LM2576-ADJ ile Alçaltıcı Çevirici (Buck Converter) Devresi

 

LM2576 ile Buck Converter Tasarımı ve Ripple Azaltma Teknikleri

1. Proje Amacı

Bu projenin temel amacı, LM2576-ADJ entegresi kullanılarak giriş voltajını belirli bir seviyeye düşürebilen kararlı, verimli ve düşük dalgalanmaya (ripple) sahip bir DC-DC buck (step-down) güç kaynağı tasarlamaktır.

Elektronik devrelerde hassas bileşenlerin beslenmesinde sabit gerilim kaynakları büyük önem taşır. LM2576 entegresi, ayarlanabilir çıkış voltajı ve yüksek akım kapasitesi ile bu tür uygulamalar için ideal bir çözümdür. Bu projede yalnızca temel devre tasarımı yapılmakla kalmayıp, aynı zamanda çıkış voltajındaki dalgalanmayı (ripple) minimuma indirmek için kullanılan filtreleme teknikleri de incelenmiş, çeşitli topolojiler ve kondansatör seçimi gibi etkenlerin performansa etkisi değerlendirilmiştir.

Böylece hem pratik devre kurulumu hem de teorik altyapısı bir araya getirilerek uygulamaya yönelik sağlam bir güç kaynağı geliştirilmiştir.

 

2. LM2576-ADJ Özellikleri

- Ayarlanabilir çıkış voltajı: 1.23V – 37V
- Maksimum çıkış akımı: 3A
- Sabit anahtarlama frekansı: 52 kHz
- Tipik verimlilik: %75 – %85
- Dahili NPN geçiş transistörü içerir

LM2576, Texas Instruments tarafından geliştirilen bir Simple Switcher® serisi step-down (buck) tipi DC-DC dönüştürücü entegresidir. Bu entegre, 3A’e kadar sürekli çıkış akımı sağlayabilen ve 52 kHz sabit frekansla çalışan, monolitik yapıdaki bir anahtarlamalı voltaj regülatörüdür. Giriş voltajı aralığı 4V–40V (HV versiyonu için 60V’a kadar) olan LM2576, sabit çıkış voltajı sunan modellerin yanı sıra 1.23V ile 37V arasında ayarlanabilir çıkış sağlayabilen ADJ versiyonuyla da mevcuttur. ±%4 çıkış voltajı toleransı ve ±%10 osilatör frekans hassasiyeti sunar.

Yalnızca dört harici bileşen (endüktör, Schottky diyot, giriş ve çıkış kapasitörleri) ile çalışabilir ve bu sayede hızlı prototipleme ve düşük maliyetli güç kaynağı uygulamaları için uygundur. Çıkış ripple’ı, düşük ESR kapasitörler ve opsiyonel LC filtre ile ciddi ölçüde düşürülebilir. Entegre, gelişmiş koruma özellikleriyle donatılmıştır: termal kapanma, akım sınırlama (cycle-by-cycle), düşük güç bekleme modu (50 μA standby akımı), ve harici ON/OFF kontrol piniyle uzaktan aktif/pasif yapılabilir.

Entegre iç yapısında; 1.23V referans voltaj kaynağı, sabit frekanslı osilatör, hata amplifikatörü, akım sınırlayıcı ve termal koruma birimi bulunur. TO-220 ve TO-263 (DDPAK) gibi endüstride yaygın kullanılan paketlerde sunulur. TO-220 paketi 32.4°C/W junction-to-ambient termal dirence sahiptir ve yeterli bakır alanlı soğutma gerektirir. Saturation voltajı 3A çıkışta tipik 1.4V’tur.

Uygulama alanları oldukça geniştir: motor sürücüleri, test ve ölçüm cihazları, endüstriyel kontrol devreleri, mikrodenetleyici tabanlı sistemler, batarya şarj devreleri ve gömülü sistemlerde verimli güç dönüşümünde kullanılır. Datasheet’te önerilen uygulama şemalarında, düşük ripple için 150 µH bobin, 680 µF çıkış kapasitörü, 1N5822 Schottky diyot ve ON/OFF ile gecikmeli başlatma/undervoltage lockout gibi gelişmiş kullanım örnekleri verilmiştir.

 

3. Çıkış Gerilimi Hesabı

Çıkış gerilimi şu formül ile hesaplanır:
Vout = 1.23 * (1 + R2 / R1)

R1 -> 1k ohm

R2  -> Potansiyometre

Örnek: R1 = 1kΩ, R2 = 3.2kΩ → Vout ≈ 6.1V

 

4. Kullanılan Temel Malzemeler

- LM2576T-ADJ Entegresi (TO-220)
- Schottky diyot (1N5822)
- Giriş ve çıkış için elektrolitik ve seramik kondansatörler
- Endüktans (100µH – 330µH, 3A destekli)

-LED
- R1=1k ohm ve R2=POT  ve 4.7k ohm LED akım sınırlayıcısı dirençleri
- Soğutucu blok

 

 

Devre Elemanı	Görevi / Açıklama
Vin	Giriş DC voltaj kaynağı. (örneğin 12V veya 24V)
C1	Giriş filtrelemesi için elektrolitik kondansatör. Vin ripple bastırma
C2	Paralel bağlı düşük ESR seramik kondansatör. Yüksek frekans süzme
LM2576	Buck dönüştürücü entegresi. Vin'i düşürüp sabit Vout üretir.
D1	Schottky diyot. L1'deki enerji boşalırken akımın dolaşmasını sağlar.
L1	Ana enerji indüktörü. Anahtarlama sırasında enerji depolar.
C3	Çıkış filtresi için büyük kondansatör. Ripple azaltma
POT+1K	Ayarlanabilir voltaj için potansiyometre. Feedback gerilimi ayarlanır.
L2	İkinci LC filtresi. Ek ripple bastırma (common+diff. mode filtre)
D2+R1	Ripple indikatörü. LED yanar; çıkış ripple varsa gözlemlenir.
C4	Çıkış LC filtresi sonrası kondansatör. Ek voltaj kararlılığı sağlar.
C5	Yüksek frekans gürültüsünü süzen küçük seramik kondansatör.
LED+4.7 k ohm	Yük göstergesi. LED akımı sınırlayıcı 4.7k dirençle seri bağlanır.
Vout	Regüle edilmiş çıkış voltajı. Örneğin 5V veya 9V

 

5. Kaynağın Bozulmasını Engelleme Yöntemleri (Uğur Hocadan Not)

 

***Bu devrede anahtar açıldığında akü akımı sıfıra düşmez . Sürekli bir giriş akımı elde etmek için dönüştürücünün girişine ikinci bir der. L1 – C1 alçak geçiren filtre eklenebilir .

6. DC-DC Konvertörlerde Ripple Azaltma

Çıkış ripple’ını azaltmak için çeşitli yöntemler kullanılır:

- **Common-mode filtreler:** DC-DC konvertörün ürettiği ortak mod gürültüyü azaltır. Bu filtreler EMI problemlerini önler ve yüksek frekanslı gürültüleri bastırır. Ancak LC rezonansına dikkat edilmelidir.

- **İleri (Forward) topoloji:** Bu devre yapısında çıkış indüktansındaki akım üçgen formundadır. Çıkış kondansatöründe ripple oluşur. Bu topoloji çoğunlukla düşük ripple sağlar.

- **Flyback topolojisi:** Bu yapı, yükteki değişimlere karşı daha hassastır ve genelde daha yüksek çıkış ripple'ı üretir.

- **Düşük ESR'li kondansatörler:** ESR’si düşük olan kondansatörler ile daha iyi filtreleme yapılır. Tipik önerilen değerler 1µF – 10µF arasındadır. Ultra düşük ripple için 100µF’a kadar çıkılabilir.

- **Ek LC filtreleri:** Çıkışa ilave LC filtresi eklenerek ripple daha da düşürülebilir. Ancak bu filtrenin rezonans frekansı çok düşük olmamalı, aksi takdirde DC-DC dönüştürücünün iç kontrol döngüsüne zarar verebilir.

Tavsiye edilen rezonans frekansı yaklaşık 50 kHz’dir ve bobin değerleri birkaç mikrohenri civarında tutulmalıdır.

f=50k Hz’den küçük eşit olmalıysa LC =

 

L ve C değerleri büyüdükçe daha iyi filtreleme sağlanır ,Frekans düşer .

- **Tipik çıkış dalga şekli:** Ripple sinüzoidal bir dalga ve üzerine binen yüksek frekanslı spike’lardan oluşur.

7. Devre Şeması

  *** Buck Converter Devre Şeması

8. Sonuç ve Test Gözlemleri

 

Devre doğru şekilde tasarlandığında LM2576 çıkışında stabil ve düşük ripple’lı bir voltaj sağlanır. Ripple azaltmak için common-mode filtre, düşük ESR kondansatör ve LC filtre birlikte kullanıldığında en iyi sonuç elde edilir. Yüksek akım uygulamalarında ısı oluşumu gözlenebilir, bu nedenle entegrenin soğutulması kritiktir.