6th International Advanced Technologies Symposium (IATS’11), 16-18 May 2011, Elazığ, Turkey Anahtarlamalı ve Karşılıklı Endüktans Etkisi İçeren Devrelerin Genelleştirilmiş Düğüm Denklemleri ile Analizi S. Duman1 and A. B. Yildiz2 1 2 Department of Electrical Education, Duzce University, Duzce/Turkey, serhatduman@duzce.edu.tr Department of Electrical Engineering, Kocaeli University, Kocaeli/Turkey, abyildiz@kocaeli.edu.tr Analysis of Switched and Containing Effect of Mutual Inductance Circuits with Modified Nodal Approach Abstract— In this paper, modified nodal analysis method is used to obtain of system equations for analysis switched circuits and effect of mutual inductance circuits used in power electronics. Two valuable element methods are modeled switched-mode devices. This approach is applied on locked loop, including effect of mutual inductance voltage multiplier and full wave rectification circuit for simulation studies. Keywords—Modified nodal approach, switched circuits, analysis I. GİRİŞ AZI devrelerde elemanlar arasında elektriksel bağ varken bazı devrelerde ise hem elektriksel hem de manyetik bağ söz konusu olmaktadır. Genellikle endüktans içeren devrelerde manyetik etkileşim söz konusu olmakta ve bu devrelere manyetik bağlı devrelerde denilmektedir [1,2]. Manyetik etkileşim kavramı elektriksel sistemlerde transformatörlerde, alternatif akım motorları ve generatörlerinde, enerji iletim hatlarında önemli bir yer tutmaktadır. Manyetik etkileşimin geçerli olduğu en temel devre elemanı transformatörler olarak söylenebilir. Elektronik devrelerde transformatörler özellikle yalıtım ve istenen gerilim seviyesini elde etmek amacıyla kullanılmaktadır [2]. Karşılıklı endüktans etkileşimli devreler karmaşık bir yapıya sahip olup durum değişkenleri ile analizi yapılırken matematiksel denklemlerin ifade edilmesinde bazı zorluklar ile karşılaşılabilir. Genelleştirilmiş düğüm denklemi (GDD) ilk olarak Ho ve arkadaşları [3] tarafından ortaya atılmış olup, GDD ile devre analizi yapılırken durum değişkenleri yöntemine nazaran daha fazla bilinmeyen ve denklem elde edilmektedir. GDD yöntemi çok karmaşık devrelerin modellenmesini ve analizini kolaylaştırdığı için birçok araştırmacı tarafından kullanılmaktadır. Yıldız ve Çınar ideal anahtarlama devrelerinin ve transformatörlerin zaman B domeni analizinde GDD yöntemini kullanarak devrelerin analizini yapmışlardır [4,5]. Vandewalle ve arkadaşları GDD yöntemini anahtarlı kapasitör devrelerinin zaman, frekans ve z domenlerinde kullanarak devrenin analizini araştırmışlardır [6]. Costa ve arkadaşları üniversal motorun benzetimi için devrenin analizinde GDD yöntemini kullanmışlardır [7]. Bhide ve Kulkarni ara faz transformatörler ile konvertörlerin paralel çalışmasını GDD kullanarak analiz etmişlerdir [8]. Erdei ve arkadaşları doğrusal elektrik devrelerinde GDD yöntemini MATLAB programını kullanarak geliştirdikleri yazılım ile incelemişlerdir [9]. Topan ve Mandache manyetik bağlı endüktans çiftlerinin analizinde GDD yöntemini [10], doğrusal olmayan analog devrelerin zaman domeni analizinde geliştirilmiş GDD yöntemini kullanmışlardır [11]. Wedepohl ve Jackson GDD yöntemini elektrik devrelerinin analizinde kullanıp örneklerle açıklamışlardır [12]. Bu çalışmada anahtarlamalı devre elemanları ve karşılıklı endüktans etkileşimi içeren devre modelleri GDD yöntemi kullanarak analiz edilmiştir. Anahtarlama elemanlarının modellemesi iki değerli direnç yöntemi kullanarak yapılmıştır. II. KARŞILIKLI ENDÜKTANS ETKİSİ Bir bobinden alternatif bir akım geçtiğinde etrafında değişken bir manyetik alan oluşmaktadır. Bundan dolayı manyetik akıyı oluşturan kuvvet çizgileri akım geçen iletkenle herhangi bir bağıntısı olmayan ancak aynı manyetik alan içerisinde bulunan diğer bir bobini etkileyerek üzerinde bir gerilim indüklenmesini sağlar. Başka bir bobinin manyetik alanı etkisi gerilim indüklenmesine karşılıklı endüksiyon denir. Gerilim ise karşılıklı endüktans (M) olarak ifade edilir [2,13]. İki bobin arasındaki karşılıklı endüktans değeri kuplaj katsayısına (k) ve manyetik etkileşim içerisinde bulunan iki bobine ait öz endüktansların ilişkisine bağlıdır. Bu ilişki eşitlik (1) ve (2) gösterilmiştir [2,13]. 275 0 k 1 (1) S. Duman, A. B. Yildiz M k L1 L2 (2) Şekil 1’de iki bobinden oluşan ikili etkileşim devresi görülmektedir. Şekil 1’de verilen ikili etkileşim devresinin zaman domenindeki uç denklemleri eşitlik (3) ve s domenindeki uç denklemleri eşitlik (4) verilmiştir. Karşılıklı endüktansların işaretleri (±M) olup karşılıklı endüksiyon geriliminin yönünü belirtmektedir [2]. değerini kullanıp çıkışlarına bu değerin sırası ile iki, üç veya dört katını DC gerilime dönüştürerek veren devrelere denilmektedir. Genellikle çok düşük akım ve çok yüksek gerilim talebinde bulunan yüklerde gerilim katlayıcı devreler kullanılmaktadır. Örneğin, TV tüpleri (CRT) veya osiloskop tüplerindeki yüksek gerilimlerin sağlanması gibi. Şekil 3’de ikili gerilim katlayıcısı devresi gösterilmektedir. M a D1 b c M i İL1 İL2 L1 U(t) C1 L2 k DC Çıkış d L2 L1 C2 j l D2 Şekil 1: İkili etkileşim devresi Şekil 3: Gerilim katlayıcı devresi u L1 u i u u L2 k u j L1 u l M M d i L1 L2 dt i L 2 U j sL1 U l sM U L1 U i U U L2 k sM I L1 sL2 I L 2 (3) C. Tam Dalga Doğrultucu Devresi Alternatif akım sinyalini doğrum akım sinyaline dönüştüren devreler olarak tanımlanabilir. Her türlü elektronik devrelerin beslemelerinde genellikle kullanılmaktadır. Şekil 4’de köprü tipi tam dalga doğrultma devresi gösterilmektedir. (4) M III. ANAHTARLAMALI DEVRELER VE MODELLENMESİ a b A. Kenetleme Devresi Bir sinyale pozitif veya negatif DC bileşen ekleyen devrelere kenetleme devreleri adı verilir. Bazı durumlarda sinyale DC bileşen eklenmesi istenebilir. Bu gibi durumlarda kenetleme devreleri kullanılmaktadır. Şekil 2’de örnek kenetleme devresi gösterilmiştir. a C D3 D1 U(t) L1 L2 c D2 D4 d C R b Şekil 4: Köprü tipi tam dalga doğrultma devresi U(t) D R D. Modelleme Şekil 2: Kenetleme devresi B. Gerilim Katlayıcı Devresi Gerilim katlayıcı devreler kenetleyici devrelerinin çalışma ilkelerini kullanarak, yeni bir transformatöre gerek duymadan, transformatörün sekonder geriliminin tepe Örnek devrelerde anahtarlama elemanları iki değerli eleman yaklaşımı kullanılarak modellenmiştir. Anahtarların konumları gereği oluşan topolojik değişikliklerin denklemlere yansıtılmasındaki zorluk nedeniyle, hem ideal anahtar durumundaki dirac impulsların inceleme zorunluluğu hem de doğruluğu arttırmak için kullanılan en temel anahtar kavramı iki değerli eleman yaklaşımıdır. Bu yaklaşımda anahtar kesim durumunda iken büyük değerli direnç/endüktans, iletimde ise küçük değerli direnç/endüktans olarak kullanılırlar. Bu çalışmada verilen örnek devrelerdeki anahtarlama elemanı iki değerli direnç (Roff , Ron) olarak modellenmiştir [2]. 276 Anahtarlamalı ve Karşılıklı Endüktans Etkisi İçeren Devrelerin Genelleştirilmiş… Şekil 2,3 ve 4’deki yarı iletken elemanlardan biri olan diyotun iki değerli direnç ile modellikten sonra kenetleme devresi Şekil 5, gerilim katlayıcı devresi Şekil 6 ve köprü tipi tam dalga doğrultma devresi Şekil 7’de gösterilmiştir. İki değerli direnç ile modellenen devreler GDD kullanılarak devrelerin analizleri yapılacaktır. GDD yönteminin sdomenindeki ve t-domenindeki denklem yapısı eşitlik (5) ve (6)’da gösterilmiştir [2]. G sC X s BU s (5) Gxt C (6) L1 U(t) c C1 L2 DC Çıkış d Rs2 C Şekil 6’daki devreye ait düğüm denklemleri t-domeninde eşitlik (11),(12),(13) ve (14)’de verilmiştir. GDD için gerekli ek denklemleri eşitlik (15),(16) ve (17) GDD modeli ise eşitlik (18)’de gösterilmiştir. b Rs R a iu i L1 0 (11) b iL 2 GRs1 ub uc GRs 2 ub 0 (12) c c1 d u c u d GRs1 ub u c 0 dt (13) d c2 du d d u c u d c1 iL 2 0 dt dt (14) Şekil 5: Diyotun modellenmesiyle oluşan kenetleme devresi Şekil 5’deki devreye ait düğüm denklemleri t-domeninde eşitlik (7),(8) ve (9)’da verilmiştir. GDD modeli eşitlik (10)’da gösterilmiştir. d u a u b 0 dt b GRs u b GR u b c u a ut Rs1 Şekil 6: Diyotun modellenmesiyle oluşan gerilim katlayıcı devresi U(t) a iu c b C2 dx BU t dt a M a d u a u b 0 dt u L1 u a L1 di L1 di M L2 dt dt (7) u L 2 u d ub L2 (8) (15) di L 2 di M L1 dt dt (16) u a ut (17) (9) 0 0 0 0 G G G Rs1 Rs1 Rs 2 0 G Rs1 G Rs1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 u a c c 0 u a 0 0 0 G G 0 u c c 0 d u 0u t (10) Rs R b dt b 1 0 0 iu 0 0 0 iu 1 277 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 ua u b uc u d i L1 i L 2 i u (18) S. Duman, A. B. Yildiz 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 G G G Rs 3 0 Rs1 Rs 3 0 G Rs 3 G R G Rs 2 G Rs 3 G Rs 2 0 G Rs 2 G Rs 2 G Rs 4 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 u a 0 0 u b 0 0 u c 0 d 0 u d 0u t dt 0 i L1 0 0 i L 2 0 0 iu 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 c1 c1 0 0 0 c1 c 2 c1 0 0 0 0 0 L1 M 0 0 0 M L2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 M a b Rs3 Rs1 U(t) L1 L2 c 0 0 0 0 0 0 0 0 0 c 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 L1 M 0 M L2 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 u a u b uc (26) u d i L1 i L 2 i u 1 0 0 0 0 0 0 0 u a 0 0 u b 0 0 u c 0 d 0 u d 0u t dt 0 i L1 0 0 i L 2 0 0 iu 1 Rs2 Rs4 d C R IV. BENZETİM ÇALIŞMALARI Şekil 7: Diyotun modellenmesiyle oluşan köprü tipi tam dalga doğrultucu devresi Şekil 7’deki devreye ait düğüm denklemleri t-domeninde eşitlik (19),(20),(21) ve (22)’de verilmiştir. GDD için gerekli ek denklemleri eşitlik (23),(24) ve (25) GDD modeli ise eşitlik (26)’da gösterilmiştir. a iu iL1 0 (19) b iL 2 GRs 3 ub uc GRs1 ub 0 (20) Şekil 5, 6 ve 7’de kullanılan elemanların değerleri: kenetleme devresi için; u(t)=100sinωt, f=50Hz, c=1F, R=1 Ω, Rson =1*10-6 Ω, Rsoff =1*1015 Ω, Gerilim katlayıcı devre için; u(t)=200sinωt, f=50Hz, c1 =2F, c2 =2F, L1 =100mH, L2 =25mH, M= 50mH, Rs1on =1*10-15 Ω, Rs1off =1*1015 Ω, Rs2on =1*10-15 Ω, Rs2off =1*1015 Ω, Köprü tipi tam dalga doğrultma devresi için; u(t)=200sinωt, f=50Hz, c =1*10-2 F, L1 =100mH, L2 =25mH, M= 50mH, R=2.5 Ω, Rs1on = Rs2on = Rs3on = Rs4on =1*10-15 Ω, Rs1off = Rs2off = Rs3off = Rs4off =1*1015 Ω. Devre modellerinin GDD yöntemi ile elde edilen denklemlerinin çözümü, diferansiyel denklemlerin sayısal çözümünde kullanılan Trapez yöntemi ile çözümlenmiştir. Analiz sonucunda elde edilen devrelere ait grafikler Şekil 8, 9,10, 11, 12 ve 13’de verilmiştir. Kenetleme Devresi 100 du c G R u c c c G Rs3 u b u c G Rs2 u d u c 0 (21) dt Giriş Gerilimi (V) 80 60 u L1 u a L1 di L1 di M L2 dt dt (22) Giriş Gerilimi (V) d iL 2 GRs 2 u d uc GRs 4 u d 0 (23) 40 20 0 -20 -40 u L 2 u d ub L2 u a ut di L 2 di M L1 dt dt (24) -60 -80 -100 (25) 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 Zaman (s) Şekil 8: Kenetleme devresi giriş gerilimi 278 0.035 0.04 Anahtarlamalı ve Karşılıklı Endüktans Etkisi İçeren Devrelerin Genelleştirilmiş… Köprü Tipi Tam Dalga Doğrultma Devresi Kenetleme Devresi 50 200 Primer Gerilimi (V) Sekonder Gerilimi (V) Çıkış Gerilimi (V) 150 0 -50 Gerilim (V) Çıkış Gerilimi (V) 100 -100 50 0 -50 -100 -150 -150 -200 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 -200 Zaman (s) 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 Zaman (s) Şekil 9: Kenetleme devresi çıkış gerilimi Şekil 12: Köprü tipi tam dalga doğrultma devresi transformatör uç gerilimleri Gerilim Katlayıcı Devresi 200 Primer Gerilimi (V) Sekonder Gerilimi (V) 150 Köprü Tipi Tam Dalga Doğrultma Devresi 120 Çıkış Gerilimi (V) 100 50 Çıkış Gerilimi (V) Gerilim (V) 100 0 -50 -100 80 60 40 -150 20 -200 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 Zaman (s) 0 Şekil 10: Gerilim katlayıcı devresi transformatör uç gerilimleri 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Zaman (s) Şekil 13: Köprü tipi tam dalga doğrultma devresi çıkış gerilimi Gerilim Katlayıcı Devresi V. SONUÇLAR 250 Çıkış Gerilimi (V) Bu çalışmada anahtarlamalı devre elemanlarını içeren ve karşılıklı endüktans etkileşimli anahtarlamalı devre elemanlarını içeren devrelerin t-domeninde analizi GDD sistemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Devrede anahtarlama elemanı olarak kullanılan diyot iki değerli eleman yaklaşımı kullanılarak modellenmiştir. Örnek devrelerin analizi sonucunda elde edilen uç gerilimleri grafikler halinde gösterilmiştir. Devrelerin analizinde kullanılan GDD sistemi ile hem gerilim hem de akım değişkenleri kolaylıkla ifade edilebilmektedir. Çıkış Gerilimi (V) 200 150 100 50 0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 Zaman (s) KAYNAKLAR 0.2 [1] Şekil 11: Gerilim katlayıcı devresi çıkış gerilimi 279 A. B. Yıldız, Elektrik Devreleri, Teori ve Çözümlü Örnekler, Kısım 2. Kocaeli Üniversitesi Yay. No:234, 2006. S. Duman, A. B. Yildiz [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] P. İşak, E. Kelebekler, A. B. Yıldız, “Karşılıklı endüktans etkisinin anahtarlamalı devrelerde ifade edilmesi”, Kaynak Elektrik Dergisi, sayı:222, s.180-184, Kasım 2007. C. W. Ho, A. E. Ruehli, P. A. Brenman, “The modified nodal approach to networks analysis”, IEEE Transactions on Circuits and Systems, sayı: 22, no:6, s.504-509, 1975. M. A. Çınar, A. B. Yıldız, “Time-domain analysis of transformers by using modified nodal equations”, IEEE Proc. Power Systems Conference and Exposition (PSCE 2006), s. 1059 – 1062, 2006. A. B. Yıldız, M. A. Çınar, “Time-domain analysis of circuits with ideal switches by nodal equations”, IEEE Proc., 6th International Conference on Power Electronics and Drive Systems (PEDS 2005), s.1046-1050, 2005. J. Vandewalle, H. J. De Man, J. Rabaey, “Time, frequency, and z-domain modified nodal analysis of switched-capacitor networks”, IEEE Transactions on Circuits and Systems, sayı: 28, no:3, s.504-509, 1981. M. C. Costa, S. I. Nabeta, J. R. Cardoso, “Modified nodal analysis to electric circuits coupled with FEM in the simulation of a universal motor”, IEEE Transactions on Magnetics, sayı:36, no:4, s. 1431-1434, 2000. R. S. Bhide, S. V. Kulkarni, “Analysis of parallel operation of converters with interphase transformer”, Proceedings of India International Conference on Power Electronics, s. 193-196, 2006. Z. Erdel, L. A. Disco, L. Neamt, O. Chiver, “Symbolic equation using modified nodal analysis for linear electrical circuit using matlab”, Proceedings of the 4th EUROPEAN COMPUTING CONFERENCE, s. 73-75, 2010. D. Topan, L. Mandache, “Nodal analysis compatible modeling of multiple coupled inductors in transient regime”, International Workshop on Symbolic Methods and Applications to Circuit Design (SMACD), 2006. L. Mandache, D. Topan, I. G. Sirbu, “Improved modified nodal analysis of nonlinear analog circuits in the time domain”, Proceedings of the World Congress on Engineering 2010 (WCE 2010), 2010. L. M. Wedepohl, L. Jackson, “Modified nodal analysis: an essential addition to electrical circuit theory and analysis”, Engineering Science and Education Journal, sayı:11, no:3, s. 84-92, 2002. A. B. Yıldız, Elektrik Devreleri, Teori ve Çözümlü Örnekler, Kısım 1. Kocaeli Üniversitesi Yay. No:42, 2001. 280