Bu projede 14 adet eleman kullanarak yapılan ve çıkışından 100W güç verebilen basit bir step-up devresi yapacağız.

Bir iş için 80-100V gerilime ihtiyaç duydum ve bir çok farklı yöntem denemek zorunda kaldım. Sonunda problemi step-up devresiyle çözdüm. Devre kontrol entegresi olarak TL494’ü kullanıyor. TL494 kullanımı ve bulunması oldukça kolay olan ucuz bir SMPS entegresi. Genellikle ATX PC güç kaynaklarında kullanılıyor.

Step-up (boost converter) topolojisi, bir indüktörün depolama elemanı olarak kullanılmasına ve enerjisinin bir anahtarlama elemanıyla çıkışa yönlendirilmesine dayanıyor. Basit olarak şeması şöyle;

Bu devrede S anahtarı kapalı devre konumuna geçtiğinde L bobini şarj oluyor. S anahtarı açık devre olduğunda ise L bobininde depolanan akım D diyodundan geçip C kondansatörünü şarj ediyor ve R yükünün üzerinden akıyor. S anahtarı açıkken V kaynağı ve L bobini seri bağlı olduğundan çıkışta, giriş geriliminden daha büyük bir değer görülüyor. S anahtarı olarak genellikle bir MOSFET kullanılır. D diyodunun devreden çekilecek akıma dayanması ve yüksek frekanslı devreler için fast-recovery diyot olması gerekir. S anahtarı görevini gören MOSFET PWM ile kontrol edilir ve duty cycle arttıkça çıkıştan alınan gerilim artar. Duty cycle frekansının artması ise hesaplanacak olan L indüktansının değerini düşürür fakat çok yüksek frekanslarda (>500kHz) ise MOSFET’i kontrol etmek zorlaşır ve devre tasarımı daha karmaşık bir hal alır.

Projede kullandığım bobinin değerini ölçemediğim için uygun anahtarlama frekansını sinyal jeneratörü ile deneysel olarak buldum. S anahtarını sinyal jeneratörü ile anahtarladığımda, çıkıştaki yük direncinin üzerine düşen maksimum gerilimin 10kHz’de olduğunu gördüm. Tasarımı da devre 10kHz’de çalışacak şekilde yaptım. Devre yüksüz iken sorun olmasa da çıkışta yük varken bobinden çıkan ses rahatlıkla duyuluyor. Duty-cycle 0.85’in üzerine çıktığında bobin doyuma gidiyor ve çekirdeği ısınmaya başlıyor. Bu noktadan sonra çıkıştaki gerilim düşmeye başlıyor ve devre çöküyor. Neyse ki TL494 entegresi duty-cycle sınırlamasına izin veriyor. Bu sorunu duty-cycle’ı sınırlayarak çözdüm. Bobin yaklaşı 1cm çapında ve 3cm uzunluğunda ferrit bir çekirdeğe sahip. Çekirdeğe sarılan bakır, 0.6 mm çapında 65 turluk bir litz teli. Litz teli, 1 adet kalın tel kullanmak yerine çok sayıda ince izoleli teli birleştirilerek yapılıyor. Kullanım sebebi iletkenlerde yüksek frekansla ortaya çıkan skin-effect yani deri etkisi. Deri etkisi, frekans yükseldikçe akımın iletken telin yüzeyinde akmak istemesine sebep oluyor. Yani DC akım taşıyan bir bakır telin direnci, frekans yükseldikçe artıyor. Litz teline eski AM radyolarda, CRT televizyonlarda ve RF devrelerinde rastlayabilirsiniz.

TL494 entegresi oldukça kullanışlı. Dahili olarak 2 adet error amplifier (hata yükselteci)’e sahip. Bu yükselteçler gerilim regülasyonu ve kısa devre/aşırı akım korumasında kullanılıyor. Bu devrede akım sınırlaması kullanılmadı çünkü devredeki MOSFET oldukça güçlü.

TL494’ü bu kadar övmüşken, çıkışında bulunan 2 adet npn transistörden dolayı kendisi tek başına MOSFET sürme konusunda başarısız. Harici olarak 2 adet BJT kullanarak bu sorunun önüne geçilebilir.

Devrede R4 ve R5 dirençleri çıkıştaki 100V değerini bölerek IN1+ girişine 5V olarak getirir. IN1- girişine ise VREF pininden alınan sabit 5V girilmiştir. Çıkış gerilimi 100V’u geçtiğinde IN1+ girişi IN1- girişinden yüksek olacak ve error amplifier’in çıkışı 1 olacaktır. Bu durumda TL494 E1 ve E2 çıkışlarına verilen PWM sinyalinin duty-cycle’ını düşürerek çıkış voltajının 100v’ta sabit kalmasını sağlar.

DTC pinine bağlanan gerilim bölücü potansiyometre ise duty-cycle’ı yaklaşık 0.85 düzeyinde limitler.