SMPS(Switch Mode Power Supply) Anahtarlamalı Güç Kaynağı Nedir ? Nasıl Çalışır ?
Herhangi bir elektrik ve elektronik devredeki güç kaynağı devresi , tüm devreye güç sağlamak için hayati bir rol oynar. Farklı devreler, farklı aralıklarda ve özelliklerde çeşitli güç türlerini gerektirir. Böylece farklı güç dönüştürücüleri kullanılarak istenen akım ve gerilim sağlanmış olur. Elektronik devrelerin vazgeçilmezi olan DC güç kaynaklarının 2 çeşidi bulunmaktadır.
- Doğrusal Güç Kaynakları
- Anahtarlamalı Güç Kaynakları (SMPS)
1. Doğrusal Güç Kaynakları
Adından da anlaşılacağı gibi, doğrusal bir regülatör, çıkışı düzenlemek için doğrusal bir bileşenin (direnç yükü gibi) kullanıldığı bir regülatördür. Bazen bir seri regülatör olarak da adlandırılır çünkü kontrol elemanları giriş ve çıkış arasında seri olarak düzenlenmiştir.
Doğrusal tip regülatörler direnç mantığı ile çalıştığı için yüksek oranda ısı meydana getirmektedir. LM7805 ile tasarlanan 10V/5V bir çevirici gerilimi 5 Volta düşürürken aktarılan enerjinin yarısını harcaması gerekir, bu da 5W’lık bir ısı meydana getirir ve sistem % 50 verimle çalışır. Aynı LM7805 regülatörünün girişine 7 volt verildiğinde sadece 2W enerji harcar ve % 71 verimlilik çalışır. Bu nedenle lineer regülatörler güç gereksiniminin fazla olmadığı elektronik kartları besleme gibi uygulamalarda tercih edilir. İki çeşidi bulunmaktadır:
a. Seri Voltaj Regülatörü
Yük ile seri olarak Zener diyot kontrollü bir Transistöre sahiptir. Burada regülatör, sabit ve tutarlı bir çıkış voltajı sağlamak için değişken bir giriş voltajına bağlı olarak direnci arttırıp azaltmaktadır.
b. Şönt Voltaj Regülatörü
Şönt voltaj regülatörü bir seri voltaj regülatörüne benzer şekilde çalışır, ancak yüke seri olarak bağlanmaz. Fazla voltajlar direnç sayesinde toprağa gönderilir.
Kullanım alanları; Ayarlanabilir voltaj güç kaynakları, Düşük çıkış gerilim anahtarlama güç kaynakları, Hassas akım sınırlayıcıları
2. Anahtarlamalı Güç Kaynakları(SMPS)
Temel olarak, enerji dönüşümü ve regülasyonunun, sürekli olarak yüksek frekansla “açıp” “kapanan” güç yarı iletkenleri tarafından sağlandığı bir cihazlar SMPS olarak adlandırılır.
Kullanım alanları; Bilgisayar güç kaynakları, Televizyon, Telefon şarj adaptörleri, Monitör, Ses sistemleri, DC motor sürücüleri gibi neredeyse tüm elektronik aletlerde yüksek güç seviyelerine çıkabilme ve yüksek verim avantajlarından dolayı talep görmektedir.
Temel olarak üç tip SMPS bulunmaktadır.
- Alçaltıcı (Buck Converter) Anahtarlamalı Güç Kaynağı
- Yükseltici (Boost Converter) Anahtarlamalı Güç Kaynağı
- Alçaltıcı/Yükseltici (Buck/Boost) Anahtarlamalı Güç Kaynağı
Yazımızda Anahtarlamalı Güç Kaynaklarının avantajlarına ve nasıl çalıştığını anlatmaya çalışacağım.
Öncelikle doğrusal güç kaynaklarından bahsetmek gerekirse, standart bir doğrusal bir güç kaynağında şebekeden çekilen 230V AC gerilimi öncelikle 12V gibi AC bir gerilime düşürülür, ardından köprü diyot ile DC’ye doğrultulur. Oluşan yarım dalga şeklinde gerilimin düzeltilmesi/filtrelenmesi için kondansatör kullanır. Sabit voltaj almak istediğimizde ise hemen ardından bir doğrusal regülatör kullanılır.
Doğrusal regülatörde trafo kullanımını ve dezavantajını öyle açıklayalım; evlerimizde kullandığımız trafolar 50 Hz gibi düşük bir frekansta çalışmaktadır (Her 20 ms’de bir döngü tamamlayan bir sisteme ancak elektrik mühendisleri yavaş der :) ). Her bobin, alternatif akım devrelerinde frekansla doğru orantılı olarak değişen, akım değişimine karşı bir direnç gösterir. Bu dirence endüktif reaktans denir. Endüktif reaktans XL ile gösterilir ve birimi aynı direnç gibi ohm (Ω) ‘dur. AC devrelerde endüktif reaktans; XL=2π.f.L formülü ile hesaplanır. Bu değerin karmaşık bir sayı olduğunu göz ardı etmeyelim!
Görüldüğü gibi bobin empedansı, frekans ve öz indüksiyon katsayısı ile orantılıdır. Bu nedenle yüksek güç gereksinimi olan sistemlerde yüksek endüktans değerini soğurmak için trafolarda çokça ağır metal çekirdekler, yüksek akımı taşımak için daha çok bakır sargılar bulunması gerekir. Sonucunda cihaz kütlece ağır ve pahalı bir sistem olmaktadır. Eski tip büyük ve ağır adaptörler bu şekilde çalışmaktadır.
SMPS devreler ise Doğrusal bir güç kaynağı gibi düşük frekansta değil, 20kHz gibi oldukça yüksek frekanslarda çalışarak daha küçük trafolar ve bunu sağlayacak çeşitli komponentler kullanır.
Doğrusal güç kaynakları %40 verimde çalışırken Anahtarlamalı güç kaynakları yaklaşık 80–95% verimle çalışırlar ve bunu daha küçük manyetik eleman kullanarak yapabilirler. SMPS’ler anahtarlama oranının değiştirerek birden fazla gerilim çıkışları da verebilmektedir. Ayrıca sadece alçaltıcı olarak değil yükseltici olarak da kullanılabilirler.
Öte yandan anahtarlamalı güç kaynaklarının yapıları karmaşıktır ve maliyet yüksektir. Ayrıca çıkıştaki gürültü ve bozunmalardan dolayı filtreye ihtiyaçları vardır.
NASIL ÇALIŞIR ?
Devre birçok bölümden oluşur. Bunları sırasıyla ele alırsak;
A: EMC(Electromagnetic Compatibility) Filtresi
Değişen bir elektrik alan veya manyetik alan EMI (Elektromanyetik Interferens (girişim)) ve RFI (Radyo Frekans Girişimi) üretir. SMPS beslemelerde dizaynlar EMI açısından kötü şartlara göre yapıldığı için, verimli bir SMPS için EMC filtresi gereklidir. Elektromanyetik girişim, cihazların havaya yaydığı uzaysal ışıma ile gerçekleşebileceği gibi cihazın içinden çıkan kablolardan iletkenlik yoluyla da oluşabilir.
“Elektromanyetik Uyumluluk” (Electromagnetic Compatibility, EMC) ise, bir cihaz veya sistemin elektromanyetik ortamda, bir girişime neden olmadan ve bir girişimden etkilenmeden çalışmaya devam etmesidir. Başka bir ifadeyle cihaz veya sistemin çalışıyorken diğer cihaz veya sistemleri etkilememesi ve onların çalışmasından etkilenmemesi olarak tanımlanabilir. Elektromanyetik girişim problemini bir örnek üzerinde açıklamak gerekirse: aynı enerji şebeke hattına bağlı bir televizyon ile bir matkabın çalışması, iletkenlik yoluyla oluşan girişime örnek olarak verilebilir. Bu problemde kaynak durumundaki matkap, enerji şebeke hattını, kablosunu, kuplaj yolu olarak kullanıp, etkilenen sistem durumundaki televizyon ekranında parazitlenme, bozulma meydana getirmektedir. Bu iki girişim örneğindeki cihazların çalışıyorken birbirlerini etkilememiş olması durumunda, elektromanyetik uyumluluktan söz edilebilir.
Devrede oluşacak problemden ötürü elektronik elemanların fazla akım çekmesi dolayısıyla elektronik elemanlara ve sisteme zarar vermemesi için devrenin çektiği akıma uygun cam sigorta kullanılır. Devrede oluşan tehlikeli sıcaklıklara karşı, sıcaklık değişimi ile direnci değişerek devreyi kısa devre yapan NTC elemanı kullanılır. İki eleman da devreye seri bağlanır.
B: Doğrultucu ve Birincil Filtre
Filtrelenen Alternatif Akım, ardından köprü diyot aracılığıyla Tam doğrultma işlemi yapılarak DC’ye çevrilir. Sadece pozitif alternans kalır ve yarım dalgalı bir şekilde oluşur. Bu yüzden sabit bir gerilim alabilmek için filtre uygulanır.
Filtreler
Darbeli DC’yi saf DC’ye dönüştürmek için filtre gereklidir. Adından da anlaşılacağı gibi, sinyaldeki salınımları filtreler ve çıkışta saf bir DC sağlar. Bu işi yapmak için kondansatör ve indüktörler gibi elektronik reaktif elemanlar kullanılır. Kondansatörler ve indüktörler gerilim ve akım değişimlerine direnç gösteren enerji depolama organlarıdır.
a. Endüktif(Bobinli) Filtre (L)
Doğrultma devresinin çıkışına seri bir şok bobini bağlamakla yapılan filtre devresidir. Yük devrede iken bobinden geçen akımda değişmeler olduğunda bobin öz indükleme yapar. Üzerinde öz indükleme emk’i (zıt emk) oluşur. Böylece akımdaki değişimleri azaltıcı yönde etki yapar. Yük akımı azalmaya başladığında artırıcı, yük akımı artmaya başladığında azaltıcı etki yaparak daha düzgün doğru akım oluşmasını sağlar. Bu filtre devresi büyük akımlı güç kaynaklarında kullanılır.
Devrede sıfır frekanslı dc voltajı için, RL yük direnci ile seri olarak Ri bir voltaj bölücü devre oluşturur ve böylece yük boyunca dc voltajı bu şekildedir:
Vdc = RL / (Ri + RL)
Vdc, tam dalgalı bir doğrultucunun çıkışıdır. Bu durumda, Ri’nin değeri RL ile karşılaştırıldığında ihmal edilebilir derecede küçüktür.
Yüksek harmonik gerilimlerin etkisi, daha yüksek harmonik bileşenler için daha iyi filtreleme gerçekleştiği için kolaylıkla ihmal edilebilir. Bunun nedeni, frekanstaki artışla birlikte indüktörün reaktansının da artmasıdır. Yük direnci değerindeki bir azalmanın veya yük akımının değerindeki bir artışın, devredeki dalgalanma miktarını azaltacağı unutulmamalıdır. Bu nedenle, seri indüktör filtresi çoğunlukla yüksek yük akımı veya küçük yük direnci durumlarında kullanılır.
b. Kondansatör Filtresi
Filtre olarak ayrıca kondansatör kullanılır ve bu yüksek değerli kondansatör devreye paralel bağlanır veya yük empedansı boyunca yerleştirilir. Bu kondansatör, bir doğrultucu üzerine yerleştirildiğinde şarj olur ve yüklenen enerjiyi iletim süresi boyunca depolar. Doğrultucu iletken olmadığında kondansatör tarafından yüklenen bu enerji yüke geri verilir. Bu enerji depolama ve deşarj süreci sayesinde çıkış akımının yük direncinden geçtiği süre artmakta ve dalgalanmalar büyük oranda azalmaktadır.
Kondansatör seçimi yaparken de aşağıdaki formüle uyulur. Vo, köprü diyot çıkışında kondansatöre ulaşan gerilim dalgalanmasının yarattığı gerilim farkıdır. Vm ise yarım dalganın maksimum değeridir. R yük direncini f ise anahtarlama frekansını göstermektedir. Hesaplamanın detaylarına ve örneğine Daniel W. Hart’ın kitabından ulaşabilirsiniz.
C: SÜRÜCÜ ve MOSFETLER
MOSFET, en kısa tanımıyla geçidi yalıtılmış alan etkili bir transistör çeşididir. SMPS’lerde sıkça kullanılmaktadır. Standart MOSFET’ler bir transistör gibi çalışırken, bunların haricindeki güç MOSFET’leri ise yüksek seviyeli güç kontrolü yapabilmeyi sağlamaktadır. Gerilim kontrollü bir yarıiletken olmalarıyla verimlilikleri ve ısıl performansları BJT’lere göre yüksektir.
MOSFET kullanmadan; 1 batarya, 1 buton, 1 direnç ve 1 LED ile de aynı işi yapan bir devre yapılabilir. Fakat LED yerine 2000 Watt’lık bir ısıtıcı rezistans kullanmak istendiğinde, basit bir push buton yeterli akımı sağlayamaz. Ayrıca bu rezistansın PWM ile sürülmesi istenirse, herhangi bir mekanik anahtarla yeterli akım sağlanabilse dahi yeterli hızda (20 kHz ve üzeri) anahtarlama yapılamaz. MOSFET’ler, bu ihtiyaçlara cevap veren kullanışlı devre elemanlarıdır. Bu yüzden güç elektroniği devrelerinde sıklıkla kullanılırlar.
Sürücü ise devrede MOSFET ve Transistörleri kontrol etmek, anahtarlamak için kullanılan özel entegrelerdir. Bununla birlikte son adımlarda da bahsedeceğimiz istenmeyen voltaj dalgalanmalarına karşı geribeslemeyi, sürücüye optokuplör aracılığıyla yapar. Bu sayede sürücü istenen akım ve gerilim ayarlanmasını yapar.
SMPS devresinde ise MOSFET’in drain ve source bacakları doğrultulan DC gerilime ve trafo bobinine bağlıdır. MOSFET’in gate bacağına sürücü vasıtasıyla yüksek kare dalga frekansları uygulanarak anahtarlama yapılır. Bundan dolayı hızlı değiştirme bobini şarj ve deşarj olur. Çıkış değeri Osiloskop ile ölçüldüğünde yine AC gerilim görülür fakat kare dalga şeklinde ve 20kHz gibi yüksek frekanslarda oluşur.
D: TRAFO VE DOĞRULTUCU
Oluşan Alternatif Kare Dalga trafonun sargı çıkışlarından, yarım köprü doğrultucuna Schottky Diyot ile doğrultularak sadece pozitif alternans kalır. Schottky diyodu güç elektroniği elemanı olarak bilinir. Düşük seviyede ileri gerilim düşümü ve çok hızlı anahtarlama gibi kabiliyetleri bu tür diyodu diğer diyotlardan ayırıcı bir özellik haline getirir.
Silikon diyotlarda üzerinden akım geçerken diyot üzerine düşen gerilim 0.6V-1.7V arasında değişirken, Schottky diyotlarda ise bu gerilim değeri yaklaşık olarak 0.15V-0.45V arasında değişir. Bu sayede çok daha hızlı bir anahtarlama sağlanırken sistemin verimi de aynı oranda bir artış gösterir. Bu elemanlar doğru polarmada 0.25 volt değeriyle bile iletime geçebilirler.
E: İKİNCİ FİLTRE
Filtre amaçlı kondansatör ve bobin kullanılır. Bu sayede yüksek akım verebilen sabit DC gerilim elde etmiş olunur. Cihazın ihtiyacına göre genellikle birden fazla gerilim çıkışı olur.
F: Feedback(Geribesleme)
Bu tür devrelerde en önemli bölüm geri besleme katıdır. Devre tüm değerlerini istenen referans değerine ulaşmak için hareket eder ve geliştirilen kart istenen gerilim veya akım değerinde çalışır.
Giriş sinyalindeki dalgalanmalar nedeniyle çıkış gerilimi artabilir veya azalabilir. Oluşan gerilimin istikrarlı ve sabit olabilmesi için sürücüye geribildirim yapılması gerekir.
Bu geribildirimin yapılabilmesi için optokuplör veya trafo kullanılır. Bu elemanların kullanılmasının nedeni ise yüksek gerilim katı ile düşük gerilim katı arasında izolasyonu sağlamaktır. Giriş uçlarında bir LED diyot ve çıkış uçlarında led diyotun yaydığı ışıktan etkilenerek iletimi sağlayan bir adet foto eleman bulunan optokuplörlerin giriş uçlarına elektrik akımı verildiğinde led diyot ışık yayar ve yayılan bu ışık foto transistör tarafından algılanarak iletime geçirilir. Bu sayede elektrik akımı ışık ile iletilir. Böylece farklı gerilim katları birbirinden izole edilerek devrenin sorunsuz çalışması sağlanır.
Kabaca başlıkları bir arada göstermek istersek SMPS’in çalışma mantığı bu şekildedir.
Yazımızda temel olarak SMPS devrelerinin temel çalışma mantığını anlatmaya çalıştık. Hayatımızın birçok noktasında kullandığımız bilgisayar, televizyon, telefon şarj adaptörleri gibi daha birçok teknolojik aletin enerji ihtiyaçlarını karşılamaktadır. Elektrik enerjisini en verimli bir şekilde kullanarak çalışan bu sistemler günümüzde hızla gelişmeye devam etmektedir.
Kaynaklar
- Her güçcünün el kitabı Power Electronics from Daniel W. Hart (namı değer Hart’s book)
