Çalışma: Güç Kaynakları

Şekil 1. 36W Güç Kaynağı

 
Güç Kaynağı Türleri

 

Birçok güç kaynağı türü vardır. Çoğu, yüksek voltaj AC şebeke elektriğini elektronik devreler ve diğer cihazlar için uygun bir düşük voltaj kaynağına dönüştürmek üzere tasarlanmıştır. Bir güç kaynağı, her biri belirli bir işlevi yerine getiren bir dizi bloğa bölünür.

 

 

Şekil 2. Regüle edilmiş bir güç kaynağının blok diyagramı

• Transformatör: Yüksek voltajlı AC şebekesini düşük voltajlı AC'ye düşürür.
• Doğrultucu: AC'yi DC'ye dönüştürür, ancak DC çıkışı dalgalıdır.
• Filtre: DC'nin büyük ölçüdeki dalgalı durumunu küçük bir dalgalanmaya kadar düzeltir.
• Regülatör: DC çıkışını sabit bir voltaja ayarlayarak dalgalanmayı ortadan kaldırır.

 

Bu bloklardan oluşan güç kaynakları, aşağıdaki devre şemaları ve çıkışlarının grafikleri ile açıklanmıştır:

 

Yalnızca Transformatör

Şekil 3. Transformatör devre sembolü ve AC çıkış grafiği

 

Düşük voltajlı AC çıkışı, lambalar, ısıtıcılar ve özel AC motorlar için uygundur. Doğrultucu ve filtreleme kondansatörü içermedikçe elektronik devreler için uygun değildir.

 

Transformatör + Doğrultucu

 

Şekil 4. Doğrultulmuş dalgalı DC gerilim

Değişken DC çıkışı; lambalar, ısıtıcılar ve standart motorlar için uygundur. Filtreleyici kondansatör içermedikçe elektronik devreler için uygun değildir.

 

Transformatör + Doğrultucu + Filtreleme

 

Şekil 5. Filtrelenmiş DC gerilim

 

Filtrelenmiş DC çıkışında küçük bir dalgalanma vardır. Çoğu elektronik devre için uygundur.

 

Transformatör + Doğrultucu + Filtreleme + Regülatör

 

Şekil 6. Regüle edilmiş DC gerilim

Regüle edilmiş DC çıkışı dalgalanmadan arındırılmış haliyle düzgün bir grafiğe sahip. Tüm elektronik devreler için kullanıma uygundur.

 

Transformatörler

 

Şekil 7. Güç Transformatörü

Transformatörler, AC elektriği çok az güç kaybıyla bir voltajdan diğerine dönüştürür. Transformatörler sadece AC ile çalışır ve bu, şebeke elektriğinin AC olmasının nedenlerinden biridir.

 

Yükseltici transformatörler voltajı arttırır, düşürücü transformatörler voltajı azaltır. Çoğu güç kaynağı, tehlikeli derecede yüksek şebeke voltajını (İngiltere'de 230V) daha güvenli bir düşük voltaja düşürmek için bir düşürücü transformatör kullanır.

 

Transformatörler çok az güç harcar, bu nedenle güç çıkışı (neredeyse) giren güce eşittir. Voltajın azalması ile birlikte akımın da arttığını göz önünde bulundurulmalıdır.

 

Giriş bobini birincil (primer), çıkış bobini ikincil (sekonder) olarak adlandırılır. İki bobin arasında elektrik bağlantısı yoktur, bunun yerine transformatörün soft-demir çekirdeğinde oluşturulan alternatif bir manyetik alanla bağlanırlar. Devre sembolünün ortasındaki iki çizgi çekirdeği (core) temsil eder.

 

Sarım Sayısı Oranı

 

Her bir bobin üzerindeki sarım sayısının oranı, gerilimlerin oranını belirler. Bir düşürücü transformatör, yüksek voltajlı ana beslemeye bağlı olan birincil (giriş) bobininde çok sayıda sarıma ve düşük bir çıkış voltajı vermek için ikincil (çıkış) bobininde az sayıda sarıma sahiptir.

 

Sarım Oranı = Vp/Vs = Np/Ns

Giriş Gücü = Çıkış Gücü (İdealde)

Vs x Is = Vp x Ip

Vp: primer (giriş) voltajı 

Np: primer bobin üzerindeki dönüş sayısı 

Ip: primer (giriş) akımı 

 

Vs: sekonder (çıkış) voltajı 

Ns: sekonder bobin üzerindeki dönüş sayısı 

Is: sekonder (çıkış) akımı

 

Doğrultucu

 

AC'yi DC'ye dönüştürecek bir doğrultucu yapmak için diyotları bağlamanın birkaç yolu vardır. Köprü doğrultucu en önemlisidir ve tam dalga değişken DC üretir. Bir tam dalga doğrultucu, eğer bir merkez kademe transformatörü kullanılıyorsa, sadece iki diyottan da yapılabilir. Ancak bu yöntem, diyotlar daha ucuz olduğu için nadiren kullanılmaktadır. Doğrultucu olarak tek bir diyot kullanılabilir, ancak yarım dalga değişken DC üretmek için yalnızca AC dalgasının pozitif (+) kısımlarını kullanır.

 

Köprü Doğrultucu

 

Dört ayrı diyot kullanılarak bir köprü doğrultucu yapılabilir ancak gerekli dört diyotu birden içeren paketlerde de mevcuttur. Tüm AC dalgasını (hem pozitif hem de negatif bölümler) kullandığı için tam dalga doğrultucu olarak adlandırılır. Alternatif diyot çiftleri bu bağlantılar üzerinde değişimli olarak iletime geçer ve böylece AC'nin alternatif yönleri DC'nin tek bir yönüne dönüştürülür. Bir köprü doğrultucuda 1.4V'luk bir gerilim düşümü gerçekleşir. Çünkü iletim esnasında her diyotta 0,7V'luk bir gerilim düşüş gerçekleşir ve şemada gösterildiği gibi her zaman iletimde olan iki diyot vardır. Köprü doğrultucular, geçebilecekleri maksimum akım ve dayanabilecekleri maksimum ters voltaj ile derecelendirilir. Doğrultucunun tepe (peak) voltajlara dayanabilmesi için voltaj değerleri, kaynağın RMS voltajının en az üç katı olmalıdır.

 

Şekil 8. AC'den DC'ye doğrultma aşamaları

Şekil 9. Tam dalga doğrultucu çıkışı grafiği

Tek Diyot Doğrultucu

Tek bir diyot ile yarım dalga doğrultucu oluşturmak mümkündür ancak bu, AC'nin negatif tarafında boşluk bırakacak değişken bir yarım-dalga  DC üretir. Elektronik devreleri yeterince iyi besleyebilmek için bu sinyali filtrelemek zordur. Eğer akım çok düşük ise filtreleme yapacak olan kondansatörün önemli ölçüde deşarj olmaması takdirinde bu yarım dalga ile besleme yapmak mümkündür.

Şekil 10. Tek diyot doğrultucu devre şeması ve grafiği

Filtreleme

Filtreleme, doğrultucudan gelen değişken DC voltajı düştüğünde çıkışa akım sağlayan, bir rezervuar görevi görmek için DC kaynağına bağlanan büyük değerli bir elektrolitik kondansatör tarafından gerçekleştirilir. Alttaki diyagram, filtrelenmemiş değişken DC'yi (noktalı çizgi) ve filtrelenmiş DC'yi (düz çizgi) gösterir. Kondansatör, değişen DC'nin zirvesine yakın bir yerde hızla şarj olur ve ardından çıkışa akım sağlarken boşalır.

 

Şekil 11. Filtrelenen sinyalin dolma ve boşalma aralıkları

Filtrelemenin ortalama DC voltajını neredeyse tepe (peak) değerine (1.4 x RMS değeri) kadar önemli ölçüde artırdığı not edilmelidir. Örneğin 6V RMS AC, yaklaşık 4.6V RMS'lik tam dalga DC'ye doğrultulur (köprü doğrultucuda 1.4V kaybolur). Bu filtreleme ile 1.4 x 4.6 = 6.4V'luk, tepe değerine yakın düzgün bir DC çıkış elde edilir.

 

Kondansatörün boşalırken voltajında biraz düşüş yaşanması ve bundan dolayı küçük bir dalgalanma (ripple) voltajına yol açması nedeniyle filtreleme mükemmel değildir. Birçok devre için besleme geriliminin %10'u olan bir dalgalanma tatmin edicidir ve aşağıdaki denklem filtreleme kondansatörü için gerekli değeri verir. Daha büyük bir kondansatör daha az dalgalanma verecektir. Yarım dalga DC'yi yumuşatırken kondansatör değeri iki katına çıkarılmalıdır.

 

 %10 dalgalanma için filtreleme kondansatörü, C:

 

 C = (5 x Io) / (Vs x f)

 

C = farad (F) cinsinden filtreleme kapasitansı

Io = amper (A) cinsinden çıkış akımı   

Vs = volt (V) cinsinden besleme gerilimi (filtrelenmemiş DC'nin tepe (peak) değeri)

f = AC kaynağının hertz (Hz) cinsinden frekansı (İngiltere'de 50Hz)

 

Regülatör

 

Voltaj regülatörü IC'leri sabit (tipik olarak 5, 12 ve 15V) veya değişken çıkış voltajları ile mevcuttur. Ayrıca geçirebilecekleri maksimum akım ile derecelendirilirler. Negatif voltaj regülatörleri, çoğunlukla çift beslemede kullanım için mevcuttur. Çoğu regülatör, aşırı akıma (aşırı yük koruması) ve aşırı ısınmaya (termal koruma) karşı bazı otomatik koruma içerir.  

 

Sabit voltaj regülatörü IC'lerin çoğunda 3 pin bulunur ve güç transistörlerine benzer. Gerekli durumlarda bir soğutucu takmak için bir delik içerirler.

 

Şekil 12. Voltaj regülatörü devre sembolü (sol) ve TO-220 pakedindeki L7805 regülatörü (sağ)

 

Zener Diyot Regülatör

 

Düşük akımlı güç kaynakları için, aşağıdaki şemada gösterildiği gibi ters bağlanmış bir zener diyot ve bir direnç ile basit bir voltaj regülatörü yapılabilir. Zener diyotları, arıza gerilimi (Vz) ve maksimum güç (Pz) (tipik olarak 400mW veya 1.3W) ile derecelendirilir. Direnç, akımı sınırlar (bir LED direnci gibi). Dirençten geçen akım sabittir, bu nedenle çıkış akımı olmadığında tüm akım zener diyottan geçer ve güç derecesi Pz buna dayanacak kadar büyük olmalıdır.

 

Şekil 13. Zener Diyot Regülatör

Zener Diyotun ve Direncin Seçimi

Zener diyot ve direnç seçme adımları şunlardır:  

• Zener gerilimi Vz gerekli çıkış gerilimidir.
• Giriş voltajı Vs, Vz'den birkaç volt daha büyük olmalıdır (bu, dalgalanma nedeniyle Vs'de küçük dalgalanmalara izin vermek içindir.
• Maksimum akım Imax, gereken çıkış akımı + %10'dur.
• Zener gücü Pz, maksimum akım tarafından belirlenir: Pz > Vz × Imax
• Direnç değeri: R = (Vs - Vz) / Imax
• Direnç gücü: P > (Vs - Vz) × Imax 

 

Şekil 14. Zener Diyot

Alttaki örnek, uygun değerlere ve güç derecelerine sahip bir zener diyot ve direnç seçmek için bu adımların nasıl kullanılacağını gösterir.

 

Örneğin:

 

Gerekli çıkış voltajı 5V ve çıkış akımı 60mA ise: 

1. Vz = 4.7V (eldeki en yakın değer) 
2. Vs = 8V (Vz'den birkaç volt daha fazla) 
3. Imax = 66mA (akım + %10) 
4. Pz > 4.7V × 66mA = 310mW, Pz = 400mW'ı seçin 
5. R = (8V - 4.7V) / 66mA = 0.05kohm = 50ohm, R = 47ohm'u seçin 
6. Direnç gücü değeri P > (8V - 4.7V) × 66mA = 218mW, P = 0.5W seçin

 

Çift Kaynaklar

Bazı elektronik devreler, pozitif ve negatif çıkışların yanı sıra sıfır volt (0V) olan bir güç kaynağı gerektirir. Buna 'çift kaynak' denir, çünkü şemada gösterildiği gibi birbirine bağlı iki sıradan kaynak gibidir. 

 

Çift kaynakların üç çıkışı vardır, örneğin bir  kaynağının +9V, 0V ve -9V çıkışları vardır.

 

Şekil 15. ±9V Çift Kaynak