Ana Sayfa Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Buck Converter Nedir, Nasıl Çalışır?

Buck Converter Nedir, Nasıl Çalışır?

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.

Buck Converter nedir

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;

Buck Converter devre

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;

mosfet

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;

PWM methodu

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;

Buck Converter nasıl çalışır

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;

mosfet nedir

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;
LM2596 Buck Converter

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;
buck converter çalışma prensibi

Çıkış voltajı = Giriş Voltajı * Mosfetin kapalı olduğu zamanın yüzdesi gibi bir denklem ile de çıkış voltajı ayarlanabilir.

arıcılık
Hasan Onur Ataç
Hasan Onur Ataç
Elektrik Elektronik Mühendisi olmasına 1.5 ayı kalmış Gaziantep Üniv. Öğrencisi, Çalık Denim Ar-Ge Intorn'ü

9 Yorum

  1. Cehaletimi bağıslayın ancak bjt ile; mesela 2n2222 ile bunu yapıyorlar, ama transistör neden sürekli açılıp kapanıyor buna ne neden oluyor, sizinkinde pwm var anlıyorum ancak bjt ile nasıl oluyor bunu anlayamıyorum bir türlü.

  2. “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 adımda tam olarak ne yapılıyor anlayamadım. devre kesimde iken zaten kondansatör voltajı düşmeye baslamayacak mı, yani tam tersi (Mosfet kapandığı anda kondansatör gerilimini anlık olarak değiştirmemeye çalışırız.) denmiş olması lazım degil midir?

    • Şöyle düşün;
      Kondansatörün depoladığı gerilime(sallıyorum) 5 volt diyelim. mosfet bir süre açık kaldığında devre kondansatörün depoladığı gerilimle beslendi ve kondansatör gerilimi (yine sallıyorum) 3 volta kadar düştü. ama sen mosfeti kapatıp kondansatörü bir anda 3 volttan 5 volta yükseltmeye çalışırsan, yapısı gereği(birbirinden ayrık plakalar olduğu için anlık olarak elektron akışı çok yükselmez. yapısına aykırıdan kastım budur) aşırı akım çekip devreye veya kendisine zarar verir. Yani burada anlatılan bilgi doğrudur.

  3. Her yerde bu tur devre şemalarına rastlamak mümkün. Aslında devrenin temeli olan çalışma mantığından kimse sözetmiyor.

    Teşekkürler. Çok yararlı bilgiler için

  4. Çok güzel bir yazı olmuş. Örneklerle de beslemişsin. Sen 12v dc kaynak, biz yüke paralel bağlanmış kondensatör. Besle bizi usta

Düşünceleriniz Nedir?

Lütfen yorumunuzu buraya yazınız.
Lütfen isminizi buraya yazını.

koseni-sec-yazar-ol arıcılık

Yeni Yazılar

Mühendis Maaşları

Popüler Yazılar

Yeni Yorumlar