Anahtarlamalı Güç Kaynağı (SMPS), elektriksel güç dönüşümünü verimli bir şekilde sağlamak için bir anahtarlama regülatörü içeren elektronik güç kaynağıdır. SMPS, diğer güç kaynaklarında olduğu gibi, bir DC veya AC kaynaktan aldığı enerjiyi DC yüklerine aktarırken gerilim ve akımı dönüştürür.
SMPS Devrelerinin Çalışma Prensibi
Anahtarlamalı Güç Kaynağı (SMPS) olarak adlandırılan elektronik güç kaynağına bir anahtarlama regülatörü entegre edilmiştir. Bu güç kaynağı, bazen “anahtarlayıcı”, ‘anahtarlamalı güç kaynağı’ veya ‘anahtarlama modlu güç kaynağı’ olarak da adlandırılır. Bu güç kaynağı, elektriksel gücü etkili bir şekilde dönüştürür. SMPS, diğer güç kaynakları gibi, bir AC veya DC kaynaktan alınan enerjiyi DC yüklerine (Örneğin; bir kişisel bilgisayar) aktarırken akım ve gerilim özelliklerini dönüştürür. Anahtarlamalı enerji kaynakları, transformatörlerinin önemli ölçüde daha küçük olabilmesi nedeniyle, doğrusal güç kaynaklarına göre önemli ölçüde daha hafif ve daha kompakt olabilir. Bu, 50-60Hz şebeke frekansının aksine, birkaç kHz’den birkaç MHz’e kadar uzanan yüksek bir anahtarlama hızında çalışmasından kaynaklanır. Güç kaynağı mimarisi ve ticari sistemlerde EMI (elektromanyetik girişim) baskılama gereksinimi, daha küçük bir transformatöre rağmen genellikle önemli ölçüde daha yüksek bileşen sayısı ve buna bağlı devre karmaşıklığına yol açar.
- İlk aşamada, gelen AC gücü DC’ye dönüştürmek için bir doğrultucu ve filtre kullanılır.
- SMPS yüksek frekanslarda çalıştığından, DC sinyal, orta frekansta bir darbeli DC sinyali üretmek için yüksek frekanslı bir anahtar tarafından işlenir.
- Bir güç transformatörü, yüksek voltajlı DC çıkışını uygun seviyede bir DC sinyaline düşürür.
- Düşürülen DC sinyalin doğrultulması ve filtrelenmesi, sabit ve sürekli bir DC çıkışı elde edilmesini sağlar.
- Kontrol devresi, istenen voltajda sürekli bir çıkış akışını garanti altına almak için üretilen voltajı sürekli olarak izler ve yüksek frekanslı anahtarı ayarlar.
SMPS Devresi Çeşitleri
AC-DC Dönüştürücü SMPS
Bu tür bir SMPS’nin giriş kaynağı AC’dir ve çıkışı DC’dir. AC güç, doğrultucular ve filtreler kullanılarak DC’ye dönüştürülür. Bu düzensiz DC voltajı, güç faktörü düzeltmesi için etkilenen devrelere uygulanır. Bu, doğrultucu içinde voltaj zirvesi yakınında meydana gelen düşük akım darbeleri nedeniyle olur.
DC-DC Dönüştürücü SMPS
Bu güç kaynağının giriş kaynağı doğrudan yüksek voltajlı DC güç sağlayan bir DC güç kaynağından gelir. Ardından, bu yüksek voltajlı DC güç kaynağının frekansı 15 kHz–5 kHz’e düşürülür. Daha sonra, 50 Hz’lik bir düşürücü transformatör ünitesine iletilir. Bu transformatörün çıkışı, doğrultucunun girişine hizmet eder ve doğrultucunun çıkışı, yüklerin çektiği gücü sağlar. Osilatör zamanında düzenlendiğinde kapalı devre bir regülasyon oluşturulur. Transformatör, görev döngüsü %50 olduğunda maksimum gücünü aktarır. Görev döngüsü azaltıldığında, transformatörün gücü de kesintiyi azaltarak düşer.
Fly-Back Dönüştürücü Türü SMPS
Fly-back dönüştürücülü bir SMPS, 100W’tan daha az çıkış gücüne sahip herhangi bir SMPS’dir. Bu SMPS’lerin devresi, diğer SMPS’lerden daha basit ve anlaşılması daha kolaydır. Bu tür SMPS’lerin amacı düşük güç tüketimidir. MOSFET kullanılarak, sabit yoğunluktaki düzensiz voltaj yaklaşık 100 kHz frekansta anahtarlanarak istenilen çıkış voltajına dönüştürülür. Voltaj ayrımı bir transformatör kullanılarak gerçekleştirilir. İşe yarar bir fly-back dönüştürücü, anahtar PWM ile kontrol edilirken çalıştırılabilir. Tipik bir transformatörden farklı olarak, fly-back transformatör benzersiz özellikler sergiler. Fly-back transformatörünü oluşturan iki sargı, manyetik olarak bağlı endüktörler gibi işlev görür. Filtrelemeyi iyileştirmek için, transformatörün çıkışını yaymak amacıyla kapasitörler ve diyotlar kullanılır.
Forward Dönüştürücü Türü SMPS
Bu tür SMPS, fly-back dönüştürücü türüyle neredeyse aynı tasarıma sahiptir. Bu tür SMPS’yi kontrol etmek için anahtar, transformatörün çıkışını besleyen ikincil sargıya bağlanır. Filtreleme ve düzeltme devresi, fly-back dönüştürücüsünden daha karmaşıktır. Bu SMPS’ler, genellikle DC-DC buck dönüştürücüler olarak adlandırılır ve transformatör izolasyonu ve ölçekleme uygulamalarında kullanılır.
SMPS Türleri
Son kullanıcılar için en bilinen ve yaygın olarak kullanılan Anahtarlamalı Güç Kaynağı (SMPS) türlerinden bazıları şunlardır:
DC-DC Dönüşüm
AC şebekeden alınan yüksek voltajlı DC güç, doğrultulup filtrelenmiştir. Daha sonra, bu yüksek DC voltajı anahtarlanarak birincil taraf düşürücü transformatöre gönderilir. Doğrultulmuş ve filtrelenmiş çıkış, düşürücü transformatörün ikincil tarafında toplanır ve güç kaynağına çıkış olarak verilir.
İleri Dönüşüm
İleri dönüştürücülerde, choke (endüktör) akımı, transistör iletimde olsa da olmasa da taşır. Transistör kapalı olduğunda, yük üzerindeki enerji akışını devam ettirmek için cihaz içindeki diyot akımı iletir. Elektrik enerjisinin bir kısmı, transistör açıkken yük üzerinde geçer ve choke tarafından depolanır.
Flyback Dönüştürücü
Flyback dönüştürücüsünde, endüktörün manyetik alanı anahtar açık olduğunda enerji depolar. Anahtar açık konumda kaldığında, enerji sonuçtaki voltaj devresine salınır. Flyback dönüştürücüsündeki çıkış voltajı, görev döngüsüne (Duty Cycle) bağlıdır.
Kendiliğinden Osilasyonlu Flyback Dönüştürücü
Flyback teorisine dayanır. Bir akım, transformatörün birincil sargısından geçerken, Vin/Lp eğiminde doğrusal olarak artar. Hızlı geri dönüş diyotu, ikinci sargı ve geri bildirim sargısında indüklenen voltaj sayesinde ters kutuplu çalışmaya başlar ve iletimdeki transistörleri açık tutar. Akım maksimum değerine ulaştığında, çekirdek doygunluğa ulaşır. Bu nedenle, giriş sargıları tarafından desteklenen sabit tabanlı motor ani bir akım artışına dayanamaz ve anahtarlama doygunluktan çıkmaya başlar.
SMPS’nin Avantajları ve Dezavantajları
Avantajları:
- SMPS görece olarak hafif bir yapıya sahiptir.
- SMPS’nin üretim spektrumu geniştir.
- Anahtarlamalı güç kaynağı kompakt bir boyuta sahiptir.
- Güçlü bir şekilde parazit önleyicidir.
- SMPS, genellikle %60 – 70 arasında olan enerji tüketimi ile tavsiye edilir.
Dezavantajları:
- SMPS’nin karmaşıklığı çok yüksektir.
- SMPS’de sadece bir voltaj çıkışı vardır.
- SMPS kontrolü zayıftır ve çıkış dalgalanması yüksektir.
- SMPS’nin üretim yansıtması büyüktür ve kontrolü yetersizdir.
- SMPS kullanımı genellikle düşürücü regülasyon ile sınırlıdır.
SMPS Uygulamaları
- Ana uygulamaları güç istasyonları, buzdolapları, ocaklar ve kişisel bilgisayarlardadır.
- Frekans dönüştürücü, DC voltajları DC’ye ve AC voltajları AC’ye dönüştürmek için kullanılabilir.
- Fabrikalarda ve üretim tesislerinde değişken güç ve voltaj sağlamada kullanılırlar.
- Ayrıca enerji santralleri, sunucular, havaalanları, demiryolları, güvenlik sistemleri ve demiryollarında kullanılırlar.
- Modern akıllı telefonlarda bulunur.
- Kontrolsüz DC giriş voltajı dengelemesi için bir başka uygulamadır.
- Elektrik makinelerinde kullanılırlar.
- Otomotiv endüstrisi de SMPS cihazlarını kullanır.
- SMPS’nin amacı fazlalık akımı dengelemek ve elektrik akımını stabilize etmektir.
- Elektromanyetik alanlarla uyumludurlar.
- SMPS’nin yüksek verimliliği, ekstra gücün ısı olarak boşa gitmesini önleyen sürekli giriş-çıkış anahtarlamasına atfedilir. SMPS devresindeki voltajlar sürekli olarak değişir çünkü anahtarlama ile çalışır. Anahtarlama cihazı ya kesilme ya da doygunluk modunda çalıştırılır. Geri bildirim devresinin anahtarlama süresi çıkış voltajını düzenler. Anahtarlama süresini değiştirmek için görev döngüsü ayarları yapılır.
