Güç Kaynakları

+ Yorum Gönder
Elektronik ve Elektronik Bölümü Bölümünden Güç Kaynakları ile ilgili Kısaca Bilgi
  1. 1
    Mattet
    Usta Üye
    Reklam

    Güç Kaynakları

    Reklam



    Güç Kaynakları

    Forum Alev
    GÜÇ KAYNAKLARI


    Güç kaynağı, genel tanımıyla, bir enerji üreticisidir. Bu enerji elektrik enerjisi olduğu gibi, mekanik, ısı ve ışık enerjisi şeklinde de olabilir.

    Konumuz elektronik olduğu için biz elektronik devreler için gerekli güç kaynağı olan DOĞRULTUCULAR incelenecektir.

    Doğrultucu nedir? AC gerilimi DC gerilime çeviren güç kaynaklarıdır.

    Elektronikte kullanılan doğrultucuların yararlandığı .ac gerilim, şehir şebekesinden alınan 220 Volt 'luk gerilimdir. Bu gerilim Şekil 1.5 'de görüldüğü gibi sinüzoidal olarak değişir.

    İyi bir doğrultucudan beklenen, AC geriliminden, hiç dalgalanması olmayan ve istenilen değerde bir DC gerilim oluşturmaktır.

    Buradaki "+" ve "-" değerlendirilmesi kaynağın toprağa bağlanan ucu ile yapılmaktadır. Kaynağın (-) ucu toprağa (şaseye) bağlanırsa,besleme gerilimi (+) pozitif olarak kullanılır. Veya bunun tersi olur. Genellikle "-" negatif uç toprağa bağlanır.




    DOĞRULTUCULARIN YAPISI:

    Komple bir doğrultucu Şekil 1.5 'de gösterildiği gibi şu dört ana bölümden oluşmaktadır:

     Transformatör: 220V ihtiyaç duyulan AC gerilime dönüştürülmesini sağlar.

     Doğrultma Devresi: AC gerilimi DC gerilime çeviren devredir. Bu DC gerilim, sinüzoidal değişimin tek yönlü halidir. Yani dalgalıdır.

     Filtre Devresi: Dalgalanması mümkün olduğunca az DC gerilim oluşumunu sağlar.

     Regülatör Devresi: Tam doğrultulmuş DC gerilim oluşumunu sağlar.




    TRANSFORMATÖRLER

    Transformatörler gerek elektrik alanında olsun, gerekse de elektronik alanında olsun çok kullanılan elemanlardır.

    Burada elektronik alanında kullanılan transformatörlerin, yapıları çalışma prensibi ve hesaplama yönteminden özet olarak bahsedeceğiz..

    Transformatörlerin elektronik alanındaki başlıca kullanım yerleri şöyle sıralanabilir:

     Kuplaj için
     Yükselteçlerde hoparlör çıkışı için
     Empedans uygunluğunun sağlanması için
     Güç kaynaklarında değişik gerilimler elde etmek için



    TRANSFORMATÖRLERİN YAPISI VE ÇEŞİTLERİ

    Yukarıda sıralanan elektronik devrelerde transformatör yalnızca monofaze olarak kullanılır. Monofaze transformatörde, daha sonra açıklanacağı gibi, ortada, saclar ile oluşturulan bir nüve (çekirdek) ve bunun üzerinde primer ve seconder sargıları vardır.

    Ayrıca, elektrik devrelerinde kullanılan trifaze ve çok fazlı transformatörlerde vardır.

    Monofaze transformatör nedir?

    Monofaze transformatör tek fazda çalışan transformatördür.

    Örneğin, Monofaze transformatörden 220V 'u istenilen gerilime çevirmek için yararlanılır."Mono" nun kelime anlamı da "Tek" demektir.

    Normal olarak şehir elektrik şebekesi üç fazlıdır. Fazlar, R, Ş, T olarak adlandırılır. Bu üç fazın her biri ile toprak arası 220V 'tur.

    Küçük işyerleri ve evlerde genelde tek faz kullanılır. Elektronikte de tek faz kullanılır.

    ÇALIŞMA PRENSİBİ

    ÇİFT SARGILI TRANSFORMATÖRÜN ÇALIŞMA PRENSİBİ

    Şekil 5.6 'da görüldüğü ve yukarıda da açıklandığı gibi monofaze bir transformatörde genellikle iki giriş ucu ve iki de çıkış ucu mevcuttur. Bu uçlar giriş ve çıkış sargılarından alınmaktadır. İhtiyaca göre çıkış sargısı yine şekilde görüldüğü gibi birden fazlada olabilir.

    Bu sargılar teknik dilde aşağıdaki gibi adlandırılır:

     Giriş sargısı: (Primer sargı)
     Çıkış sargısı: (Sekonder sargı)

    Primer sargıya bir AC gerilim uygulandığında, sekonder sargı uçlarından da yine AC gerilimi alınır.


    GERİLİM İLE SARIM SAYISI BAĞINTISI

    Primer ve sekonder sargılardaki gerilim değerleri, sargıların sarım sayılarıyla orantılıdır.

    Günlük hayatta, AC devrelerde ölçüm için kullanılan normal ölçü aletleri efektif değerleri ölçtüğü için, hesaplamalarda da genel olarak efektif değerler kullanılır.

    Transformatördeki efektif değerler gösterilirken, özellikle gerilimler için değişik semboller kullanılmıştır.

    1. Bazı yayınlarda;

    Transformatöre uygulanan gerilim: U1 veya UP Transformatörün primer sargısında endüklenen gerilim: E1
    Transformatör sekonderin den alınan gerilim: U2 vaye US Transformatörün sekonderin de endüklenen gerilim: E2

    Transformatör kayıpsız kabul edilirse;

    U1=E1 ; U2=E2 'dir.

    Kayıplar dikkate alınırsa; U1=E1+kayıp gerilimi, U2=E2+kayıp gerilimi 'dir.
    2. Diğer bazı yayınlarda da, bütün gerilimler V ile gösterilmekte ve nereye ait gerilim ise onu belirten indis kullanılmaktadır. Örneğin, Transformatör primer gerilimi VP,sekonder gerilimi VS, yük direncindeki gerilim düşümü VL ile gösterilmektedir.




    Bir transformatörde gerilim değerleri ile sarım sayıları arasında şu bağıntı vardır:

    VP/VS = NP/NS

    NP/NS = n değerine TRANSFORMASYON (Dönüştürme) ORANI denir.



    PRİMER SEKONDER GÜÇ BAĞINTISI

    Teorik olarak bir transformatörün girişine hangi güç verilirse, çıkışından da aynı güç alınır.

    Giriş gücü PP ve çıkış gücü ise PS ise =>PP=PS 'dir...

    Ancak, transformatörün saclarındaki fuko akımından, histerisiz olayından ve sargıların endüktif reaktansından (XL) dolayı , giriş enerjisinin bir bölümü ısı enerjisine dönüşerek kaybolur.

    Kayıp nedenleri:


    Fuko akımları: Sacların içerisinde oluşan ve dairesel olarak dolaşan akımdır.

    Histeresiz olayı: Sacların mıknatıslanması olayıdır.

    Endüktif reaktans (XL): Sargı tellerinin Ac direncidir.

    Aslında, Ps çıkış gücü, PP giriş gücüne göre biraz küçüktür (Ps<PP). Ancak, küçük güçlü transformatörlerde kayıplar ihmal edilebileceğinden PP=Ps olarak kabul edilir.


    GÜÇ – GERİLİM VE AKIM BAĞINTISI

    Transformatörlere uygulanan gerilim; Vp=Vpm Sinωt şeklinde sinüzoidal olarak değişen bir gerilimdir. Bu gerilim, primer sargıdan akıtacağı akım ile, sekonder sargıda oluşturacağı gerilim ve akımda yine sinüzoidal olarak değişir.

    Ancak, hesaplamalar efektif değerler üzerinden yapıldığından, güç bağıntıları şöyle yazılır:

    Pp = Ip . Vp ve Ps = Is . Vs

    Bu bağıntıda, birimler şöyledir: V: Volt, I: Amper, P: Watt
    Pp=Ps kabul edildiğinden, Ip.Vp=Is,Vs yazılabilir.

    Buradan da şu sonuç çıkar: Vp/Vs = Is/Ip




    SARGI EMPEDANSLARI İLE GERİLİM VE AKIM BAĞINTILARI

    Zp: Primer sargı empedansı, Zs: Sekonder sargı empedansı olmak üzere gerilim şöyle ifade edilir:

    Vp = Ip . Zp ve Vs = Is . Zs

    Bu değerler yukarıda yerine konulursa aşağıdaki eşitlikler elde edilir:

    Ip.Zp / Is.Zs = Is/Ip Buradan, I2S / I2P = ZP / ZS veya IS / IP = √ZP / √ZS

    olur.

    Bu eşitlikler gerilim cinsinden yazılırsa aşağıdaki gibi olur..

    Vp/Vs = Is/Ip idi. Is/Ip = √ZP / √ZS bulundu. Buradan Vp/Vs = √ZP / √ZS olur.

    Özet olarak yazılırsa transformatör bağıntıları şöyle olacaktır: Pp =Ps Vp/Vs = Np/Ns = Is/Ip = √ZP / √ZS

    NOT:

    Burada şu iki hususa dikkat etmek gerekir.

    Yukarıdaki bağıntıda Np/Ns sabit bir değerdir. Diğer oranların da sabit olması gerekir. Is 'nin büyüklüğü transformatörün yük direncine bağlıdır. Yük direnci çok küçük olursa Is tolerans değerinin üzerinde büyür. Bu durumda yukarıdaki oranı sağlamak üzere Ip 'de büyür. Transformatör anormal olarak ısınıp yanabilir. Kullanma sırasında bu duruma dikkat etmek gerekir.

    Transformatörün, sekonder uçları açık iken de uzun müddet çalıştırılması doğru değildir. Enerji sarfiyatı olmadığından yine ısınır. En ideal çalışma şekli; yük direncinin Zs empedansına eşit olmasıdır.

    VERİM:

    Yukarıda da belirtildiği gibi her transformatörde az veya çok, fuko, histerisiz ve sargı kayıpları vardır.

    Önceden belirtildiği gibi, küçük güçlü transformatörlerde bu kayıplar pek dikkate alınmaz ve Pp = Ps olarak kabul edilir.

    Ancak, bu tür kayıpların bilinmesi ve hassas hesaplamalarda dikkate alınması gerekir. Bu durumda transformatörün verimi söz konusu olacaktır. Verim: çıkış gücünün - giriş gücüne oranıdır.

    Formülü: η = Ps/Pp veya %η = (Ps/Pp)*100 dür.

    Genelde verim: η = %75 - %98 arasında değişir.

    Örnek:


    Soru:

    Bir transformatörde giriş gerilimi Vp:220V, çıkış gerilimi Vs:20,V olsun (Bu değerler efektif değerlerdir). Transformatörün verimi %98 ve çıkış akımı Is:2A olduğuna göre, primer akımı nedir?

    Çözüm:

    Giriş akımı sorulduğuna göre önce giriş akımını verecek bağıntıyıdüşünmek gerekir. Problemin veriliş tarzından, verim ve dolayısıylada da güç bağıntısı yoluyla çözüme gidileceği anlaşılmaktadır.

    Primer gücü: Pp=Vp*Ip 'dir. Buradan; Ip=Pp/Vp olur.

    Bu bağıntıda Vp bilinmektedir, Pp 'de bulunursa Ip'yi de bulmak mümkün olur.

    %η=Ps/Pp*100 idi.

    Bilinenler yerine konulursa: 98=(Vs.Is/Pp)*100

    98=(20*2/Pp)*100 olur. Yukarıdaki bağıntıdan; Pp=20*2*100/98 = 40,8 Watt olarak bulunur. Bu değerler yukarıdaki Ip bağıntısında yerine konulursa aşağıdaki değerler alde edilir.

    Ip = Pp/Vp = 40,8/220 = 0,185Amper =185 miliAmper olarak bulunur...




    OTO TRANSFORMATÖRÜN ÇALIŞMA PRENSİBİ

    Oto transformatörde giriş ve çıkışa ait, güç gerilim ve empedaslar sarım (tur)
    sayısına göre belirlenir.

    Yalnızca akım, yüksüz halde giriş ve çıkış için aynıdır.Ancak, RL gibi bir yük direnci bağlandığında akım, sargı empedansı ile R oranına göre paylaşılır.

    Girişe ait, güç, gerilim, empedans ve akım değerleri ile sarım sayısı; P1 V1, Z1, I1, N1 olsun.

    Aralarında şu bağıntı vardır: P1=V1*I1, V1=I1*Z1

    Bu sarıma düşen güç ve gerilim: Psa = P1/N1 Vsa = V1/N1

    Çıkışa ait güç, gerilim, empedans ve boştaki akım: P2, V2, I2 olsun çıkış ucunun alındığı kısım sarım sayısında N2 olsun.

    Şu bağıntı vardır:

    P2 = Psa*N2 = (P1/N1)N2, V2 = Vsa*N2 = (V1/N1)*N2, Z2 = Zsa*N2 = (Z1/N1)*N2 Boşta: I2=I1
    Çıkışta RL gibi bir yük direnci bağlı iken yük akımı: IL = V2/RL dir. Transformatör sargısından akan akım: I2 = V2/Z2 olur.
    Girişten çekilen akım: I1 = I2+IL 'dir..

    Oto transformatörün avantajları:

    1) Tek sargı kullanıldığı için küçük güçlerde daha az yer tutar.
    2) Çıkış geriliminin istenildiği gibi ayarlanması olanağı vardır.
    3) Daha az ısınır.

    Oto transformatörün şu iki dezavantajı vardır:

    1) Sargının tek sıra olması halinde (Varyakta) çok yer kaplar.
    2) Normal bir transformatörde primer ve sekonder sargılar arasına yalıtkan bir bant konarak çıkışa kaçak yapma ihtimali önlendiğinden, çıkış bakımından daha güvenli hale getirilmektedir.

    Oto transformatörde çıkış uçları, arasında kalan bir sarım koptuğunda giriş uçları arasındaki büyük gerilim çıkışa yansıyacak ve giriş akımının tamamı da çıkıştan devreyi tamamlayacaktır.

    Böyle bir durumda:

     Çıkış uçları arasındaki büyük gerilim hayati tehlike yaratabilir.
     Çıkış devresi de hassas elektronik elemanlar bulunabileceğinden, büyük gerilim ve büyük akım, devre elemanlarına zarar verecektir.

    TRANSFORMATÖR HESABI

    Her elektronikçi ve elektrikçi kendisi transformatör üretmese de, bir transformatörün boyutlarına ve tel kalınlığına baktığı zaman gücü hakkında bir tahminde bulunabilmelidir.

    Bu bakımdan burada, transformatör hesabıyla ilgili bazı pratik bilgiler verilecektir. Bu bilgiler özellikle, en çok kullanılan ÇİFT SARGILI doğrultucu transformatörü için yararlı olacaktır.

    Bir transformatörü üretmek veya gücü hakkında tahminde bulunabilmek için şunların bilinmesi gerekir:

    1) Nüve (çekirdek) kesiti
    2) Sarım (Spin) sayısı
    3) Tel ve Sargı kesiti
    4) Nüvenin boyutları

    Transformatörü üretirken de; yukarıdaki karakteristik değerlerin hesaplanabilmesi için şu ön bilgilere ihtiyaç vardır:

     Transformatörün gücü.
     Giriş ve çıkış gerilimleri.

    Bu ön bilgiler de kullanılma yerine göre saptanır.




  2. 2
    Mattet
    Usta Üye

    DC ve AC Güçlerin Ana Kaynağı

    Reklam



    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.






    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.







    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.




    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.







    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 sarım 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 XL ve aşağıdaki formül ile hesaplanır, burada f hertz olarak frekans, L henri olarak endüktans; Pi de sabit 3.1416dır:
    XL = 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.








  3. 3
    Mattet
    Usta Üye
    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.



    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.




    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 (Ns), primer sayısına (Np) oranının değiştirilmesiyle kolaylıkla yapılabilmektedir. Bu oran Ns nin Np ye bölünmesiyle, yani Ns / Np ile oluşmaktadır. Ns / Np 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 ep, primer voltajı Vp nin primer turuna Np bölünmesidir. Formül olarak yazarsak:





    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:
    Vp x Ip = Vs x Is x n
    Burada n: transformatör verimidir. Verim %100 ise veya n=1 ise, çıkış gücü, giriş gücüne eşit olacaktır. Böylece, eğer Vs Vp den küçük ise, Is Ip den büyük olmalıdır, ve eğer Vs Vp den büyük ise Is Ip 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, bir saniyenin 60da birinde oluşur.



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

    Vpk ve Vpp
    Şekil 2.4'e baktığımızda ac voltajı tanımlayan başka değerlerin de olduğunu görürüz. Tepe voltajı (peak) Vpk, bir devirdeki en fazla voltaj değeridir. Tepeden tepeye voltaj (peak to peak) Vpp, 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, Vrms tepe voltajının %70.7sine eşittir. (Vrms= 0.707 x Vpk) Tersine Vpk, Vrms voltajın %141.4üdür. (Vpk= 1.414 x Vrms) Bir sinüs dalgası için tepeden tepeye voltaj, tepe voltajının iki mislidir. (Vpp= 2 x Vpk)

    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.








    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 VFsi) eişt bir voltaj yükün RL etrafında oluşur. B değişiminde, D1 akımı bloke eder, böylece, RL nin etrafında voltaj oluşmaz. Sekonder voltajı, diyotun etrafında ters voltaj VR olarak görülür. Bu voltaja dayanabilmesi için, D1'in PIV'si sekonder voltajının Vpk 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 Vpk '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 VF sine kadar şarj edilebilir.




    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. VS1 pozitif iken VS2 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 0,636Vpk 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 VSpp si olmalıdır.



    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 VSpk 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 (1x10-6) faraddır.



    Kondansatörü Deşarj Etme

    Bir kondansatörü filitrelemede nasıl kullanıldığını anlamak için bir kondansatörün deşarj özelliklerini inceleyelim. Şekil 2.7c'de, bir kondansatör Vc 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, Vc'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, CF1 filtre kondansatörünü ve RL güç kaynağı yükünü ifade eder. IL eşittir Vo bölü RL (Ohm kanunu). Vo dalga şeklinin zamana karşı çizimine bakın. İlk değişen yarım devirde CF1'i şarj ederken, Vo hızla doğrultucunun tepe voltaj çıkışına yükselir. Eğer yük yoksa (RL =sonsuz), Vo tepe voltajında kalırdı ve CF1'in tekrar şarj edilmesi gerekmezdi; ancak RL yükü ile ve IL akımı ile, doğrultulan darbe sıfıra inerken CF1 deşarj olmaya başlar. Deşarj Şekil 2.7d'ye göre olur ve RC zaman sabiti CF1 çarpı RL dir. CF1 Vo dalga şeklinde gösterildiği gibi A noktasına kadar deşarj olur. A noktasından sonraki değişim darbe voltajı Vo'ın üzerine çıkar ve CF1'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.









    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.

    Operasyon

    Şekil 2.9a şemayı ve Şekil 2.9b çıkış dalga şeklini göstermektedir. İlk İlk değişimi D1'i ileri meyiller ve C1'i Vpk'ya şarj eder. İlk B değişimi D2'yi ileri meyiller ve C2'yi Vpk'ya şarj eder. C1 ve C2'nin polaritelerinin toplanarak seri bağlanmış olmasından dolayı çıkış voltajı Vo, iki kondansatör voltajının toplamı, 2xVpk 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.








  4. 4
    Mattet
    Usta Üye
    III. BASİT REGÜLELİ GÜÇ KAYNAĞI SİSTEMLERİ


    GİRİŞ

    Bugünlerde yararlandığımız birçok kolaylığı modern dijital entegre devreler (IC) saylamaktalar. Bu IC'lerin çoğu, voltaj seviyesini dar limitlerin içinde kontrol edebilen hassas bir güç kaynağına gerek duyarlar. Güç kaynağının yük gereksinimindeki yükselme ve düşmelere çok hızlı cevap vermesi gerekmektedir, çünkü eğer bazı voltaj değişmleri oluşursa IC'ler ters etkilenebilmektedir. Bu yazıda güç kaynağının çıkışını kontrol etmek için basit metodlar anlatılacaktır, öyle ki yük akımındaki ve şebeke voltajındaki deşikliklerin çıkış voltajına etkisi az veya hiç olmasın. Çıkışı bu şekilde kontrol edilen güç kaynaklarına regüleli güç kaynağı denir.
    Regüleli bir güç kaynağı tasarlamak için, geçen yazıda anlatıldığı gibi bir regülesiz güç kaynağı çıkışına bir regüle devresi eklenerek kullanılır. Bu yazı bir regülatörün güç kaynağının çıkışını nasıl izleyebildiğini ve çıkış voltajının tanımlanan limitlerde kalması için nasıl otomatik ayarlamalar yaptığını gösterecek. Bir regülatörün esas fonksiyonel bölümleri, bu fonksiyonları yerine getiren çeşitli entegre devreler açıklanacaktır. Bu IC'ler regüleli güç kaynağı tasarımını ve üretimini kolaylaştırmaktadır.

    NEDEN BİR VOLTAJ REGÜLATÖRÜ GEREKLİDİR?

    İşlevsel diagramı Şekil 2-1'de (önceki yazı) gösterilen regülesiz güç kaynağının şematik diagramı Şekil 3-1a'dadır. Şekil 3-1b, Şekil 3-1a'da gösterilen devrenin basitleştirilmiş şematik halidir. Bir çeşit açık devre (yüksüz) dc voltajı vardır; kaynağı VDC ve seri direnç RZ çıkış empedansıdır. Her yük akımı IL, RZ içinden akar. İki ana faktör çıkış voltajı V0'ı değiştirmek için çalışır. İlki yük akımındaki değişim, diğeri VDC yi değiştiren şebeke hattındaki giriş voltajı VIN'in değişimi. Bazen bu iki faktör birbirinden bağımsız oluşabilmekte ve bazen birbirlerini etkileyebilmektedirler.




    Yük Akımındaki Değişmeler

    Dc çıkış voltajı V0, yükün akım isteklerinin inip çıkması ile değişir. Şekil 3-2 bu değişimlerin çizimidir.



    Eğer hiç yük akımı yoksa (IL=0), o zaman V0 güç trafosundaki en yüksek ac seviyeye VDC'ye eşittir. Yük daha fazla akım istediğinde, RZ'deki voltaj düşüşü, çıkış voltajının düşmesine sebep olur. Yük belli çıkış akımındayken ILR, V0, V0R'dedir, bu nokta transformatörün bilinen RMS voltajının yanındadır. Yük devresi azçok sabit bir akım çekerse veya yük devresi, V0 daki değişimleri tolore edebilirse, bu voltaj değişimi bir problem değildir. Örneğin, bir ses güç amfisi için güç kaynağı çıkışı, sinyal kesilmesi veya başka distorsiyon oluşan seviyenin altına inmediği sürece, amfinin çalışmasını etkilemeden geniş bir aralıkta değişiklik gösterebilir.

    Şebeke Voltajındaki Değişmeler

    Şekil 3-2'de gösterildiği gibi, şebeke voltajı VIN değiştikçe, V0 da değişir. Eğer VIN değişirse, zaten birçok yerde sık sık olur, güç trafosu çıkışı ve filitreli V0 çıkışı değişecektir.

    VOLTAJ REGÜLARÖRÜ PRENSİPLERİ

    Sabit bir V0 elde etmek için, Şekil 3-3'de gösterildiği gibi bir regülasyon devresi RZ ve RL'nin arasına eklenir. Regülatörün uçları arasında bir voltaj düşüşü (VREG) mevcuttur; bu durumda giriş voltajı VDC , Şekil 3-1b'de gösterilen VDC den daha büyük olmalıdır. Şekil 3-3'de, V0 = VDC - (RZ + VREG) dir.




    Regülatörün Çalışma Şekli

    Gerekli regülasyonu sağlamak için, IL ve VDC değiştikçe, V0 'ı sabit tutmak için regülatör devresi VREG 'i değiştirir. Eğer IL artarsa, VZ artar, bu da V0 'ın azalmasına yol açar; ancak regülatör VZ 'deki artışı dengelemek için VREG 'i azaltır, böylece V0 sabit kalır. Tersine, eğer IL azalırsa, ub da V0 'ı arttırmaya yönelir, regülatör V0 'ı sabit tutmak için VREG 'i arttırır. benzer şekilde, eğer VDC artar veya azalırsa, regülatör VREG 'i anılan sıraya göre arttırır veya azaltır.

    Örnekleme Devresi

    Örnekleme devresi çıkış voltajını izler ve hata amplifikatörüne bir çıkış voltaj örneği besler.

    Referans Voltajı Üreticisi

    Referans voltajı üreticisi, çıkış voltajındaki değişimlerden bağımsız olarak hata amplifikatörüne sabit bir referans voltajı sağlar.

    Hata Amplifikatörü

    Hata amplifikatörü, referans voltajını çıkış voltaj örneği ile kıyaslar ve eğer aralarında bir fark varsa bir hata voltajı üretir. Hata amplifikatörü çıkışı VREG değerini kontrol etmek için kontrol elemanını besler.

    Kontrol Elemanı

    Kontrol elemanı esasen VDC , RZ ve RL ile seri bağlı olan bir değişken dirençtir.VDC veya IL değişirse VO 'ı aynı tutmak için yukarıda açılandığı gibi, hata amplifikatöründen gelen giriş VREG 'i değiştirmek için bu değişken direnci ayarlar.

    Şimdi konu şekillendiğine göre, regülatör devresinin çalışma detaylarını öğrenelim. Önce devrelerde kullanılan basit tranzistör işlevi açıklanacaktır.

    TRANSİSTÖRÜN ÇALIŞMA ŞEKLİ

    Transistör yapısı

    Transistörün çalışma şeklini anlamak için Şekil 3-4'e bakın. Üç bölüme ayrılmıştır. Şekil 3-4a, bir tümlşik devre NPN tranzistörün yapısını gösterir. Tranzistör yarıiletken bir ince katmana yayılmış N, P ve N yarıiletken malzeme adalarından yapılmıştır. En yaygın kullanılan malzeme silikondur. Katmanın üzerinde, birbirine yan yana olan parçalar, bağımsız çalışabilmek için birbirlerinden izole edilmişlerdir. Küçük altın teller, tranzistörün üç terminalini, baz (B), emiter (E) ve kollektöre © dış elektriksel bağlantıları yapmak için, belirtilen metal bağlantılara, N, P ve N bölgelerine birleştirilmiştir.




    Transistör Devresi ve Karakteristik Eğrileri

    Şekil 3-4b bir transistörü bir devre içinde iken göstermekte ve Şekil 3-4c tranzistörün çalışma şeklini, kollektör akımı IC 'nin kollektör-emiter voltajına VCE karşı çizimi ile açıklamaktadır. Baz-emiter voltajı VBE 0,7Volttan daha büyük olarak baz emiterden daha pozitifse, baz akımı IB bazdan emitere akar.Verilen bir baz akımı ile VCE değişirken, kollektör akımının karakteristik bir eğrisi çizilebilir. Faklı baz akımları için farklı karakteristik eğriler Şekil 3-4c'de gösterilmiştir. Örneğin, eğer IB 0,1 miliampere eşitse, o zaman 2 Volttan - 20 Volta kadar her VCE için IC yaklaşık 10 miliamperdir.

    Transistörde bir akım kazancı olduğuna dikkat edin. IB 0,1 miliamper iken IC 10 miliamperdir, bu durumda baz akımı 100 kat büyük olan bir kollektör akımını kontrol eder. Akım kazancı, VCE 2 Volttan az veya kollektör emiter kesilme voltajından fazla olana kadar VCE den fazla etkilenmez.
    Yük Çizgisi

    Eğer RC , Şekil 3-4b'de, 200Ohm ise ve eğer kaynak voltajı 10V ise, o zaman her baz akımı IB için, tranzistörün VCE 'si Şekil 3-4c'de gösterilen karakteristik eğrilerin diyagonal kesik çizgisine düşecektir. Bu çizgiye bir yük çizgisi denir. Eğer IB=0 ise, IC=0 olur ve VCE 10 V iken, çalışma noktası yük çizgisinde B noktası olur. Eğer IB=0,5mA ise, o zaman IC=46mA; bu da yük çizgisindeki A noktasıdır. Eğer IB=0,3mA ise, o zaman VCE=4Volt, bu da yük çizgisindeki C noktasıdır. Böylece IB değiştikçe IC değişir ve VCE değişir.Bunun gibi tranzistör çalışma şekilleri, Şekil 3-5'deki regülatör devresi işlemlerin temelidir.

    SERİ GEÇİŞLİ GERİ BESLEME REGÜLATÖRÜ

    Bir regülatörün çalışmasını daha iyi kavramak için, Şekil 3-5'deki seri-geçişli geri besleme regülatörünü inceleyelim. Giriş voltajı VIN ve çıkış voltajı V0 arasında seri bağlı olan, seri geçişli olan, NPN tranzistör Q2 kontrol elemanıdır. Yük akımı IL, Q2'nin IC'si ile aynıdır, bu durumda tüm yük akımı Q2'nin üzerinden geçmelidir. Tranzistör çalışma şekli açıklamasından öğrendiğimiz kadarıyla, Q2 'ye bir IB akımı yoksa, IC akmaz, bu durumda IB, IC ve IL'yi kontrol eder. Bu durumun regülatör işlemini nasıl etkilediği şimdi açıklanacak.

    Şekil 3-5 bir geri besleme regülatör devresi olarak tanımlanır, çünkü çıkış voltajının bir kısmını geriye besleyen ve referans voltajı ile kıyaslayan kapalı bir döngüdür. İki voltaj arasındaki fark, çıkışı sabit tutmak için gerekli hareketi belirler.



    Referans Voltajı

    Şekil 3-5'deki referans voltajı VREF, diyot D1'in üzerindeki voltajdır, ki bu diyot da özel bir diyot olan bir zener diyottur. İkinci kısımda kesim alanı olarak anlatılan, ters-biaslı yönde çalışır. Normal diyotlar bu alanda çalıştırılınca hasar görürler, ancak zener diyotlar bu alanda çalıştırılmak üzere tasarlanmıştır.
    Şekil 3-5'de regülatöre gelen giriş voltajı, R1 ile seri olan D1'e verilir. Zener diyotun kesialanı voltajı aşılır aşılmaz, üzerinde geniş voltaj değişimleri olsa da D1'deki voltaj oldukça sabit kalır. VIN en düşük değerde iken, D1'den geçecek gerekli en düşük akım R1 değeri ile seçilir.

    Örnekleme Devresi

    Şekil 3-5'deki örnekleme devresiçıkış voltajı ucuna seri olarak bağlanmış iki adet dirençten R3 ve R4'ten oluşur. Çıkış voltajı örneği R4 'ün üzerindeki voltajdır. Bu voltaj, direnç değerlerinin oranına bağlıdır. R3 ve R4'ün değerleri, R4'ün üzerindeki voltajın D1'in üzerindeki referans voltajının 0,7Volt üzerinde olacak şekilde seçilir. Daha önce belirtildiği gibi, 0,7Volt bir silikon tranzistörün VBE voltajıdır.

    Hata Amplifikatörü

    Q1 hata yükselticisidir ve Q1'in VBE 'si hata voltajıdır. Sabit referans voltajı Q1'in emiterine verilir ve çıkış voltajı örneği Q1'in bazına verilir.Böylece, V0 'daki herhangi bir değişim, Q1'in VBE'sini değiştirir, bu da Q1'in IB baz akımını değiştirir. IB 'deki değişiklikler, Q1 'in IC kollektör akımının değişmesine sebep olur.
    Tranzistörün çalışma şeklinden dolayı Q1 akım kazancı sağlar. Q1 için kullanılan tranzistör tipine bağlı olarak, kollektör akımı baz akımındaki değişimin 50 ile 200 misline kadar değişir. R2 Q1'in kollektör devresini VIN besleme voltajına bağlayarak tamamlar.

    Kontrol Elemanı

    Daha önce belirtildiği gibi, Q2 bir silikon NPN tranzistördür. VIN, V0'dan daha büyük olsun diye tasarlanmıştır, böylece Q2 güç kaynağının yük akımı aralığı için, daima yeterli VCE verecek ve Q2 'nin güç harcama ve ısı limitlerini geçmek için yinede çok büyük olmayacaktır. Herhangi bir çalışma noktasında Q2 'deki güç harcaması Q2 'deki VCE çarpı Q2 den geçen akımdır.
    Q2 'nin emiteri regülatör çıkış terminaline bağlıdır. Q1'in kollektörüne bağlı olan Q2 'nin bazı, Q2 'nin emiterinin 0,7Volt üzerindedir.Q2 'nin baz-emiter devresi, Şekil 3-4b'ye benzemektedir. Baz akımı, Q2 'ye kaynak voltajı VIN 'den R2 tarafından sağlanır. IB en yüksek derecedeki güç kaynağı yük akımını sağlamak için yeterince büyük olmalıdır. Eğer Q2 'nin kazancı en az 50 ise, o zaman R2 üzerinden sağlanması şart olan en az baz akımı, geçen yük akımı bölü 50dir.
    Q1'nin kollektör akımı Q2'den baz akımını azalttığında Q1 Q2'yi kontrol eder.

    Regülatör Çalışma Şekli

    Şimdi hepsini birleştirelim ve geniş kapsamlı regülatör çalışma şekline bakalım. Devre kararlı bir çalışma durumunda ve sonra bir yük akımı düşüşü meydana geliyor.
    Yük akımındaki bir düşüş, V0 'ı arttırmağa eğilimlidir. V0 'daki artış, Q1 'in baz akımını arttırır, bu da Q1 'in kollektör akımını arttırır. Q1 'in artan IC 'si Q2 'den baz akımını şöntler (azaltır). Q2 'nin azalan baz akımı, kendi kollektör akımını azaltır. Bu da kendi kollektör-emiter voltajını arttırır. Q2 'deki artmış voltaj düşüşü V0 'ı azaltır.

    Yük akımındaki bir artış, ters işleme sebep olur. Eğer VIN artar veya azalırsa, benzer regülatör kontrol döngüsü işlevi V0 'ı sabit tutmak için meydana gelir.Okuyucu döngüyü takip edip, işlevin doğruluğunu kanıtlamalıdır.

    IC REGÜLATÖRLER

    Birçok kombinasyondaki, örnekleme elemanı, hata yükselteci ve kontrol elemanı entegre devre formunda mevcuttur. Bu devreler bir regüleli güç kaynağı imal etmek için birçok yıl öncesine göre işleri çok daha fazla kolaylaştırmaktadırlar. Bu kısımda bilinen üç voltaj regülatör entegre devresi tanıtılacaktır.

    7800 Serisi Sabit Çıkışlı Voltaj Regülatörleri

    Şekil 3-6'da gösterildiği gibi LM-7800 serisi üç terminalli regülatör, bir VIN terminali (Giriş), bir VOUT terminali (Çıkış) ve bir toprak terminali olan bir seri-geçişli regülatördür. 7800 serisinde, 5 ile 24 Volt arasında sınıflandırılmış çıkış voltajları mevcuttur. Malzeme numarasındaki son iki rakam regülatörün çıkış voltajını gösterir. Örneğin 7805 bir 5 Volt regülatör, 7812 bir 12 Volt regülatör ve 7815 bir 15 Volt regülatördür.
    Her regülatör için regüleli çıkış voltajı sabittir. Regülatör Şekil 3-3'de gösterilen tüm fonksiyonlara sahiptir. Buna ek olarak, en yüksek çıkış akımını güvenli bir değerde sabitlemek ve iç güç dağılımını güvenli bir limitte tutmak için koruyucu devrelere de sahiptir. Eğer iç güç dağılımı belirlenmiş bir değere geçerse, bir termal kesici devre devreye girmektedir. Uygun soğutucularla, 7800 serisi, 1,5Amper yük akımı sağlayabilir. Dikkat edilmelidir ki, çıkış voltajının belirlenmiş değerde kalabilmesi için, örnekleme elemanı yüke yakın iyi bir toprak noktasına bağlanmalıdır.


    Şekil 3-6'da gösterildiği gibi regülatör toprağı, topraktan daha yüksek bir voltaja yükseltildiğinde, regülatörün çıkışı arttırılabilmektedir.Çizgilerle gösterilen hat, regülatörün toprak ucu ile iki IN4001 diyotun seri olarak bağlandığını göstermektedir. Silikon diyotlardaki ileri-bias voltaj düşümünden dolayı, regülatörün toprak ucu, toprak seviyesinin 1,3 ile 1,4 Volt üzerinde olacak, bu da çıkışın belirlenmiş sabit voltaj çıkışından 1,3 ile 1,4 Volt yukarıda olmasına sebep olacaktır. Regülasyonun kalitesi düşecektir, çünkü sadeve V0'ın bir bölümü örneklenmektedir. Daha fazla diyotla veya ters-biaslı, yüksek akımlı zener diyotlarla, daha yüksek farklar elde edilebilir. Bu teknikler, sabit çıkış voltajını 1 veya 2 Volt arttırmak için kullanışlıdır.
    Daha düşük akım (100mA) ve daha küçük malzeme boyutu için 78L00 serisi de kullanılmaktadır.

    LM317 Ayarlanabilir Voltaj Regülatörü

    LM317 üç bacaklı ayarlanabilir voltaj regülatörü, 7800 regülatöre benzer, ancak onun iç örnekleme elemanı bulunmamakta ve toprak ucu, bir ayarlanabilen (Adj) uç ile değiştirilmiştir. Bu uç, üç amacı olan bir dış voltaj bölücüsüne bağlanmıştır. Birincisi, içerisindeki hata yükselticisine bir örnekleme-elemanı voltajı sağlamaktır. İkincisi, devrenin içerisindeki voltaj referansını çalıştırmak için R1 üzerinden toprağa yeterli akımı sağlamaktır. Üçüncüsü, bir ayarlanabilir güç kaynağı yapmak için işleri daha kolaylaştırmaktır. İçerisindeki kontrol elemanı, bir NPN tranzistör, yeterli soğutucu kullanılırsa, LM317T'nin 1,5 Amper sağlaması için yeterince büyüktür. LM317T'nin içerisinde maksimum akım için ve belirli ısı aralığının üzerinde iç güç dağılımı aşıldığında deverye giren bir koruyucu bulunmaktadır.

    LM317'nin çalışması 7800 serisinden biraz değişiktir, çünkü kendisi bir "yüzen regülatör" olarak bilinir. referans voltajını çıkış voltajı V0'a göre göreceli olarak korur. Bu yüzden çalışırken, çalışma noktasını öyle ayarlar ki, R1, R2 voltaj bölücüsündeki R1'in etrafındaki voltaj, daima VREF referans voltajına eşittir. Sonuş olarak, Şekil 3-7'de gösterildiği gibi, V0 eşittir VREF (LM317 kutusunda 1,25V) çarpı 1 artı R2 R1 oranıdır. Eğer R2, R1'den 9 kat fazla ise o zaman, bir LM317'de, V0 1,25Voltun 10 misli, veya 12,5Volt olur.



    Çok kolay görülebilir ki, eğer R2 bir ayarlanabilir direnç ise, VIN'in uygun sınırlar içerisinde olması sağlandığında, V0 geniş bir voltaj aralığında ayarlanabilmektedir.
    VIN en az, V0 + VREF den büyük olmalıdır. VIN en çok, V0 +40 Volttan fazla olamaz. Örneğin V0 = 12 Volt ise, VIN = 52 Volttan fazla olamaz. Tabii ki, VDIFF (VFARK) büyüdükçe iç ısı dağılımı da artacaktır.

    Uzaktan Algılama

    Dış örnekleme elemanının bir başka avantajı da, uzaktan algılamanın kolay yapılmasıdır.
    Birçok sistem tasarımında, uzun güç dağıtım hatları kaçınılmazdır. Yüksek akımı olan uzun bir güç kaynağı hattı, regülatör döngüsünün dışında kalan, önemli voltaj düşüşüne sahip olacaktır. Bu sorunu çözmek için uzaktan algılama kullanılır. Esas yük noktasına ayrı bir kablo bağlanır ve örnekleme devresine doğrudan yük voltajını geriye besler. Kabloda çok küçük bir akım olduğundan, voltaj düşüşü önemsenmez ve yük noktasındaki regülasyon daha iyiye gider.

    723 Regülatör Entegre Devresi

    Şekil 3-8'de bir 723 regülatörü gösterilmektedir. Bir referans voltaj kaynağı, bir hata yükselteci, bir düşük akım kontrol elemanı ve iki ekstra parça - bir zener diyot ve bir tranzistör vardır. Ekstra tranzistör bir akım limitleyicisi olarak kullanılır. Gösterildiği gibi bir güç kaynağı imal etmek için 723 kullanırken, 7800 ve 317 regülatörlerden daha fazla dış malzemeye gerek vardır. Ancak, dış bacaklarında ana fonksiyonların hazır olmasından, 723 çok yönlü bir regülatördür. Düşük-akımlı (150mA) tek başına güç kaynaklarında 723 kullanılabilir, fakat, en çok kullanılan yönü, daha yüksek akım verebilen kontrol elemanlarını sürmektir.




    Daha Yüksek Çıkış Akımı İçin Dış Tranzistör Ekleme

    Daha yüksek akımlı bir kontrol elemanı sağlamak için daha büyük akım sağlayabilen bir dış tranzistörün 723'e nasıl bağlandığını Şekil 3-8 göstermektedir. Dış tranzistörün kollektörü 723'ün VC'sine bağlanmıştır. Baz VOUT 'a bağlanmış ve emiter daha yüksek akımlı regülatörün yeni VOUT ucu olmaktadır. 723 dış kontrol eleman için bir sürücü olmaktadır. Dış tranzistörün güvenli çalışma alanını sağlamak için uygun bir soğutucu kullanılmalıdır.

    REGÜLATÖRÜ KORUMA

    Bir güç kaynağı regülatörü işini yerine getirirken önemli miktarda enerjiyi kontrol altında tutar. Eğer elektriksel ve termal güçler kontrol dışında kalırsa, devre kendisini bozabilir. Entegre devre ve dışarıdan bağlanabilen diğer entegre devre yarıiletken cihazların üreticileri geçilmemesi gereken voltaj, akım ve ısı limitlerini açıkça belirtirler. Bir devre tasarımı bu limitler içinde kalırsa, tüm malzemeler, güvenli çalışma alanlarında bulunurlar. Bu limitlerin dışındaki çalıştırma, cihazları bozabilmektedir. Bu limitler aşıldığında, regülatörlerin kendilerini bozmamalarını garanti etmek için, regülatörlere koruma devreleri eklenir.

    Kısa-Devre Koruma

    Genel bir olay, regülatörün çıkış ucunun toprak ucuna kısa devre edilmesidir. Bu olduğunda, regülatör kendi belirli değerinin üzerinde yüksek bir akım sağlamak için uğraşır. Daha önce anlatıldığı gibi, kısa devre koruma devreleri, 7800 serileri ve LM17T regülatörlerde içlerine konulmuştur. 723 için, Şekil 3-8'de gösterildiği gibi, çıkış ucu ile seri bağlı olan düşük bir direncin uçlarındaki voltaj düşüşünü ölçmek için akım limitleyici tranzistör bağlanmıştır. Yük akımı arttıkça, dirençteki voltaj düşüşü artar. Eğer bu voltaj tranzistörün VBE 'sinin üzerine çıkarsa, bu, yük tarafından aşırı akım istendiğini gösterir. Akım limitleyici tranzistör iletime geçer ve kendi IC 'sini limitlemek için ki bu da yük akımıdır, kontrol elemanının baz akımını şöntler (azaltır). Bu kontrol elemanını kendi güvenli çalışma alanında tutar.

    Termal Kaçak

    Aşırı yüksek ısılar, entegre devre regülatörlerinin çalışmasında ve diğer tümleşik devrelerde ciddi problemlere sebep olur. Eğer bir malzemenin dökümanlarında (data-sheet) belirtilen maksimum bağlantı ısısı aşılırsa, malzeme genelde bozulur. Bağlantı ısısı güç dağılımından dolayı artar. Bir seri-geçişli regülatörün ürettiği olması gereken güç dağılımı, kontrol elemanının uçlarındaki voltaj düşüşü (VIN - VOUT) ile içinden geçen akımın çarpılması ile hesaplanır. Bu güç ısıya çevrilir, bu da bağlantı ısısını arttırır. Eğer bu ısı ürettiğinden daha çabuk uzaklaştırılmazsa, termal kaçak denilen bir durum oluşabilir. Isı malzemenin daha fazla akım iletmesine neden olur, daha fazla ısı doğar, sonuçta malzeme tam olarak kendini imha eder. Tüm malzemenin limitleri aşılmadığı sürece, malzeme kendi güvenli temel çalışma alanında kalacaktır.

    Termal İletim

    Yarıiletkenlerin aralarındaki bağlantıları aşırı ısılardan korumak için, ısının üretildiği yerden, silikon malzemelerden dışarıya iletmek için bir yol sağlanmalıdır. Isının yolculuk etmesi için gereken doğal yol, silikondan entegre devre paketine veya kutusuna ve oradan da çevreyeki havayadır. Eğer malzeme maksimum değerinin çok altında çalıştırılırsa, bu genelde yeterli bir iletim yoludur, ancak güç arttıkça ısının daha hızlı çıkartılması gerekir.

    Soğutucu

    Soğutucu, cihazdan ısıyı dışarıya iletmesi amacıyla kullanılan, yarı iletken cihazlara veya entegre devre kutusuna bağlanan bir parça metaldir. Soğutucunun yüzey alanı arttıkça, iletme ile veya çevre havaya yayılmayla, ısı daha çabuk uzaklaştırılır. Şekil 3-9 bir metalin, ki bu daha çok etkili bir termal iletkendir, entegre devrenin çok ısınmasına nasıl mani olduğunu göstermektedir. Isı silikon çipten entegre devre kutusuna, oradan da bacaklar, baskılı devre ve soğutucu ile havaya geçer




    Entegre devre kutusundan soğutucuya ısı transferi verimini arttırmak için, sık sık aralarında bir temel iletken bileşim kullanılır. Eğer malzemeyi soğutucudan elektriksel olarak izole etmek gerekli ise, bir miktar mika izolatör kullanılır. Piyasada bu tip malzemeleri bulmak mümkündür.
    Bazen soğutucunun iletme ve soğutması, güç cihazını maksimum bağlantı ısısının altında
    tutmak için yeterli değildir. Bu durumda, ısı yayılım soğutumunu arttırmak için, soğutucudan havayı geçirmek için bir fan kullanılır. Örneğin, bilgisayarların güç kaynaklarında olduğu gibi. Her tasarımda, maksimum ısıların geçilmediğini garantiye almak için ısı ölçümleri yapılmalıdır.


  5. 5
    Mattet
    Usta Üye
    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 (Pçıkış / Pgiriş) %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.




    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.




    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) tAÇIK / 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 VIN voltajlı bir pile bağlı S1 anahtarını göstermektedir. İlk durum şöyledir: S1 açık, akım sıfır (I=0) ve yük üzerindeki voltaj sıfırdır (VR=0). L bobininin hiç direnci olmadığı varsayılmıştır.
    Devrenin yanında gösterilen eğri, VR değerinin zamana karşı çizimidir. VR=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:
    VR = VIN ve I = VIN / R olmaktadır.
    S1’in kapatıldığı anda, devredeki akım VIN/R değerine çıkmaya çalışır, ancak bobin etkisi akım değişimine direnir. O bunu akım değişimine direnecek bir yönde, üzerinde bir VL 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 (VL) endükler. Bobinin üzerinde oluşan VL (veya CEMF) şu formül ile gösterilebilir:
    VL = 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 VL maksimumdur. Böylece, tüm giriş voltajı bobinin uçlarında gözükür
    VR = 0. Zaman geçtikçe, VR için gösterilen logaritmik bir eğride akım artar ve sonuçta VIN/R maksimum değerine ulaşır. Akım maksimuma ulaştığında, artık değişmez ve manyetik değişkenlik değişmesini durdurur, yani VL=0 olur. Tüm giriş voltajı, VIN, R’nin üzerinde gözüktüğünden, VR 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, VIN/R ve VR=VIN dir. Enerji bobini saran manyetik alanda depolanmıştır. Şimdi S1 açılır. Devrenin yanındaki eğri zamana karşı VR’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 VL tekrar endüklenir, ama bu sefer VL’nin polaritesi, Şekil 5-3a’dakinin tersinedir.



    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. VR ve böylece I, I ve VR sıfır olana kadar alan düştükçe logaritmik bir eğri doğrultusunda azalır. VL 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 CF’deki şarjı tekrar saklamaya çalışır ve L enerjisini deşarj eder. Bu devrede kontrol elamanı açık olduğundan VL=VIN – Vo ve kontrol elemanı kapatıldığında VL=Vo 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 (+IC) yüklemek için akım sağladığı ve yük akımına da akım sağladığı zamanlar bulunmaktadır ve yük akımını sadece kondansatör (-IC) 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 VIN tarafından sağlanır ve bu sırada VL=VIN olur. D1 ile izole edilmiş olan yük, CF’de yüklenmiş olan şarj ile beslenir. Kontrol elemanı kapandığında, L’de yüklü olan enerji giriş voltajı ile “toplanır” ve IL yük akımının beslenmesine yardımcı olur ve CF’den boşalmış olan enerjiyi tekrar doldurur. L deşarj olduktan sonra yüke akımı CF sağlar. Kontrol elemanı kapandığında VL= Vo – VIN dir.






    INVERTÖR REGÜLATÖR

    Şekil 5-4c bir invertör regülatörü (bazen flyback regülatör de denir) için aynı devre elemanlarını göstermektedir. VIN’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, CF’deki şarjdan sağlanır. Kontrol elemanı kapalı iken, L’de yüklü olan enerji CF’yi, Vo negatif olana kadarki bir polariteye şarj eder. IL yük akımını sağlar ve enerjisini deşarj ettiği sürece CF’deki şarjı tekrar doldurur. Yukarıya-regülatörde olduğu gibi, L deşarj olduktan sonra yük akımını CF sağlar. Kontrol elemanı açıkken, VL=VIN’dir, kapalı iken, VL=Vo’dır. Invertörün tasarım şekline göre, giriş voltajından daha düşük veya daha yüksek voltajlar için kullanılabilir.


+ Yorum Gönder
5 üzerinden | Toplam : 0 kişi