Anahtarlamalı Güç Kaynakları Özellikleri Çeşitleri

Buradaki paylaşım elde olmayan nedenlerden dolayı biraz eksik olmuştu elimden geldiğince telafi etmeye çalışmıştım fakat gerekli bilgileri bulamamıştım Geç olsada Anahtarlamalı Güç Kaynakları hakkında güzel bir makale buldum umarım aradığınızı bulursunuz çalışmalarınızda sizlere feyz verir

Hazırlayan : Ali Can YAVAŞÇI

Anahtarlamalı Güç Kaynakları

Yaşamımızın hemen her alanında kullandığımız elektronik cihazların sayısı gün geçtikçe artmaktadır. Kullandığımız cihaz ne olursa olsun (tv, telefon, bilgisayar, fırın, buzdolabı v.b gibi) mutlaka bir dc güç kaynağına gereksinimi vardır ya da içerisinde dc güç kaynağı barındırır.

Kullanım alanı ve önemine bağlı olarak çeşitli tiplerde güç kaynağı ya da dc besleme kaynaklarının tasarımı yapılmaktadır. DC güç kaynakları genel olarak; regülesiz, regüleli ve anahtarlamalı olarak başlıca üç ana kategoride sınıflandırılır. Bu bölümde; Anahtarlamalı dc güç kaynaklarını tüm yönleri ile inceleyerek tasarım yeteneğimizi geliştireceğiz.

Genel Özellikler

Güç kaynaklarının tasarımında dikkat edilmesi gereken önemli faktörlerden birisi verimliliktir. Doğrusal (lineer) tümdevre gerilim regülatörlerinde verimlilik oldukça düşüktür ve yaklaşık olarak %25 ile %60’lar seviyesindedir. Bu durumda ac’den dc’ye dönüştürme işleminde yaklaşık olarak %50’ler seviyesinde bir enerji kaybı söz konusudur. Düşük güçlü (10W altı) dc güç kaynaklarının tasarımında önemsenmeyecek boyutlarda olan bu kayıp özellikle yüksek güçlerde sorunlara neden olmaktadır.

Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin tasarımı zor ve maliyetleri yüksektir. Bu nedenle düşük güçler için kullanımı ve tasarımı pek tercih edilmez. Yüksek güçlü dc kaynakların tasarımında ise anahtarlamalı gerilim regülatörü kullanmak neredeyse zorunluluktur. Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin diğerlerine nazaran temel özellikleri aşağıda maddeler halinde verilmiştir.

• Yapıları doğrusal (lineer) regülatörlere göre daha karmaşık ve zordur. Bu nedenle maliyetleri daha yüksektir.
• Çıkış gürültü seviyeleri ve dalgalılık oranları daha yüksektir. İlave filtre devreleri kullanımına gereksinim duyulur. Bu durum maliyeti artırır.
• Yük akımlarında ve giriş gerilimlerinde meydana gelen değişimleri algılama ve tepki verme süreleri daha uzundur.
• Anahtarlamalı gerilim regülatörleri yapılarından dolayı, elektromanyetik ve radyo frekanslı (EMI-RFI) girişimlere sebep olurlar. Bu nedenle özel filtre devrelerine ve ekranlama işlemine gereksinim duyarlar.
• Anahtarlamalı güç kaynaklarının verimleri diğer güç kaynaklarına nazaran oldukça yüksektir.
• Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin çalışma frekansları şehir şebekesinden çok yüksektir (KHz). Bu nedenle tasarımlarında kullanılan bobin ve transformatör v.b gibi. devre elemanlarının fiziksel boyutları oldukça küçüktür.
• Doğrusal regülatörlerde; regülesiz giriş gerilimi daima çıkış geriliminden büyük olmalıdır. Anahtarlamalı regülatörlerde ise çıkış gerilimi girişten büyük yapılabilmektedir.
• Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinde birden fazla çıkış elde edilebilmekte ve çıkış geriliminin kutupları değiştirilebilmektedir.

Bu özellik doğrusal regülatörlerde söz konusu değildir. Anahtarlamalı gerilim regülatörünün temel çalışma prensibi, girişine uygulanan dc işaretin yüksek frekanslarda anahtarlanarak çıkışa aktarılmasına dayanmaktadır. Bu işlem için giriş gerilimi kıyılmakta ve darbe-periyot oranı değiştirilmektedir. Kısaca darbe genişliği modülasyonu (Pulse Widh Modulation=PWM) yapılmaktadır. Bu işlem; regülatör çıkışını yük ve giriş geriliminde oluşan değişimlerden bağımsız hale getirir.

Ayrıca devrede kullanılan elemanlar (yarıiletkenler) kesim/doyum modunda anahtarlamalı olarak çalıştıkları için güç kayıpları minimumdur. Anahtarlamalı bir güç kaynağının blok olarak temel yapısı şekil-1’de verilmiştir.

Anahtarlamalı dc gerilim regülatörünün blok diyagramı

Blok diyagramı verilen anahtarlamalı gerilim regülatörünün temel çalışma ilkelerinden olan darbe genişliği modülasyonunun (PWM) temel prensibi ise şekil-2’de gösterilmiştir.

Anahtarlamalı dc gerilim regülatöründe dalga biçimleri

Günümüzde pek çok farklı tip anahtarlamalı gerilim regülatörü tasarımı yapılabilmektedir. Bunların içerisinde en yaygın olarak kullanılanlar ise genellikle 3 tiptir.

Bunlar;
• Aşağıya doğru (step-down veya buck) anahtarlamalı regülatör
• Yukarıya doğru (step-up veya boast) anahtarlamalı regülatör
• Yön çeviren (inverting veya boast) anahtarlamalı regülatör olarak adlandırılır.

Aşağı Doğru (BUCK) Regülatör

Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin kullanım alanları teknolojikgelişmelere paralel olarak son yıllarda oldukça artmıştır. Birkaç farklı tip anahtarlamalı gerilim regülatörü tasarımı yapılmaktadır. Bu bölümde; Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin tasarımında kullanılan aşağı doğru regülatör (step-down veya back) tipi genel özellikleri ile incelenecek ve temel mantığı anlatılacaktır.

Aşağı doğru anahtarlamalı regülatörlerin çıkışından alınan regüleli gerilim, regülesiz giriş geriliminden daha küçüktür. Aşağı doğru regülatörün temel çalışma prensibini anlamak amacıyla basitleştirilmiş temel yapısı şekil-3’de verilmiştir.

Aşağı doğru anahtarlamalı gerilim regülatörünün temel yapısı

Devrede girişten uygulanan regülesiz dc gerilimi karedalgaya çevirmek (anahtarlamak) için bir S1 anahtarı kullanılmaktadır. Bu anahtar gerçekte bir transistördür. Anahtarlama süreleri ise (darbe periyot oranları) doğal olarak regülatörün çıkış yüküne bağlı olarak yapılacaktır. Çıkış geriliminin ortalamasını almak ve harmonikleri zayıflatmak için sistemde bir LC filtresi kullanılmıştır.

Yukarı Doğru (BOOST) Regülatör

Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin kullanım alanları teknolojik gelişmelere paralel olarak son yıllarda oldukça artmıştır. Birkaç farklı tip anahtarlamalı gerilim regülatörü tasarımı yapılmaktadır. Bu bölümde; Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin tasarımında kullanılan yukarı doğru regülatör (step-up veya boost) tipi genel özellikleri ile incelenecek ve temel mantığı anlatılacaktır.

Yukarı doğru gerilim regülatörünün basitleştirilmiş devresi

Yukarı doğru (boost) anahtarlamalı regülatörlerin çıkışından alınan regüleli gerilim, girişinden uygulanan regülesiz dc gerilimden daha büyük olabilir. Bu tür regülatörlerin temel avantajı budur. Yukarı doğru anahtarlamalı gerilim regülatörün basitleştirilmiş temel devresi şekil-4’de verilmiştir. Devredende görüldüğü gibi S1 anahtarının açık olduğu durumda Vİ=V0’dır. Bu gerilim, regülatör çıkışındaki en küçük gerilimdir. S1 anahtarı kapalı olduğu zaman (tON) L bobini enerjilenmektetir. L bobinindeki enerji S1 anahtarının açık olduğu durumlarda Vi gerilimi ile birlikte çıkışa aktarılmaktadır. Bu nedenle bu tür regülatörlerde çıkış gerilimi, regülesiz giriş geriliminden büyük olabilmektedir.

Yön Çeviren (buck-bost) Regülatör

Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin kullanım alanları teknolojik gelişmelere paralel olarak son yıllarda oldukça artmıştır. Birkaç farklı tip anahtarlamalı gerilim regülatörü tasarımı yapılmaktadır. Bu bölümde; Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin tasarımında kullanılan yön çeviren regülatör (inverting veya buck-boost) tipi genel özellikleri ile incelenecek ve temel mantığı anlatılacaktır.

Yön çeviren regülatörlerde giriş pozitif iken, çıkış negatif kutupludur. Çıkış geriliminin değeri, regülesiz giriş geriliminden küçük veya büyük yada eşit olabilir. Çıkış geriliminin alacağı değer kontrol çevresi tarafından belirlenir. Tipik bir yön çeviren anahtarlamalı regülatör devresinin basit devresi şekil- 5’te verilmiştir.

yukarı doğru regülatörün basit devresi

Anahtarlamalı Tümdevre Regülatörleri

Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin tasarımı ve üretimi, lineer gerilim regülatörlerine nazaran oldukça zor ve karmaşıktır. Bu durumu göz önüne alan tümdevre üreticisi pek çok firma, bir veya birkaç katı barındıran tümdevreler geliştirmişlerdir. Bu bölümde; anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin tasarımında kullanılan birkaç farklı tümdevrenin örnek uygulamaları ve tipik verileri anlatılacaktır. Sizlere sunulan uygulamalar ve temel veriler üretici firma kataloglarından alınmıştır.

Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin tasarımının oldukça zor ve karmaşık olduğu belirtilmişti. Bu durumu dikkate alan pek çok tümdevre üreticisi firma, anahtarlamalı gerilim regülatörlerinde kullanılan bir veya birkaç bloğu tek bir tümdevre içerisinde kullanıcıya sunmuştur. Örneğin National Semicondustor firmasının geliştirmiş LM78S4 kodlu tümdevre bunlardan birisidir. Bu bölümde bu tümdevrenin kullanımı ve bazı teknik verileri sunulacaktır.

Bu tümdevrenin bazı önemli özellikleri aşağıda sıralanmıştır.
• Yukarı doğru, aşağı doğru ve yön çeviren anahtarlama regülatörü olarak kullanılabilir.
• Çıkış gerilimi 1.25V ile 40V aralığında istenilen bir değere ayarlanabilir.
• Tümdevre tek başına ve harici güç transistorü kullanmadan 1.5A’e kadar tepe akımı verebilir.
• Düşük geçiş (standby) akımı düşüktür.
• 80dB civarında yük ve hat regülasyonuna sahiptir.

Kesintisiz Güç Kaynakları

Kesintisiz Güç Kaynakları (Uninterrupted Power Supply–UPS) kısaca UPSveya KGK olarak tanımlanır. Gelişen teknolojiyle birlikte gereksinimlere bağlı olarak birkaç farklı KGK modeli vardır. Temel olarak 3 tip KGK tasarımı yapılmaktadır. Bu tasarımlar on-line KGK, off-line KGK ve Line-interractive KGK olarak adlandırılmaktadır. Bu bölümde belirtilen bu 3 tip KGK genel hatları ile incelenecek ve KGK’ların temel özellikleri verilecektir.

Kesintisiz güç kaynakları her hangi bir sisteme doğrudan kesintisiz güç sağlamazlar. Şehir şebekesinden beslenen cihazlar, kimi zaman enerji kesilmesinden kimi zaman enerjideki dalgalanmalardan etkilenirler. Şebekedeki kesilme ve dalgalanmaları etkisiz hale getirmek amacı ile KGK’lar tasarlanmıştır. KGK kullanılmasıyla pek çok hassas sisteme, sürekli ve düzenli güç sağlanabilir. Günümüzde hayatın pek çok alanında farklı amaçlar için pek çok hassas cihaz ve sistem kullanılmaktadır. Bu cihaz ve sistemler; şebekedeki ani gerilim değişimlerinden (düşme ve artma), gerilim kesilmelerinden ve gerilim hatlarına girmiş olan gürültülerden etkilenmektedirler. Bu etkilenme ve kesilmeleri yok etmek ve hassas cihazların tam performansta çalışmalarını sağlamak amacıyla çoğunlukla KGK’lar kullanılır.

Kesintisiz güç kaynağı kullanımına gereksinim duyulan sistem ve cihazlar aşağıda sıralanmıştır.

• Bilgisayarlar, ana makinelar (server), monitörler, yazıcılar, tarayıcılar..
• Telefon sistemleri ve santralları, fax’lar, modemler…
• Yazar kasalar, bar kod okuyucuları, ses ve görüntü sistemleri, alarm sistemleri, akaryakıt pompaları, elektronik terazi ve kantarlar, endüstriyel üretimde kullanılan bazı makineler…
• Sağlık endüstrisinde kullanılan pek çok tıbbi cihaz sayılabilir. Yukarıda sıralanan pek çok cihaz ve sistem; ekonomik bir öneme, tıbbi cihazlar ise yaşamsal bir öneme sahiptir. İnsan hayatıyla doğrudan ilintili olan tıbbi cihazlarda KGK kullanımı neredeyse zorunludur diyebiliriz.

Kaliteli bir Kesintisiz güç kaynağında bulunması gereken temel özellikler aşağıda maddeler halinde sıralanmıştır.

• Şebeke kesintisi ile güç kaynağının devreye girmesi eş zamanlı olmalı ve yük bundan etkilenmemelidir.
• Çıkış işareti iyi bir sinüsoydal dalga olmalı ve hatta oluşabilecek yükselme, düşme, gürültü v.b gibi etkilerle değişmemelidir.
• Çıkışında oluşabilecek aşırı akım ve kısa devrelere karşı koruması olmalıdır.
• Verimi yüksek, maliyeti düşük, ebatları küçük ve kullanımı kolay olmalıdır.
• Yük değişmelerinden etkilenmemeli ve iyi bir şebeke izolasyonuna sahip olmalıdır.
• Sistemde kullanılan akü uzun ömürlü olmalı ve akü şarjı kolay ve kısa süreli olmalıdır.

Elektrik üretimi ve dağıtımı yapan şirketlerin temiz, kararlı ve sabit bir şebeke gerilimi temin edememelerinin yanında, tabiat şartları (yıldırım, fırtına v.b) ve hassas cihazların yakınlarında yüksek güçlü makine ve motorların devreye girmesi veya devreden çıkması ile şebekede ani gerilim değişmelerine (düşme veya artma) neden olur.

Karşılaşılan sorunların çeşitlilik göstermesi ve bunlara karşı alınacak önlemler KGK’ların farklı modellerini gündeme getirmiştir. Sorunlara çözüm getirme ve çalışma ilkeleri göz önüne alınarak kesintisiz güç kaynakları temel olarak 3 grupta incelenebilir. Bunlar kısaca; on-line KGK, off-line KGK ve Line-interactive KGK olarak adlandırılır. Bu grupları kısaca inceleyelim.

On-Line KGK

On-line KGK, çift çevrimli (AC/DC ve DC/AC) sistem teknolojisi ve tam sinüsoydal dalga çıkışıyla en gelişmiş KGK’dır. Temel bir On-line KGK’nın blok diyagramı şekil-6’da verilmiştir.

On-line KGK’nın blok diyagramı

Off-Line KGK

Off-line KGK’lar, şebeke kesilmelerinde milisaniyeler mertebesinde bir gecikmeyle devreye girebilen KGK sistemleridir. Bu süre çoğunlukla 0.001s ile 0.005s arasındadır. Bu tip KGK’lar 2W’a kadar düşük güçler için kesintilerden etkilenmeyen ve ebeke izalasyonu gerekmeyen yerlerde kullanılabilir. Bu tip KGK’ların en önemli avantajı basit, hafif ve ucuz olmalarıdır.

Line-İnteractive KGK

Bu tip KGK’ları, on-line ve off-line KGK’lar arasında tanımlanır. Her iki tipin bazı özelliklerini üzerinde barındırır. Bu tip KGK’ları şebeke gerilimini devamlı kontrol ederek gerilim regülsayonu sağlarlar. Fakat yapılan regülsayonun kalitesi iyi değildir. Çıkışının filtrelenmiş olması ve maliyetinin düşük olması avantajıdır.

Şebeke gerilimi bir , şebeke kesilmelerinde milisaniyeler mertebesinde bir gecikmeyle devreye girebilen KGK sistemleridir. Bu süre çoğunlukla 0.001s ile 0.005s arasındadır. Bu tip KGK’lar 2W’a kadar düşük güçler için kesintilerden etkilenmeyen ve ebeke izalasyonu gerekmeyen yerlerde kullanılabilir. Bu tip KGK’ların en önemli avantajı basit, hafif ve ucuz olmalarıdır.

Kaynaklar

KAPLAN. İlyas, Güç Kaynakları, Mersin Üniversitesi Ders Notları, 1998
ÖZDEMİR. Ali, Temel Elektronik, 2001
http://www.silisyum.net/htm/guc_kaynaklari, 05.03.2008
http://www.guckaynagi.org/index.htm, 05.03.2008
http://www.antrak.org.tr/gazete/022001/tunc.htm, 05.03.2008