Merhaba Arkadaşlar,
Bir sistemin kararlı çalışabilmesi için doğru şekilde beslenmesi kritik öneme sahiptir. Gömülü sistemlerde bu işlem regülatör katı ile gerçekleştirilir. Bizde bu yazıda regülatör türlerinden ve doğru besleme için nelere dikkat etmemiz gerektiğinden bahsederek yavaş yavaş tasarım detaylarına gireceğiz. Ne kadar heyecanlı değil mi? 🙂
Regülatörleri iki grupta sınıflandırabiliriz. Bunlardan bir olan “Anahtarlamalı Regülatörler” yüksek verimliliğe sahip olmalarına rağmen yüksek tasarım karmaşıklığına ve maliyete sahiptir. Gömülü sistemlerde çoğunlukla kullanılan ve bu yazıda detaylarına gireceğimiz “Doğrusal (Linear) Regülatörler” ise basit tasarım, düşük maliyete sahip olmasına karşılık düşük verimliliğe sahiptir. Zaten verimliliği de yüksek olsa anahtarlamalı regülatörlere ihtiyaç duyulmazdı. 🙂 Ufak bir tanım yapacak olursak.
Doğrusal regülatörler, girişine verilen belirli bir eşik değerin üzerindeki değişken gerilimi çıkışına sabit bir gerilim olarak aktaran devrelere denir.
Tanımda belirtilen eşik değerin üzerinde ifadesini açacak olursak. Regülatör devremiz çıkış gerilimini “Vout” seviyesinde sabitlediğini varsayalım. Bu durumda devremiz gerilimi bu seviyede sabitleyebilmek için girişinde “Vout + Vx” gerilimine ihtiyaç duyacak. Buradaki “Vx” gerilimi “Drop Out” gerilimi olarak adlandırılır. Bu gerilimin düşük olması regülatörün verimliliği ile doğrudan ilişkilidir. Giriş gerilimi drop out geriliminin ne kadar yakınında olursa verimlilik o kadar yüksek olur, ancak girişe daha yüksek gerilim verirsek rüzgar ekmiş oluruz. Fırtına biçmek istemiyorsanız buna dikkat etmelisiniz. 🙂 Ne demek istediğimizi bir örnekle anlamaya çalışalım.
Yükümüz 3.3 V gerilimde 1 A akım çekiyor olsun. Bu durumda regülatörümüzün çıkış gücünü “P=VI” fomülü ile 3.3W olarak hesaplayabiliriz. Drop out geriliminin 1.2 V olduğunu var sayarsak giriş geriliminin minimum 5 V olması gerekir. Giriş akımının çıkış akımına eşit olması gerektiği için giriş gücünü yine aynı formül ile 5 W olarak hesaplayabiliriz. Yani regülatörümüze 5 W güç verdik, ancak o bizim yükümüze 3.3 W güç aktardı. “Peki geri kalan 1.7 W nereye gitti?” diye soracak olursanız. Bu güç ısıl kayıp olarak ortama yayılacaktır. Yani bu regülatörlerden 1000 tane bulursanız kış günlerinde ısıtıcı olarak kullanabilirsiniz. 🙂 Verimimizi çıkış gücünü giriş gücüne oranlayarak %66 olarak bulabiliriz. Küçük güçler olduğu için kabul edilebilir bir verim.
Peki elinizde 9 V’luk bir kaynak olsaydı ve regülatörü onunla besleseydiniz ne olurdu? Ne olacak fırtına biçeriz. Regülatöre 9 W güç vermemize rağmen o bizim sistemimize sadece 3.3 W verirdi. Bu durumda verimimiz ise %36.66 olurdu. Üzerimde oldukça fazla emeği olan Prof. Dr. İsmail Hakkı Çavdar hocamın deyimiyle “Komik!”. 🙂
Doğrusal regülatörlerin tasarımlarının basit olduğunu söylemiştik. Regülatörün giriş ve çıkışına Şekil 1’de görüldüğü gibi birer adet filtre kondansatörü yerleştirerek devremizi tamamlayabiliyoruz. Bu kondansatörlerin değerleri regülatörün datasheet dosyasında belirtilmekle birlikte genellikle 1 uF’dır.
Son olarak oluşturacağımız kart için regülatör seçimini yaparak yazımızı tamamlayabiliriz. Bunun için ilk olarak kartımızda bulunan elemanların ne kadar akım çekeceğini hesaplamamız gerekmektedir. Bunun için elemanların datasheet’lerini incelememiz gerekir. LED’lerin ileri yön akımlarının 20 mA ve kart üzerinde 8 tane kırmızı LED ve 1 adet RGB LED olduğuna göre yaklaşık olarak 220 mA akım sadece LED’ler tarafından çekilir. İşlemcilerin ise çalışma hızlarına göre çektiği akım değişmektedir. STM32F415 işlemcisi için datasheet‘e baktığımızda (Sayfa 88) işlemcinin 168 MHz clock frekansında çalıştığı durumda tipik olarak 87 mA, işlemcinin ısındığı durumda ise maksimum 109 mA akım çektiği görülmektedir. Biz ortalama 100 mA alabiliriz. St-Link olarak kullanacağımız STM32F103 işlemcisi ise maksimum 50 mA akım çekmektedir.
Bu durumda kartımızda bulunan elemanlar yaklaşık olarak 370 mA akım çekmektedir. Buna ek olarak %10 güvenlik payı koyarsak seçeceğimiz regülatörün çıkış akımının 410 mA’den fazla olmasına dikkat etmeliyiz. Çalışma gerilimi 3.3 V olduğuna regülatörümüzü seçmeye başlayabiliriz. Biz yaptığımız tasarımda “LD39050PU33R” regülatörünü kullanmıştık, ancak eleman seçimindeki ikinci maddeye dikkat etmediğimiz için tedarik konusunda bir miktar sorun yaşadık. Yani sizin daha kolay ulaşabileceğiniz bir regülatör seçmeniz faydanıza olacaktır.
Regülatör seçimi konusunda kabaca bilgi sahibi olduk. Bu aşamadan sonra yavaş yavaş elinize geçen kartları incelemeye başlayabilirsiniz. Elemanların üzerindeki kodlara bakarak o kart üzerinde ne amaçla kullanıldığını inceleyin. Bunları yaptıktan belirli bir süre sonra artık kartlara bakışınızın değiştiğini göreceksiniz. O zaman sonraki yazıya kadar kendinize iyi bakınız efendim. 🙂