Revizyon Bilgisi

Bu teknik doküman B107AA R6 için hazırlanmış olup yeni yapılacak olan tasarımlara kaynak niteliğindedir.

Gerilim Bölücü Devresi

Bu sayfa, B107AA-R6 enerji analizörü kartında VR / VS / VT gerilim girişlerinin MAX78630 ölçüm entegresinin ±250 mV analog giriş aralığına güvenli ve tekrarlanabilir biçimde ölçeklenmesi için kullanılan gerilim bölücü ağını tanımlar.

Not: Ölçüm topolojisi sahada tipik olarak faz–nötr (L–N) gerilimini hedefler (Türkiye’de nominal 230 V RMS). Dokümandaki “400 V RMS” vb. örnekler, ölçüm zincirinin aşırı gerilim/transient marjını sayısal olarak göstermek içindir.

---

Tasarım Hedefleri

• Doğruluk: Bölme oranında düşük tolerans, sıcaklıkla düşük drift.
• Faz hatası kontrolü: Akım ölçümü ile güç hesabında (PF düşükken) faz kaymasının minimize edilmesi.
• Güvenlik: HV–LV ayrımı, yeterli creepage/clearance, bileşenlerin gerilim dayanımı ve güç limitleri.
• EMI/Transient davranışı: ADC girişini hızlı darbelerden ve yüksek frekanslı gürültüden korumak.

---

Devre Topolojisi

Her faz için aynı yapı kullanılır:

Direnç Ağı

• Üst kol (HV seri zincir): $3\times 1.1\,\text{M}\Omega$ seri (HV direnç zinciri) → $R_{\text{üst}} = 3.3\,\text{M}\Omega$
  • %0.1 tolerans önerilir.
  • HV dayanımı açısından seri zincir, gerilimi üç parçaya böler.
• Seri koruma/izolasyon direnci: $100\,\Omega$
  • ADC girişine giden hattı sönümlemek, ani darbelerde akımı sınırlamak.
• Alt kol (referans): $1\,\text{k}\Omega$
  • Bölme oranını belirleyen alt referans direnci.

RC Filtre / Kompanzasyon

• Kompanzasyon kapasitörleri: $22\,\text{nF}$
  • Bu kapasitörler pratikte “50/60 Hz faz kompanzasyonu” amacıyla, girişin 50/60 Hz bandında çok küçük faz kayması üretecek şekilde konumlandırılır.
• HF sönümleme kademesi: $1\,\text{nF} + 100\,\Omega$
  • Yüksek frekanslı gürültüyü ve çok hızlı transient’leri sönümlemek için ikinci bir HF süzme/sönüm kademesi.

Yerleşim Notu: Bölücü ağındaki HV direnç zinciri ile LV/analog taraf arasında keep-out ve iz mesafeleri korunmalı; mümkünse HV hattı analog giriş hattına paralel uzun yürütülmemelidir.

---

Bölme Oranı Hesabı

Klasik voltaj bölücü yaklaşımı ile:

$V_{\text{out}} = V_{\text{in}} \cdot \frac{R_{\text{alt}}}{R_{\text{üst}} + R_{\text{seri}} + R_{\text{alt}}}$

$R_{\text{üst}} = 3.3\,\text{M}\Omega,\quad R_{\text{seri}} = 100\,\Omega,\quad R_{\text{alt}} = 1\,\text{k}\Omega,\quad R_{\text{toplam}} = 3.3011\,\text{M}\Omega$

$k = \frac{R_{\text{alt}}}{R_{\text{üst}} + R_{\text{seri}} + R_{\text{alt}}} = \frac{1\,000}{3\,301\,100} \approx 0.0003029$

$V_{\text{out}} \approx V_{\text{in}} \times 0.0003029$

Pratik Örnekler (RMS → Peak)

$V_{\text{in,peak}} = V_{\text{in,RMS}} \cdot \sqrt{2}$

• $230\,\text{V RMS}$ → $325\,\text{V (peak)}$ → $V_{\text{out}} \approx 325\times 0.0003029 \approx 98.4\,\text{mV (peak)}$
• $265\,\text{V RMS}$ → $375\,\text{V (peak)}$ → $V_{\text{out}} \approx 375\times 0.0003029 \approx 113.6\,\text{mV (peak)}$
• $400\,\text{V RMS}$ (marj senaryosu) → $566\,\text{V (peak)}$ → $V_{\text{out}} \approx 566\times 0.0003029 \approx 171.4\,\text{mV (peak)}$

---

Maksimum Ölçüm Aralığı ve Marj

MAX78630 giriş limiti ±250 mV peak kabul edilirse teorik maksimum RMS giriş:

$V_{\text{in,max,peak}} = \frac{0.250\,\text{V}}{k} \approx \frac{0.250}{0.0003029} \approx 825.7\,\text{V (peak)}$

$V_{\text{in,max,RMS}} = \frac{V_{\text{in,max,peak}}}{\sqrt{2}} \approx \frac{825.7}{1.414} \approx 584\,\text{V RMS}$

Bu değer, ADC doyumuna göre teorik limit olup tasarım limiti olarak tek başına yeterli değildir. Gerçek hayatta aşağıdaki iki sınır daha kritik olabilir:

• Direnç gerilim dayanımı (VR): Seri zincirde her bir 1.1 MΩ üzerinde düşen gerilim, aşırı gerilim senaryolarında yüzlerce volta çıkabilir. Kullanılan 1206 dirençlerin gerilim rating’i mutlaka doğrulanmalıdır (gerekirse HV chip resistor serisi/footprint alternatifi).
• PCB creepage/clearance: 6 mm iyi bir mühendislik pratiği olsa da hedeflenen izolasyon standardı ve kirlilik derecesine göre değişir; sistemin hangi standarda göre tasarlanacağı (ör. endüstriyel pano içi kullanım) netleşmelidir.

---

Frekans Kompanzasyonu ve Faz Hatası

Gerilim ölçümünün güç hesabına etkisi, özellikle düşük güç faktöründe (PF düşük) faz kaymasına duyarlıdır. Bu nedenle kompanzasyon kapasitörleri ile 50/60 Hz bandında faz hatası küçük tutulur.

Bu kademe için kritik olan direnç, kapasitörün “gördüğü” eşdeğer dirençtir. Tipik yerleşimde kompanzasyon kapasitörleri, bölücü düğümünden referansa (nötr/analog referans) bağlandığında eşdeğer direnç yaklaşık olarak:

$R_{\text{th}} \approx R_{\text{alt}} \parallel (R_{\text{üst}} + R_{\text{seri}}) \approx 1\,\text{k}\Omega \quad (1\,\text{k}\Omega \ll 3.3\,\text{M}\Omega)$

Buna göre kesim frekansı:

$f_c \approx \frac{1}{2\pi R_{\text{th}} C} \approx \frac{1}{2\pi \cdot 1\,000\,\Omega \cdot 22\,\text{nF}} \approx 7.23\,\text{kHz}$

50 Hz’de bu yapının faz kayması yaklaşık:

$\varphi \approx -\arctan\!\left(\frac{50}{7230}\right) \approx -0.40^\circ$

Bu seviyedeki faz hatası, doğru akım kanal faz kalibrasyonu ile birlikte güç ölçüm doğruluğunu belirgin biçimde iyileştirir.

---

Yüksek Frekans Süzme (1 nF + 100 Ω)

$100\,\Omega$ seri direnç ile $1\,\text{nF}$ kapasitör birlikte, ADC girişini yüksek frekans bileşenlerine karşı sönümleyen bir kademe oluşturur:

$f_c \approx \frac{1}{2\pi \cdot 100\,\Omega \cdot 1\,\text{nF}} \approx 1.59\,\text{MHz}$

Bu kademe 50/60 Hz ölçümünü etkilemeden;

• hızlı kenarlı transient’leri yumuşatır,
• analog girişte olası çınlamayı azaltır,
• EMC açısından giriş hattını daha “iyi huylu” hale getirir.

---

Güç ve Isıl Kontrol

Bölücü akımı yaklaşık olarak:

$I_{\text{RMS}} \approx \frac{V_{\text{in,RMS}}}{3.3011\,\text{M}\Omega}$

• $230\,\text{V RMS}$ → $I \approx 69.7\,\mu\text{A}$ → $P_{\text{toplam}} \approx 16\,\text{mW}$
• $265\,\text{V RMS}$ → $I \approx 80.3\,\mu\text{A}$ → $P_{\text{toplam}} \approx 21\,\text{mW}$
• $584\,\text{V RMS}$ (teorik) → $I \approx 177\,\mu\text{A}$ → $P_{\text{toplam}} \approx 103\,\text{mW}$

Güç açısından kritik parça genellikle HV direnç zinciridir; ancak bu seviyelerde güçten çok gerilim dayanımı belirleyicidir.

---

Hata Kaynakları ve Kalibrasyon Notları

Bu giriş katmanında doğruluğu etkileyen başlıca unsurlar:

• Direnç toleransı: Bölme oranının birinci dereceden belirleyicisi.
• Sıcaklık katsayısı (TCR): Özellikle HV zincirde uzun dönem drift.
• PCB kaçakları/kirlilik: MΩ seviyesinde ağlarda, flux kalıntısı/nem ciddi hataya dönebilir.
• ADC giriş bias/leakage ve ESD diyotları: Çok ekstrem koşullarda ölçümde offset oluşturabilir.

Üretim sonrası öneri: Her kartta en az bir noktada (ör. 230 V RMS referans ile) gerilim kalibrasyonu yapılması, cihazlar arası sapmayı anlamlı ölçüde düşürür.

Güvenlik ve PCB Yerleşimi

• HV–LV bölgeleri arasında izolasyon mesafesi tasarım standardına göre doğrulanmalı (sadece “6 mm” hedefiyle sınırlı kalınmamalı).
• HV dirençlerde gerilim rating ve pulse rating kontrol edilmelidir.
• HV izleri için mümkünse slot/yarık ve geniş keep-out alanı ile kaçak akımlar azaltılmalıdır.
• Analog giriş hattını HV izlerinden uzak tutun; referans (nötr/AGND) dönüş yolunu kısa ve temiz tutun.

---

Performans Özeti (Tek Kanal)

Açıklama	Değer
Bölme oranı (k)	$0.0003029$
230 V RMS → ADC (peak)	$98.4\,\text{mV}$
265 V RMS → ADC (peak)	$113.6\,\text{mV}$
Teorik maksimum RMS (±250 mV peak)	$584\,\text{V RMS}$
22 nF kompanzasyon kesim frekansı (yaklaşık)	$7.23\,\text{kHz}$
Faz kayması @ 50 Hz (yaklaşık)	$-0.40^\circ$
HF kademe kesim frekansı (100 Ω + 1 nF)	$1.59\,\text{MHz}$

---

Komponent Seçimi (Alternatifli)

Bu bölümde her eleman için seçim kriterleri, 3 alternatif üretici PN’i ve mühendislik gerekçeleri özetlenmiştir. Sonunda seçilen kombinasyon ve tahmini maliyet tablo halinde verilmiştir.

HV Seri Direnç Zinciri

Durum	Üretici/Seri	PN	Değer	Paket	Tolerans/TCR	Seçim Sebebi
Seçilen	Vishay CRCW	CRCW12061M10FKEA	1.1 MΩ	1206	1%, 100 ppm/°C	Yaygın bulunabilirlik, uygun maliyet, 3× seri kullanımda HV dağılımı iyi
Alternatif	KOA Speer HV73	HV73V2JTT1104	1.1 MΩ	1206	1%, HV dereceli	Yüksek gerilim için özel seri, benzer performans
Alternatif	Yageo RC	RC1206FR-071M1L	1.1 MΩ	1206	1%, 100 ppm/°C	Geniş stok, maliyet avantajı

Notlar: 3 seri eleman kullanımı her bir direnç uç gerilimini düşürür; 0.1% mümkünse oran doğruluğunu artırır, 1% kalibrasyonla kompanse edilebilir.

Alt Kol Direnci

Durum	Üretici/Seri	PN	Değer	Paket	Tolerans/TCR	Seçim Sebebi
Seçilen	Vishay TNPW	TNPW08051K00BEEA	1 kΩ	0805	0.1%, 25 ppm/°C	Oran doğruluğu kritik; ince film, düşük TCR
Alternatif	Yageo RT	RT0805BRD071K00L	1 kΩ	0805	0.1%, 25–50 ppm/°C	Benzer performans, iyi bulunabilirlik
Alternatif	Panasonic ERA-6	ERA-6AEB102V	1 kΩ	0805	0.1%, 25 ppm/°C	Yüksek stabilite, güvenilir seri

Seri Koruma Direnci

Durum	Üretici/Seri	PN	Değer	Paket	Tolerans	Seçim Sebebi
Seçilen	Vishay CRCW	CRCW0603100RFKEA	100 Ω	0603	1%	Yaygın, ekonomik; darbe sınırlama için yeterli
Alternatif	Yageo RC	RC0603FR-07100RL	100 Ω	0603	1%	Geniş stok, eşdeğer
Alternatif	Panasonic ERJ-3E	ERJ-3EKF1000V	100 Ω	0603	1%	Alternatif marka/seri

Kompanzasyon Kapasitörü

Durum	Üretici/Seri	PN	Değer	Paket	Dielektrik/Volt	Seçim Sebebi
Seçilen	Murata GRM	GRM21BR71H223KA01L	22 nF	0805	X7R / 50 V	Yaygın ve ekonomik; yeterli stabilite
Alternatif	TDK C	C2012X7R1H223K125AB	22 nF	0805	X7R / 50 V	Eşdeğer performans
Alternatif	Samsung CL	CL21B223KBANNNC	22 nF	0805	X7R / 50 V	Maliyet/tedarik avantajı

Not: 22 nF C0G hacim/maliyet nedeniyle zor; X7R pratik çözümdür. 100 V seçimi DC bias etkisini azaltır.

HF Sönümleme Kapasitörü

Durum	Üretici/Seri	PN	Değer	Paket	Dielektrik/Volt	Seçim Sebebi
Seçilen	Murata GRM	GRM1885C1H102JA01D	1 nF	0603	C0G / 50 V	Frekans stabilitesi; DC bias etkisi yok denecek kadar az
Alternatif	TDK C	C1608C0G1H102J080AA	1 nF	0603	C0G / 50 V	Eşdeğer teknik özellik
Alternatif	KEMET C	C0603C102J5GACTU	1 nF	0603	C0G / 50 V	Alternatif tedarik kanalı

---

Seçilen Kombinasyon ve Gerekçe

Bileşen	Üretici/Seri	PN	Değer	Paket	Birim fiyat (USD)	Adet
HV seri dirençler	Vishay CRCW	CRCW12061M10FKEA	$1.1\,\text{M}\Omega$, 1%	1206	$0.025$	×3
Alt kol	Vishay TNPW	TNPW08051K00BEEA	$1\,\text{k}\Omega$, 0.1%	0805	$0.020$	×1
Seri koruma	Vishay CRCW	CRCW0603100RFKEA	$100\,\Omega$, 1%	0603	$0.005$	×1
Kompanzasyon C	Murata GRM	GRM21BR71H223KA01L	$22\,\text{nF}$, X7R, 50 V	0805	$0.020$	×1
HF C0G	Murata GRM	GRM1885C1H102JA01D	$1\,\text{nF}$, C0G, 50 V	0603	$0.006$	×1

Gerekçe: Alt kolun 0.1% ince film seçimi oran doğruluğunu belirgin iyileştirir. Üst zincirde 3×1206 ile gerilim dağıtılır; 1% tolerans kalibrasyonla kompanse edilebilir. HF C0G, frekans stabilitesini garanti eder; 22 nF X7R ekonomik ve yeterince stabildir.

---

Tahmini Maliyet (1 Faz / 3 Faz)

Hesap:

$C_{\text{faz}} = 3\times 0.025 + 0.020 + 0.005 + 0.020 + 0.006 = 0.126$

$C_{3\,\text{faz}} = 3\times C_{\text{faz}} = 3\times 0.126 = 0.378$

$\approx 0.38$

Not: Fiyatlar tedarikçiye, miktara ve döneme göre değişir; bu tablo mühendislik ön tahmini olarak düşünülmelidir.