Anahtar Modlu Güç Kaynağı

Bu yazımızda Anahtar Modlu Güç Kaynağı konusunu işleyeceğiz. Lineer voltaj regülatörleri, genellikle, bir zener diyot ve bir direnç veya transistörler ve hatta op-amp’ler gibi ayrık bileşenlerden yapılmış eşdeğer voltaj regülatör devrelerinden çok daha verimli ve kullanımı daha kolaydır.

En popüler lineer ve sabit çıkış voltajı regülatör tipleri, açık farkla 78… pozitif çıkış voltajı serisi ve 79… negatif çıkış voltajı serisidir. Bu iki tip tamamlayıcı voltaj regülatörü, birçok elektronik devrede kullanım için yaklaşık 5 volt ile yaklaşık 24 volt arasında değişen kesin ve kararlı bir voltaj çıkışı üretir.

Her biri kendi dahili voltaj regülasyonu ve akım sınırlama devrelerine sahip bu üç terminalli sabit voltaj regülatörlerinin geniş bir yelpazesi mevcuttur. Çoğu elektronik devre ve uygulamaya uygun, tek veya çift beslemeli bir dizi farklı güç kaynağı rayları ve çıkışları oluşturmamıza olanak tanır.

Hatta sıfırın hemen üstünden maksimum voltaj çıkışının birkaç volt altına kadar sürekli olarak değişen bir çıkış voltajı sağlayan değişken voltajlı lineer regülatörler bile mevcuttur.

DC güç kaynaklarının çoğu, büyük ve ağır bir aşağı indiren ana şebeke transformatörü, tam dalga veya yarım dalga diyot düzeltmesi ve uygun şekilde düzgün bir DC çıkış voltajı üretmek için doğrultulmuş DC’den herhangi bir dalgalanma içeriğini ortadan kaldırmak için bir filtre devresinden oluşur.

Ayrıca değişen yük koşulları altında güç kaynaklarının çıkış voltajının doğru şekilde düzenlenmesini sağlamak için doğrusal veya anahtarlamalı bir tür voltaj regülatörü veya stabilizatör devresi kullanılabilir. O zaman tipik bir DC güç kaynağı şöyle görünür:

Tipik DC Güç Kaynağı

Bu tipik güç kaynağı tasarımları, büyük bir şebeke trafosu (aynı zamanda giriş ve çıkış arasında izolasyon sağlar) ve bir seri regülatör devresi içerir. Regülatör devresi, gerekli çıkış voltajını üretmek için tek bir zener diyottan veya üç terminalli lineer seri regülatörden oluşabilir. Doğrusal regülatörün avantajı, güç kaynağı devresinin çıkış voltajını ayarlamak için yalnızca bir giriş kapasitörüne, çıkış kapasitörüne ve bazı geri besleme dirençlerine ihtiyaç duymasıdır.

Lineer voltaj regülatörleri, giriş ve çıkış arasına seri olarak sürekli iletken bir transistör yerleştirerek, onu akım-voltaj (i-v) özelliklerinin lineer bölgesinde (dolayısıyla adı) çalıştırarak düzenlenmiş bir DC çıkışı üretir.

Böylece transistör daha çok, doğru çıkış voltajını korumak için gereken değere göre kendisini sürekli olarak ayarlayan değişken bir direnç gibi davranır. Aşağıdaki bu basit seri geçiş transistör regülatör devresini düşünün:

Seri Transistör Regülatör Devresi

Burada bu basit emitter-izleyen regülatör devresi, gerekli çıkış voltajını ayarlamak için tek bir NPN transistör ve bir DC biasing voltajından oluşur. Bir emitter takipçi devresi, birlik voltaj kazancına sahip olduğundan, transistör tabanına uygun bir polarlama voltajı uygulayarak, emitter terminalinden stabilize bir çıkış elde edilir.

Bir transistör akım kazancı sağladığından, çıkış yük akımı, bir Darlington transistör düzenlemesi kullanılıyorsa, temel akımdan çok daha yüksek olacaktır.

Ayrıca giriş voltajının istenilen çıkış voltajını elde etmek için yeterince yüksek olması şartıyla, çıkış voltajı transistör base voltajı tarafından kontrol edilir. Bu örnekte yüke 5 voltluk bir çıkış üretmek için yaklaşık 0.7 volt olarak 5,7 volt olarak verilir. taban ve emiter terminalleri arasındaki transistör üzerinden düşürülür. Daha sonra baz voltajın değerine bağlı olarak, emiter çıkış voltajının herhangi bir değeri elde edilebilir.

Bu basit seri regülatör devresi çalışacak olsa da, bunun dezavantajı, seri transistörün lineer bölgesinde sürekli olarak önyargılı olması ve gücü ısı şeklinde dağıtmasıdır. Yük akımının tamamının seri transistörden geçmesi gerektiğinden, bu durum düşük verim, boşa harcanan V*I gücü ve transistör çevresinde sürekli ısı üretimi ile sonuçlanır.

Ayrıca seri voltaj regülatörlerinin sahip olduğu dezavantajlardan biri, maksimum sürekli çıkış akımı derecelendirmelerinin sadece birkaç amper ile sınırlı olmasıdır, bu nedenle genellikle düşük güç çıkışlarının gerekli olduğu uygulamalarda kullanılır.

Daha yüksek çıkış voltajı veya akım gücü talepleri gerektiğinde, normal uygulama, şebeke voltajını daha yüksek güç çıkışı gereken herhangi bir şeye dönüştürmek için yaygın olarak anahtarlamalı güç kaynağı olarak bilinen bir anahtarlama regülatörü kullanmaktır.

Anahtarlamalı Güç Kaynakları veya SMPS’ler gün geçtikçe yaygınlaşmaktadır. Çoğu durumda güç tüketimini azaltmanın, ısı yayılımını ve ayrıca boyut ve ağırlığı azaltmanın bir yolu olarak geleneksel doğrusal AC’den DC’ye güç kaynaklarının yerini aldı.

Anahtarlamalı güç kaynakları artık çoğu PC’de, güç amplifikatörlerinde, TV’lerde, dc motor sürücülerinde vb. ve anahtarlamalı güç kaynakları giderek daha olgun bir teknoloji haline geldiğinden yüksek verimli bir besleme gerektiren hemen hemen her şeyde bulunabilir.

Tanım olarak, bir anahtarlamalı güç kaynağı (SMPS), gerekli çıkış voltajını sağlamak için standart doğrusal yöntemler yerine yarı iletken anahtarlama tekniklerini kullanan bir güç kaynağı türüdür. Temel anahtarlama dönüştürücü, bir güç anahtarlama aşaması ve bir kontrol devresinden oluşur.

Güç anahtarlama aşaması, devre giriş voltajından, VIN’den çıkış voltajına, çıkış filtrelemeyi içeren VOUT’a güç dönüşümünü gerçekleştirir.

Anahtarlamalı güç kaynağının en büyük avantajı, standart lineer regülatörlere kıyasla daha yüksek verimliliğidir ve bu bir transistörün (veya güç MOSFET’inin) “AÇIK” durumu (doymuş) ve “KAPALI” durumu arasında dahili olarak değiştirilmesiyle elde edilir. Her ikisi de daha düşük güç tüketimi sağlar.

Bu, anahtarlama transistörü tamamen “AÇIK” olduğunda ve akım ilettiğinde, üzerindeki voltaj düşüşünün minimum değerinde olduğu ve transistör tamamen “KAPALI” olduğunda, içinden akım akışı olmadığı anlamına gelir. Böylece transistör ideal bir AÇMA/KAPAMA anahtarı gibi davranır.

Yalnızca voltaj düşürme regülasyonu sunan lineer regülatörlerin aksine, anahtarlamalı bir güç kaynağı, üç temel anahtar modu devre topolojisinden birini veya daha fazlasını kullanarak giriş voltajının düşürülmesini, yükseltilmesini ve olumsuzlanmasını sağlayabilir: Buck, Boost ve Buck -Artırmak. Bu isimler, temel SMPS devresi içinde transistör anahtarının, indüktörün ve yumuşatma kapasitörünün nasıl birbirine bağlandığını ifade eder.

Buck Anahtar Modu Güç Kaynağı

Buck anahtarlama regülatörü, DC voltajını daha yüksek bir voltajdan daha düşük bir voltaja verimli bir şekilde azaltmak için tasarlanmış bir tür anahtarlamalı güç kaynağı devresidir. Yani besleme voltajını çıkarır veya “Bucks”, böylece çıkışta mevcut voltajı azaltır. Başka bir deyişle, buck anahtarlama regülatörü bir düşürme regülatör devresidir. Bu nedenle örneğin bir buck dönüştürücü, +12 voltu +5 volta çevirebilir.

Buck anahtarlama regülatörü, bir DC-DC dönüştürücüdür ve en basit ve en popüler anahtarlama regülatörlerinden biridir. Anahtarlamalı bir güç kaynağı konfigürasyonunda kullanıldığında, anahtar anahtarlama regülatörü, aşağıda gösterildiği gibi ana anahtarlama cihazı olarak bir seri transistör veya güç MOSFET’i (ideal olarak yalıtılmış bir kapı bipolar transistörü veya IGBT) kullanır.

Buck Anahtarlama Regülatörü

Bir dönüştürücü için temel devre konfigürasyonunun bir seri transistör anahtarı olduğunu görebiliriz, TR1, çıkış voltajını mümkün olduğunca istenen seviyeye yakın tutan ilgili bir sürücü devresi, bir diyot, D1, bir indüktör, L1 ve bir yumuşatma. kapasitör, C1. Bu dönüştürücünün, TR1 anahtarlama transistörünün “AÇIK” veya “KAPALI” olmasına bağlı olarak iki çalışma modu vardır.

Transistör “AÇIK” (anahtar kapalı) olarak polarize edildiğinde, D1 diyotu ters polarlanır ve giriş voltajı, VIN, bir akımın indüktörden çıkıştaki bağlı yüke akmasına neden olur, C1 kondansatörü şarj eder.

İndüktör bobininden değişen bir akım akarken, Faraday yasasına göre, indüktör L1 etrafında bir manyetik alan oluşturan sabit bir duruma ulaşana kadar akımın akışına karşı çıkan bir geri emf üretir. TR1 kapalı olduğu sürece bu durum süresiz olarak devam eder.

TR1 transistörü kontrol devresi tarafından “KAPALI” (anahtar açık) konumuna getirildiğinde, giriş voltajının emiter devresinden anında bağlantısı kesilir, bu da indüktör etrafındaki manyetik alanın çökmesine ve indüktör üzerinde bir ters voltaj indüklenmesine neden olur.

Bu ters voltaj, diyotun ileri taraflı olmasına neden olur, bu nedenle indüktörlerin manyetik alanında depolanan enerji, akımı yük boyunca aynı yönde akmaya ve diyottan geri dönmeye zorlar.

Daha sonra indüktör, L1, hangisi önce gelirse, tüm indüktörün enerjisi devreye dönene kadar veya transistör anahtarı tekrar kapanana kadar bir kaynak gibi davranan ve akım sağlayan yüke depolanan enerjisini geri döndürür. Aynı zamanda kapasitör, yüke besleme akımı da boşaltır. İndüktör ve kapasitörün kombinasyonu, transistörün anahtarlama hareketi tarafından oluşturulan herhangi bir dalgalanmayı yumuşatan bir LC filtresi oluşturur.

Bu nedenle, transistör katı hal anahtarı kapatıldığında, beslemeden akım sağlanır ve transistör anahtarı açıldığında, indüktör tarafından akım sağlanır. İndüktörden akan akımın, ya doğrudan beslemeden ya da diyot aracılığıyla her zaman aynı yönde olduğuna, ancak açık bir şekilde anahtarlama döngüsü içinde farklı zamanlarda olduğuna dikkat edin.

Transistör anahtarı sürekli olarak kapatılıp açıldığından, ortalama çıkış voltajı değeri, bu nedenle, bir tam anahtarlama döngüsü sırasında transistör anahtarının iletim süresi olarak tanımlanan görev döngüsü D ile ilişkili olacaktır.

Besleme gerilimi VIN ise ve transistör anahtarının “AÇIK” ve “KAPALI” süreleri tON ve tOFF olarak tanımlanırsa, çıkış gerilimi VOUT şu şekilde verilir:

Buck Dönüştürücü Görev Döngüsü

Buck dönüştürücülerin görev döngüsü şu şekilde de tanımlanabilir:

Dolayısıyla görev döngüsü ne kadar büyük olursa, anahtarlamalı güç kaynağından gelen ortalama DC çıkış voltajı o kadar yüksek olur. Bundan ayrıca, görev döngüsünden bu yana çıkış voltajının her zaman giriş voltajından daha düşük olacağını görebiliriz, D asla bir (birliğe) ulaşamaz ve bu da voltaj düşürücü bir voltaj regülatörü ile sonuçlanır.

Voltaj regülasyonu, görev döngüsü değiştirilerek ve 200 kHz’e kadar yüksek anahtarlama hızlarıyla elde edilir. Daha küçük bileşenler kullanılabilir ve böylece anahtarlamalı güç kaynağının boyutunu ve ağırlığını büyük ölçüde azaltır.

Buck dönüştürücünün bir başka avantajı, indüktör-kapasitör (LC) düzenlemesinin, indüktör akımının çok iyi filtrelenmesini sağlamasıdır. İdeal olarak, dönüştürücü, indüktör akımının asla sıfıra düşmemesi için sürekli bir anahtarlama modunda çalıştırılmalıdır. Sıfır voltaj düşüşü ve “AÇIK” durumda anahtarlama kayıpları olan ideal bileşenlerle, ideal kova dönüştürücü %100’e kadar yüksek verimliliğe sahip olabilir.

Anahtarlamalı güç kaynağının temel tasarımı için kademeli anahtarlama regülatörünün yanı sıra, Boost Dönüştürücü adı verilen bir yükseltici voltaj regülatörü olarak işlev gören temel anahtarlama regülatörünün başka bir işlemi vardır.

Boost Anahtar Modu Güç Kaynağı

Boost anahtarlama regülatörü, başka bir anahtarlamalı güç kaynağı devresidir. Önceki dönüştürücüyle aynı tür bileşenlere sahiptir, ancak bu sefer farklı konumlarda. Güçlendirici dönüştürücü, DC voltajını daha düşük bir voltajdan daha yüksek bir voltaja yükseltmek için tasarlanmıştır, yani besleme voltajını da ekler veya “Yükseltir”, böylece polariteyi değiştirmeden çıkış terminallerindeki kullanılabilir voltajı artırır. Başka bir deyişle, boost anahtarlama regülatörü bir yükseltici regülatör devresidir, bu nedenle örneğin bir boost dönüştürücü +5 voltu +12 volta çevirebilir.

Daha önce anahtarlamalı regülatörün temel tasarımında bir seri anahtarlamalı transistör kullandığını görmüştük. Boost anahtarlama regülatörünün tasarımı ile farkı, anahtarlamalı güç kaynağından çıkış voltajını kontrol etmek için paralel bağlı bir anahtarlama transistörü kullanmasıdır.

Transistör anahtarı çıkışa paralel olarak etkin bir şekilde bağlandığından, elektrik enerjisi sadece transistör gösterildiği gibi “KAPALI” (anahtar açık) olarak polarize olduğunda indüktörden yüke geçer.

Boost Anahtarlama Regülatörü

Boost Dönüştürücü devresinde, transistör anahtarı tamamen açıkken, beslemeden gelen elektrik enerjisi, VIN, indüktör ve transistör anahtarından geçerek kaynağa geri döner. Sonuç olarak, doymuş transistör anahtarı etkin bir şekilde çıkışta kısa devre oluşturduğundan hiçbiri çıkışa geçmez.

Bu, kaynağa geri dönmek için daha kısa bir iç yola sahip olduğu için indüktörden akan akımı arttırır. Bu arada D1 diyotu, anodu transistör anahtarı aracılığıyla toprağa bağlandığından, kondansatör yükten boşalmaya başladığında çıkıştaki voltaj seviyesi oldukça sabit kaldığı için ters önyargılı hale gelir.

Transistör tamamen kapatıldığında, giriş beslemesi artık seri bağlı indüktör ve diyot aracılığıyla çıkışa bağlanır. İndüktör alanı azaldıkça, indüktörde depolanan indüklenen enerji, şimdi ileri taraflı diyot aracılığıyla VIN tarafından çıkışa itilir.

Tüm bunların sonucu, L1 indüktörü boyunca indüklenen voltajın tersine dönmesi ve giriş kaynağının voltajına eklenmesi, şimdi olduğu gibi toplam çıkış voltajını artırarak VIN + VL olmasıdır.

Transistör anahtarı kapatıldığında yükü beslemek için kullanılan C1 yumuşatma kondansatöründen gelen akım, şimdi diyot aracılığıyla giriş beslemesi tarafından kapasitöre geri döndürülür. Daha sonra kondansatöre sağlanan akım diyot akımıdır. Diyot, transistörün anahtarlama hareketi ile sürekli olarak ileri ve geri durumu arasında değiştirildiği için her zaman “AÇIK” veya “KAPALI” olacaktır. Daha sonra, yumuşatma kapasitörü, düzgün ve sabit bir çıktı üretecek kadar yeterince büyük olmalıdır.

L1 indüktörü boyunca indüklenen voltaj negatif olduğundan, kaynak voltajına eklenir, VIN indüktör akımını yüke zorlar. Yükseltici dönüştürücüler sabit durum çıkış voltajı şu şekilde verilir:

Önceki dönüştürücüde olduğu gibi, destek dönüştürücüden gelen çıkış voltajı, giriş voltajına ve görev döngüsüne bağlıdır. Bu nedenle görev döngüsü kontrol edilerek çıktı regülasyonu sağlanır. Ayrıca bu denklem indüktörün değerinden, yük akımından ve çıkış kondansatöründen bağımsız değildir.

Yukarıda, yalıtılmamış bir anahtarlamalı güç kaynağı devresinin temel çalışmasının, çıkış voltajına ihtiyacımız olup olmadığına bağlı olarak, bir dönüştürücü veya hızlandırıcı dönüştürücü konfigürasyonu kullanabileceğini gördük. Buck dönüştürücüler daha yaygın SMPS anahtarlama konfigürasyonu olsa da, güçlendirici dönüştürücüler, anahtar kapalıyken kapasitör tüm yük akımını beslediğinden, pil şarj cihazları, foto flaşlar, flaş flaşları vb. gibi kapasitif devre uygulamalarında yaygın olarak kullanılır.

Ancak bu iki temel anahtarlama topolojisini, şaşırtıcı olmayan bir şekilde Buck-Boost Dönüştürücü adı verilen, yalıtkan olmayan tek bir anahtarlama regülatör devresinde birleştirebiliriz.

Buck-Boost Anahtarlama Regülatörü

Buck-Boost anahtarlama regülatörü, görev döngüsüne bağlı olarak giriş voltajından daha büyük veya daha az olabilen ters çevrilmiş (negatif) bir çıkış voltajı üreten güç dönüştürücü ile boost dönüştürücünün bir kombinasyonudur. Yükseltici dönüştürücü, dönüştürücü dönüştürücünün yalnızca indüktör L1 tarafından depolanan enerjiyi yüke ilettiği boost dönüştürücü devresinin bir varyasyonudur. Temel buck-boost anahtar modu güç kaynağı devresi aşağıda verilmiştir.

Buck-Boost Anahtarlama Regülatörü

Transistör anahtarı TR1, tamamen açık (kapalı) olduğunda, indüktör üzerindeki voltaj besleme voltajına eşittir. Böylece indüktör giriş kaynağından gelen enerjiyi depolar. D1 diyotu ters polarmalı olduğundan, çıkışta bağlı yüke akım iletilmez. Transistör anahtarı tamamen kapalı (açık) olduğunda, diyot ileri kutuplanır ve daha önce indüktörde depolanan enerji yüke aktarılır.

Başka bir deyişle, anahtar “AÇIK” olduğunda, DC kaynağı tarafından (anahtar aracılığıyla) indüktöre enerji verilir ve çıkışa hiç enerji verilmez ve anahtar “KAPALI” olduğunda, indüktör üzerindeki voltaj tersine döner. indüktör şimdi bir enerji kaynağı haline gelir. Böylece daha önce indüktörde depolanan enerji çıkışa geçer (diyot aracılığıyla) ve hiçbiri doğrudan giriş DC kaynağından gelmez. Bu nedenle, anahtarlama transistörü “KAPALI” olduğunda yük boyunca düşen voltaj, indüktör voltajına eşittir.

Sonuç, ters çevrilmiş çıkış voltajının büyüklüğünün, görev döngüsüne bağlı olarak giriş voltajının büyüklüğünden daha büyük veya daha küçük (veya eşit) olabilmesidir. Örneğin, bir pozitif-negatif buck-boost dönüştürücü, 5 voltu 12 volta (yükseltme) veya 12 voltu 5 volta (düşürme) dönüştürebilir.

Buck-boost anahtarlama regülatörleri sabit durum çıkış voltajı, VOUT şu şekilde verilir:

Güçlendirici regülatör, adını giriş voltajından daha yüksek (bir güç artışı aşaması gibi) veya daha düşük (bir güç aşaması gibi) olabilen bir çıkış voltajı üretmekten alır. Bununla birlikte, çıkış voltajı giriş voltajının polaritesinde zıttır.