Güç Kaynağı Yapalım – I

Yeni Başlayanlar, Amatörler ve Teknisyenler haydi
Güç Kaynağı Yapalım!
Elektronik cihazlarımızı çalıştırmak için kullandığımız Adaptörler / güç kaynakları nasıl çalışır öğrenelim ve kendimize çalışır güç kaynakları yapalım!  Yeni Başlayanlar, Amatörler ve Teknisyenler haydi
Güç Kaynağı Yapalım!
Elektronik cihazlarımızı çalıştırmak için kullandığımız 
Adaptörler / güç kaynakları nasıl çalışır öğrenelim ve 
kendimize çalışır güç kaynakları yapalım!

GİRİŞ
Bu yazı dizisinde güç kaynakları hakkında merak ettiklerinizi anlatmaya çalışacağım. Neleri mi anlatacağım:

I. DC ve AC Güçlerin Ana Kaynağı,
II. Regülesiz güç kaynaklarını,
III. Basit regüleli güç kaynaklarını,
IV. 3 Adet şema ve güç kaynakları imal etmeyi,
V. Switching güç kaynaklarını,
VI. İki adet Switching güç kaynağı yapmayı,
VII. Ayar, kalibrasyon ve sorunları gidermeyi…

Haydi başlayalım:

Bildiğimiz gibi tüm elektronik cihazlar bir güç kaynağına gerek duyarlar. Prize gelen gerilim (220V,110V) çoğunlukla ‘adaptör‘ diye tanımladığımız bu kutuların yardımıyla cihazlarımızın çalışacağı voltaja ve akıma uygun hale getirilir. Bazılarımızın masasının üzerinde gerilimi ayarlanabilen tipleri mevcuttur. Bu da istediğimiz cihaza uygun voltaj ve akım sınırı sağlayabilmemize yarar. Ayrıca daha bilmediğimiz (adaptörü dışarıda olmayan) birçok cihazın kendi içinde güç kaynakları mevcuttur.
Ülkemizde giriş voltajı 220Volttur. Birçok cihaza yetecek çıkış voltajı ise mesela 1 Volt ile 40Volt arasında olabilir. Mesela sabit telsizler çoğunlukla 13.8V ile beslenirler.
Birçok durumda, giriş voltajı ve/veya çıkış yükü değiştiğinde, çıkış voltajının veya voltajlarının (birden fazla voltaj çıkışı olan güç kaynakları) belli bir limitte kalması istenir. Bu bir regüleli güç kaynağıdır. Eğer çıkış regüleli olmazsa, çıkış voltajındaki değişmeler, beslenen sistem devrelerinin içinde hatalı, bozuk, ek sinyallere dönüşebilmektedir.

Bu yazı dizisinde iki amacım var. Birincisi, bir güç kaynağının içindeki komponentlerin ana fonksiyonlarının neler olduğunu ve bir güç kaynağı olarak çalışmak için beraber nasıl çalıştıklarını anlatmak. İkincisi, çalışan işe yarar güç kaynaklarının nasıl yapıldığını anlatmak. Daha kolay anlamak için görsel örneklere yer verilecektir.

İlk kısım dc ve ac gerilim kaynaklarını baştan öğretme amacıyla hazırlandı. Bu kısım tamamen teoriktir, atlamak isterseniz bir sonraki konuya bakmanızı öneririm.

İkinci kısım ac gerilimi bir dc gerilime çevirmek için kullanılan transfomatörlerin, doğrultucuların ve filitrelemenin fonksiyonları açıklanacaktır. Gerekli komponentler tanıtılacak ve önemli parametrik özellikleri anlatılacaktır. Sistem çıkışı regülesiz voltajdır.

Üçten altıncı kısma kadar sistematik olarak dc voltajın regüle edilmesi için ana prensipler açıklanacak, işe yarar güç kaynakları imal etmeniz için bilgiler sunulacaktır. Üçüncü ve dördüncü kısımda sürekli olarak doğrusal bölgede çalışan güç kaynakları gösterilecek, 5 ve 6 switching güç kaynaklarını anlatacaktır. Tarifler, malzeme seçimi, parça listeleri, montaj planları, dizayn teknikleri ve çalıştırma prensipleri aktarılmıştır. Tüm malzemeler kolay bulunur cinstendir.
Her güç kaynağının performans ölçümleri, switching güç kaynaklarının kalibrasyon prosedürü ve sorunlara yönelik ipuçları yedinci kısımda bulunmaktadır.
Bu yazı dizisinin tamamını okursanız, güç kaynağı sistemlerinin prensiplerini ve isterseniz bir güç kaynağı yapmayı öğrenebilirsiniz.

I. DC ve AC Güçlerin Ana Kaynağı: 

GÜÇ
Güç nedir? Güç enerjinin kullanılma derecesidir. Genel olarak elektriksel gücün birimi vattır. Bir vat bir jul (joule) enerjinin bir saniyedeki kullanımıdır. Bir vat-saat (şu elektrik faturalarımızın üzerinde yazandan) bir vatın bir saat için temin edilmesidir, veya 3600 saniye boyunca saniyede bir jul verilmesi. (Karıştı mı?) Peki bir jul nedir? Bir jul bir kilogramın 10.16cm taşınması için gerekli enerjidir.
Elektronik cihazların güç kaynaklarının üzerinde genellikle verebilecekleri gücün ölçümü olarak bir güç derecesi bulunur.
Teknisyenler ve mühendisler bilirler:  V(volt) x I(amper) = P(vat)

güç kaynağının voltajı  X  yüke (gücün sağlandığı devreye) verilen akım = sağlanan güç (vat)
Örneğin, yüküne 10 amperde 5 volt veren bir güç kaynağı, 50 vatlık güç sağlar.

DC GÜÇ
Hepimizin tanıdığı en çok bilinen güç kaynağı pildir. Fenerinizi yaktığınızda, içindeki piller lambaya bağlı devre yardımı ile akımı sağlar. Lambanın filamanından geçen akım ise parlamasını sağlar. Güç pilden lambaya doğru akar. Eğer fener iki adet 1.5volt pil (toplam voltaj 3Volt) kullanıyorsa ve lambaya verilen akım 0.1 amper ise, verilen güç 0.3 vattır.
Bu basit devre aşağıdadır (Şekil 1.1a). Şekil 1.1b ise bu devredeki pilin verdiği akımın grafiksel çizimidir. Akım zamana karşı sabittir ve daima pozitif yöndedir. Bu tip akıma doğru akım (dc-direct current) denir, çünkü akım hep tek bir yönde akar.

a. Devre

b. Akım ‘ Zaman Grafiği

Şekil 1.1 Basit DC Devre

PİL

Pil kimyasal bir güç kaynağıdır. Pili oluşturan ana kısım elektrokimyasal hücredir. Piller seri bağlanarak daha yüksek voltajlar elde edilir. Şekil 1.2a’da gösterilen hücre kesiti ve Şekil1.2b’de gösterilen şema, birbirine seri olarak bağlanmış dirençlere akım sağlayan bir pili göstermektedir.
Şekil 1.2a’da gösterildiği gibi, bir elektrokimyasal hücrede nagatif ve pozitif elektrot olarak adlandırılan iki plaka ve aralarında elektrolit olarak adlandırılan sıvı veya yarı-sıvı mevcuttur. Elektrotların terminalleri arasına bir devre bağlanırsa, pozitif elektrot ile elektrolit arasında, elektronları devreden pozitif terminale doğru ve elektrodun içine ‘çeken’ bir kimyasal reaksiyon oluşur. Negatif elektrotta ise ters bir reaksiyon oluşur, negatif uçtan devreye doğru elektronlar ‘itilir’. Kimyasal reaksiyonu dengeleyebilmek için elektronlar ve pozitif iyonlar elektrolite akar.

a. Pil Hücresi Kesiti

b. Şema

Şekil 1.2 Akımı yüke piller sağlar

Şekil 1.2a’da, pilin karşısındaki devredeki akım için iki yön gösterilmiştir. Birisi elektron akımı; diğeri ise geleneksel akım. Elektronlar negatif yüklüdür ve negatif voltajlı bir noktadan voltaj olarak daha pozitif olana doğru akarlar. Elektriği keşfeden eski bilim adamları geleneksel akımı, pozitif yüklerin (elektronların tersine) hareketi olarak varsaydıklarından, geleneksel devre akım yönü elektron akım yönünün tersinedir.
Elektrik ve
elektronik endüstriler tarafından sıkça kullanılan standart geleneksel akım yönüdür, bu durumda bu yazı dizisinde de kullanılacaktır. Şunu unutmamak gerekir ki, elektron akım yönü, gösterilen geleneksel akım yönünün tersi olacaktır.
Kimyasal reaksiyon pozitif ve negatif terminaller arasında, voltaj diye adlandırılan bir potansiyel fark yaratır. Voltajın birimi volttur. Voltajın yarattığı basınca elektromotif güç denir. Bir iletkenden gerçekte her saniyede akan elektron sayısına akım denir ve birimi amperdir. Pil yüküne akım sağlarken pilin voltajı düşer, bu yüzden piller genellikle ‘amper-saat’ olarak sınıflandırılır. Bu sınıflandırmanın anlamı: Pilin voltajı belirlenmiş bir minimum değere inene kadar, pilin bir amper akımı sağlayabileceği saat sayısıdır. Bir amperden daha az akım sağlamak için tasarlanmış piller için bu sınıflandırma ‘miliamper-saat’ olarak tanımlanır; burada bir miliamper, 0.001 ampere eşittir.

Birincil ve İkincil Piller:
Piller birçok kullanım için, pek çok tipte ve voltajda üretilir. Bazıları şarj edilebilir (ikincil hücreler) ve bazıları şarj edilemez (birincil hücreler). Birincil pillere örnek, fenerlerden kameralara, taşınabilir radyolara kadar kullanılan alkali pillerdir. İkincil pillere örnek nikel-kadmiyum (Ni-Cd) piller telsiz telefonlarda, kurşun-asitli piller (aküler) ise taşıtlarda kullanılmaktadır. Verdiği gücü arttırmak veya aynı gücü verirken kapladığı fiziksel alanı azaltmak maksadıyla piller devamlı olarak geliştirilmektedir. Bu tip gelişmeler taşınabilir elektronik cihazların kullanımını arttırmaktadır.

DC Jeneratör
Bir başka doğru akım güç kaynağı ise dc jeneratördür. Bir jeneratörün çalışmasını anlamak için bir telin manyetik alanda hareket ettirilmesi işleminin ana prensiplerini anlamanız şarttır.

Jeneratör Prensipleri
Şekil 1.3’e bakınız. Burada sarılı kablo bir şafta yerleştirilmiş ve bir manyetik alanın ortasına sabitlenmiştir. Manyetik alan, Şekil 1.3’de çizgilerle gösterilmiştir, mıknatısın kuzey kutbundan güney kutbuna doğru akar. Bu alan görülemez fakat orada mevcuttur. Bunun böyle olduğunu bir çiviyi mıknatısa yaklaştırdığımızda mıknatıs tarafından çekildiğinden bilmekteyiz. Bu prensibi açıklamak için çizgiler Şekil 1.3’de görünür yapılmıştır. Sarılı kablonun uçlarına bir voltmetrenin bağlı olduğuna dikkat edin. Sarımın 90 derece pozisyonu gösterilmiştir ‘ sarımın kenarları kutuplara en fazla yaklaştırılmış ve sarımın yüzü manyetik alana paraleldir.

Şekil 1.3 Basit Jeneratör

Şimdi, sarım 0 derecede başlarsa ve saat yönünde 180 derece hızlıca çevrilirse, voltmetrenin iğnesi sapıp anlık bir voltaj gösterecek ve sonra sıfıra düşecektir. Sarım manyetik alan çizgilerini kesince, tel sarımın her tarafında oluşan elektromotif güç, metre devresine giden aynı yönde bir akım yaratır ve metre sapar. Oluşan voltajın genliği üç faktöre bağlıdır: Manyetik alanın gücü, dönen sarımın hızı ve tel sarımın tur sayısı. Herhangi bir faktör arttırıldığında oluşan voltaj artar.
Eğer sarım saatin ters yönünde 180 derece yine çevrilirse, voltmetrenin iğnesi ters yönde sapacaktır. Ancak, ikinci 180 derece çevirmeden önce metrenin uçları ters çevrilirse, metrenin iğnesi ilk çevirmedeki yönde sapacaktır. Böylece, sarım sürekli çevrilirken her 180 derece noktasında uçlar ters çevrilirse, oluşan voltajın zamana karşı çizimi Şekil 1.4a gösterilen dalga şekline benzeyecektir. Bu doğru akım jeneratörün temelidir.

a. Basit Jeneratör

b. Ticari DC Jeneratör

Şekil 1.4 DC Jeneratör ‘ Zaman Grafiği

Ticari Jeneratör
Ticari bir dc jeneratörün birçok sarımı vardır, her biri çok tur sarımlı ve metal bir çekirdek üzerindedir. Buna armatür denir. Sarımların uçları jeneratör şaftındaki ayrı kayar halkalara ‘ komutatör ‘ bağlıdır. Çıkış uçları bu kayar konnektörlere bağlıdır ‘ fırçalar ‘ bunlar da komutatöre bağlantılıdır. Armatür dönerken bu kombinasyon çıkış uçlarına sarım bağlantılarını ters çevirir, böylece oluşan voltaj herzaman aynı polaritededir. Jeneratör şaftındaki sarımlar öyle yerleştirilmiştir ki, çıkış voltaj dalga şekli zamana karşı çizildiğinde Şekil 1.4b’deki gibi gözükür. Çıkış voltajı neredeyse sabittir ve bir yük devresine bağlandığında, devredeki akım sadece bir yönde akacaktır. Bu bir dc jeneratörden gelen doğru akımdır ‘ bir dc güç kaynağı.
Yukarıda sözedildiği gibi, bir jeneratörün ürettiği voltaj seviyesi jeneratör sarımlarının tur sayısına, jeneratör şaftının çevrilme hızına ve manyetik alanın gücüne bağlıdır. Bir dc jeneratörün üretebileceği en fazla akım, jeneratör sarımlarlarındaki tellerin çapına, komutatör ve fırçaların tasarımına ve jeneratörün soğutulma şekline bağlıdır.

Endüksiyon
Devredeki metrede bir akıma yol açan voltaja, manyetik alanın neden olduğu (endüklediği) söylenir. Endüksiyon ya sarımın manyetik alanın içinde hareketiyle ya da manyetik alanın sarımın içinde hareketiyle oluşabilir. Endüksiyon prensibi dc jeneratör, bir sonraki kısımda anlatılacak ac jeneratör, bobinler ve transformatörler (Kısım 2) için çok önemlidir.

AC GÜÇ
Devre akımının sadece tek yönde akmamasından dolayı alternatif akım (ac) dc’den farklıdır; ters dönüp , karşı yönde de akar. Düzgün zaman aralıklarında yön değiştirir. Akımın yön değiştirdiği bu düzgün peryodik orana frekans denir. AC ile çalışan cihazlar alternatif akımın üretildiği frekansta çalışmalıdırlar.
AC güç trenleri, fabrikaları ve evlerimizdeki aletleri çalıştırır. Onu özellikle kullanışlı yapan, ac’yi değişik voltajlara çevirmek için transformatörlerin (2. Kısımda göreceğiz) kullanılabilmesidir.

AC Jeneratör
Ac gücün ana kaynağı ac jeneratördür, genellikle alternatör diye adlandırılır. Dc jeneratöre çok benzer. Şekil 1.3’e tekrar bakınız. Hatırlarsak sarım ilk 180 derece döndürüldüğünde metre bir yöne sapmıştı; ve uçları ters çevirmeden bir ikinci 180 derece daha devam edilirse, metre ters yönde sapacaktır. Metrenin sapma yönünün değişmesi metredeki akımın yön değiştirdiğini gösterir. Sarımda endüklenen voltaj ters yöndeydi böylece devredeki akım yön değiştirdi.

Şekil 1-5a’ya bakınız. Şekil 1-3’teki tel sarımın bağlı olduğu şaft şimdi bir motor tarafından sarımı saniyede 60 tam dönüş yapacak şekilde döndürülüyor. Sarımın uçları kayar halkalara bağlanmıştır, böylece sarım dönerken metre her zaman devreye kayar halkaların üzerindeki fırçalarla bağlıdır. Sarım dönerken metrenin gösterdiği voltaj Şekil 1-5b’de gösterilmiştir. İlk 180 derecede, voltajın pozitif ve sonraki 180 derecede voltajın negatif olduğuna dikkat ediniz.
Sarım döndükçe, voltaj her 360 derecede veya her devirde kendini tekrar eder. Eğer s
arım saniyenin 1/50’sinde bir 360 derece dönüş yaparsa, o zaman saniyede 50 devirlik voltaj endüklenmiş veya üretilmiş olacaktır ve ac voltajın frekansı 50 devir saniyedir. ‘Devir saniyenin’ literatürdeki adı ‘hertz’dir, o zaman üretilen enerjinin frekansı 50 hertz’dir. Üretilen voltaj 220V olana kadar sarımdaki tur sayısı arttırılırsa, o zaman bir 220V, 50 hertz ac jeneratör imal edilmiş olur. Bu ac jeneratörün temelidir ‘ ana ac güç kaynağı. Kolay imalatından dolayı (ayrı komutatör yerine sürekli kayar halkalı) ve ac’den dc üretmenin kolaylığından (2. Kısımda göreceğiz), ac jeneratör veya alternatör dc jeneratörden daha fazla yaygın olarak kullanılmaktadır.

Endüktans
Bu noktaya kadar tekrar bir gözden geçirelim. Bir manyetik alanın içinden geçen tel voltaj endüklenecek ve bu tel tamamlanmış bir devreye bağlandığında içerisinde akım olacaktır.

Şekil 1-6a’da gösterildiği gibi buna karşı bir prensip vardır. Bir telde akım olduğunda, telin etrafında gösterildiği gibi bir manyetik alan oluşacaktır. Teldeki akım arttıkça, telin etrafındaki manyetik alan da artar; teldeki akım azaldıkça, telin etrafındaki manyetik alan da azalır. Şekil 1-6b’de gösterildiği gibi değişen akımı taşıyan telin yanında başka teller de varsa, değişen manyetik alan tellerin içinden geçer ve onlara bir voltaj endükler. Yakındaki tellerin etrafındaki genişleyen ve azalan bu değişken manyetik alan, sanki manyetik alan sabit kalmış ve yakındaki teller manyetik alanın içinden geçiyorlarmış  gibi aynıdır. Bu ikinci kısımda ele alacağımız transformatör prensibidir. Endüktörler de bir elekriksel alan üretmek için bu endüktans denilen prensibi kullanırlar.

Endüktif Reaktans
Bir bobinin etrafına sarılı telin içinden akım geçerken, bobinin her tur telindeki manyetik alanların etkileşiminin sonucunda bobinin etrafında bir manyetik alan oluşacaktır. Bobinden geçen alternatif akım ile bobinin etrafındaki alan genişler ve azalır. Genişleyen ve azalan alan, esas alanı yaratan bu değişen akıma karşı koyan ters bir voltaj bobinin içine endüklenir. Bu ac’ye karşı koyma ve direnmeye endüktif reaktans adı verilir. Sembolu X_L ve aşağıdaki formül ile hesaplanır, burada f hertz olarak frekans, L henri olarak endüktans; Pi de sabit 3.1416dır:
X_L = 2Pi fL
Endüktans bobinin boyutlarına (alan ve uzunluk), tur sayısına ve bobinin sarılı olduğu maddenin sızdırmazlığına bağlıdır. Sızdırmazlık bir maddenin ne kadar kolay manyetize edilebilirliğinin ölçüsüdür. Dikkat ediniz ki, değişen akımın frekansı arttıkça, endüktif reaktans armaktadır. Güç kaynakları filtrelerinde endüktörlerin kullanılışı anlatıldığında bu önemli olacaktır.
Endüktif reaktansın birimi om’dur, bu da aynı zamanda bir resistansın direnci için kullanılan birim ile aynıdır. Bir ac devrede bir endüktörün toplam karşı koyması (empedans), endüktörün kablosundaki endüktif reaktans ile dc direncin toplamına eşittir. Bir endüktörden dc veya çok düşük frekansta ac akıyorsa, empedansı onun sarıldığı telin dc direncine yakındır. Frekans arttıkça, empedans etkili bir şekilde artar çünkü endüktif reaktans etkili bir şekilde artar.

ÖZET
Bu kısımda  dc ve ac elektriğin ana kaynaklarını inceledik ‘ elektrokimyasal (piller) ve elektromekanik (jeneratörler, alternatörler). Elektrik üretmek için jeneratörlerde ve alternatörlerde, alternatif akıma karşı koyan elektriksel özellik endüktif reaktans üretmek için endüktörlerde manyetik alan prensiplerinin nasıl kullanıldığını resimlerle açıkladık. İkinci kısımda regülesiz güç kaynaklarında önemli parçalardan olan transformatörlerde manyetik özelliklerin nasıl kullanıldığını göreceğiz.

Biraz sabır, daha sonraki kısımlarla birlikte güç kaynağı yapmaya başlayacaksınız..

Sevgiler.