Güç Kaynağı Yapalım – II

Yazı dizisinin ikinci yazısı. Güç kaynağı yapmanın inceliklerini bu dizide bulacaksınız! Bu kısımda, Regülesiz Güç Kaynağını oluşturan parçaları detaylı olarak öğreneceğiz.

II. REGÜLESİZ GÜÇ KAYNAĞI SİSTEMLERİ

GİRİŞ

Birçok elektronik cihaz devresi belli bir dc voltajda en fazla dc akım verebilen bir güç kaynağına gerek duyar. Düşük güce gereksinimi olan veya normalde ara sıra kullanılan bir cihaz için bu enerji pillerle sağlanabilir. Diğer bir güç kaynağı da dc jeneratördür, ancak ne piller ne de dc jeneratörler çeşitli elektronik cihazlar için ne pratik ne de ekonomiktir. 220V, 50Hz gücün elektrik dağıtım firması tarafından sürekli dağıtılmasından dolayı birçok elektronik cihaz ac hat gerilimini dc gerilime çeviren güç kaynaklarıyla çalışmaktadır.
Basit regülesiz dc güç kaynağı fonksiyonları transformasyon, doğrultmaç ve filtrelemedir.Bu fonksiyonlar Şekil 2.1’de gösterilmiştir.

 Şekil 2-1 Regülesiz DC Güç Kaynağı

Transformasyon fonksiyonunda giriş şebeke hattındaki 220VACdir.Bu AC çıkış gerilimi, ki giriş voltajından düşük veya yüksek olabilir, doğrultmaç fonksiyonuna giriştir. Doğrultmaç fonksiyonunun çıkışı dc voltajdır, ancak genlik değişme miktarının fazla olmasından dolayı “darbeli dc” adı verilir.Filtreleme fonksiyonu yüksek genlik değişimlerini azaltır, öyle ki çıkış, üzerinde sadece biraz “ripple” voltajı kalan bir dc voltajdır. Bu basit güç kaynağına regülesiz dc güç kaynağı denir çünkü ac giriş voltajındaki değişmelerle veya güç kaynağının çıkışındaki yükün değişmesiyle birlikte çıkış değişir. Bu güç kaynağının çalışmasını anlamak için her fonksiyonu detaylı olarak inceleyelim.

TRANSFORMASYON

Transformasyonun iki ana özelliği vardır:

• Hat voltaj değerini doğru dc çıkış voltajını sağlamak için, gerekli voltaj değerine dönüştürür.
• Elektriksel olarak elektronik cihazı şebeke hattından izole eder.

Transformatörler
Transformasyon fonksiyonunu yerine getiren parça transformatördür. Şekil 2.2’de gösterildiği gibi aynı demir göbeğe (nüve) sarılmış en az iki ayrı sarım telden oluşur. Giriş voltajını alan tel sarıma primer; çıkış voltajını sağlayan sarıma sekonder denir. Çoğu zaman iki yada daha fazla sekonder vardır. Transformatörün ana çalışma prensibinin endüksiyon olduğunu 1. Kısımda anlatmıştık. Primere verilen değişken akımlı ac voltaj, demir nüvede değişen bir manyetik alan yaratır. Kor tarafından sekondere kupleli bu manyetik alan, sekonder sarımlarını keser ve sekonderin her turuna bir ac gerilim endükler. Böylece aralarında herhangi bir elektriksel bağlantı olmadan değişen manyetik alan ile enerji primerden sekondere transfer olur.

Şekil 2.2 Transformatör İmalatı

İzolasyon
Sekonder ile primer arasındaki enerji transferinin sadece manyetik kuplaj ile gerçekleşmesinden dolayı, sekonder ve bağlı olan devreleri ile primer ve bağlı olan devreleri izole edilmiştir. Bu güvenlik için önemlidir, çünkü primer şebekenin yüksek akım kaynağına bağlıdır. Böyle bir izolasyon olmasaydı, ciddi şok tehlikeleri olabilirdi. (Örneğin TA2R’nin trafosuz pil şarj cihazında olduğu gibi, kulakları çınlasın!) Diğer bir avantaj da primer devresindeki devre toprağı ile sekonder devresindeki devre toprağı arasında dc bağlantı bulunmamasıdır.

Tur oranı
Regüleiz bir güç kaynağında düzgün dc çıkış voltajını üretmek için gerekli olan ac çıkış voltaj değerini transformasyon fonksiyonu sağlamalıdır. Bu iş transformatörlerde sekonder tur sayısının (N_s), primer sayısına (N_p) oranının değiştirilmesiyle kolaylıkla yapılabilmektedir. Bu oran N_s nin N_p ye bölünmesiyle, yani N_s / N_p ile oluşmaktadır. N_s / N_p tur oranı değiştirilerek sekonder voltajı primer voltajından daha az veya fazla olabilmektedir.
Bir tur sekonder sarımına endüklenen voltaj miktarı, bir tur primere endüklenen voltaj ile aynıdır. Primerin her turuna endüklenen voltaj e_p, primer voltajı V_p nin primer turuna N_p bölünmesidir. Formül olarak yazarsak:

e_p =  V_p  /  N_p Eğer aynı voltaj sekonder sarımının her turunda endüklenirse, o zaman sekonder voltajı V_s, sekonder tur sayısı N_s çarpı endüklenen voltaj e_p olur. Formül olarak yazarsak: V_s =  N_s x  e_p e_p değerini ilk formülden ikinciye işlersek, V_s eşittir tur oranı çarpı V_p olur. Formül olarak yazarsak: V_s =  N_s /  N_p x V_p Sekonder voltajının primer voltajı çarpı tur oranı olduğunu bilirsek, regülesiz güç kaynaklarında transformatörün ac voltaj ac voltaj seviyesini değiştirmek için nasıl kullanılabildiğini kolaylıkla görebiliriz. Şimdi Şekil 2.3a daki gibi bir transformatör için kullanılan şema sembollerinin örneklerine bakalım.

Şekil 2.3 Transformatörler

Voltaj düşüren (Step-Down) Transformatörler
Eğer sekonder turu primer turundan az ise, sekonder voltajı primer voltajından az olur. Bu bir voltaj düşüren (Step-down) transformatördür. Şekil 2.3b deki örnekte gösterildiği gibi tur oranı 0,5 ve primer voltajı 110VACdir, böylece sekonder voltajı 110VAC x 0,5 = 55VAC olur.

Voltaj yükselten (Step-Up) Transformatörler
Eğer sekonder turu primer turundan fazla ise, sekonder voltajı primer voltajından fazla olur. Bu bir voltaj yükselten (Step-up) transformatördür. Şekil 2.3c de gösterilen örnekte tur oranı 3.18dir ve primer voltajı 110VAC, böylece sekonder voltajı 110VAC x 3.18 = 350VAC dir

Güç transferi ve Verimlilik
Sekonderden çıkıp akan güç ile primere akan güç ilişkisi:

V_p x I_p = V_s x I_s x n

Burada n: transformatör verimidir. Verim %100 ise veya n=1 ise, çıkış gücü, giriş gücüne eşit olacaktır. Böylece, eğer V_s V_p den küçük ise, I_s I_p den büyük olmalıdır, ve eğer V_s V_p den büyük ise I_s I_p den küçük olmalıdır. Bir güç trafosunun verimliliği genellikle %85 ile %95 arasındadır.

AC VOLTAJ DEĞERLERİ

Bir dc voltajın genelde sadece bir ölçülen değeri vardır. Ac voltaj, ki sürekli değişir, nasıl ölçüldüğüne bağlı olarak birçok değişik ölçülmüş değerlere sahip olabilir. Bu voltaj değerlerini iyi öğrenmek gerekir çünkü güç kaynağı tasarımında önemlidirler. Dha sonraki kısımlarda proje tasarımında kullanılacaklar.

Şekil 2.4, bilinen ac şebeke voltaj şeklinin zamana karşı çizilmesini gösteriyor. Zaman ekseni de ac devrinin (cycle) dönme derecesine göre ayarlanmıştır. İlk 180 derece için, voltaj pozitif, sonraki 180 derece negatiftir. Şebeke frekansı 60Hz (ABD’ye göre) olursa, bir 360 derecelik tur dönüşü, b
ir saniyenin 60da birinde oluşur.

Şekil 2.4 AC Voltaj değerleri

V_rms
Şebeke voltajının değeri tipik olarak 110VAC (ABD’ye göre) olarak belirtilir, fakat gerçekte bu değer 110V_rms dir. V_rms Şekil 2.4’de gösterildiği gibi normalde bir ac voltmetrede ölçülen değerdir. V_rms genellikle ac voltajın kullanılan değeridir, çünkü o, eşiti bir dc voltaj gibi bir rezistif yüke aynı enerjiyi sağlayan bir ac voltajdır.

V_{pk ve} V_pp
Şekil 2.4’e baktığımızda ac voltajı tanımlayan başka değerlerin de olduğunu görürüz. Tepe voltajı (peak) V_pk, bir devirdeki en fazla voltaj değeridir. Tepeden tepeye voltaj (peak to peak) V_pp, en fazla pozitif tepeden, en fazla negatif tepeye oplam voltaj değeridir. Bir sinüs dalga voltajı için (ki bu matematiksel sinüs fonksiyonunun dönme açısı gibi değişen bir voltajdır) Şekil 2.4’de gösterildiği gibi, V_rms tepe voltajının %70.7sine eşittir. (V_rms= 0.707 x V_pk) Tersine V_pk, V_rms voltajın %141.4üdür. (V_pk= 1.414 x V_rms) Bir sinüs dalgası için tepeden tepeye voltaj, tepe voltajının iki mislidir. (V_pp= 2 x V_pk)

DOĞRUTMAÇ

Doğrultmaç bir ac voltajı dc voltaja çevirir. Bu doğrultma fonksiyonunu yerine getiren parçaya, doğrultucu denir.

Doğrultucu
Doğrultucu bir tip diyottur. Basit olarak, elektriğin tek yönlü vanasıdır. Şekil 2.5’de gösterildiği gibi, elektronların sadece ileri biaslı yön denilen tek bir yönde serbestçe akmasına izin verilir, bu rada anot voltajı, katot voltajından daha pozitiftir. Ters yönde, ters biased yön denilir, elektronlar kolaylıkla akamazlar. Bu yönde anot voltajı, katot voltajından daha negatiftir.

Şekil 2.5 Diyot: Akım için tek yönlü vana V_F
Bir ileri biaslı diyot, bir parça tel gibi değildir, çünkü uçları arasında ciddi bir voltaj düşüşü üretmek için yeterli direnci vardır. İleri-biaslı (ileri meyilli) voltaj düşüşü, Şekil 2.5a’da V_F olarak gösterilmiştir, diyotta kullanılan malzemenin tipine göre değişir. Çoğunlukla kullanılan silikon diyotun V_F si 0,5 – 0,7 V ve bir germanyum diyotun V_F si 0,2 – 0,3V’tur.

V_R ve PIV
Bir diyota verilebilen maksimum ters-bias (meyilli) voltajı, Şekil 2.5b’de V_R olarak gösterilmiştir, (Peak Inverse Voltage) tepe ters voltajı (PIV) olarak adlandırılır. Bu voltaj aşılırsa, anot katot bağlantısı bozulma noktasına gelir ve ters yönde yüksek bir akım akmasına izin verilir. Bu nokta aşılırsa, genelde diyot kalıcı olarak hasar görür.

Şekil 2.6a Doğrultucu Devreleri

Yarım Dalga Doğrultucu
Basit bir yarım dalga doğrultucu devresinde, Şekil 2.6a’daki gibi, bir diyot seri olarak bir transformatörün sekonder çıkışına bağlanır. Giriş primer voltajı, şebeke hattı, 60Hertz (ABD’de, Türkiye’de 50Hertz) sinüs dalga voltajdır.Pozitif devir değişimi A ile, negatif olanı B ile işaretlenmiştir. Her değişim için primer ve sekonderin polariteleri yazılmıştır.
A değişiminde, D1 diyotu iletime geçer, çünkü anotu, katotuna göre daha pozitiftir. Sekonder voltajına (eksi diyotun V_Fsi) eişt bir voltaj yükün R_L etrafında oluşur. B değişiminde, D1 akımı bloke eder, böylece, R_L nin etrafında voltaj oluşmaz. Sekonder voltajı, diyotun etrafında ters voltaj V_R olarak görülür. Bu voltaja dayanabilmesi için, D1’in PIV’si sekonder voltajının V_pk sından daha büyük olmalıdır.
Çıkış voltajı (Şekil 2.6a) sekonder voltajının yarım dalga değişimi, 60Hertz serilerdir. Voltaj daima tek yöndedir ve “darbeli dc” olarak bilinir. Tam bir tur için, pozitif darbelerin altındaki alanın ortalaması alınırsa, dc voltaj, 0,318 çarpı sekonderin V_pk ‘sı olur.
Yarım dalga doğrultucular düşük akım uygulamalarda kullanılır, örneğin, pil şarj cihazları, hesap makinaları için ac-dc adaptörler. Eğer dc çıkışa bir pil yük olarak yerleştirilirse, sekonderin tepe voltajı eksi, diyotun V_F sine kadar şarj edilebilir.

Şekil 2.6b Doğrultucu Devreleri Tam Dalga Doğrultucu
Şekil 2.6b’deki doğrultucu devre, sekonder voltajının her iki değişimini de bir dc voltaja çevirmektedir, bu tam dalga doğrultucu olarak bilinir. her sekonder çıkışında seri olarak bir diyot vardır ve orta çıkış topraklanmıştır. Orta çıkış ile (Şekil 2.3a) her sekonderin çıkışı arasındaki voltaj aynı değerde fakat ters yöndedir. V_S1 pozitif iken V_S2 negatiftir.
A değişiminde D1 iletime geçer, B değişiminde D2 iletir. Orta çıkış her iki diyotun akımının bir ortak dönüşüdür. Her diyotun yüke akımı aynı yönde iletmesinden dolayı sekonder voltajının her değişiminde darbeli dc’nin pozitif yarım dalgaları vardır. Çıkış 0,636V_pk ortalama dc voltajlı, 120Hertz darbeli dc’dir.
Her seferinde sadece sekonderin yarısı kullanılır; bu yüzden düzgün dc voltajı oluşturmak için transformatör sekonder çıkış voltajı gerekenin iki misli olmalıdır. Aynı zamanda her diyotun PIV’si en az tam sekonder V_Spp si olmalıdır.

Şekil 2.6c Doğrultucu Devreleri

Köprü Doğrultucu
Şekil 2.6c’deki doğrultma devresine tam-dalga köprü doğrultucu denir. Bir köprü ağında dört diyot kullanılır. Köprü ağının çıkış uclarından birisi, yük akımının dönüşü için ortak topraktır. Diğer çıkış ucu yüke bağlanır.
D1 ve D2 A değişiminde iletir, D2 ve D4 B değişiminde iletir.Her iletim yolu, yüke akımı aynı yönde iletir. Darbeli dc çıkışı tam dalga doğrultucu ile aynıdır. Çıkış dc voltajı sekonder voltajı eksi iki ileri-bias diyot düşümüdür. Diyotlrın PIV’si sekonder tepe voltajından V_Spk büyük olmalıdır.

FİLTRELEME
Birçok elekronik devre için transformasyon ve doğrutmaçtan sonraki darbeli dc çıkışı tatmin edici güç çıkışı değildir. Filtreleme fonksiyonu yük neredeyse sabit dc olabilmesi için çıkışı yumuşatır.
Doğrultucudan gelen darbeli dc çıkışı ortalama bir dc değere ve ripple voltayı denilen bir ac kısma sahiptir. Bu filtre devresi ripple voltajını kabul edilebilir bir değere indirir. Dirençler, bobinler ve kondansatörler, filtre yapmak için kullanılır. Bu parçalardan hiçbirisi yükseltme görevi yapmaz. Dirençler akıma karşı koyarlar ve normal olarak frekans ile değişmeden dc ve ac devrelerde aynı şekilde çalışırlar. Bobinler akım değişimlerine karşı koyarlar ve endüktif reaktansları frekans ile değişir. Kondansatörler voltaj değişimine karşı koyarlar ve kapasitif reaktansları frekans ile azalır. Şimdi kondansatörlere yakından bakalım ve ne yaptıklarını anlayalım.

Kondansatör
Bir kondansatör (Şekil 2.7a) iki iletken plaka ve onları ayıran dielektrik denilen bir yalıtkandan oluşmaktadır. Plakalar arasına bir dc voltaj verildiğinde, elektronlar bir plakada birikir ve pozitif iyonlar diğer taraftadır. Plakalar arasındaki elektriksel yüklenme farkı, verilen voltaja eşittir. Voltaj kesilince, elektriksel yükleme yerinde kalır ve plakalar arasındaki voltaj farkını korur. Diğer bir değişle, yükleme kondansatör tarafından saklanır. Yüklemeyi saklama karakteri bir devredeki kondansatöre voltaj değişimlerine karşı koyma etkisi verir. Bu etki dc güç kaynaklarındaki filtreleme fonksiyonunda çok önemlidir.
Kapasitansın elektrik birimi faraddır. Farad çok büyük bir değer olduğundan, gerçek kondansatörler mikrofarad olarak değerlendirilir. 1 mikrofarad 0,000001 (1×10^-6) faraddır.

Şekil 2.7 Kondansatörler

Kondansatörü Deşarj Etme
Bir kondansatörü filitrelemede nasıl kullanıldığını anlamak için bir kondansatörün deşarj özelliklerini inceleyelim. Şekil 2.7c’de, bir kondansatör V_c voltajına zaten şarj edilmiştir. S anahtarı daha önce açıktı, şimdi kapatılıyor ve kondansatör R direnci üzerinden deşarj oluyor. Şekil 2.7d’deki tahmin edilebilen eğriye göre kondansatör üzerindeki voltaj zaman geçtikçe azalır. Bu bir RC deşarj eğrisi olarak bilinir, çünkü skalası RC zaman sabiti birimindendir. Deşarj eğrisi için RC zaman sabitini (asniye cinsinden) bulmak için, kondansatörü deşarj eden direnç (ohm) ile kondansatör (farad) birimi ile çarpın. Eğer kondansatör 10 mikrofarad (0,00001 farad) ve direnç de 100ohm ise, bu RC zaman sabiti 0,001 saniyedir (100 x 0,00001=0,001) Bir güç kaynağı filtre kondansatörünü deşarj eden dirence, güç kaynağı yükü denir.
Şekil 2.7’deki deşarj eğrisi, 1 RC zaman sabitinde, V_c‘nin orijinal şarjlı değerinin %37 sine düşeceğini gösterir. 5 RC zaman sabitinde kondansatör tamamen deşarj olacaktır. Deşarj eğrisinin incelenmesi iki önemli sonucu çıkartır:

• Kapasite arttıkça, RC zaman sabiti büyür ve deşarj yavaşlar
• Direnç küçüldükçe, RC zaman sabiti küçülür ve deşarj hızlanır.

Kapasitif Filtre
En basit filtre, doğrultucunun çıkışına paralel olan tek bir kondansatördür. Şekil 2.8a’da, C_F1 filtre kondansatörünü ve R_L güç kaynağı yükünü ifade eder. I_L eşittir V_o bölü R_L (Ohm kanunu). V_o dalga şeklinin zamana karşı çizimine bakın. İlk değişen yarım devirde C_F1‘i şarj ederken, V_o hızla doğrultucunun tepe voltaj çıkışına yükselir. Eğer yük yoksa (R_L =sonsuz), V_o tepe voltajında kalırdı ve C_F1‘in tekrar şarj edilmesi gerekmezdi; ancak R_L yükü ile ve I_L akımı ile, doğrultulan darbe sıfıra inerken C_F1 deşarj olmaya başlar. Deşarj Şekil 2.7d’ye göre olur ve RC zaman sabiti C_F1 çarpı R_L dir. C_F1 V_o dalga şeklinde gösterildiği gibi A noktasına kadar deşarj olur. A noktasından sonraki değişim darbe voltajı V_o‘ın üzerine çıkar ve C_F1‘i tepe voltajına tekrar şarj eder.
Bir filtre kondansatörünün yüke sürekli bir akım sağlayabilmesi ve yeterli miktarda enerji depolaması için yeterince büyük olmalıdır. Kondansatör yeterince büyük değilse veya yeterli hızda şarj edilemiyorsa, yük daha fazla akım çektikçe voltaj düşecektir.

Şekil 2.8 Filtreleme

Çıkış dc değerinin altında ve üzerinde V_o‘daki  RMS voltaj değişimi, Şekil 2.8a’da ripple voltajı v_r, olarak gösterilmiştir. Tam bir dalga için, 60Hertz ac girişte, v_{r (rms)} :

v_{r (rms)} = 2.4 I_L / C_F1 burada I_L miliamper, C_F1 mikrofarad ve bir RC deşarj olduğu kabul edilmiştir.
Formül C_F1‘i bulmak için I_L miliamper akımını sağlayacak ve v_{r (rms)} ripple voltajı olacak bir güç kaynağı için tekrar düzenlenirse, C_F1= 2.4 I_L / v_{r (rms)}  olur.

Ripple Voltajı
Ripple voltajı genelde V_o dc çıkış voltajının bir yüzdesi olarak gösterilir:

% v_{r (rms)} = v_{r (rms)} / V_o x 100 Örneğin, diyelim ki bir güç kaynağı 10V dc, 200mA’de ve %1 ripple voltajı verecek. Yukarıdaki formülü kullanarak, 1 çarpı 10 bölü 100 ile ripple voltajının 0,1 voltu geçmemesi gerektiği bulunur. Buradan C_F1 formülü kullanılarak, bu ripple gereksinimi için C_F1‘in 4800 mfarad olması gerektiği bulunur.
Ripple voltajını daha fazla azaltmak için, Şekil 2.8b’deki ek filtre elemanları eklenebilir. L_F1– henry, C_F2 mikrofarad ve kaynak 60Hz ise, tam dalga doğrultucu ile, v_{r2 (rms)}  (Şekil 2.8b) v_{r2 (rms)} =v_{r1 (rms)} x 1.77 / L_F1C_F2 olur.

VOLTAJ KATLAMA
Bir trafo ac voltaj seviyesini arttırabilir, ancak trafolar göreceli olarak pahalıdır ve bir güç kaynağının ağırlığını arttırır ve ısı yayarlar. Bazı durumlarda, voltaj katlama olarak bilinen özel bir tip doğrultucu devresi, daha büyük ve ağır voltaj arttıran (Step-up) transformatör kullanmadan daha yüksek voltaj çıkışı elde etmek için kullanılır.

Şekil 2.9 Voltaj Katlama

Operasyon
Şekil 2.9a şemayı ve Şekil 2.9b çıkış dalga şeklini göstermektedir. İlk İlk değişimi D1’i ileri meyiller ve C1’i  V_pk‘ya şarj eder. İlk B değişimi D2’yi ileri meyiller ve C2’yi V_pk‘ya şarj eder. C1 ve C2’nin polaritelerinin toplanarak seri bağlanmış olmasından dolayı çıkış voltajı V_o, iki kondansatör voltajının toplamı, 2xV_pk dır. Ek devre parçaları kullanılarak voltaj üçleyici ve dörtleyiciler oluşturulabilir. Bu tip devreler, yüksek voltajlı kısa süreli yüksek akım darbesi gerektiren ve yeni bir darbe için göreceli daha uzun zamana gerek duyan fotograf flaş güç kaynakları uygulamalarında faydalıdır.

ÖZET
Girişte belli şebeke voltajı var ise ve yüke belli akım sağlanıyorsa, regülesiz güç kaynakları belli çıkış voltajı sağlamaktadır. Şebeke voltajı düşerse veya yük akımı artarsa, çıkış voltajı düşer. Bu durumda çıkış voltajı regülesizdir, çünkü şebeke ve yük değişimleri ile değişmektedir.
Bu kısımda regülesiz güç kaynaklarının, transformasyon, doğrultmaç ve filtreleme olan ana fonksiyonları tanıtıldı. Bu fonksiyonları yerine getiren parçalar açıklandı ve önemli parametreleri belirtildi.

Bir sonraki kısımda basit regüleli güç kaynağı sistemleri için gerekli devreler eklenecektir.

Sevgisiz ve elektroniksiz kalmayın