İçeriğe atla

Anahtarlamalı güç kaynağı

ATX anahtarlamalı bilgisayar güç kaynağının iç görünümü: A: Köprü doğrultucu; B: giriş filtresi kapasitörleri; B ve C arasında: birincil voltajın aktif bileşenlerini anahtarlamak için ısı emici; C: transformatör: C ve D arasında: ATX spesifikasyonuna göre en az beş ikincil voltajın aktif bileşenlerini anahtarlamak için ısı emici; D: en büyük güç derecesine sahip ikincil için çıkış filtre bobini. Yakınlarda diğer ikinciller için filtre bobinleri; E: çıkış filtresi kapasitörleri. Köprü doğrultucunun altındaki bobin ve büyük dikdörtgen sarı kapasitör bir EMI filtresi oluşturur ve ana devre kartının parçası değildir.
Laboratuvar kullanımı için ayarlanabilir anahtarlamalı bir Smps

Anahtarlamalı güç kaynağı olarak adlandırılan anahtarlamalı modlu güç kaynağı, elektrik gücünü verimli şekilde dönüştürmek için anahtarlama regülatörü içeren elektronik bir güç kaynağıdır. Anahtarlamalı güç kaynağı ya da İngilizce özgün adının kısaltmasıyla SMPS, 1960'lı yıllarda doğrusal güç kaynaklarının çalışma veriminin düşük olması ile kullanılmaya başlanmıştır.

Diğer güç kaynakları gibi, SMPS de voltajı ve akım özelliklerini dönüştürürken gücü bir DC veya AC kaynağından (genellikle ana güç, bkz. AC adaptörü) kişisel bilgisayar gibi DC yüklere aktarır. Doğrusal bir güç kaynağından farklı olarak, anahtarlama modlu kaynağın geçiş transistörü sürekli olarak düşük dağılım, tam açık ve tam kapalı durumları arasında geçiş yapar ve yüksek dağılım geçişlerinde çok az zaman harcar, bu da boşa harcanan enerjiyi en aza indirir. Varsayımsal bir ideal anahtarlamalı güç kaynağı, hiçbir gücü dağıtmaz. Gerilim regülasyonu, açma-kapama süresinin (görev çevrimleri olarak da bilinir) oranı değiştirilerek gerçekleştirilir. Buna karşılık, doğrusal bir güç kaynağı, geçiş transistöründeki gücü sürekli olarak dağıtarak çıkış voltajını düzenler. Anahtarlamalı güç kaynağının daha yüksek elektrik verimliliği önemli bir avantajdır.

Anahtarlamalı güç kaynakları, transformatör çok daha küçük olabileceğinden, doğrusal bir kaynaktan önemli ölçüde daha küçük ve daha hafif olabilir. Bunun nedeni, 50 veya 60 Hz şebeke frekansının aksine, birkaç yüz kHz ila birkaç MHz arasında değişen yüksek bir anahtarlama frekansında çalışmasıdır. Transformatör boyutunun küçültülmesine rağmen, ticari tasarımlarda güç kaynağı topolojisi ve elektromanyetik girişim (EMI) bastırma gerekliliği, genellikle çok daha fazla bileşen sayısına ve buna karşılık gelen devre karmaşıklığına neden olur.

Anahtarlamalı regülatörler, daha yüksek verim, daha küçük boyut veya daha hafif ağırlık gerektiğinde doğrusal regülatörlerin yerine kullanılır. Ancak daha karmaşıktırlar; anahtarlama akımları, dikkatli bir şekilde bastırılmadığı takdirde elektriksel gürültü sorunlarına neden olabilir ve basit tasarımların güç faktörü zayıf olabilir.

Açıklama

Bir doğrusal güç kaynağı (SMPS olmayan), gücü ohmik kayıplar cinsinden dağıtarak istenen çıkışı voltaj sağlamak için bir doğrusal regülatör kullanır (ör. bir dirençte veya aktif modunda bir geçiş transistörünün kollektör-emetör bölgesinde). Doğrusal bir regülatör, elektrik gücünü ısı biçiminde dağıtarak çıkış voltajını veya akımı düzenler ve dolayısıyla maksimum güç verimliliği, volt farkı boşa gittiği için voltaj çıkışı/giriş voltajıdır.

Buna karşılık, bir SMPS, farklı elektriksel konfigürasyonlar arasında indüktörler ve kapasitörler gibi ideal olarak kayıpsız depolama elemanlarını değiştirerek çıkış voltajını ve akımını değiştirir. İdeal anahtarlama elemanları (aktif modlarının dışında çalıştırılan transistörler tarafından yaklaştırılır), "açık" durumdayken direnç göstermez ve "kapalı" durumdayken akım taşımazlar; böylece ideal bileşenlere sahip dönüştürücüler %100 verimle (yani tüm giriş gücü yüke iletilir; dağıtılan ısı olarak hiçbir güç israf edilmez) çalışır. Gerçekte bu ideal bileşenler mevcut değildir, dolayısıyla anahtarlamalı bir güç kaynağı %100 verimli olamaz ancak yine de doğrusal bir regülatöre göre verimlilik açısından önemli bir gelişmedir.

Yükseltici çeviricinin temel şeması

Örneğin, bir DC kaynağı, bir indüktör, bir anahtar ve karşılık gelen elektrik topraklaması seri olarak yerleştirilirse ve anahtar bir kare dalga ile çalıştırılırsa, anahtar boyunca ölçülen dalga formunun tepeden tepeye voltajı, DC kaynağından gelen giriş voltajını aşabilir. Bunun nedeni, indüktörün, akımdaki değişime karşı koymak için kendi voltajını indükleyerek akımdaki değişikliklere yanıt vermesi ve bu voltajın, anahtar açıkken kaynak voltajına eklenmesidir. Bir diyot ve kapasitör kombinasyonu anahtara paralel yerleştirilirse, tepe voltajı kapasitörde depolanabilir ve kapasitör, devreyi çalıştıran DC voltajından daha büyük bir çıkış voltajına sahip bir DC kaynağı olarak kullanılabilir. Bu yükseltici dönüştürücü, DC sinyalleri için yükseltici bir transformatör gibi davranır. Bir düşürücü-yükseltici çevirici benzer şekilde çalışır, ancak giriş voltajının zıt kutuplu çıkış voltajı üretir. Ortalama çıkış akımını voltajı azaltarak artırmak için başka devreler de vardır.

Bir SMPS'de çıkış akımı akışı, giriş gücü sinyaline, kullanılan depolama elemanlarına ve devre topolojilerine ve ayrıca anahtarlama elemanlarını sürmek için kullanılan modele (örneğin, ayarlanabilir görev döngüsü ile darbe genişliği modülasyonu) bağlıdır. Bu anahtarlama dalga biçimlerinin spektral yoğunluğu, nispeten yüksek frekanslarda yoğunlaşmış enerjiye sahiptir. Bu nedenle, çıkış dalga formlarına uygulanan anahtarlama geçişleri ve dalgalanmalar küçük bir LC filtresiyle filtrelenebilir.

Temel olarak alçaltıcı (buck) çevirici, yükseltici (boost) çevirici ve alçaltıcı-yükseltici çevirici olmak üzere 3 tip bulunmaktadır.

Günümüzde bu yapılardan Flyback, ileri/yön, yarım köprü ve tam köprü devreler üretilerek farklı kullanım alanları oluşturulmuştur. En çok kullanılan anahtarlamalı güç kaynağı Flyback tipi S-M-P-S (Switch Mode Power Supply) olarak bilinir

Avantajlar ve dezavantajlar

Anahtarlamalı güç kaynağının ana avantajı, anahtarlama transistörü bir anahtar görevi görürken çok az güç harcadığı için doğrusal regülatörlere göre daha yüksek verimlilik (%98-99'a kadar [1][2][3]) ve daha az ısı üretimidir. Diğer avantajlar arasında daha küçük boyut ve ağır ve pahalı hat frekansı transformatörlerinin ortadan kaldırılması nedeniyle daha hafif olması sayılabilir. Bekleme modundaki güç kaybı genellikle transformatörlerden çok daha azdır.

Dezavantajları arasında daha fazla karmaşıklık, alçak geçişli filtrenin elektromanyetik girişimi (EMI) önlemek için engellemesi gereken yüksek genlikli, yüksek frekanslı enerji üretimi, anahtarlama frekansında dalgalanma voltajı ve bunun harmonik frekansları yer alır.

Çok düşük maliyetli SMPS'ler, elektriksel anahtarlama gürültüsünü ana güç hattına geri bağlayarak, A/V ekipmanı gibi aynı faza bağlı cihazlarla parazite neden olabilir. Güç faktörü düzeltilmeyen SMPS'ler de harmonik bozulmaya neden olur.

Anahtarlamalı güç kaynağı eski sac transformatörlerin yerine günümüzde bir alanda kullanılan elektronik güç kaynakları trafolu güç kaynaklarına göre çalışma frekansları daha yüksektir, boyutları ve ağırlıkları küçüktür. Güç dönüşümü gerektiren birçok alanda kullanılırlar: televizyon, monitör, bilgisayar, ses sistemleri, aydınlatma vb.

Tipik ATX Bilgisayar güç kaynağı http://img200.imageshack.us/img200/4790/atxpowersupplysmpst.png[]

A - Köprü bağlantılı diyot AC alternatif şebeke voltajını DC doğru akıma çevirir B - DC Doğru akımı filtre etmek için kullanılan kondansatörler C - Çıkış voltajını üreten yüksek frekanslı transformatör D - Çıkış voltajını düzenleyen filtre bobini E - Çıkış DC Doğru akımı filtre etmek için kullanılan kondansatörler

Çeşitli SMPS uygulamaları ve bilgilerin bulunduğu bir blog: http://320volt.com/tag/smps/ 26 Mayıs 2009 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.

Kaynakça

İlgili Araştırma Makaleleri

<span class="mw-page-title-main">Elektronik devre elemanları</span> elektronik devreyi meydana getiren ögeler

Elektronik devre elemanları, elektrik devresinin çalışabilmesi için kullanılan parçalara denir. Aktif ve pasif devre elemanları olarak iki gruba ayrılır.

<span class="mw-page-title-main">Transformatör</span> Elektrik-elektronik devre elemanı

Transformatör ya da kısa adıyla trafo iki veya daha fazla elektrik devresini elektromanyetik indüksiyonla birbirine bağlayan bir elektrik aletidir. Bir elektrik devresinden diğer elektrik devresine, enerjiyi elektromanyetik alan aracılığıyla nakletmektedir. Transformatörler elektrik enerjisinin belirli gücünde gerilim ve akım değerlerinde istenilen değişimi yapan makinelerdir. Transformatör, elektrik enerjisini bir elektrik devresinden başka bir devreye veya birden fazla devreye aktaran bileşendir. Transformatörün herhangi bir bobinindeki değişen akım, transformatörün çekirdeğinde değişken bir manyetik akı üretmektedir. Oluşan akım, aynı çekirdek etrafına sarılmış diğer bobinler boyunca değişen bir elektromotor kuvveti indüklemektedir. Elektrik enerjisi, iki devre arasında metalik (iletken) bir bağlantı olmadan ayrı bobinler arasında aktarılabilmektedir.

<span class="mw-page-title-main">Osilatör</span>

Osilatör (salıngaç), elektronik devrelerde, sinüs, kare, testere ve üçgen elektrik sinyallerini veren elektronik düzenektir.

<span class="mw-page-title-main">Alternatör</span> Mekanik enerjiyi alternatif akıma çeviren aygıt.

Alternatör, mekanik enerjiyi alternatif akım biçiminde elektrik enerjisine dönüştüren bir elektrik jeneratörüdür. Maliyet ve basitlik nedenleriyle, çoğu alternatör sabit armatürle dönen manyetik alan kullanır. Bazen, sabit bir manyetik alanlı doğrusal bir alternatör veya dönen bir armatür kullanılır. Prensipte, herhangi bir AC elektrik jeneratörüne alternatör denebilir, ancak genellikle terim otomotiv ve diğer içten yanmalı motorlar tarafından tahrik edilen küçük dönen makineleri ifade eder.

<span class="mw-page-title-main">Transistör</span> Devre elemanı

Transistör veya geçirgeç girişine uygulanan sinyali yükselterek gerilim ve akım kazancı sağlayan, gerektiğinde anahtarlama elemanı olarak kullanılan yarı iletken bir elektronik devre elemanıdır. BJT çift birleşim yüzeyli transistördür. İki N maddesi, bir P maddesi (NPN) ya da iki P maddesi, bir N maddesi (PNP) birleşiminden oluşur. Transistör üç kutuplu bir devre elemanıdır. Devre sembolü üzerinde orta kutup Base (B), okun olduğu kutup Emitter (E), diğer kutup Collector(C) olarak adlandırılır. Base akımının şiddetine göre kollektör ve emiter akımları ayarlanır. Bu ayar oranı kazanç faktörüne göre değişir. Transistörler elektronik cihazların temel yapı taşlarındandır. Günlük hayatta kullanılan elektronik cihazlarda birkaç taneden birkaç milyara varan sayıda transistör bulunabilir.

<span class="mw-page-title-main">Röle</span> tamamen izole edilmiş ikinci bir devre tarafından bir elektrik devresinin açılıp kapanmasına izin veren elektrikli cihaz

Röle, elektriksel olarak çalıştırılan, elektromanyetik bir anahtardır. Yani üzerinden akım geçtiği zaman çalışan devre elemanıdır. Röle; bobin, palet ve kontak olmak üzere üç bölümden meydana gelir. Bobin kısmı rölenin giriş kısmıdır. Palet ve kontak kısmının bobin ile herhangi bir elektriksel bağlantısı yoktur. Röle, tek veya çoklu kontrol sinyalleri için birçok giriş terminali ve birçok çalışma kontağı terminalinden oluşur. Röle, birden çok kontak düzenlemesinde, örneğin; kontakları temas ettirme, kontakların temasını kesme veya bu iki durumun kombinasyonları gibi herhangi bir sayıda kontaklı olabilir.

Doğrultucu veya redresör, bir ya da daha fazla yarı iletken elemandan oluşan alternatif akımı doğru akıma çevirmek için kullanılan elektriksel bir devredir. AC' yi doğrultmak için tek bir diyot kullanıldığı zaman doğrultucu AC' yi DC' ye çeviren bir diyod olarak tanımlanır.

<span class="mw-page-title-main">İndüktans</span>

İndüktans elektromanyetizma ve elektronikte bir indüktörün manyetik alan içerisinde enerji depolama kapasitesidir. İndüktörler, bir devrede akımın değişimiyle orantılı olarak karşı voltaj üretirler. Bu özelliğe, onu karşılıklı indüktanstan ayırmak için, aynı zamanda öz indüksiyon da denir. Karşılıklı indüktans, bir devredeki indüklenen voltajın başka bir devredeki akımın zamana göre değişiminin etkisiyle oluşur.

<span class="mw-page-title-main">MOSFET</span> Elektronik devre bileşeni

Metal oksit yarı iletken alan etkili transistör bir tür alan etkili transistör (FET)’dür ve daha çok silisyum'un kontrollü oksitlenmesi ile üretilir. Voltajı cihazın iletkenliğini belirleyen yalıtımlı bir kapısı vardır. Uygulanan voltaj miktarıyla iletkenliği değiştirme özelliği, elektronik sinyal’lerin güçlendirilmesi veya değiştirilmesi için kullanılabilir.

<span class="mw-page-title-main">İnvertör</span>

Güç çevirici (invertör), doğru akımı (DC) alternatif akıma (AC) çeviren elektriksel bir güç çeviricisidir. İnvertör çıkışında üretilen AC güç, kullanılan transformatörlere, anahtarlama ve kontrol devrelerine bağlı olarak herhangi bir gerilimde ve frekansta olabilir.

<span class="mw-page-title-main">Sanal kısım</span>

Matematikte, bir karmaşık sayısının sanal kısmı, 'yi temsil eden gerçel sayıların sıralı çiftindeki ikinci elemandır; yani ise veya denk bir şekilde ise, o zaman 'nin sanal kısmı 'dir. İngilizce karşılığından esinlenerek, Im{z} ile veya Fraktür yazıtipindeki büyük I kullanılarak, yani {z} ile gösterilir. 'yi, 'nin sanal kısmına gönderen karmaşık fonksiyon holomorf değildir.

Mikser Elektronikte, özellikle yayıncılıkta kullanılan ve sinyal frekansını değiştiren bir devredir.

Elektronik filtre farklı frekanslara sahip sinyallerden kimilerini geçirip, kimilerini bastıran bir devredir.

<span class="mw-page-title-main">Şalt sahası</span>

Şalt sahası, transformatörler kullanılarak gerilimin yüksek formdan alçak veya ters forma dönüştürüldüğü elektrik üretim, iletim ve dağıtım sisteminin bir alt istasyonudur. Elektrik, üretim santrali ve müşteriler arasındaki birkaç istasyonda akabilir ve gerilim birkaç adımda değişebilir.

Elektrik dağıtımı elektriğin son kullanıcıya ulaştırılmasıdır. Bir dağıtım sisteminin şebekesi elektriği iletim sisteminden tüketiciye ulaştırır. Örnek olarak, şebeke; trafo merkezleri, orta gerilim hatları, dağıtım merkezleri, dağıtım transformatörleri, alçak gerilim dağıtım hatları ve bazen ölçü devrelerini kapsar.

<span class="mw-page-title-main">Amplifikatör</span>

Amplifikatör veya yükselteç, elektronik sinyalleri artırmak için kullanılan elektronik cihazlardır. Amplifikatörler bu işlemi bir güç sağlayacısından alıp bu çıkış sinyallerinin şeklini eşleştirerek yaparlar. Yani, bir amplifikatör güç sağlayıcısından aldığı sinyalleri düzenler.

<span class="mw-page-title-main">Kıvılcım aralığı</span>

Kıvılcım aralığı iki elektriksel iletken elektrotlarını içerir ve boşluklar ile ayrılır ve genelde gaz mesela hava ile doldurulur, düzenlenen elektrik kıvılcımları iletkenlerin arasından geçer. İletkenler arasındaki potansiyel farkı dayanma gerilimini aştığında, elektrik kıvılcımı oluşur, gaz iyonlaşır ve şiddetle elektriksel özdirenç ve iletkenlik azalır. Daha sonra elektrik akımı olur ve iyonlaşan gazın yolu kırılır veya akım minimum değerin altında azalır buna " tutulan akım ". Bu genelde potansiyel durduğunda olur, fakat bazı durumlarda, ısıtıldığında gaz artar, gerilim ve sonra iyonlaşmış gazın lifi kırılır. Genellikle, iyonlaşmış gazın etkisi şiddetli ve yıkıcıdır, sıklıkla ses oluşumuna yol açar, parlak ve sıcaktır.

Elektronik'te lineer regülatör, sabit voltajı korumak için kullanılan bir sistemdir. Regülatörün direnci hem giriş voltajına hem de yüke göre değişir ve sabit bir voltaj çıkışı elde edilir. Düzenleme cihazı, değişken direnç gibi hareket edecek şekilde yapılır, sabit bir çıkış voltajını korumak için voltaj bölücü ağını sürekli olarak ayarlar, giriş ve düzenlenmiş gerilimler arasındaki farkı sürekli olarak atık ısı olarak dağıtır. Buna karşılık, 'anahtarlama regülatörü ortalama bir çıkış değerini korumak için açılıp kapanan aktif bir cihaz kullanır. Lineer regülatörün ayarlanmış voltajı her zaman giriş geriliminden daha az olması gerektiğinden verimlilik sınırlıdır ve giriş voltajı, aktif cihazın her zaman bir miktar gerilim düşürmesine izin verecek kadar yüksek olmalıdır.

<span class="mw-page-title-main">Katı hal rölesi</span>

Katı hal rölesi (SSR), harici bir voltaj kontrol terminallerine uygulandığında açılıp kapanan bir elektronik anahtarlama cihazıdır. Röle ile aynı işlevi yapar ancak katı hal elektroniği hareketli parçaları olmadığından ve daha uzun çalışma ömrüne sahiptir.

<span class="mw-page-title-main">Hall etkisi sensörü</span>

Hall etkisi sensörü, herbiri Hall etkisi’ni kullanan manyetik alan vektörü B'nin eksenel bileşeniyle orantılı voltaj üreten bir veya daha çok Hall elemanlı sensördür.