Anahtarlamalı Güç Kaynakları Özellikleri Çeşitleri

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.