Tweet
Elektronik devrelerde güç kaynaklarının temelini, AC güç kaynaklarını DC güç kaynaklarına çeviren dönüştürücüler oluşturur. SMPS'ler (Switch Mode Power Supply) ise içerisinde,
verimli bir şekilde güç üretmek için anahtarlamalı regülatör bulunduran güç kaynaklarıdır.
400fbb8c-b5f4-43aa-a96b-0e0574d1cf00.jpg
SMPS, anahtarlamalı güç kaynağı standart yöntemlerle gerekli çıkış voltajlarını elde etmek yerine bu voltajı yarı iletkenli anahtarlama tekniklerini kullanarak sağlayan bir sistemdir.
SMPS'nin çalışmasında önemli noktalardan biri, anahtarlamalı gerilim regülatörü olmasıdır. Öncelikle anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin özelliklerinden, artılarından ve eksilerinden bahsedelim.
Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin üretim ve tasarımı lineer gerilim regülatörlerine nazaran çok daha zor ve maliyetlidir. Regülatörün çıkış gürültü (noise) seviyeleri oldukça yüksektir.
Ayrıca çalışma frekansları şebeke frekansından çok daha yüksektir. (kHz seviyelerinde) Bu olumsuzlukların yanında anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin verimi oldukça yüksektir ve doğrusal gerilim
regülatörlerinde çıkış geriliminin giriş geriliminde yüksek olması gerekirken anahtarlamalı regülatörlerde çıkış değeri girişden küçük veya büyük olabilir. Çoğu DC güç kaynağı içerisinde şebeke trafosu,
yarım veya tam dalda doğrultucu, elektronik bir filtre ve voltaj regülasyon devresi içerir. Aşağıda standart bir güç kaynağındaki bu işleyiş sırasıyla verilmiştir.
switchmode1.gif
Basit bir anahtarlamalı dönüştürücü güç anahtarlama basamağı ve kontrol devresinden oluşur. Güç anahtarlama aşaması devrenin giriş voltajının(Vin), güç dönüşümünü sağlar.
SMPS'nin en önemli avantajı standart lineer regülatörlerle karşılaştırıldığında çok yüksek verimlerde dönüşüm yapabilmesidir. Ve bu dönüşüm devrenin içindeki bir transistör ya da MOSFET
anahtarlaması ile elde edilir. SMPS güç kaynaklarını bir diğer önemli özellikleri ise lineer regülatörlü dönüştürücüleri gibi sadece alçaltıcı olarak çalışmazlar. Temel olarak üç tip SMPS bulunmaktadır.
Bunlar alçaltıcı (Buck Converter), yükseltici (Boost Converter) ve hem alçaltıcı hem yükseltici SMPS'lerdir. Bu çeşitler isimlerinden de anlaşılacağı gibi alçaltıcılar giriş voltajı ve o voltajın altında çıkış voltajları
verebilen SMPS'lerdir. Yükselticiler ise giriş voltajında yüksek gerilim değerlerinde çıkış voltajı verebilen SMPS'lerdir.
1) Alçaltıcı (Buck Converter) Anahtarlamalı Güç Kaynağı
Buck anahtarlama regülatörü, bir anahtarlamalı güç kaynağı devresi çeşididir ve giriş voltaj gerilimini etkin bir şekilde azaltmak için tasarlanırlar. Tasarlanan bu devre mevcut gerilimin kutuplarını değiştirmeden
sadece değerini azaltarak çıkışa verir. Alçaltıcı anahtarlamalı regülatör DC'den DC'ye dönüşüm yapan basit bir dönüştürücü tipidir ve SMPS'lerde kullanılan en yaygın regüle şeklidir. Alçaltıcı anahtarlamalı
regülatör SMPS içerisinde kullanılırken aşağıdaki devrede görüldüğü gibi seri transistör ya da güç mosfeti ile anahtarlanır.
switchmode3.gif
Yukarıdaki devre konfigürasyonunda buck converter için transistör anahtarlaması bulunmaktadır. TR1 kendisine uygulanan sürücü devresiyle giriş gerilimini mümkün olduğunca istenen gerilim seviyesine yakın tutar.
Devrede diyot D1, bobin L1 ve süzgeçleme kondansatörü C1'dir. Buck Converter'lerin transistörün on-state ve off-state olma durumuna bağlı iki çalışma modu vardır. İşte burada regüle için asıl önemli olan faktör transistörün
birim zamanda ne kadar süre ile on-state ne kadar süre ile off-state durumunda kaldığıdır. Devrenin çıkış voltajı bu süreler üzerine kurulu bir denklem ile hesaplanır. Bu denklemi devrenin on-state ve off-state çalışma hallerini inceledikten sonra öğreneceğiz.
Transistör on-state yani tetiklenmiş durumdayken diyot giriş gerilimine ters yönlü bağlanmış bir şekilde durur, bu akımın bobin üzerinden akmasına neden olur ve böylelikle C1 kapasitörü de yüklenir.
Devrede değişen akım indüksiyon bobini üzerinden akar ve Faraday yasası gereğince akım akmasına karşın bobin üzerinde kararlı bir manyetik alan oluşana kadar emk oluşur. Transistör kontrol devresi tarafında off-state
durumuna getirildiğinde ise giriş voltajı transistörün emitör bacağından anında kesilir ve bobin üzerinde, çıkış gerilimine eşit ve ters polariteli bir gerilim gözlemleriz.
Yani transistör on-state durumunda iken akım kaynak tarafında temin edilmektedir, off-state durumunda ise akım bobin tarafında temin edilmektedir. Transistör seri bir şekilde on-state ve off-state durumları arasında
geçiş yapabilecek bir tetik devresiyle tetiklenirse devrenin çıkışında transistörün on-state ve off-stare sürelerine bağlı bir gerilim elde edilir. İşte bu gerilimin transistörün on-off döngüsündeki sürelere bağlı değişim formülü aşağıdaki gibidir.
switchmode4.gif
Burada Ton transistörün on-state durumunun süresi, Toff transistörün off-state durumundaki süresidir. Sonuç olarak alçaltıcı SMPS'lerde buck converter devrelerini tetikleyen devreler bulunur ve çıkış gerilimi bu devrelerin tetik sürelerine bağlı olarak elde edilir.
2) Yükseltici (Boost Converter) Anahtarlamalı Güç Kaynağı
Boost converter devresiyle oluşturulmuş anahtarlamalı güç kaynakları giriş voltaj gerilimini etkin bir şekilde artırmak için tasarlanır. Tasarlanan bu devre mevcut gerilimin polaritesinin değiştirmeden sadece değerinin artırarak çıkışa verir.
Aşağıdaki boost converter devresinde transistör iletimdeyken devre güç kaynağından beslenir ve bobin üzerindeki akım transistörün iletimde olmaması durumuna göre artar ve böylelikle bobin üzerinde enerji depolanmaya başlar.
Transistör kesime gittiğinde ise bobinde depolanan enerji D1 diyotu üzerinde bir akım oluşturur. D1'den akan akım yüke ve kondansatöre doğru akmaya başlar. Transistör iletimdeyken bobinde depolanan enerji deşarj olur ve bobin
üzerindeki gerilimin polaritesi güç kaynağının polaritesiyle aynı olur. Böylece Vout çıkış geriliminin seviyesi yükseltilmiş olur.
switchmode6.gif
Transistör periyodik olarak tetiklendiği sürece çıkışta transistörün birim zamandaki iletim ve kesim sürelerine ve giriş geriliminin değerine bağlı olarak bir
Vout çıkış gerilimi elde edilir ve bu Vout çıkış gerilimi aşağıdaki şekilde hesaplanır.
switchmode7.gif
Burada D transistörün birim zamandaki switch-on ve switch-off oranlarına bağlı bir değişkendir ve D değişkeni de aşağıdaki formülle hesaplanır.
switchmode5.gif
3) Alçaltıcı/Yükseltici (Buck/Boost) Anahtarlamalı Güç Kaynağı
Alçaltıcı ve yükseltici anahtarlamalı güç kaynakları yukarıda gördüğümüz buck converter ve boost converter devrelerinin kombinasyonundan oluşur. Bu tür SMPS'lerde çıkış gerilimi giriş geriliminin değerinin üzerinde veya altında olabilir. Fakat bu tür yapılarda dikkat edilmesi gereken nokta Vin giriş geriliminin polaritesi ile Vout çıkış geriliminin polaritesi birbirinden farklıdır.
switchmode8.gif
Devrede transistör iletimde iken Vin kaynek gerilimi devredeki bobini besler ve bobinde enerji depolanır. Bu durumda D1 diyotu ters bağlandığında girişten çıkışa doğru akım akmaz. Transistör kesime gittiğinde ise bobinde depolanan enerji devredeki OFF yönünde bir akım oluşturur ve böylelikle daha önce bobinde depolanmış enerji yüke aktarılır fakat dikkat edilmesi gereken nokta transistör kesimde ike akım diyotun iletim yönünde oluşacağından giriş geriliminin polaritesi ile çıkış geriliminin polaritesi ters olur.
Diğer bir deyişle transistör tetiklenirken kaynaktan gelen enerji bobinin yüklenmesinin sağlar ve çıkıştı bir gerilim oluşmaz. Transistör kesime gittiğinde ise bobine yüklenen enerji yük üzerine aktarılır. Çıkıştan ters polarlanmış olarak alınan geriliminin ne kadar büyük olacağı ise giriş gerilimine ve transistöre uygulanan sinyalin görev döngüsüne (Duty cycle) bağlıdır. Sonuç olarak yukarıdaki devrelerde olduğu gibi transistörün birim zamandaki iletim ve kesim sürelerine ve giriş voltajına bağlı bir çıkış gerilim denklemi elde edilir ve denklem şu şekildedir;
switchmode5.gif
switchmode9.gif
Formülden de görüleceği gibi çıkış gerilimi giriş gerilim değerinin altında ve üstünde değerler alabilir ve bu devredeki yarı iletkeni tetikleyen sinyal üretecinin görev döngüsüne bağlıdır.
electronics-tutorials.ws
verimli bir şekilde güç üretmek için anahtarlamalı regülatör bulunduran güç kaynaklarıdır.
400fbb8c-b5f4-43aa-a96b-0e0574d1cf00.jpg
SMPS, anahtarlamalı güç kaynağı standart yöntemlerle gerekli çıkış voltajlarını elde etmek yerine bu voltajı yarı iletkenli anahtarlama tekniklerini kullanarak sağlayan bir sistemdir.
SMPS'nin çalışmasında önemli noktalardan biri, anahtarlamalı gerilim regülatörü olmasıdır. Öncelikle anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin özelliklerinden, artılarından ve eksilerinden bahsedelim.
Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin üretim ve tasarımı lineer gerilim regülatörlerine nazaran çok daha zor ve maliyetlidir. Regülatörün çıkış gürültü (noise) seviyeleri oldukça yüksektir.
Ayrıca çalışma frekansları şebeke frekansından çok daha yüksektir. (kHz seviyelerinde) Bu olumsuzlukların yanında anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin verimi oldukça yüksektir ve doğrusal gerilim
regülatörlerinde çıkış geriliminin giriş geriliminde yüksek olması gerekirken anahtarlamalı regülatörlerde çıkış değeri girişden küçük veya büyük olabilir. Çoğu DC güç kaynağı içerisinde şebeke trafosu,
yarım veya tam dalda doğrultucu, elektronik bir filtre ve voltaj regülasyon devresi içerir. Aşağıda standart bir güç kaynağındaki bu işleyiş sırasıyla verilmiştir.
switchmode1.gif
Basit bir anahtarlamalı dönüştürücü güç anahtarlama basamağı ve kontrol devresinden oluşur. Güç anahtarlama aşaması devrenin giriş voltajının(Vin), güç dönüşümünü sağlar.
SMPS'nin en önemli avantajı standart lineer regülatörlerle karşılaştırıldığında çok yüksek verimlerde dönüşüm yapabilmesidir. Ve bu dönüşüm devrenin içindeki bir transistör ya da MOSFET
anahtarlaması ile elde edilir. SMPS güç kaynaklarını bir diğer önemli özellikleri ise lineer regülatörlü dönüştürücüleri gibi sadece alçaltıcı olarak çalışmazlar. Temel olarak üç tip SMPS bulunmaktadır.
Bunlar alçaltıcı (Buck Converter), yükseltici (Boost Converter) ve hem alçaltıcı hem yükseltici SMPS'lerdir. Bu çeşitler isimlerinden de anlaşılacağı gibi alçaltıcılar giriş voltajı ve o voltajın altında çıkış voltajları
verebilen SMPS'lerdir. Yükselticiler ise giriş voltajında yüksek gerilim değerlerinde çıkış voltajı verebilen SMPS'lerdir.
1) Alçaltıcı (Buck Converter) Anahtarlamalı Güç Kaynağı
Buck anahtarlama regülatörü, bir anahtarlamalı güç kaynağı devresi çeşididir ve giriş voltaj gerilimini etkin bir şekilde azaltmak için tasarlanırlar. Tasarlanan bu devre mevcut gerilimin kutuplarını değiştirmeden
sadece değerini azaltarak çıkışa verir. Alçaltıcı anahtarlamalı regülatör DC'den DC'ye dönüşüm yapan basit bir dönüştürücü tipidir ve SMPS'lerde kullanılan en yaygın regüle şeklidir. Alçaltıcı anahtarlamalı
regülatör SMPS içerisinde kullanılırken aşağıdaki devrede görüldüğü gibi seri transistör ya da güç mosfeti ile anahtarlanır.
switchmode3.gif
Yukarıdaki devre konfigürasyonunda buck converter için transistör anahtarlaması bulunmaktadır. TR1 kendisine uygulanan sürücü devresiyle giriş gerilimini mümkün olduğunca istenen gerilim seviyesine yakın tutar.
Devrede diyot D1, bobin L1 ve süzgeçleme kondansatörü C1'dir. Buck Converter'lerin transistörün on-state ve off-state olma durumuna bağlı iki çalışma modu vardır. İşte burada regüle için asıl önemli olan faktör transistörün
birim zamanda ne kadar süre ile on-state ne kadar süre ile off-state durumunda kaldığıdır. Devrenin çıkış voltajı bu süreler üzerine kurulu bir denklem ile hesaplanır. Bu denklemi devrenin on-state ve off-state çalışma hallerini inceledikten sonra öğreneceğiz.
Transistör on-state yani tetiklenmiş durumdayken diyot giriş gerilimine ters yönlü bağlanmış bir şekilde durur, bu akımın bobin üzerinden akmasına neden olur ve böylelikle C1 kapasitörü de yüklenir.
Devrede değişen akım indüksiyon bobini üzerinden akar ve Faraday yasası gereğince akım akmasına karşın bobin üzerinde kararlı bir manyetik alan oluşana kadar emk oluşur. Transistör kontrol devresi tarafında off-state
durumuna getirildiğinde ise giriş voltajı transistörün emitör bacağından anında kesilir ve bobin üzerinde, çıkış gerilimine eşit ve ters polariteli bir gerilim gözlemleriz.
Yani transistör on-state durumunda iken akım kaynak tarafında temin edilmektedir, off-state durumunda ise akım bobin tarafında temin edilmektedir. Transistör seri bir şekilde on-state ve off-state durumları arasında
geçiş yapabilecek bir tetik devresiyle tetiklenirse devrenin çıkışında transistörün on-state ve off-stare sürelerine bağlı bir gerilim elde edilir. İşte bu gerilimin transistörün on-off döngüsündeki sürelere bağlı değişim formülü aşağıdaki gibidir.
switchmode4.gif
Burada Ton transistörün on-state durumunun süresi, Toff transistörün off-state durumundaki süresidir. Sonuç olarak alçaltıcı SMPS'lerde buck converter devrelerini tetikleyen devreler bulunur ve çıkış gerilimi bu devrelerin tetik sürelerine bağlı olarak elde edilir.
2) Yükseltici (Boost Converter) Anahtarlamalı Güç Kaynağı
Boost converter devresiyle oluşturulmuş anahtarlamalı güç kaynakları giriş voltaj gerilimini etkin bir şekilde artırmak için tasarlanır. Tasarlanan bu devre mevcut gerilimin polaritesinin değiştirmeden sadece değerinin artırarak çıkışa verir.
Aşağıdaki boost converter devresinde transistör iletimdeyken devre güç kaynağından beslenir ve bobin üzerindeki akım transistörün iletimde olmaması durumuna göre artar ve böylelikle bobin üzerinde enerji depolanmaya başlar.
Transistör kesime gittiğinde ise bobinde depolanan enerji D1 diyotu üzerinde bir akım oluşturur. D1'den akan akım yüke ve kondansatöre doğru akmaya başlar. Transistör iletimdeyken bobinde depolanan enerji deşarj olur ve bobin
üzerindeki gerilimin polaritesi güç kaynağının polaritesiyle aynı olur. Böylece Vout çıkış geriliminin seviyesi yükseltilmiş olur.
switchmode6.gif
Transistör periyodik olarak tetiklendiği sürece çıkışta transistörün birim zamandaki iletim ve kesim sürelerine ve giriş geriliminin değerine bağlı olarak bir
Vout çıkış gerilimi elde edilir ve bu Vout çıkış gerilimi aşağıdaki şekilde hesaplanır.
switchmode7.gif
Burada D transistörün birim zamandaki switch-on ve switch-off oranlarına bağlı bir değişkendir ve D değişkeni de aşağıdaki formülle hesaplanır.
switchmode5.gif
3) Alçaltıcı/Yükseltici (Buck/Boost) Anahtarlamalı Güç Kaynağı
Alçaltıcı ve yükseltici anahtarlamalı güç kaynakları yukarıda gördüğümüz buck converter ve boost converter devrelerinin kombinasyonundan oluşur. Bu tür SMPS'lerde çıkış gerilimi giriş geriliminin değerinin üzerinde veya altında olabilir. Fakat bu tür yapılarda dikkat edilmesi gereken nokta Vin giriş geriliminin polaritesi ile Vout çıkış geriliminin polaritesi birbirinden farklıdır.
switchmode8.gif
Devrede transistör iletimde iken Vin kaynek gerilimi devredeki bobini besler ve bobinde enerji depolanır. Bu durumda D1 diyotu ters bağlandığında girişten çıkışa doğru akım akmaz. Transistör kesime gittiğinde ise bobinde depolanan enerji devredeki OFF yönünde bir akım oluşturur ve böylelikle daha önce bobinde depolanmış enerji yüke aktarılır fakat dikkat edilmesi gereken nokta transistör kesimde ike akım diyotun iletim yönünde oluşacağından giriş geriliminin polaritesi ile çıkış geriliminin polaritesi ters olur.
Diğer bir deyişle transistör tetiklenirken kaynaktan gelen enerji bobinin yüklenmesinin sağlar ve çıkıştı bir gerilim oluşmaz. Transistör kesime gittiğinde ise bobine yüklenen enerji yük üzerine aktarılır. Çıkıştan ters polarlanmış olarak alınan geriliminin ne kadar büyük olacağı ise giriş gerilimine ve transistöre uygulanan sinyalin görev döngüsüne (Duty cycle) bağlıdır. Sonuç olarak yukarıdaki devrelerde olduğu gibi transistörün birim zamandaki iletim ve kesim sürelerine ve giriş voltajına bağlı bir çıkış gerilim denklemi elde edilir ve denklem şu şekildedir;
switchmode5.gif
switchmode9.gif
Formülden de görüleceği gibi çıkış gerilimi giriş gerilim değerinin altında ve üstünde değerler alabilir ve bu devredeki yarı iletkeni tetikleyen sinyal üretecinin görev döngüsüne bağlıdır.
electronics-tutorials.ws