna geri beslenerek MOSFET'in daha güçlü şekilde iletime geçmesini sağlar.

Bu gerçekleştiğinde primer sargı, MOSFET'in drain/source uçları üzerinden doğrultulmuş yaklaşık 310 V DC gerilime bağlanır.

Bu süreçte MOSFET'in source ucunda bulunan 0,22 Ω direnç üzerindeki gerilim yaklaşık 0,6 V seviyesini aşmaya başladığında, BC546 transistörü tetiklenir. BC546, MOSFET'in gate ucunu toprağa çekerek MOSFET'in tamamen OFF olmasını sağlar.

Bu işlem aynı zamanda yardımcı sargıdan gelen geri besleme gerilimini de keser ve primer devresinin tekrar başlangıçtaki OFF durumuna dönmesini sağlar.

Daha sonra çevrim yeniden başlar ve devre yaklaşık 60 kHz frekansta sürekli olarak anahtarlama yapar. Bu frekans, 2n2 geri besleme kondansatörünün ve BC546 NPN transistörünün tabanındaki 100 pF kondansatörün değerleri değiştirilerek ayarlanabilir. Ancak bu değerlerle oynanması önerilmemektedir.

Sekonder Çıkış​

Primer sargının OFF olduğu zaman aralıklarında oluşan indüklenmiş karşı EMK, transformatörün sekonder sargısına aktarılır. Böylece sekonder tarafta daha düşük gerilimli fakat yüksek akımlı bir çıkış elde edilir.

Bu sekonder çıkış, yüksek akımlı diyot ve filtre kondansatörü kullanılarak doğrultulur ve filtrelenir.

Primer ve sekonder devreleri arasında bir optokuplör üzerinden geri besleme devresi bulunmaktadır. Bu geri besleme devresi, çıkış geriliminin sabit ve regüle edilmiş seviyede tutulmasını sağlar.

Optokuplör ile birlikte kullanılan Zener diyotun değeri değiştirilerek farklı uygulamalar için farklı sabit çıkış gerilimleri elde edilebilir.

Bu devrede çıkış gerilimi yaklaşık 14,4 V olacak şekilde ayarlanmıştır. Bu değer, 12 V kurşun-asit akülerin şarj edilmesi için uygun bir seviyedir.

Şarj Akımı Nasıl Değiştirilir?​

Bu transformatörsüz 12 V 5 A SMPS akü şarj cihazının çıkış akımı iki farklı yöntemle değiştirilebilir:

1. Transformatörün sekonder sargısında kullanılan telin çapını/kalınlığını değiştirmek
2. MOSFET'in source/şase uçları arasında bulunan 0,22 Ω direnç değerini değiştirmek

Ancak akım sınırlama direncinin değiştirilmesi sırasında MOSFET'in maksimum akımı, güç kaybı ve devrenin termal sınırları mutlaka dikkate alınmalıdır.

Giriş Katı​

Devrenin giriş bölümünde genel olarak şu kademeler bulunur:

Şebeke AC → Köprü doğrultucu → NTC → Filtre → SMPS anahtarlama katı

NTC, ilk enerjilendirme sırasında oluşabilecek yüksek kalkış akımını (inrush current) sınırlandırmak amacıyla kullanılır.

Girişte bulunan EMI filtre bobini ise isteğe bağlıdır. Ancak elektromanyetik girişimlerin azaltılması ve şebekeye yayılan parazitlerin sınırlandırılması açısından kullanılması faydalıdır.

Güvenlik uyarısı: Bu devrenin primer tarafı doğrudan 220–240 V AC şebekeye bağlıdır. Köprü doğrultucudan sonra yaklaşık 310–340 V DC seviyesinde tehlikeli bir gerilim oluşabilir. Devre üzerinde çalışırken şebeke bağlantısı tamamen kesilmeli ve yüksek gerilimli kondansatörlerin boşaldığından emin olunmalıdır.

Ferrit Transformatör Nasıl Sarılır?​

Ferrit transformatör, 15 mm'lik EE ferrit nüveye uygun plastik bobin üzerine sarılmaktadır.

1. Primer Sargının İlk Bölümü​

İlk olarak primer sargının yarısı sarılır.

• 0,4 mm süper emaye kaplı bakır tel kullanılır.
• Toplam 15 tur sarım yapılır.
• Telin ucu bobinin primer tarafındaki pinlerden birine sabitlenir.
• Sarım tamamlandıktan sonra üzerine bir kat izolasyon bandı uygulanır.

2. Sekonder Sargı​

Primer sargının üzerine sekonder sargı sarılır.

• 0,6 mm çapında tel kullanılır.
• Toplam 5 tur sarılır.
• Sargının iki ucu bobinin sekonder pinlerine bağlanır.
• Sargının üzerine tekrar izolasyon bandı uygulanır.

3. Yardımcı (Auxiliary) Sargı​

Sekonder sargının üzerine yardımcı sargı sarılır.

• 0,4 mm tel kullanılır.
• Toplam 3 tur sarım yapılır.
• Yardımcı sargının üzerine izolasyon bandı çekilir.

4. Primer Sargının İkinci Bölümü​

İlk primer sargının bobin üzerinde sabitlenen ucundan devam edilir.

Yardımcı sargının üzerine 15 tur daha 0,4 mm tel sarılır.

Böylece primer sargının toplam sarım sayısı:

15 + 15 = 30 tur olur.

5. İzolasyon​

Tüm sargılar tamamlandıktan sonra transformatörün sarım izolasyonu dikkatli şekilde yapılmalıdır.

Bunun için birkaç kat izolasyon bandı kullanılabilir.

Daha sonra EE ferrit nüvenin iki parçası bobine yerleştirilir ve nüvenin çevresi tekrar bantlanarak sabitlenir.

6. Hava Aralığı (Air Gap)​

Bu devrede önemli noktalardan biri EE ferrit nüve arasındaki hava aralığıdır.

EE nüvenin iki parçasının birbirine tamamen temas etmemesi gerekir. Nüvenin birleşim yüzeyleri arasında uygun bir hava aralığı (air gap) oluşturulmalıdır.

Bu aralık, izolasyon bandı veya uygun kalınlıkta bir kâğıt parçası kullanılarak oluşturulabilir.

Hava aralığının amacı, ferrit nüvenin manyetik doyuma girmesini önlemek ve SMPS devresinin doğru şekilde çalışmasını sağlamaktır.

Sargı Sırası​

Özetle sarım sırası şu şekildedir:

15 tur primer → izolasyon → 5 tur sekonder → izolasyon → 3 tur yardımcı sargı → 15 tur primer → son izolasyon

Bu şekilde toplam 30 turluk primer, 5 turluk sekonder ve 3 turluk yardımcı sargı elde edilir.

Önemli: Bu transformatör şebeke bağlantılı bir SMPS'nin parçasıdır. Primer ve sekonder sargılar arasında yeterli izolasyon mesafesi bırakılmalı, kullanılan tel ve izolasyon malzemeleri uygun gerilim sınıfında olmalıdır. Nüve hava aralığının ölçüsü de devrenin çalışma frekansı ve manyetik tasarımı açısından önemlidir; yalnızca rastgele bant veya kâğıt kalınlığı kullanmak yerine orijinal tasarım değerine uyulması daha güvenlidir.