Dostlar Merhaba,

Bugün sizlerle regülesiz güç kaynağı yapımı hakkında bir kaç bilgi ve bazı matematiksel hesaplamaları paylaşacağım. Umarım sizler için faydalı bir içerik olur. 

          Günümüzde hali hazırda kullanılan pek çok elektronik cihaz farklı seviyelerde dc gerilime ihtiyaç duymaktadır. Düşük güçlere ihtiyaç duyan ya da ara sıra kullanılan cihazlarda bu enerji pillerle veya bataryalarla sağlanabilmektedir. Ancak bataryaların yeterli ya da ekonomik olmadığı, sürekli bir dc beslemeye ihtiyaç duyduğumuz durumlarda dc (doğru gerilim) güç kaynakları bizim için çözüm olabilmektedir.  

          Ülkemizde mevcut kullanılan şebeke gerilimi 220V 50Hz (alternatif akım) olduğundan dolayı dc bir kaynak elde etmek için çevirici bir devreye ihtiyaç duymaktayız. Basit regülesiz dc güç kaynakları transformasyon, doğrultma ve filtreleme gibi temel işlem bloklarından oluşmaktadır. Bu blokların yapısı aşağıdaki şekilde görülmektedir. 

Şekil 1.1: AC gerilimden DC gerilime dönüşüm adımları

          Yukarıdaki şekil 1.1’de görüleceği üzere şebekeden gelen 220V’luk ac gerilim transformatör yardımıyla istenilen ac gerilim değerine dönüştürülür. Dönüştürülen ac gerilim doğrultma devreleri yardımıyla dc gerilime dönüştürülür. Ancak dönüştürülen bu dc gerilim üzerinde hala bazı gerilim dalgalanmaları bulunmaktadır. Bundan dolayı bu bloğun çıkışında elde edilen dc gerilime “darbeli dc” gerilim adı verilmektedir. Filtreleme fonksiyonu yüksek genlik değişimlerini azaltır, öyle ki çıkış üzerinde yalnızca biraz “ripple” voltajı kalan bir dc voltajdır. Basit yapıdaki bu güç kaynağına regülesiz dc güç kaynağı denmektedir çünkü ac giriş voltajındaki değişimlerle veya güç kaynağının çıkışındaki yükün değişmesiyle birlikte çıkış değişir. Bu güç kaynağının çalışmasını anlamak için her bloğu ayrı ayrı inceleyelim.

Transformasyon

          Transformasyon bloğunun iki temel özelliği vardır. Bunlar:

               Hat voltaj değerini istenilen dc çıkış voltajını sağlamak için, gerekli voltaj değerine dönüştürür.

               Elektriksel olarak elektronik cihazı şebeke hattından izole eder.

Transformatörler

          Transformasyon fonksiyonunu yerine getiren parça transformatördür. Aşağıdaki şekil 1.2′ gösterildiği gibi aynı demir çekirdeğe (nüve) sarılmış en az iki ayrı sarım telden oluşur. Giriş voltajının girdiği kısma primer, çıkış voltajının elde edildiği kısma ise sekonder denir. Transformatörün modeline göre iki ya da daha fazla sekonder çıkışı olabilmektedir. Transformatörün ana çalışma prensibi indüksiyondur. Primere verilen değişken akımlı ac voltaj, demir nüvede değişen bir manyetik alan yaratır. Bu manyetik alan sekonder sarımlarını keser ve sekonderin her turunda bir ac gerilim indükler. Böylece aralarında herhangi bir elektriksel bağlantı olmadan değişen manyetik alan ile enerji primerden sekondere transfer olur. 

Şekil 1.2: Transformatör çalışması

          Sekonder ile primer arasındaki enerji transferinin sadece manyetik kuplaj ile gerçekleşmesinden dolayı, sekondere bağlı devreler ile primere bağlı devreler birbirlerinden izole edilmiş olur. Bu durum güvenlik için önemlidir. Çünkü primer şebekenin yüksek akım kaynağına bağlıdır. Diğer bir avantaj da primer devresindeki devre toprağı ile sekonder devresindeki devre toprağı arasında dc bağlantı bulunmamasıdır.  

Tur Oranı

          Regülesiz bir güç kaynağında düzgün dc çıkış voltajını üretmek için gerekli olan ac çıkış voltaj değerini transformatörler ile elde ederiz. Bu işlem transformatörlerin sekonder tur sayısının ( N_s ), primer tur sayısına ( N_p ) oranının değiştirilmesiyle kolaylıkla ayarlanabilemektedir. N_s / N_p tur oranı değiştirilerek sekonder voltajı primer voltajından daha az veya daha fazla olabilmektedir. 

          Bir tur sekonder sarımına endüklenen voltaj değeri, bir tur primere endüklenen voltaj değeri ile aynıdır.  Primerin her turuna endüklenen voltaj e_p , primer voltajı V_p ‘nin primer turuna N_p bölünmesidir. Bu işlemi formüle dökersek karşımıza şöyle bir denklik çıkacaktır.

e_p = V_p / N_p 

          Eğer aynı voltaj sekonder sarımının her turunda indüklenirse, formül aşağıdaki gibi olur.  

V_s = N_s x e_p 

          e_p değerini ilk formülde yerine yazarsak, sekonder gerilimi, tur oranıyla primer geriliminin çarpımına eşit olur.

V_s = (N_s / N_p )  * V_p

          Sekonder voltajının primer voltajıyla tur oranının çarpımı olduğunu bilirsek, regülesiz güç kaynaklarında transformatörün ac voltaj seviyesini değiştirmek için nasıl kullanabildiğini kolaylıkla anlayabiliriz. 

Güç Transferi ve Verimlilik

          Sekonderden çıkan güç ile primerdeki güç arasındaki ilişki aşağıdaki gibidir. 

V_p * I_p = V_s * I_s * n

          Burada n transformatör verimidir. Verim %100 ise veya n=1 ise, çıkış gücü, giriş gücüne eşit olacaktır. Böylece eğer V_s değeri V_p değerinden küçük ise, denklem eşitliğinin sağlanması için I_s değeri I_p değerinden büyük olmalıdır ya da tam tersi bir durumda V_s değeri V_p değerinden büyük ise, denklem eşitliğinin sağlanması için I_s değeri I_p değerinden küçük olmalıdır. Piyasada bulunan güç transformatörlerinin verimlilikleri genellikle %85 ile %95 arasındadır. 

Doğrultma

          Doğrultma işlemi bir ac gerilimin dc gerilime çevrilmesi işlemidir. Bu işlem temel olarak diyotlarla yapılmaktadır. İleri yönlü bir diyotun voltaj düşüşü ( V_F ) diyotta kullanılan malzemenin tipine göre değişiklik göstermektedir. Silisyum diyotlar için V_F değeri 0,5-0,7V aralığında ve germanyum diyotun V_F değeri 0,2-0,3V’tur. 

          V_R bir diyota verilebilen maksimum ters besleme gerilimi olarak adlandırılır. Tepe ters gerilimi (Peak Inverse Voltage) olarak da adlandırılır ve PIV olarak kısaltılır. Bu voltaj aşılırsa, anot katot bağlantısı bozulma noktasına gelir ve ters yönde yüksek bir akım akmasına izin verir. Bu nokta aşılırsa genellikle diyot kalıcı olarak hasar görmüş demektir.  

Yarım Dalga Doğrultucu

          Basit bir yarım dalga doğrultucu aşağıdaki şekil 1.3′ de görülmektedir. Bir diyot seri olarak transformatörün sekonder çıkışına bağlanır. Giriş primer voltajı, şebeke hattı (Türkiye için 230V 50Hz) sinüs dalga voltajıdır. Pozitif kısım A ile negatif kısım B ile işaretlenmiştir. Her değişim için primer ve sekonder polariteleri yazılmıştır. A değişiminde, D1 diyotu iletime geçer çünkü anotu, katotuna göre daha pozitiftir. Skonder voltajına (eksi diyotun V_F ‘si) eşit bir voltaj yükün R_L etrafında oluşur. B değişiminde, D1 diyotu akımı bloke eder, böylece R_L ‘nin etrafında voltaj oluşmaz. Sekonder voltajı, diyotun etrafında ters voltaj olarak V_R olarak görülür. Bu voltaja dayanabilmesi için D1’in PIV’si sekonder voltajının V_pk ‘sından daha büyük olmalıdır.

 

Şekil 1.3: Yarım dalga doğrultucu

          Çıkış voltajı şekil (1.3) sekonder voltajının yarım dalga değişimi daima tek yöndedir ve “darbeli dc” olarak bilinir. Tam bir tur için, pozitif darbelerin altındaki alanın ortalaması alınırsa, dc voltaj, 0,318 çarpı sekonderin V_pk ‘sı olur.
          Yarım dalga doğrultucular düşük akım uygulamalarda kullanılır, örneğin, pil şarj cihazları, hesap makinaları için ac-dc adaptörler gibi. Eğer dc çıkışa bir pil yük olarak yerleştirilirse, sekonderin tepe voltajı eksi, diyotun V_F sine kadar şarj edilebilir.

Tam Dalga Doğrultucu

Şekil 1.4: Tam dalga doğrultucu

          Şekil 1.4.’deki doğrultucu devre, sekonder voltajının her iki değişimini de bir dc voltaja çevirmektedir, bu tam dalga doğrultucu olarak bilinir. Her sekonder çıkışında seri olarak bir diyot vardır ve orta çıkış topraklanmıştır. Orta çıkış ile (Şekil 1.3) her sekonderin çıkışı arasındaki voltaj aynı değerde fakat ters yöndedir. V_S1 pozitif iken V_S2 negatiftir.
          A değişiminde D1 diyotu iletime geçer, B değişiminde ise D2 diyotu iletimdedir. Orta çıkış ise her iki diyotun akımının bir ortak dönüşüdür. Her diyotun yüke akımı aynı yönde iletmesinden dolayı sekonder voltajının her değişiminde darbeli dc’nin pozitif yarım dalgaları vardır. Çıkış 0,636*V_pk ortalama dc voltajlı, 120Hertz darbeli dc’dir.
          Her seferinde sadece sekonderin yarısı kullanılır; bu yüzden düzgün dc voltajı oluşturmak için transformatör sekonder çıkış voltajı gerekenin iki misli olmalıdır. Aynı zamanda her diyotun PIV’si en az tam sekonder V_Spp si olmalıdır.

Köprü Tipi Doğrultucular

 

Şekil 1.5. Köprü tipi doğrultucu

          Şekil 1.5’deki doğrultma devresine tam-dalga köprü doğrultucu denir. Bir köprü yapısında dört diyot kullanılır. Köprü yapısında çıkış uclarından birisi, yük akımının dönüşü için ortak topraktır. Diğer çıkış ucu yüke bağlanır.
          D1 ve D2 diyotu A değişiminde iletimdedir, D2 ve D4 diyotu ise B değişiminde iletimdedir. Her iletim yolu, yüke akımı aynı yönde iletir. Darbeli dc çıkışı tam dalga doğrultucu ile aynıdır. Çıkış dc voltajı sekonder voltajı eksi iki ileri-bias diyot düşümüdür. Diyotların PIV’si sekonder tepe voltajından V_Spk büyük olmalıdır.

Filtreleme

          Birçok elekronik devre için transformasyon ve doğrutmaçtan sonraki darbeli dc çıkışı tatmin edici güç çıkışı değildir. Filtreleme fonksiyonu yük neredeyse sabit dc olabilmesi için çıkışı yumuşatır. Doğrultucudan gelen darbeli dc çıkışı ortalama bir dc değere ve ripple voltayı denilen bir ac kısma sahiptir. Bu filtre devresi ripple voltajını kabul edilebilir bir değere indirir. Dirençler, bobinler ve kondansatörler, filtre yapmak için kullanılır. Bu parçalardan hiçbirisi yükseltme görevi yapmaz. Dirençler akıma karşı koyarlar ve normal olarak frekans ile değişmeden dc ve ac devrelerde aynı şekilde çalışırlar. Bobinler akım değişimlerine karşı koyarlar ve endüktif reaktansları frekans ile değişir. Kondansatörler voltaj değişimine karşı koyarlar ve kapasitif reaktansları frekans ile azalır. Şimdi kondansatörlere yakından bakalım ve ne yaptıklarını anlayalım.

Kondansatör

          Bir kondansatör (Şekil 1.6) iki iletken plaka ve onları ayıran dielektrik denilen bir yalıtkandan oluşmaktadır. Plakalar arasına bir dc voltaj verildiğinde, elektronlar bir plakada ve pozitif iyonlar diğer plakada birikirler. Plakalar arasındaki elektriksel yüklenme farkı, verilen voltaja eşittir. Voltaj kesilince, elektriksel yükleme yerinde kalır ve plakalar arasındaki voltaj farkını korur. Diğer bir değişle, yükleme kondansatör tarafından saklanır. Yüklemeyi saklama karakteri bir devredeki kondansatöre voltaj değişimlerine karşı koyma etkisi verir. Bu etki dc güç kaynaklarındaki filtreleme fonksiyonunda çok önemlidir.
          Kapasitansın elektrik birimi faraddır. Farad çok büyük bir değer olduğundan, gerçek kondansatörler mikrofarad olarak değerlendirilir. 1 mikrofarad 0,000001 (1×10^-6) faraddır.

Şekil 1.6: Kapasite iç yapısı

Kondansatörü Deşarj Etme

          Bir kondansatörün filtrelemede nasıl kullanıldığını anlamak için kondansatörün deşarj özelliklerine hakim olmak gerekmektedir. Şekil 1.7’de, bir kondansatör V_c voltajına zaten şarj edilmiştir. S anahtarı daha önceden açık konumda olduğunu ve şimdi kapatıldığını düşünelim. Kondansatör R direnci üzerinden deşarj olmaya başlar. Şekil 1.8’deki tahmin edilebilen eğriye göre kondansatör üzerindeki voltaj zaman geçtikçe azalır. Bu grafik bir RC deşarj eğrisi olarak bilinir. Çünkü skalası RC zaman sabiti birimindendir. Deşarj eğrisinde RC zaman sabitini (saniye cinsinden) bulmak için, kondansatörü deşarj eden direnç (ohm) değeriyle kondansatörün (farad) kapasite değeri çarpılmalıdır . Eğer kondansatör 10 mikrofarad (0,00001 farad) ve direnç de 100Ω (ohm) ise, bu devrenin RC zaman sabiti (τ) 0,001 saniyedir (100×0,00001=0,001).  Bir güç kaynağı filtre kondansatörünü, deşarj eden dirence, güç kaynağı yükü denir.

Şekil 1.7: Kondansatörün deşarj devresi

Şekil 1.8: Kondansatörün deşarj eğrisi

          Şekil 1.8’deki deşarj eğrisi, 1 RC zaman sabitinde, V_c‘nin orijinal şarjlı değerinin %37 sine düşeceğini gösterir. 5 RC zaman sabitinde kondansatör tamamen deşarj olacaktır. Deşarj eğrisinin incelenmesi iki önemli sonucu çıkartır:

• Kapasite arttıkça, RC zaman sabiti büyür ve deşarj yavaşlar
• Direnç küçüldükçe, RC zaman sabiti küçülür ve deşarj hızlanır.

Kapasitif Filtre

          En basit filtre, doğrultucunun çıkışına paralel olarak bağlanan tek bir kondansatörden oluşabilir. Şekil 1.9’da, C_F1 filtre kondansatörünü ve R_L güç kaynağı yükünü ifade eder. I_L eşittir V_o bölü R_L (Ohm kanunu). V_o dalga şeklinin zamanla değişim grafiğine baktığımızda; İlk değişen yarım devirde C_F1‘i şarj ederken, V_o hızla doğrultucunun tepe voltaj çıkışına yükselir. Eğer yük yoksa (R_L =sonsuz), V_o tepe voltajında kalırdı ve C_F1‘in tekrar şarj edilmesi gerekmezdi; ancak R_L yükü ve I_L akımı ile, doğrultulan darbe sıfıra inerken C_F1 deşarj olmaya başlar. Deşarj Şekil 1.8’e göre olur ve RC zaman sabiti C_F1 çarpı R_L dir. C_F1 V_o dalga şeklinde gösterildiği gibi A noktasına kadar deşarj olur. A noktasından sonraki değişim darbe voltajı V_o‘ın üzerine çıkar ve C_F1‘i tepe voltajına tekrar şarj eder.

          Bir filtre kondansatörünün yüke sürekli bir akım sağlayabilmesi ve yeterli miktarda enerji depolaması için yeterince büyük olması gerekmektedir. Kondansatör yeterince büyük değilse veya yeterli hızda şarj edilemiyorsa, yük daha fazla akım çekeceğinden voltaj düşecektir.

Şekil 1.9: Tek bir kondansatör ile kapasitif filtre bağlantısı ve çıkış grafiği

Şekil 1.10: Endüktif filtre bağlantı şekli ve çıkış grafiği

          Çıkış dc değerinin altında ve üzerinde V_o‘daki  RMS voltaj değişimi, Şekil 1.9’da ripple voltajı V_r, olarak gösterilmiştir. Tam bir dalga için, 60Hz ac girişte, v_{r (rms)} :

V_{r (rms)} = 2.4 I_L / C_F1 

olur. Burada I_L miliamper, C_F1 mikrofarad ve bir RC sürede deşarj olduğu kabul edilmiştir. Formülde C_F1‘i bulmak için I_L miliamper akımını sağlayacak ve V_{r (rms)} ripple voltajı olacak bir güç kaynağı için tekrar düzenlenirse,

C_F1= 2.4 I_L / V_{r (rms)}  

olur.

Gerilim Katlama

          Bir trafo kullanarak ac voltajın seviyesini arttırabiliriz ancak bu çoğu durumda işimize gelmez. Çünkü trafolar görece olarak pahalı elemanlardır, ısı yayarlar ve güç kaynağının ağırlığını arttırlar. Bu gibi sorunlardan kurtulmak için katlama devresi olarak bilinen özel bir tür doğrultucu devresi tasarlanmıştır. Bu devre sayesinde büyük transformatörler (Step up) kullanmadan da yüksek voltaj çıkış değerleri elde etmem mümkün olmuştur. 

Şekil 1.11: Gerilim Katlama devresi ve dalga şekli

          Şekil 1.11 gerilim katlama devresinin şemasını ve çıkış dalga şeklini göstermektedir. İlk durumda D1 diyotu ileri yönde tetiklenir ve C1’i  V_pk‘ya şarj eder. Sonraki B değişimi D2’yi ileri yönde tetikler ve C2’yi V_pk‘ya şarj eder. C1 ve C2’nin polaritelerinin toplanarak seri bağlanmış olmasından dolayı çıkış voltajı V_o, iki kondansatör voltajının toplamı, yani 2xV_pk olur. Ek devre parçaları kullanılarak voltaj üçleyici ve dörtleyiciler oluşturulabilir. Bu tip devreler, yüksek voltajlı kısa süreli yüksek akım darbesi gerektiren ve yeni bir darbe için göreceli daha uzun zamana gerek duyan fotograf flaş güç kaynakları uygulamalarında kullanılır.

 

 

 

 

Dostlar bu yazımızdan da bu kadardı. İçerik üretilmesini istediğiniz fikirlerinizi bana mailden ya da web sitesindeki Soru & Cevap  kısmından iletebilirsiniz. 

          Bana destek olmak için sosyal medya hesaplarımdan, özellikle YouTube kanalımdan ve Linkedin hesabımdan beni takip edebilirsiniz. Bir sonraki paylaşımda görüşmek üzere.