Anahtarlamalı güç kaynağı

Anahtarlamalı güç kaynağı olarak adlandırılan anahtarlamalı modlu güç kaynağı, elektrik gücünü verimli şekilde dönüştürmek için anahtarlama regülatörü içeren elektronik bir güç kaynağıdır. Anahtarlamalı güç kaynağı ya da İngilizce özgün adının kısaltmasıyla SMPS, 1960'lı yıllarda doğrusal güç kaynaklarının çalışma veriminin düşük olması ile kullanılmaya başlanmıştır.

ATX anahtarlamalı bilgisayar güç kaynağının iç görünümü: A: Köprü doğrultucu; B: giriş filtresi kapasitörleri; B ve C arasında: birincil voltajın aktif bileşenlerini anahtarlamak için ısı emici; C: transformatör: C ve D arasında: ATX spesifikasyonuna göre en az beş ikincil voltajın aktif bileşenlerini anahtarlamak için ısı emici; D: en büyük güç derecesine sahip ikincil için çıkış filtre bobini. Yakınlarda diğer ikinciller için filtre bobinleri; E: çıkış filtresi kapasitörleri. Köprü doğrultucunun altındaki bobin ve büyük dikdörtgen sarı kapasitör bir EMI filtresi oluşturur ve ana devre kartının parçası değildir.

Laboratuvar kullanımı için ayarlanabilir anahtarlamalı bir Smps

Diğer güç kaynakları gibi, SMPS de voltajı ve akım özelliklerini dönüştürürken gücü bir DC veya AC kaynağından (genellikle ana güç, bkz. AC adaptörü) kişisel bilgisayar gibi DC yüklere aktarır. Doğrusal bir güç kaynağından farklı olarak, anahtarlama modlu kaynağın geçiş transistörü sürekli olarak düşük dağılım, tam açık ve tam kapalı durumları arasında geçiş yapar ve yüksek dağılım geçişlerinde çok az zaman harcar, bu da boşa harcanan enerjiyi en aza indirir. Varsayımsal bir ideal anahtarlamalı güç kaynağı, hiçbir gücü dağıtmaz. Gerilim regülasyonu, açma-kapama süresinin (görev çevrimleri olarak da bilinir) oranı değiştirilerek gerçekleştirilir. Buna karşılık, doğrusal bir güç kaynağı, geçiş transistöründeki gücü sürekli olarak dağıtarak çıkış voltajını düzenler. Anahtarlamalı güç kaynağının daha yüksek elektrik verimliliği önemli bir avantajdır.

Anahtarlamalı güç kaynakları, transformatör çok daha küçük olabileceğinden, doğrusal bir kaynaktan önemli ölçüde daha küçük ve daha hafif olabilir. Bunun nedeni, 50 veya 60 Hz şebeke frekansının aksine, birkaç yüz kHz ila birkaç MHz arasında değişen yüksek bir anahtarlama frekansında çalışmasıdır. Transformatör boyutunun küçültülmesine rağmen, ticari tasarımlarda güç kaynağı topolojisi ve elektromanyetik girişim (EMI) bastırma gerekliliği, genellikle çok daha fazla bileşen sayısına ve buna karşılık gelen devre karmaşıklığına neden olur.

Anahtarlamalı regülatörler, daha yüksek verim, daha küçük boyut veya daha hafif ağırlık gerektiğinde doğrusal regülatörlerin yerine kullanılır. Ancak daha karmaşıktırlar; anahtarlama akımları, dikkatli bir şekilde bastırılmadığı takdirde elektriksel gürültü sorunlarına neden olabilir ve basit tasarımların güç faktörü zayıf olabilir.

Açıklama

Bir doğrusal güç kaynağı (SMPS olmayan), gücü ohmik kayıplar cinsinden dağıtarak istenen çıkışı voltaj sağlamak için bir doğrusal regülatör kullanır (ör. bir dirençte veya aktif modunda bir geçiş transistörünün kollektör-emetör bölgesinde). Doğrusal bir regülatör, elektrik gücünü ısı biçiminde dağıtarak çıkış voltajını veya akımı düzenler ve dolayısıyla maksimum güç verimliliği, volt farkı boşa gittiği için voltaj çıkışı/giriş voltajıdır.

Buna karşılık, bir SMPS, farklı elektriksel konfigürasyonlar arasında indüktörler ve kapasitörler gibi ideal olarak kayıpsız depolama elemanlarını değiştirerek çıkış voltajını ve akımını değiştirir. İdeal anahtarlama elemanları (aktif modlarının dışında çalıştırılan transistörler tarafından yaklaştırılır), "açık" durumdayken direnç göstermez ve "kapalı" durumdayken akım taşımazlar; böylece ideal bileşenlere sahip dönüştürücüler %100 verimle (yani tüm giriş gücü yüke iletilir; dağıtılan ısı olarak hiçbir güç israf edilmez) çalışır. Gerçekte bu ideal bileşenler mevcut değildir, dolayısıyla anahtarlamalı bir güç kaynağı %100 verimli olamaz ancak yine de doğrusal bir regülatöre göre verimlilik açısından önemli bir gelişmedir.

Yükseltici çeviricinin temel şeması

Örneğin, bir DC kaynağı, bir indüktör, bir anahtar ve karşılık gelen elektrik topraklaması seri olarak yerleştirilirse ve anahtar bir kare dalga ile çalıştırılırsa, anahtar boyunca ölçülen dalga formunun tepeden tepeye voltajı, DC kaynağından gelen giriş voltajını aşabilir. Bunun nedeni, indüktörün, akımdaki değişime karşı koymak için kendi voltajını indükleyerek akımdaki değişikliklere yanıt vermesi ve bu voltajın, anahtar açıkken kaynak voltajına eklenmesidir. Bir diyot ve kapasitör kombinasyonu anahtara paralel yerleştirilirse, tepe voltajı kapasitörde depolanabilir ve kapasitör, devreyi çalıştıran DC voltajından daha büyük bir çıkış voltajına sahip bir DC kaynağı olarak kullanılabilir. Bu yükseltici dönüştürücü, DC sinyalleri için yükseltici bir transformatör gibi davranır. Bir düşürücü-yükseltici çevirici benzer şekilde çalışır, ancak giriş voltajının zıt kutuplu çıkış voltajı üretir. Ortalama çıkış akımını voltajı azaltarak artırmak için başka devreler de vardır.

Bir SMPS'de çıkış akımı akışı, giriş gücü sinyaline, kullanılan depolama elemanlarına ve devre topolojilerine ve ayrıca anahtarlama elemanlarını sürmek için kullanılan modele (örneğin, ayarlanabilir görev döngüsü ile darbe genişliği modülasyonu) bağlıdır. Bu anahtarlama dalga biçimlerinin spektral yoğunluğu, nispeten yüksek frekanslarda yoğunlaşmış enerjiye sahiptir. Bu nedenle, çıkış dalga formlarına uygulanan anahtarlama geçişleri ve dalgalanmalar küçük bir LC filtresiyle filtrelenebilir.

Temel olarak alçaltıcı (buck) çevirici, yükseltici (boost) çevirici ve alçaltıcı-yükseltici çevirici olmak üzere 3 tip bulunmaktadır.

Günümüzde bu yapılardan Flyback, ileri/yön, yarım köprü ve tam köprü devreler üretilerek farklı kullanım alanları oluşturulmuştur. En çok kullanılan anahtarlamalı güç kaynağı Flyback tipi S-M-P-S (Switch Mode Power Supply) olarak bilinir

Avantajlar ve dezavantajlar

Anahtarlamalı güç kaynağının ana avantajı, anahtarlama transistörü bir anahtar görevi görürken çok az güç harcadığı için doğrusal regülatörlere göre daha yüksek verimlilik (%98-99'a kadar ) ve daha az ısı üretimidir. Diğer avantajlar arasında daha küçük boyut ve ağır ve pahalı hat frekansı transformatörlerinin ortadan kaldırılması nedeniyle daha hafif olması sayılabilir. Bekleme modundaki güç kaybı genellikle transformatörlerden çok daha azdır.

Dezavantajları arasında daha fazla karmaşıklık, alçak geçişli filtrenin elektromanyetik girişimi (EMI) önlemek için engellemesi gereken yüksek genlikli, yüksek frekanslı enerji üretimi, anahtarlama frekansında dalgalanma voltajı ve bunun harmonik frekansları yer alır.

Çok düşük maliyetli SMPS'ler, elektriksel anahtarlama gürültüsünü ana güç hattına geri bağlayarak, A/V ekipmanı gibi aynı faza bağlı cihazlarla parazite neden olabilir. Güç faktörü düzeltilmeyen SMPS'ler de harmonik bozulmaya neden olur.

Anahtarlamalı güç kaynağı eski sac transformatörlerin yerine günümüzde bir alanda kullanılan elektronik güç kaynakları trafolu güç kaynaklarına göre çalışma frekansları daha yüksektir, boyutları ve ağırlıkları küçüktür. Güç dönüşümü gerektiren birçok alanda kullanılırlar: televizyon, monitör, bilgisayar, ses sistemleri, aydınlatma vb.

Tipik ATX Bilgisayar güç kaynağı http://img200.imageshack.us/img200/4790/atxpowersupplysmpst.png

A - Köprü bağlantılı diyot AC alternatif şebeke voltajını DC doğru akıma çevirir B - DC Doğru akımı filtre etmek için kullanılan kondansatörler C - Çıkış voltajını üreten yüksek frekanslı transformatör D - Çıkış voltajını düzenleyen filtre bobini E - Çıkış DC Doğru akımı filtre etmek için kullanılan kondansatörler

Çeşitli SMPS uygulamaları ve bilgilerin bulunduğu bir blog: http://320volt.com/tag/smps/ 26 Mayıs 2009 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.