DC DC Converter:
Cuk Converter |
4. Bölüm

Bu içeriğimizde DC DC dönüştürücüler arasında hem alçaltıcı hem de yükseltici olarak çalışabilen cuk çeviricileri (Cuk converter) inceleyeceğiz. Cuk çevirici devrelerinin çalışma prensibi, akım/gerilim eğrileri, çalışma modları ile ilgili detaylar içeriğimizde.

A- A+

06.03.2017 tarihli yazı 18040 kez okunmuştur.

Cuk çeviriciler DC bir gerilimi farklı genlikteki DC bir gerilimine dönüştüren yapılardır. Cuk çeviriciler temel olarak ikişer adet bobin ve kondansatör, bir adet diyot ve bir anahtarlama elemanının bir araya gelmesiyle oluşmaktadır.

Cuk çeviricilerin devre topolojisi temel olarak aşağıdaki şekilde verilmiştir.

►İlginizi Çekebilir: DC DC Converter | Buck Converter

Bir cuk çevirici devresi yükseltici dönüştürücü ve alçaltıcı dönüştürücünün peş peşe bağlanmasıyla elde edilebilir. Cuk çeviricilerde ayrıca alçaltıcı/yükseltici dönüştürücülerde olduğu gibi çıkış geriliminin polaritesi giriş gerilimine göre ters durumdadır. Cuk çeviricilerde enerji depolama elemanı olarak bir kapasitör kullanılır. Cuk çeviricilerde tek anahtarlama elemanı olan dönüştürücü devrelerin çoğunda olduğu gibi iki adet çalışma durumu mevcuttur.

Bunlardan birincisi anahtarlama elemanın iletimde olduğu ikincisi ise kesimde olduğu durumdur. İçeriğimize cuk çeviricilerdeki bu iki çalışma durumunu ayrıntılarıyla inceleyerek devam edeceğiz.

1. Durum (Anahtarlama elemanı iletimde)

►İlginizi Çekebilir: Anahtarlamalı Güç Kaynağı Nedir?

Cuk çeviricilerde anahtarlama elemanının iletimde olduğu durumda devre iki kısımda incelenebilir. Birincisi yukarıdaki devre şemasında en soldaki çevrede anahtarlama elemanı iletim durumundayken L bobini üzerinden akım akarak bobinin enerjilendirildiği kısım (S anahtarının sol kısmındaki kapalı çevre). Devrenin sağ tarafına baktığımızda C kondansatörünün indüklediği gerilim D diyotunu ters yönde kutuplar ve bu yüzden anahtar iletim durumundayken devredeki diyot üzerinden akım akmaz. İncelenmesi gereken ikinci kısım ise devredeki S anahtarının sağındaki iki çevrede temel olarak C kondansatörü üzerindeki enerjinin C0 kondansatörü, L0 bobini ve yük üzerinde boşaldığı kısımdır.

Not: Bu durumda enerjilenen L, L0 bobinleri ve C0 kondansatörü devre sürekli zamanda incelendiğinde anahtarın kesimde olduğu durumda enerjilerini boşaltmışlardır. Aynı şekilde 1. durumda enerjisini boşaltan C kondansatörü de anahtar kesim durumdayken enerjilenmiştir.

2. Durum (Anahtarlama elemanı kesimde)

Çeviricide anahtarlama elemanının kesimde olduğu ikinci durumda bir önceki durumda ters polarlanan diyot üzerinden akım akmaya başlar. C kondansatörü diyotun solunda kalan kapalı çevreden dolayı Vs+VL gerilimi ile enerjilenir. L bobini bir önceki durumda aldığı enerjiyi bu durumda harcar. L0 de biriken enerji ise D diyotu üzerinden yükü besler. Yükü aynı zamanda C0 kondansatörü de besler. Açık anahtarlı devre topolojisinde C kondansatörü kaynaktan yüke enerji aktarımında aracılık yapar. Devrede D diyotu kontrolsüz anahtar görevi görür ve kontrollü anahtar olan S anahtarı ile senkron bir anahtarlama yapar.

Akım-Gerilim Eğrileri

Cuk çevirici devrelerde akım-gerilim eğrileri yukarıdaki şekillerde verilmiştir.

1. eğri anahtarlama elemanı üzerine uygulanan gerilim eğrisidir. Görüldüğü gibi anahtar kesim durumundayken anahtarlama elemanı üzerinde Vs-L*(dIs/dt) değerinde bir gerilim indüklenmektedir.
2. eğride diyot üzerinde indüklenen gerilimin eğrisi verilmiştir. Eğride görüldüğü gibi anahtar iletim durumundayken diyot üzerinde Vc gerilimi indüklendiği görülmektedir.
3. ve 4. eğrilerde sırasıyla L ve L0 bobinleri üzerinden akımlar gösterilmiştir. Akımların tek alternansta olduğu ve belirli bir ortalama değere sahip olduğuna dikkat edilmelidir.
5. eğriden C0 kondansatörü üzerinden geçen akımın eğrisi gösterilmiştir. Kondansatörün tanım bağıntısından dolayı akım geriliminden ortalama akım değerinin sıfır olduğu görülmektedir.
6. eğride ise bir önceki eğride akımı verilen C0 kondansatörü üzerinde indüklenen gerilim çizilmiştir. Bu gerilimin aynı zamanda V0 yük gerilimine eşit olduğuna dikkat edilmelidir.
7. eğride C kondansatörü üzerinden geçen akımın grafiği verilmiştir. Kondansatörün ortalama akımı sürekli halde sıfır olacağından dolayı grafiğin üst ve alt alternanslarında kalan alanlar birbirine eşittir.
8. ve son eğride ise yük akımı gösterilmiştir. Sürekli halde gösterilen akım yukarıdaki şekilde her ne kadar düz bir akımmış gibi görünse de yük akımında az da olsa dalgalılıklar mevcuttur.

Bir cuk çeviride elde edilmek istenen en önemli değer çıkış gerilimidir. Çıkış geriliminin denklemi ise devredeki anahtarlama elemanının çalışma doluluğu oranına yani D'ye (Duty cycle) bağlıdır. Çıkış geriliminin D'ye ve giriş gerilimine bağlı denklemi ise aşağıdaki şekildedir.