ESP32-C3 ile Dijital Ayarlı/Göstergeli OCP/OVP Korumalı Laboratuvar Güç Kaynağı Projesi

[TA3UIS]

Trafonun 0-12, 0-12, 0-12V AC çıkışlarının testlerini gerçekleştirdim.

3 sargının ortalama Faz farkı 35mv AC
Circulating current ( Döngü Akımı ) : 80-82 µA AC
Sargı A : 12.94V AC
Sargı B : 12.95V AC
Sargı C : 12.95V AC

3 adet 0-12V çıkışları paralel bağlama ile neredeyse sıfır kayıplı olacak.







Yüksüz paralel bağlıyken sıcaklık 1 saatin sonunda 37 C civarında.

 

[sasen1]

Bu ölçümde oda sıcaklığı da önemli olsa gerek.Siz trafoyu çalıştırmadan önce oda sıcaklı ve trafo kaç dereceydi?1 saat sonunda kaç derecelik bir artış oldu?

 

[TA3UIS]

26 C civarlarıydı oda sıcaklığı. Toplamda 2 saat beklememe rağmek çok yüksek bir ısı artışı olmadı ortalama 40 C trafo sıcaklığı diyebilirim.

 

[TA3UIS]

Voltaj seçimi kontolu nasıl olacak, kafanızda ne var acaba? Mekanik, elektronik?

Mesajı yanlışlıkla alıntılamışım, mesajı değiştirdim mecburen ama bilgi de vermiş oldum bu sayede. Dijital olacak rotary encoderden vazgeçtim.

 

[TA3UIS]

Ayarlı güç kaynağında kullanacağım trafoyu en yüksek çıkış olan 34 VAC sargısında köprü diyot + 10.000uF Rubycon kondansatör ile doğrulttum.


0-34 VAC tarafı : 34.70 VAC ölçülen.
Be değere göre doğrultma formülü:

V_DC (Boşta) = (V_AC x 1.414) - V_Diyot
V_DC (Boşta) = (34.70 x 1.414) - 1.40
V_DC (Boşta) = 49.06 - 1.40 = 47.66 VDC
Multimetrede okuduğum 47.74 VDC ile formül sonucu çıkan 47.66 VDC ölçüm değerim örtüşüyor, doğrultması stabil.


Boşta VAC ve VDC ölçüm sonuçları:




4 Amper akım çekilirken 10.000 uF kondansatör üzerinde oluşan dalgalanma Ripple şu formülle bulunur:
V_pp = I_DC / (f x C)

I_DC (Çekilen Akım) = 4.00 Amper
f (Doğrultulmuş Frekans) = 100 Hz (50Hz şebeke köprü diyottan sonra 100Hz olur)
C (Kapasite) = 10.000 uF (0.01 Farad)

V_pp = 4.00 / (100 x 0.01) = 4.00 Volt Peak-to-Peak (Tepe-tepe dalgalanma)

Teorik formülde 4.00 Vpp civarı çıkması beklenen ripple (dalgalanma) değerinin osiloskopta 2.60V seviyesine kadar düşmüş olması kondansatörün üretim toleransının üst sınırda olmasından veya testte kullandığım Rigol DL3021A yükün kendi giriş katındaki dahili kondansatörlerinin devreme paralel binerek toplam filtreleme kapasitesini artırmasından kaynaklanmış olabilir mi?
Ripple ( Dalgalanma ) test sonucum.




Elektronik yük testlerindeki değişimler:

Trafo VAC voltaj düşümü hesabı:
V_AC (Yükte) = V_AC (Boşta) - (I_AC x R_iç)
V_AC (Boşta) = 34.70 VAC (Ölçülen)
V_AC (Yükte) = 33.26 VAC (Ölçülen)
I_AC = 4.00 Amper

R_iç = trafodaki 1.44 Voltluk AC voltaj düşümünün (34.70 - 33.26), çekilen 4.00 Amperlik akıma bölünmesi ile buluruz : (1.44 / 4.00)
33.26 = 34.70 - (4.00 x 0.36)


Trafo VDC voltaj düşümü hesabı:
V_AC (Yükte) = 33.26 VAC
1.414 = AC gerilimi tepe değerine çeviren katsayı (Kök 2)
V_Diyot = Köprü diyot üzerindeki gerilim düşümü (Ortalama 1.40 Volt)

V_DC (Boşta-Tepe) = (33.26 x 1.414) - 1.40
V_DC (Boşta-Tepe) = 47.03 - 1.40 = 45.63 VDC

V_DC (Yükte) = V_DC (Boşta-Tepe) - (V_pp / 2)
V_DC (Yükte) = 45.63 - (4.00 / 2)
V_DC (Yükte) = 45.63 - 2.00
V_DC (Yükte) = 43.63 VDC (Teorik Hesap)
Teorik hesaptaki 43.63V ile pratik 41.47V arasındaki 2.16 V farkI köprü diyodun ısınmadan dolayı voltaj düşümü yapması ve kondansatörün ESR kayıplarından kaynaklanıyor.


Yükte VAC ve VDC ölçüm sonuçları:







Bu sonuçlara göre 0-30 VDC / 5A lik ayarlı güç kaynağı projem için trafo ve filtre kondansatörünün rahatlıkla yeterli geleceğini düşünüyorum

 

[TA3UIS]

Doğrultucu katların güncel devre şeması:











ESP32, OpAmplar, Röleler için yardımcı besleme katı:

 

[TA3UIS]

Online ups ile bağlı olan trafonun 0-34 VAC çıkışını test ettim.

Osiloskop ile AC Yük Testi:
Sistemde şebeke topraklı Rigol elektronik yük bağlı olduğu için, osiloskopun siyah GND klipslerini trafoya bağlamak köprü diyotu hatta skopu patlatacaktı (Ground Loop). Bu riski sıfırlamak için Diferansiyel (Math) yöntemini kullandım.

Test methodum:
İki probun da siyah şase klipslerini tamamen boşta bıraktım ve bantladım.
CH1 probunu köprü diyotun birinci AC girişine, CH2 probunu ikinci AC girişine bağladım.
İki kanalı da AC kuplaj ve 10X moduna aldım.

Skop menüsünden MATH -> CH1 - CH2 (Çıkarma) işlemini seçerek, şase kullanmadan trafonun iki ucu arasındaki gerçek AC sinüs dalgasını (beyaz çizgi) ekrana getirdim.

Boştaki (yüksüz) referans değerlerim:
RMS[Min] = 34.69V: Trafonun boştaki efektif AC voltajı. Multimetre değerinin osiloskoptaki karşılığı, doğrultulduğunda ortalama 49V DC üreteceğini gösteriyor. Ben üstte multimetre testlerinde 34.70V AC, 47.74V DC değerleri elde etmiştim.

Max[M] = 50.40V / Min[M] = -50.40V: Dalganın anlık ulaştığı en üst pozitif ve en alt negatif tepe voltajı. Alternatif akımın (AC) doğası gereği sinüs dalgası anlık olarak bu tepe noktalara fırlayıp geri iner. Multimetrede gördüğümüz 34.69V değeri RMS (etkin) değerdir. Matematiksel olarak sinüsün tepe voltajı, RMS değerinin kök 2 (~1.414) katıdır (34.69V x 1.414 = ~49V).

Pk-Pk[M] = 100.80V: Sinüs dalgasının en alt dip noktası ile en üst tepe noktası arasındaki toplam voltaj genişliği. Formülü: Vpp = Vmax - Vmin yani 50.40V - (-50.40V) = 100.80V hesaplanır.
Köprü diyot sonrasındaki DC filtre kondansatörü ise bu dalganın sadece pozitif tepe değerine (Vmax = 50.40V) şarj olur. Güvenli çalışma payı kuralına göre, kondansatör voltaj sınırı devre voltajının en az %20 fazlası (50.40V x 1.2 = 60.48V) seçilmelidir. Bu düz metin hesabı, piyasada standart bulunan en yakın üst değer olan 63V'luk kondansatörlerin zorunlu olduğunu net şekilde kanıtlar, ben devrede 80V kullandım.

 

[TA3UIS]

34 VAC sekonderi boşta 34.70 VAC / ~100 Vpp civarıydı skop ekranında üstte.
4 A yükte 33.19 RMS / 91.20 Vpp çıktı
Yük altında oluşan ~%4’lük gerilim düşümü trafo sargı direnci ve iç empedanstan kaynaklanıyor galiba.

Doğrultucu + kondansatörlü yapıda kondansatörün sinüs tepelerinde darbeli olarak şarj olması da sinüs tepe bölgelerinde hafif düzleşme/kırılmaya neden oluyor gibi. DC tarafta da bu nedenle yaklaşık max 3–4 Vpp ripple görürüm sanırım. Yukarıdaki testler bunu kanıtlar gibiydi.


Devrede 10.000 uF yerine 20.000 uF kullanmak ripple açısından belirgin iyileşme sağlar ama yükteki bu tepe kırılması tepe kırılmasını nasıl etkiler, kondansatör büyüdükçe şarj akım darbeleri yükselebilir mi?

 

[TA3UIS]

Üstteki testleri bu sefer Rigol elektronik yük olmadan alüminyum kaplama dirençler ile gerçekleştirdim.

Arcol HS 10R J datahsheet te toleransı %5 belirtilmiş ama ölçümlerimde %1, %2 arasındaydı. 3.3 Ohm/100W, 2.7 Ohm/100W olanlar da aynıydı. Direnç kolunun toplam toleransını %2 ölçtüm.

Arcol 10 Ohm 100W alüminyum kaplama dirençleri üst iki alt iki uç seri bağlayıp, boşta kalan uçları paralel olarak yük ve test noktası olarak belirledim. Böylece 10 Ohm / 400 Watt direnç kolu oluştu, her direnç yaklaşık 48W görüyor, datasheet te 25C ortam sıcaklığında kendi soğutucusu ile 30W belirtilmiş, test sırasında 36-40 C arası oldu, soğutmak için 2 fanı görseldeki gibi yerleştirip testleri kısa tutup, soğutup tekrar test ettim.





Dirençlerin toplamı 10 Ohm olduğu için yük altında yaklaşık 41V DC civarı ve doğal olarak akım yaklaşık 4,3 – 4.4A civarında sınırlanıyor.
Ripple 300mA artışla DC kuplajda 2.80V, AC kuplajda 2.66V oldu, DC kuplajı baz alırsak, %10 un altında yani %6.7 çıkması 10.000uF kondansatörün yeterli olduğunu gösteriyor.

 

[TA3UIS]

Rigol elektronik yük hacklenmeden yeterli gücü karşılayamıyordu ama trafoyu limitlerini kadar test etme istediğimi engelleyemedi.
Toplam direnç 5.50 Ω olacak şekilde alüminyum kaplı dirençleri bağladım. Verdim cereyanı.


Pensampermetre ilk anda 6.5 A sonra komponentler ısındıkça 6.3 A sabit kaldı. Normalde 7.1 A gibi bir değer okumam gerekirdi, kablolardaki kayıplar, dirençlerdeki ısı, toleranslar vs vs gibi sebeplerden dolay çekilenı akım 0.8 A kadar eksildi.





Yüksüz 47.74V DC olan kondansatör uçlarındaki gerilim 6.3A yük ile birlikte 39.45V DC ye geriledi. Buradaki çokme ( %17 ) 8.29V DC.




Ripple yüzdesi = 3.76 V / 39.45 V = %9.5 civarı.





Trafo boşta 34,70V AC verirken, 10 saniyelik testte 32,6V AC'ye geriledi. Yani trafo sargılarında ( %6 ) yani 2,1V AC lik bir çökme oluştu.

Yani 255VA, 34V AC sargısına hiç köprü diyot ve kondansatör bağlamadan, doğrudan bir AC motor, AC ısıtıcı veya halojen lamba ile, bu sargıdan çekilebilecek max akım = 255 VA / 34 V AC = 7.35 Amper AC.

Araya köprü diyot ve kondansatör bağlayıp DC çıkıştan 6,3 Amper çekince, kondansatörün şarj karakteristiği yüzünden trafonun AC sargısından çekilen akım tam 9,9 Amper AC.




Güç kaynağı tasarım kitaplarında yazan köprü diyot + kondansatör devresi trafodan DC akımın 1,5 - 1,6 katı AC akım çeker kuralını, 1,57 katsayısıyla tekrar kanıtlamış oldum.

Kayıpları da eklediğimde trafomun etiket gücü olan 255 VA sınırını anlık olarak 350 VA seviyelerine çıkarıp, %140 - %145 aşırı yüke çıkarıp elimdeki bu trafonun limitlerini öğrenmiş oldum.

Özetle;
Kesintisiz ve güvenli çalıştırmak için; yük altındaki voltaj ortalama 45V DC, trafoyu hiç yormadan temiz bir 5A DC akım alabileceğim, benim projedeki hedefim 30V/5A, fazla gerilim göz çıkarmaz