buck converter

• yuk gerilimini^* du$urmeye yarayan guc elektronigi devresi^*.
  
  http://en.wikipedia.org/wiki/buck_converter
• bir elektriksel yüke t1 süre boyunca v voltajı uygulanıp t2 süre boyunca voltaj uygulanmadığında yük üzerindeki ortalama voltaj (t1*v)/(t1+t2) olacaktır. ancak bu uygulamanın çıkışı alternatif olacağından doğru akımla çalışan cihazlar doğrudan çalıştırılamaz. yüke paralel bağlanan bir kapasitör ve kapasitöre birinci ucundan seri bağlanan bir bobin yükle beraber bir düşük geçirgen filtre yapısı oluşturur ve bahsettiğim voltaj uygulaması bobinin ikinci ucundan uygulandığında yük üzerinde çok düşük değişime sahip bir doğru akım (aslında voltaj) oluşur. ancak bu yapıda akımın sürekliliğinin sağlanması için bobinin eksi uçtan bobinin ikinci ucuna doğru iletim sağlayan bir diyot yerleştirilir. böylece t1 sürecinde bobin ve kapasitör üzerinden akan akım yük üzerindeki voltajı artırırken t2 sürecinde yük üzerindeki akım diyot ve bobin üzerinden devreyi tamamlar.
  
  işte bu devreye buck converter denir efendim. birkaç wattan birkaç kilowatt'a kadar uygulama alanı bulur ve bir çok güç kontrol sisteminin temelini oluşturur. en belirgin dezavantajı giriş ve çıkışın birbirinden izole olmamasıdır.
• almancasi icin (bkz: tiefsetzsteller)
• basit bir mantığı olan ancak işin içine girdikten sonra çıkılması zor olan dönüştürücülerden biri. gerçi bu buck converter'a has bir şey değil, güç elektroniğine ait bir zorluk.
  besleme ucundan gelen gerilim pwm sinyalleri ile bir anahtar sayesinde parçalara ayrılır yani kıyılır. kıyılan bu parçalar aynı pwm sinyaline benzer. bu parçanın fourier analizi yapıldığında; dc bileşen, pwm sinyalinin frekansı katları kadar harmonikler görülür. tabi çıkışta dc bir gerilim istendiğinden; alçak geçiren bir filitre ile tüm harmonikler alınır ve sadece dc bileşen bırakılır. çıkışta temiz bir dc gerilimi elde etmiş oluruz. tabii, keşke herşey bu kadar kolay olsa. eğer standartlara uyacaksanız (bkz: emc) ve verim, regülasyon, varsa power factor arasındaki değiş tokuşu (bkz: trade off) iyi kurmanız lazımdır.
  
  edit: bilgi düzenlendi.
• yüksek gerilimlerde değil, daha çok düşük gerilimlerde kullanılır. yüksek gerilimler için flyback, foward vb. converterlar tercih edilmektedir. texas insturments'in webench designer sayfasına bakarsanız; yüksek gerilimlerde (100 - 150 v) buck converter, kontrolörler bulunmamaktadır. ama power ıntegration veya st gibi firmalarda yüksek gerilimler içinde buck converter vardır. adıda 'universal input (90 - 265 vacrms) buck converter' diye geçer.
  diğer bir nokta ise düşük gerilimlerde (5 - 24 v) ve düşük güçlerde (10 w'a kadar) izolasyonu sağlayacak, basit yapılı çok az kontrolörler bulunmasıdır. devrenin büyüklüğü göz önüne alındığında bu konverterlar çok hantal kalmaktadırlar.
  bu isterler altında, araştırmalarım sonucu fly-buck converter'a denk geldim. buck converter'dan farklı; endüktansa sarılan ekstra sarımlarla izoleli çıkışlar alınabilmektedir (yani converterda 1 tane izolesiz + 1'den fazla izoleli çıkış olabilmektedir. tabi izoleli çıkışlarında kontrolöre bağlı olarak bir sınırı olacak.). zaten adı da izoleli bir converter olan flyback'ten ve buck converter'ın birleşmesinden meydana ('fly' + 'buck') gelmektedir. hesaplarının çoğu buck converterla aynı. mesela; ana çıkışını voltajını hesaplarken buck converter hesaplar gibi hesaplanır. akım hesabına girildiğinde; diğer çıkışlardaki akımlarda hesaba katılmaktadır.
  neden böyle bir converter ihtiyaç duydum diye soracak olursanız;
  devrede +-12 v ile beslenmesi gereken opamp ve 5 v ile beslenmesi gereken bir mikroişlemci bulunmaktadır. çözüm şöyle ki; yaptığım fly-buck converter'da toplam 3 tane çıkış var; 2 tanesi izoleli 12 v çıkış ve 5 v izolesiz çıkış. 2 tane izoleli 12 v simetrik bağlanıp 5 v çıkışın toprağıyla birleştirildiğinde elimizde tertemiz +-12v ve 5 v oluyor. böylece opamp ve mikroişlemciyi beslemiş oluyoruz. daha detaylı bilgi almak isteyen yazar arkadaşlar yeşillendirebilir.
  
  edit: bilgiler güncellendi.
• lc filtresi içeren bir dc-dc dönüştürücü. amacı çıkışta, giriş geriliminden daha düşük bir gerilim elde etmektir.
• elektrik ve elektronikle sadece üniversite sınavına hazırlanırken ilgilenmiştim(daha doğrusu ilgilenmek zorunda kalmıştım). ama aklımda dc-dc elektroniğiyle ilgili yıllardır bir soru var. cevabını halen alamadım. buck ya da boost converter'lar, voltajdaki değişikliğe ters orantılı olarak akımı da değiştirir mi? yani bu converter'lardaki devre elemanlarına baktığımda akımı da düzenlemesi gerekiyor diye düşünüyorum. ayrıca aksi bir durum varsa boost converter'ların çalışması imkansız oluyor. ama nedense buck converter'larda giriş-çıkış akımı sabit kalıyor ve voltajdaki farklılık oranı kadar verim kaybı yaşanıyor gibi geliyor. örneğin 24 volt'ta 1 amper'i, 5 voltta 4.8 amper'e değil de 5 volt'ta yine 1 amper'e dönüştürüyor gibi geliyor. eğer dediğim gibiyse (24watt ---> 5watt) elektriğin %79'unu kaybediyoruz. böyle ise elektriğin kaybolan kısmı ısı enerjisine mi dönüşüyor? bir gerizekalıya anlatır gibi bu durumu bana açıklayacak bir baba yiğit yok mu?
  
  edit= ve eğer yine benim düşündüğüm gibiyse arabalarda telefonlarımızı şarj ederken akünün ırzına geçiyor oluruz. örnek veriyorum 5 volt - 2 amper ile şarj olan bir telefonu şarj etmek için aküden yaklaşık 14.4 volt - 2 amper çekiliyor. ulan o kadar elektriğe o telefon 3 kere şarj oluyor. umarım anlattığım gibi değildir. yoksa bir daha arabada telefon falan şarj etmem.
• @crzymemo'nun sorusuna ithafen bir entry yazmak istedim konuyla ilgili.
  
  öncelikle buck converter'ların çalışma prensibine değineyim. giriş kapasitesine bağlı bir anahtar, devamında bir switching node; çıkışta bir endüktans, endüktansın kesim anında enerjisini dolaştırabilmesi için bir diyot ve çıkış kapasitesinden oluşur buck converter. buck converter'da endüktansın dc akım bileşeni çıkış akımına eşittir.
  
  şimdi biraz da işin güç transferi kısmına parantez açacağım çünkü bu konu oldukça kafa karıştırıcı olabiliyor bilmeyenler için. bizim yaşadığımız dünya gerilim kaynaklarıyla tanımlı bir şekilde evrilmiş. bu ne demek? bir ürünün gerilimi o ürünün bir nevi elektriksel etiketi. yani diyelim ki kurutma makinesini 230v ac prize taktık, daha sonrasında çekeceği akım bizim talep ettiğimiz kadar olacak. başta bahsettiğim gerilim kaynağı durumuna denk düşüyor bu. sabit bir gerilim, değişken bir akım (yük) söz konusu. eğer yaşadığımız dünya akım kaynaklarıyla tanımlı olsaydı oldukça zor olurdu çünkü 20 amperlik bir kaynaktan enerji çekerken birden cihazı kapatırsak gerilim düşmesi sebebiyle oluşacak arklar oldukça korkutucu olacaktır.
  
  buck converter da esasında bir gerilim kaynaklı dönüştürücü. dolayısıyla giriş akımıyla biz ilgilenmiyoruz. kaynak bizim istediğimiz ölçüde güç sağlayacaktır zaten. çıkış akımı yük ile alakalı. yükü arttırırsak daha çok akım çekeriz, azaltırsak daha az akım çekeriz.
  
  burada kritik bir mevzu var şimdi. kontrol. modern buck converter'ların neredeyse hepsinde akım kontrolcüsü var. bu akım kontrolcüsü aslında kontrolün iç çevrimi. dış çevrimi ise gerilim kontrolcüsü. yani hem çıkış gerilimini hem çıkış akımını kontrol ediyoruz. burada akımı kontrol ediyoruzdan kastımız akımı sabit tutuyoruz değil. çıkıştaki anlık gerilim dalgalanmalarında akımın sabit tutulması amaçlanır. aynı şekilde yük tarafında ani bir akım darbesi gerçekleştiğinde gerilimin çökmemesi de gerilim kontrolü tarafındaki hedefimiz. çıkış gerilimi her zaman beyan edilen gerilimde regüle edilmeli. yani çıkış 5 volt ise ufak bir tolerans ile her durumda cihaz 5 voltu sağlayabilmelidir.
  
  5 volt 2 amper ile şarj olan telefonu şarj etmek için 14.4 voltluk aküden eğer lineer regülatörle falan şarj etmiyorsan ve dediğin gibi buck converter kullanıyorsan çok büyük olasılıkla 2 amper değil, çok daha düşük bir akım çekersin. bu arada telefon şarj üniteleri de genelde güvenlik sebebiyle izole topolojilerle yapılıyor artık. en yeni teknolojisi llc converter, daha verimsizleri ise genelde flyback. girişte ne kadar akım çektiğini cihazın verimliliği belirliyor. ne kadar fazla kayıp varsa o kadar fazla giriş akımı çekecektir. bu kayıpların büyük bir kısmı yarı iletken anahtarda, diyotta ve eğer izole bir topoloji ise trafoda oluyor. tabii verimsiz bir cihaz çok daha fazla ısınmaya sebep olacak ve daha büyük ölçekli uygulamalarda kabarık bir elektrik faturası handikapına yol açacaktır.