Merhabalar, Bugün elektroniğin hemen hemen her alanında kullanılan buck converterları inceleyeceğiz. Buck converter ya da DC-DC converter adından anlaşılacağı üzre DC olan bir gerilimi yine DC bir gerilime düşüren, çıkış kısmındaki gerilim ayarlanabilir dönüştürücülere denir. Örneğin en çok kullanılanlardan biri olan LM2596 dönüştürücü ile 4V DC – 35V DC arası giriş gerilimlerini 1.23V DC – 30 VDC aralığında regüle edebilirsiniz. Tabii ki burda önemli olan nokta girişte uyguladığınız gerilim çıkıştakinden yüksek olmak zorundadır.
LM2596 Buck Converter
Burda akıllara ilk etapta gelen soru aynı işi devreye basit bir direnç ekleyerekte yapabiliyoruz. Niçin Buck’a ihtiyaç duyuyoruz? Cevap çok basit; kayıpları azaltmak.
Dirençler bilindiği üzre üzerine düşen akımın karesi x direnç değeri (I^2xR) formulünün sonucunda çıkan güç miktarı kadar elektrik enerjisini sıcaklığa çevirir. Bu kayıpların önüne geçebilmek içinde direnç yerine kullanabileceğimiz bazı devre elemanlarına ihtiyacımız var. İlk olarak bir buck converter’in iç devresine göz atalım;
Burada on-state dediğimiz durum anahtarın kapalı olup akımın aktığı durumdur. Off-state ise anahtarın açık olduğu durumdur. Burada anahtar olarak genellikle Mosfet kullanılır. Bjt yerine tercih edilmesinin sebebi güç elektroniğinde mosfet daha az güç kaybına yol açar. Ancak bu farklı bir makale konusu olduğu için detaya girmiyorum. Benim amacım devrenin çalışma prensibini anlatmak olduğu için dilerseniz bana ait çizimlerle adım adım ilerleyelim.
İlk olarak devremizde voltajı düşürmek için aslında yukarıdaki parçaların çoğuna ihtiyacımız yok. Aşağıdaki gibi bir devre ile de ortalama voltajı düşürebiliriz;
Burada load’ın çizimini nasıl yapabilirim kestiremediğim için böyle bir şey yaptım takılmayın:)
Mosfetimizi PWM methodu ile saniyede 100lerce kere açıp kapattığımız zaman bataryamızdaki gücün bir kısmı load’a yani yük’e aktarılacaktır. Daha iyi anlaşılabilmesi için mosfeti saniyenin yarısında açık yarısında kapalı ve kayıpsız olarak farzedersek loadımızın voltajı saniyenin mosfetin kapalı olan yarısında 12 V açık olan diğer yarısında ise 0V tur. Yani ortalama voltajımız 6 V tur. Ancak bu şekilde pekte bir işimize yaramaz. Çünkü voltaj 0’a düştüğünde yükümüz işlevini yapamayacaktır.
Bu durumun önüne geçebilmemiz için aşağıdaki resimdeki adıma geçelim;
Görüldüğü gibi devreye yüke paralel olacak şekilde bir kondansatör ekledik. Yine aynı örnek üzerinden gidecek olursak saniyenin mosfetin kapalı olduğu yarısında hem yük hem kondansatör şarj olacak. Ancak mosfet kapalıyken şarj ettiğimiz kondansatör mosfet açılınca yüke şarjını boşaltmaya başlayacak. Dolayısı ile yük voltajı 0’a düşmeyecektir. Bu problemi de çözdük ancak bu durum yeni bir probleme yol açtı. Mosfet kapandığı anda kondansatör gerilimini anlık olarak değiştirmeye çalışırız. Bu imkansızdır. Kondansatörlerin gerilimini anlık değiştirmek fiziksel yapıları itibari ile imkansızdır ve denendiğinde devreden aşırı miktarda akım geçmesine yol açar. Bu da devre elemanlarına zarar verecektir. Dolayısı ile bir sonraki adımımıza geçeriz;
Resimde görüldüğü gibi ani voltaj yükselmesinin önüne direnç batarya ile kondansatör arasında direnç bağlayarak geçebiliriz. Ancak tekrar ediyorum, direnç demek büyük miktar enerji kaybı demektir. Zaten direnç kullanacaksak bu kadar zahmete girmenin anlamı yoktur. Bu yüzden direnç yerine şöyle bir alternatif çözüm bulunmuştur;
Burda kondansatörün çekeceği akımı limitlemek için indüktör kullanılmıştır. Ancak buda bir probleme yol açar. Nasıl kondansatörün voltajını yapısı gereği anlık olarak değiştiremiyorsak yapısı gereği indüktörün de akımını anlık olarak değiştiremeyiz. Yani mosfet açılırken indüktör mosfetin açılmasını engellemeye çalışacaktır. Çünkü mosfeti açarak indüktörün akımını bir anda kesmeye çalışırız. Bu durum da mosfetimize zarar verecektir. Bu problemin de önüne geçebilmek için son devre elemanımıza ihtiyacımız var;
Bu diyot mosfet açıldığı anda akımın kesilmesi yerine devrenin kendi içinde dönmesini sağlar. Yani devrenin mosfet açıkken devrenin diyotun solunda ki kısmı yok gibi davranıp indüktör ve kondansatörde biriken yükler devreyi besleyecektir.
İşte buck converter devresinin çalışma prensibi böyledir. Gerçek bir buck converter devresi daha koyarak yazımı sonlandırıyorum;
Çıkış voltajı = Giriş Voltajı * Mosfetin kapalı olduğu zamanın yüzdesi gibi bir denklem ile de çıkış voltajı ayarlanabilir.