SMPS - II : Güç Kaynaklarında İzolasyon

Merhaba arkadaşlar,

Anahtarlamalı Güç Kaynakları yazı dizimize kaldığımız yerden, güç kaynaklarında izolasyon ile devam ediyoruz. Dizinin ilk yazısına buradan ulaşabilirsiniz.

İzolasyon nedir?

Kelime olarak; yalıtım ve ayrıklama anlamına gelen izolasyon elektronikte; iki ya da daha fazla devrenin birbiri arasındaki elektriksel temasın kesilmesi olarak tanımlanır. Görsel olarak anlatmamız gerekirse, The Break-up filminin posterinde görüldüğü üzere Jennifer Aniston ile Vince Vaughn arasındaki temas kırmızı okla gösterilen bant yardımı ile kesilmiştir. Biz buna izolasyon diyoruz :)

İzolasyonlu (Isolated) Güç Kaynakları

Giriş devresinin (primary) kullandığı toprak (Earth) bağlantısı ile çıkış bölümünde (secondary) yer alan devrelerin kullandığı toprak bağlantısı (GND) birbirinden farklıdır. Girişte kullanılan toprak "sıcak (hot) GND", çıkışta kullanılan toprak ise "soğuk (cold) GND" olarak adlandırılır. Bu iki toprak şema üzerinde de farklı şekiller ile gösterilir. İzolasyonu sağlayan ana malzemeler tranformatörler ve opto-couplerlardır.

Transformatörler, hem enerji transferi işlemini hem de izolasyon işlemini aynı anda gerçekleştirmektedir. Giriş ve çıkış sargıları arasında herhangi bir temas söz konusu değildir.

Opto-coupler ise, içinde yer alan foto-diyodun, yine içerisinde yer alan foto-transistörü sürmesi vasıtası ile optik olarak iki devreyi birbirinden ayırmakta ve izolasyon sağlamaktadır.

Aşağıdaki şekilde TR1002 transformatörü ve IC1004 opto-couplerı giriş ve çıkış devrelerini birbirinden elektriksel olarak ayırmaktadır.

İzolasyonsuz (Non-Isolated) Güç Kaynakları

Giriş ve çıkış devreleri aynı toprak bağlantısını kullanmaktadır. Topolojiye bağlı olarak, enerji çevrim ve iletimi bazen bir coil ile bazen de bir transformatör ile yapılmaktadır. Devre yapıları farklı olmasına rağmen her iki tip devrede izolasyonsuz sınıfına girmektedir.

Coil kullanılan, basit bir Step-up (Boost) devresinin şemasını incelersek, devrenin giriş ve çıkış bölümleri arasında herhangi bir izolasyonun mevcut olmadığını görebiliriz.

Transformatör kullanılan aşağıdaki Flyback devrede ise, galvanik izolasyon doğal olarak sağlanmakta, ancak geri besleme bilgisi bir opto-coupler üzerinden alınmamaktadır. Bu nedenle devre izolasyonsuz olarak kabul edilmektedir.

Bundan sonraki yazılarda anlatımla beraber formül ve hesaplamalar da yoğun bir şekilde kullanılacaktır. Bir sonraki yazıda "Anahtarlama" kavramı üzerinde duracağım. İzolasyon ve Anahtarlama terimlerini incelemeyi bitirdiğimizde, İzolasyonsuz Anahtarlamalı Güç Kaynaklarına ait Step-Down (Buck), Step-Up (Boost) ve SEPIC çeviricileri sırasıyla yazmaya çalışacağım.

İzolasyon konusu ile ilgili bol resimli ve açıklamalı bir yazı hazırlamaya çalıştım. Yorumlarınızla katkıda bulunursanız sevinirim.

Yazının devamı

Anahtarlamalı (S.M.P.S.) güç kaynağı topolojilerine giriş

Anahtarlamalı (S.M.P.S.) güç kaynağı topolojileri konusu, elektroniğin en temel ve en önemli konularından biridir. Bu nedenle, teknik ayrıntılara girmeden, sade bir dil ve açıklayıcı resimlerle konuyu anlaşılabilir hale getirmeye çalışacağım. Lütfen sizlerde katkılarınızı esirgemeyiniz.

Barajlarda üretilen elektrik, kablolar üzerinden ev ve iş yerlerimize taşınmaktadır. İletim mesafesi uzadıkça, kabloların iç direncinden kaynaklanan kayıplarda artmaktadır. Bu nedenle baraj çıkışında üretilen elektriğin gerilim değeri 154.000V (154kV) gibi yüksek bir değerdir. Üretilen bu elektrik ev ve iş yerlerimize ulaşmadan önce, belirli bölgelerde kurulan trafo ve aktarma merkezlerinde 110V, 230V veya 380V AC voltaja çevrilir.

Türkiye'nin de içinde bulunduğu Avrupa ülkeleri ve Dünya'nın büyük bir bölümünde 230Vac şebeke gerilimi kullanılırken, Kuzey Amerika ve Japonya gibi ülkelerde 110Vac şebeke gerilimi kullanılmaktadır.

Prizlerimizde, kullanımımız için hazır şekilde bulunan 230Vac gerilim, kullandığımız bir çok elektrikli cihaz için uygun bir çalışma gerilimi değildir. 24V, 12V, 5V, 3,3V gibi değişik DC gerilim değerlerine çevrilmesi gereklidir.

Bunun için günümüzdeki en geçerli ve en verimli yöntem; elektrik enerjisinin önce manyetik enerjiye, daha sonra yeniden elektrik enerjisine çevrildiği tranformasyon yöntemidir.

Bugün de kullanılmaya devam eden saçlı trafolar, bu yöntemin ilk malzemeleridir. Primer (primary-giriş) sargısına uygulanan elektrik enerjisi, saç nüve üzerinde manyetik enerjiye çevrilirken, aynı fazda sekonder (secondary-çıkış) sargıları üzerinde indüklenir ve yeniden elektrik enerjisine çevrilir.

Ancak, şebeke frekansının 50Hz / 60Hz gibi çok düşük frekans değerine sahip olmasından dolayı, bu trafolardan elde edilen verim oldukça düşüktür. Diğer bir deyişle, çevrim kayıpları çok fazladır. Bu nedenle günümüz modern sistemlerinde AC gerilim önce DC gerilime çevrilir. Ardından, 100kHz, 300kHz gibi çok yüksek frekanslarda anahtarlanarak yeniden AC gerilime elde edilir. Yüksek frekanslı bu AC gerilim, saçlı trafolara göre çok daha küçük boyutlara sahip olan Layer ya da Slot tip transformatörler vasıtası ile istenilen DC gerilim değer(ler)ine çevrilir.

Bu tarzda çalışan güç kaynaklarına, Anahtarlamalı Güç Kaynakları (Switch Mode Power Supply - SMPS) diyoruz. SMPSler temelde primary (giriş) ve secondary (çıkış) bölümlerinin birbirinden izole olup olmamasına göre:

• Non-Isolated (Galvanic izolasyonsuz) ve
• Isolated (Galvanic izolasyonlu)
olmak üzere ikiye ayrılırlar.

Bir sonraki yazımda, Non-Isolated Topolojiler hakkında genel bilgiler verip, bu topolojilerden ilki olan Buck Convertor sistemlerini detaylandırmaya çalışacağım.

Bu yazı ilk kez; 17.11.2011 tarihinde, Murat Yaman tarafından, www.izmirarge.com blogunda yayınlanmıştır. Yazı içeriği ve resimler gözden geçirilip, güncellenmiştir.

Yazının devamı