Anahtarlama (switching) yöntemi ile çalışan güç kaynaklarına bu yazı ile başlıyoruz. Ve bu kısımda, Anahtarlama Güç Kaynağı teorisini öğreneceğiz.

V. KISIM 

ANAHTARLAMA GÜÇ KAYNAĞI SİSTEMLERİ

Bu kısım anahtarlama regülatörler kullanan anahtarlama güç kaynağı sistemlerinin çalışmasını açıklamaktadır. İlk dört kısımda anlatılan doğrusal sistemlere göre bir anahtarlama regülatörün çok daha fazla yüksek verimliliği vardır.
Doğrusal seri-geçişli regülatörler, gerektiğinden daha yüksek olan bir giriş voltajını istenilen daha düşük bir voltaja çevirirler. Fazla enerji (kontrol elemanındaki voltaj düşümü çarpı içinden geçen akım) ısı olarak çıkar. Sonuç olarak tipik seri-geçişli regülatörlerin çevirme verimliliği (P_çıkış / P_giriş)  %50 veya daha azdır.
Diğer bir taraftan, anahtarlama regülatörlerin çevirme verimliliği %85 veya daha fazla olabilir. Böyle bir verimlilik, verilen çıkış gücünde, daha az ısı dağılımına ve küçük malzeme boyutlarına sebep olur. Diğer avantajları ise:
1- Daha geniş akım ve voltaj aralığında çalışma, 
2- Kontrol elemanını anahtarlama modunda çalıştırma,
3- Giriş voltajının çıkış voltajından düşük olabilmesi ve 
4- Çıkış voltajının giriş voltajına göre ters polaritede olabilmesidir.

ANAHTARLAMA GÜÇ KAYNAĞI ÇALIŞMA PRENSİPLERİ

Şekil 5-1, bir anahtarlama regülatörlü güç kaynağının blok şemasıdır. Görülebileceği gibi 3. kısımda anlattığımız doğrusal sistemlerle anahtarlama sistemler arasında birçok benzerlik vardır. Farklar, geçici enerji depolamak için kullanılan bir endüktörün işlevinde ve regülasyonu sağlamak için kontrol elemanının nasıl kontrol edildiğinde yatmaktadır.

Şekil  5-1 Anahtarlama Güç Kaynağı Blok Şeması

Eğer AC kaynak kullanılırsa, regülatöre DC giriş voltajı sağlayan transformasyon, doğrultmaç ve filitreleme devreleri doğrusal güç kaynağındaki gibi anahtarlama güç kaynağında da aynı fonksiyonları yerine getirecektir. Eğer bir DC kaynak kullanılırsa, ripple için veya gürültü azaltmak için veya kararlılık için bir giriş filitresi gerekebilir.

Kontrol Elemanı İşlevi
Doğrusal sistemlerde regülasyon, kontrol elemanının direncinin değiştirilmesi ile başarılır. Anahtarlama sistemlerde, kontrol elemanını hızlıca açıp kapatarak ve AÇIK kalma ve KAPALI kalma sürelerinin oranını değiştirerek yapılır. Seri-geçişli kontrol elemanının aksine doğrusal bir çalışma durumu yoktur; kontrol elemanı ya tamamen AÇIK ya da tamamen KAPALIdır.
AÇIK kalma anahtarlama durumu, endüktörün geçici depo elemanına enerjiyi ani doldurmalarla �pompalar�. Anahtarlama KAPALI durumda iken, depolanmış enerji, gerektiğinde yükü beslemek için filitre kondansatörüne bir diyotla yönlendirilir. Örnekleme elemanı, refereans voltajı kaynağı ve hata yükseltici bir doğrusal kaynaktakine benzer bir tarzda çalışır. Ancak, hata yükseltecinin çıkışı farklı kullanılır.

Hata Yükseltici, Osilatör ve PWM
Anahtarlama regülatörü için yeni devreler: osilatör, darbe genliği modülatörü (PWM) ve geçici depolama elemanı bobinidir. Kontrol elemanı hala bir tranzistör veya FET'li güç tranzistörüdür, fakat bir anahtar olarak çalıştırılır. Şekil 5-2�de gösterildiği gibi PWM tarafından açılır ve kapanır.

Şekil  5-2 Anahtarlama ve Kontrol Dalga şekilleri

Osilatör çıkış darbelerini sabit bir frekansta sağlar ve PWM çıkış darbeleri, osilatör darbelerinin toplam T peryodu ile karşılaştırıldığında değişken AÇIK süreleri vardır. PWM girişine gelen osilatör darbesi, PWM çıkış darbesine, kontrol elemanını AÇIK duruma getirmesini söyler. Hata yükselteci voltaj seviyesi, PWM�e, çıkış darbesinin kontrol elemanını AÇIK durumda ne kadar tutacağını söyler. Böylece, hata yükselteci çıkışı PWM darbesinin genliğini kontrol eder, o da kontrol elemanının AÇIK süresini kontrol eder. Kontrol elemanını görev süreci (duty cycle) t_AÇIK / T dir.

Bobin Etkisi � Enerji Depolama
Geçici depolama bobininin etkisi anlaşılmadıkça, anahtarlama regülatörü anlaşılamaz. Şekil 5-3a, yükü ifade eden direnç R ile seri bağlı olan bir bobin ve V_IN voltajlı bir pile bağlı S1 anahtarını göstermektedir. İlk durum şöyledir: S1 açık, akım sıfır (I=0) ve yük üzerindeki voltaj sıfırdır (V_R=0). L bobininin hiç direnci olmadığı varsayılmıştır.
Devrenin yanında gösterilen eğri, V_R değerinin zamana karşı çizimidir. V_R=IR ve R bir sabit olduğundan, çizim aynı zamanda devredeki herhangi bir zamandaki I değerini göstermektedir. S1 göreceli uzun bir süre kapatıldığında, dikkat edin ki:

V_R = V_IN ve I = V_IN / R olmaktadır. S1�in kapatıldığı anda, devredeki akım V_IN/R değerine çıkmaya çalışır, ancak bobin etkisi akım değişimine direnir. O bunu akım değişimine direnecek bir yönde, üzerinde bir V_L karşı voltajı oluşturarak yapar. Karşı voltaj teknik olarak �karşı elektromotif güç� (CEMF) olarak tanımlanır  (1. Kısımda jeneratörler ve transformatörlerde anlatılan �endüksiyon ile voltaj� ile aynıdır). Akım değiştikçe, akım değişiminden dolayı bobinden uzayan manyetik değişkenlik, bobinin turlarını keser ve bobindeki karşı voltajı (V_L) endükler. Bobinin üzerinde oluşan V_L (veya CEMF) şu formül ile gösterilebilir: V_L = L (delta I / delta t) Burada L= henri olarak endüktansı, delta I = amper olarak akım değişimi, delta t = saniye olarak akım değişiminin zaman peryodudur.

S1�in kapatıldığı anda, akım sıfırdan maksimuma değişmeye çalışmaktadır, bu durumda V_L maksimumdur. Böylece, tüm giriş voltajı bobinin uçlarında gözükür
V_R = 0. Zaman geçtikçe, V_R için gösterilen logaritmik bir eğride akım artar ve sonuçta V_IN/R maksimum değerine ulaşır. Akım maksimuma ulaştığında, artık değişmez ve manyetik değişkenlik değişmesini durdurur, yani V_L=0 olur. Tüm giriş voltajı, V_IN, R�nin üzerinde gözüktüğünden, V_R maksimumdur. Sonuç olarak, bobinin etkisi bir akım değişimine direnmek ve üzerindeki akım ile oluşan manyetik alandaki enerjiyi saklamaktır. S1 açıldığında oluşan akım değişimine benzer bir direnme devam eden paragraflarda anlatılmaktadır.

Bobin Etkisi � Enerji Boşalması
Şekil 5-3b, Şekil 5-3a ile aynı deverdir, ancak D1 eklenmiştir. Diyotun amacı kısaca anlatılacaktır: Devredeki akım maksimum, V_IN/R ve V_R=V_IN dir. Enerji bobini saran manyetik alanda depolanmıştır. Şimdi S1 açılır. Devrenin yanındaki eğri zamana karşı V_R�nin çizimidir. S1�in açıldığı anda, I akımı sıfıra değişmek ister, çünkü S1 açıktır. I sıfıra değişmek istediğinden L�de bulunan manyetik alan ani düşüşe geçer. Manyetik alan bobindeki tel sarımlarını kestiğinden, karşı voltaj V_L tekrar endüklenir, ama bu sefer V_L�nin polaritesi, Şekil 5-3a�dakinin tersinedir.

Şekil  5-3 Anahtarlanmış Bobin Etkisi

Polarite, akımı S1 açıldığındaki durumdaki aynı yönde tutmak istemektedir. Manyetik alan ani düşüşe geçtiğinde D1 I�dan R ve L�ye tam bir yol sağlar (D1 olmasaydı, açılmış S1 uçlarında çok yüksek bir voltaj oluşacaktı, bu da L�de depolanmış enerjinin boşalması için uçlarda ark oluştururdu). 
Bu durumda, L�nin manyetik alanında depolanmış enerji, I�daki değişime direnmek için L�ye bir voltaj endükleyerek ve I�dan R�ye akım değişimi oluşmadan önceki durumdaki aynı yönü sağlamak için devreye geri döner. V_R ve böylece I, I ve V_R sıfır olana kadar alan düştükçe logaritmik bir eğri doğrultusunda azalır. V_L Şekil 5-3a�daki aynı denklemle hesaplanır. Şekil 5-3a ve 5-3b�de anlatılan bobin etkisi birçok değişik tipteki anahtarlama regülatöründe kullanılır.

STEP-DOWN (AŞAĞIYA) REGÜLATÖR
Şekil 5-4a bir aşağıya anahtarlama regülatörü için bir kontrol elemanı, bobin ve çıkış filitresini göstermektedir. Gerekli regüle voltajı, giriş voltajından düşük olduğunda kullanılmaktadır. Kontrol elemanı açık duruma geldiğinde, bobin enerji depolar, yük akımını sağlamaya yardımcı olur ve kondansatöre akım sağlar. Kontrol elemanı kapatıldığında, L�de saklı olan enerji yük akımının beslenmesine yardımcı olur, ama aynı zamanda kontrol elemanı kapalı olduğu sırada, yüke sağlanan C_F�deki şarjı tekrar saklamaya çalışır ve L enerjisini deşarj eder. Bu devrede kontrol elamanı açık olduğundan V_L=V_IN � V_o ve kontrol elemanı kapatıldığında V_L=V_o olur.
Şekil 5-4�deki devrenin yanında, devredeki bobin ve/veya kondansatör akımlarının dalga şekilleri, kontrol elemanı açık ve kapalı iken zamana karşı çizilmiştir. Şekil 5-4a ve 5-4b, çıkıştaki filitre kondansatörüne giden IC akımının eğrilerini göstermektedir. L�nin, kondansatörü (+I_C) yüklemek için akım sağladığı ve yük akımına da akım sağladığı zamanlar bulunmaktadır ve yük akımını sadece kondansatör (-I_C) ile beslediği zamanlar da bulunmaktadır. Anahtarlama regülatörü, doğru çalıştığı zaman, bir anahtarlama döngüsünde tam bir dengededir � kondansatöre yeteri kadar akım +Q, yük deşarj oluken de �Q, kondansatörden yeteri kadar akım verir.

STEP-UP (YUKARIYA) REGÜLATÖR
Şekil 5-4b bir yukarıya anahtarlama regülatörü için aynı devre parçalarını gösterir. Gerekli regüleli voltaj giriş voltajından daha yüksek olduğunda kullanılır. Şekil 5-4a�dan biraz farklı çalışır. Kontrol elemanı açıkken enerji L�de depolanır. Enerji V_IN tarafından sağlanır ve bu sırada V_L=V_IN olur. D1 ile izole edilmiş olan yük, C_F�de yüklenmiş olan şarj ile beslenir. Kontrol elemanı kapandığında, L�de yüklü olan enerji giriş voltajı ile �toplanır� ve I_L yük akımının beslenmesine yardımcı olur ve C_F�den boşalmış olan enerjiyi tekrar doldurur. L deşarj olduktan sonra yüke akımı C_F sağlar. Kontrol elemanı kapandığında V_L= V_o � V_IN dir.

Şekil  5-4 Anahtarlama Regülatörü Tipleri

INVERTÖR REGÜLATÖR
Şekil 5-4c bir invertör regülatörü (bazen flyback regülatör de denir) için aynı devre elemanlarını göstermektedir. V_IN�in ters polaritedeki regüleli bir çıkış voltajı gerektiği zaman, invertör regülatörü kullanılır. Çalışma şekli yukarıya-regülatöre benzer. Kontrol elemanı açıkken enerji L�de depolanır ve D1, L�yi yükten izole eder. Yük akımı, C_F�deki şarjdan sağlanır. Kontrol elemanı kapalı iken, L�de yüklü olan enerji C_F�yi, V_o negatif olana kadarki bir polariteye şarj eder. I_L yük akımını sağlar ve enerjisini deşarj ettiği sürece C_F�deki şarjı tekrar doldurur. Yukarıya-regülatörde olduğu gibi, L deşarj olduktan sonra yük akımını C_F sağlar. Kontrol elemanı açıkken, V_L=V_IN�dir, kapalı iken, V_L=V_o�dır. Invertörün tasarım şekline göre, giriş voltajından daha düşük veya daha yüksek voltajlar için kullanılabilir.

Daha sonraki yazıda, komple anahtarlama regülatörün bölümleri incelenecek, tasarım hesapları gözden geçirilecek ve sonra anahtarlama güç kayanağı örneklerine geçilecektir.

Tunç Gündoğdu, TA2P

Bu ay voltajı ayarlanabilen bir güç kaynağı imal etmeye ne dersiniz? (daha&helliip;)