Güç kaynaklarının tasarımında dikkat edilmesi gereken önemli faktörlerden birisi verimliliktir. Doğrusal (lineer) tümdevre gerilim regülatörlerinde verimlilik oldukça düşüktür ve yaklaşık olarak %25 ile %60’lar seviyesindedir. Bu durumda ac’den dc’ye dönüştürme işleminde yaklaşık olarak %50’ler seviyesinde bir enerji kaybı söz konusudur. Düşük güçlü (10W altı) dc güç kaynaklarının tasarımında önemsenmeyecek boyutlarda olan bu kayıp özellikle yüksek güçlerde sorunlara neden olmaktadır.
Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin tasarımı zor ve maliyetleri yüksektir. Bu nedenle düşük güçler için kullanımı ve tasarımı pek tercih edilmez. Yüksek güçlü dc kaynakların tasarımında ise anahtarlamalı gerilim regülatörü kullanmak neredeyse zorunluluktur. Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin diğerlerine nazaran temel özellikleri aşağıda maddeler halinde verilmiştir.
- Yapıları doğrusal (lineer) regülatörlere göre daha karmaşık ve zordur. Bu nedenle maliyetleri daha yüksektir.
- Çıkış gürültü seviyeleri ve dalgalılık oranları daha yüksektir. İlave filtre devreleri kullanımına gereksinim duyulur. Bu durum maliyeti artırır.
- Yük akımlarında ve giriş gerilimlerinde meydana gelen değişimleri algılama ve tepki verme süreleri daha uzundur.
- Anahtarlamalı gerilim regülatörleri yapılarından dolayı, elektromanyetik ve radyo frekanslı (EMI-RFI) girişimlere sebep olurlar. Bu nedenle özel filtre devrelerine ve ekranlama işlemine gereksinim duyarlar. (EMC Filtresine gereksinim vardır.)
- Anahtarlamalı güç kaynaklarının verimleri diğer güç kaynaklarına nazaran oldukça yüksektir.
- Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin çalışma frekansları şehir şebekesinden çok yüksektir (KHz). Bu nedenle tasarımlarında kullanılan bobin ve transformatör v.b gibi. devre elemanlarının fiziksel boyutları oldukça küçüktür.
- Doğrusal regülatörlerde; regülesiz giriş gerilimi daima çıkış geriliminden büyük olmalıdır. Anahtarlamalı regülatörlerde ise çıkış gerilimi girişten büyük yapılabilmektedir.
- Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinde birden fazla çıkış elde edilebilmekte ve çıkış geriliminin kutupları değiştirilebilmektedir.
Bu özellik doğrusal regülatörlerde söz konusu değildir. Anahtarlamalı gerilim regülatörünün temel çalışma prensibi, girişine uygulanan dc işaretin yüksek frekanslarda anahtarlanarak çıkışa aktarılmasına dayanmaktadır. Bu işlem için giriş gerilimi kıyılmakta ve darbe-periyot oranı değiştirilmektedir. Kısaca darbe genişliği modülasyonu (Pulse Widh Modulation=PWM) yapılmaktadır. Bu işlem; regülatör çıkışını yük ve giriş geriliminde oluşan değişimlerden bağımsız hale getirir.
LİNEER REGÜLATÖRLER (LM78xx)
Basit ama çok verimli değildirler.
Devremiz yukardaki gibidir ve LM7805 kullanılmıştır. Giriş voltajı burada 9V verilmiştir. Bu voltaj değeri regülatörde ısınmaya sebep olacaktır. Isınmaların önüne geçmek için ürünün datasheetine sadık kalmamız gerekmektedir.
Datasheete baktığımızda Vi (Giriş Gerilimi) 7 – 20V arasında bir gerilim uygulama aralığımız olduğu görülmekte ve çıkışta bize 5V gerilim verecektir. Dropout Voltaj değerine bağtığımızda 2V gözükmektedir. Bu değer bize şunu anlatmaktadır. Giriş gerilimi çıkış geriliminden 2V fazla olması gerektiğidir.
Yani; Vi = Vo +2V bu kurala uyduğumuzda ısınma sorunlarının önüne geçeceğimizdir. Dropout voltajını en fazla 3V olursa ısınma sorunu olmayacaktır.
Eğer giriş voltajı yüksek olması gerekiyorsa ısınma sorununu pasif soğutucalarla engellemeniz gerekecektir.
Isı Hesabı kabaca Aşağıdaki gibidir;
Giriş gerilimimiz 12V , Çıkış 5V ve 1A lik regülatör kullanalım. (LM7805)
Vreg = Vin – Vout
IIN = IOUT
P7805 = Vreg x IOUT = (12V-5V) x 1A = 7W
Treg = Rja x POWER = 65 0C/W x 7.Watt = 455 derece Regülatör bu sıcaklıkta patlar. (Rja değeri datashette mevcuttur.)
Alınacak Önlemler;
- En uygun kapasitörleri seçmemiz gerekmektedir. Bu kapasitör değerleri LM7805 için 0,33uF ve 0,1uF dir. Bu değerler datasheette belirtilmektedir.
- Soğutucu kullanmamız gerekmektedir.
- Giriş voltajını çıkış voltajından en fazla 3V yüksek tutmamız gerekmektedir.
Rought Formülü: C/W= 50 / sqrt(A) dır. Burada A Alan dır (cm kare olarak)
EKSTRA BİLGİ: Eğer giriş gerilimine bir diyot bağlanırsa bu diyot hem gerilim düşümü yaratıp ısınmayı azaltacaktır hemde bataryanın polaritelerini yanlış bağladığımızda akım geçmesini önleyerek devremizi koruyacaktır.
ANAHTARLAMALI REGÜLATÖRLER (SWITCHING REGULATOR)
Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin kullanım alanları teknolojik gelişmelere paralel olarak son yıllarda oldukça artmıştır. Birkaç farklı tip anahtarlamalı gerilim regülatörü tasarımı yapılmaktadır. Anahtarlamalı regülatörler temel olarak üçe ayrılır. Aşağı Doğru (Buck Regulator), Yukarı Doğru (Boost Regulator), Aşağı/Yukarı Doğru (Buck/Boost Regulator)
Anahtarlamalı regülatörlerde PWM tekniği kullanılmaktadır. Bu yüzden PWM tekniğini iyi öğrenmek gerekmektedir. Uygun görev döngüsüne anahtarlama yaparak voltajı kesme ve düzenleme işlemleri ile regüle edebilen PWM tekniği sonucunda bir takım elektronik gürültü oluşmaktadır ancak LC filtre ile bu durumu aşmak mümkün olabilmektedir.
PWM tekniğini öğrendikten sonra bir önemli konuda geçiçi depolama bobininin etkisidir. Bobin akım depolayan pasif elemandır. PWM sinyali HIGH olduğunda devreden akım akar ve bu akımı bobin depolamaya başlar. Sinyal LOW durumuna geldiğinde bu sefer bobinde depolanan akım akmaya başlar bu sayede devrede sürekli bir akım akmış olur.
Buck Regülatörler
Aşağı doğru anahtarlamalı regülatörlerin çıkışından alınan regüleli gerilim, regülesiz giriş geriliminden daha küçüktür. Aşağı doğru regülatörün temel çalışma prensibini anlamak amacıyla basitleştirilmiş temel yapısı aşağıdaki şekilde verilmiştir.
Teoriyi anlamak için Yukardaki devrelerde Buck regülatörün çalışma prensibi ile kalıp devre şeması gösterilmiştir. Bunu pratikte LM3671 gibi devre elemanlarıyla gerçekleştiriyoruz bu devre elemanı tranzistoru diyodu kendi içinde barındırmakta ve PWM sinyalini kendisi üretmektedir.
Eğer devreyi hazır olarak almak isterseniz internette birçok anahtarlamalı regülatörler satılmaktadır.
Boost Regülatörler
Yukarı doğru anahtarlamalı regülatörlerin çıkışından alınan regüleli gerilim, regülesiz giriş geriliminden daha büyüktür. Yukarı doğru regülatörün temel çalışma prensibini anlamak amacıyla basitleştirilmiş temel yapısı aşağıdaki şekilde verilmiştir.
Pratikte Boost Regülatör devresini LM2700 gibi elemanlarla kolayca yapabiliyoruz.
Buck & Boost Regülatörler
Yön çeviren regülatörlerde giriş pozitif iken, çıkış negatif kutupludur. Çıkış geriliminin değeri, regülesiz giriş geriliminden küçük veya büyük yada eşit olabilir. Çıkış geriliminin alacağı değer kontrol çevresi tarafından belirlenir. Tipik bir yön çeviren anahtarlamalı regülatör devresinin basit devresi aşağıdaki verilmiştir.
Çalışma prensibi olarak yukarda bahsedilen Buck ve Boost regülatörlerin birleşimi gibidir. Hem yükseltici hem alçaltıcı olarak kullanılabilmektedir. Hangi durumlarda yükseltici hangi durumlarda alçaltıcı olarak kullanıldığını kompanentin datasheetinde bulabilirsiniz.
NOT : Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin tasarımının oldukça zor ve karmaşık olduğu belirtilmişti. Bu durumu dikkate alan pek çok tümdevre üreticisi firma, anahtarlamalı gerilim regülatörlerinde kullanılan bir veya birkaç bloğu tek bir tümdevre içerisinde kullanıcıya sunmuştur. Örneğin National Semicondustor firmasının geliştirmiş LM78S4 kodlu tümdevre bunlardan birisidir.
