SMPS Devresi Tasarlama |
2. Bölüm

SMPS Devresi Tasarlama yazı serişimizin ilk bölümümüzde SMPS devresi hakkında temel bilgiler verip ve projenin adım adım nasıl işleyeceği hakkında konuşmuştuk. Topoloji seçimimizi yaptıktan sonra artık kaynaktan gelen gerilimin çeşitli işlemlerden geçip çıkışta 12V, 1A elde edeceğimiz devremizin tasarlanma vakti geldi. Bu bölümlerde devrenin adım adım çalışma prensibini açıklayıp kullanılan malzemeler hakkında bilgiler verilecektir.

A- A+

05.02.2022 tarihli yazı 5781 kez okunmuştur.

Tüm adımlar bittikten sonra elde edeceğimiz devre Şekil 1'de gösterilmiştir. Devremizde görüldüğü gibi önceki bölümde bahsedilen Flyback topolojisi görülmektedir. Güç komponentlerinin dizilimine bakacak olursak da bu durumu görebiliriz. T1 transformatörü, D3 diyodu ve C7 kondansatörüne baktığımızda önceki yazıda bahsedilen Flyback devresi ile karşılaşmış oluruz. Yukarıda görülen devre TNY288PG ‘yi kullanan bir Flyback topolojisi güç kaynağı olarak yapılandırılmıştır. Devrenin diğer ikinci tarafında ise sabit voltaj regülasyonu kullanılmıştır. Bu regülasyon bir Zener diyod ve optokuplör ile sağlanan geri beslemeyle gerçekleştirilir.

Şekil1: SPMS Devresi

►İlginizi Çekebilir: SMPS Devresi Tasarlama | 1.Bölüm

Adım 1 : Koruma ve Doğrultucu Kullanımı

Önceden bahsettiğimiz gibi kaynağımız 85 ~ 265 V değerleri arasında değişen bir AC kaynaktı. Öncelikle kaynaktan gelen AC gerilimi doğrultmamız gerekiyor. O yüzden girişten gelen gerilimin hemen ardından bir doğrultma devresi kuracağız. Şunu belirtmek isteriz ki aşağıda kullanılan;

F1, RV1 gibi isimlendirmeler “designator” olarak geçmektedir. IEEE tarafından yayınlanan, elektrik devrelerinde kullanılan bileşenlerin her birinin kabul edilmiş bir isimlendirmesi mevcuttur. Tüm bileşenlerin isim listesine “Reference Designator” adı altında ulaşabilirsiniz.

Şekil 2: Tam Dalga Köprü Doğrultucu ve Koruma Elemanları

►İlginizi Çekebilir: SMPS (Anahtarlamalı Güç Kaynağı) Nedir? | ElektrikPort Akademi

İlk başta koruma için F1 adında bir sigorta elemanı kullanıyoruz. F1 sigorta devrede bulunan bileşenler için ve devre için koruma sağlar. Eğer kaynaktan gelen akım anlık olarak çok fazla olursa sigorta bu devreyi keser. Bu sigortalar güç kaynaklarında, batarya şarj devrelerinde, adaptörlerde sıkça kullanılır. Bizim devremiz için ise maksimum akımı 1A olarak istediğimizden sigortanın değerini 1A olarak ayarlıyoruz. İkinci bir koruma için RV1 isimli bir varistör kullanılmıştır. Varistörler bir devreyi yüksek voltaj dalgalanmalarından korumayı amaçlar. Yüksek voltaj dalgalanması bir devreye uygulandığında durum devre için bir felakettir. Olağan dalgalanma varistörün belirtilen değerini aşarsa varistör devreyi korumak adına gerilimi bastırır. Bizim devremiz için maksimum kaynağımız 265 V olacağından 300 V üstünde bir gerilim bizim için sıkıntı olabilir. Bu yüzden varistörün değerini bu şekilde ayarlıyoruz.

Şekil 3: Yüksek voltaj dalgalanması

Koruma elemanları yerleştirildikten sonra kaynaktan gelen AC gerilimin ilk başta doğrultucu devresinden geçmesi gerekmektedir. AC giriş gerilimi BR1 köprü doğrultucu tarafından doğrultulur. Tam dalga köprü doğrultucu devresinde 4 adet diyot kullanılmaktadır. Köprü doğrultucu devresinin bize en büyük avantajı transformatör gerek duymaz. Bu durum da maliyeti azaltır. 4 diyot kullanılmasının sebebi AC kaynağın hem pozitif hem de negatif durumlarda bulunabilmesidir. Aşağıda örnek doğrultma işlemi gösterilmiştir.

Şekil 4: Örnek doğrultma

Kaynak gerilimi ilk yarı periyotta yani 0 - π aralığında pozitif değer alır. Bu periyot aralığında yukarıda gösterilen devredeki gibi D1 ile D2 diyotları iletime girer ve çıkışta V_L oluşur. Bu durumda akım D1 ile D2 üstünden devreyi tamamlar. Bu sırada D4 ile D3 üzerinden bir akım akmaz çünkü bu diyotlar kesimdedir. Diğer yarı periyotta yani π - 2π aralığında ise kaynak gerilimi negatif değer alır. Bu periyot aralığında da D4 ile D3 diyotları iletimde olup negatif gerilim çıkışta V_L ‘yi oluşturur. Böylece çıkışta;

Şekil 5: Doğrultma sonrası çıkış gerilimi

Yukarıdaki gibi bir grafik elde edilir. Göründüğü üzere doğrultucu devresinin çıkışında tam olarak bir doğrultma göremiyoruz. Bu grafiği biraz daha DC ‘ye yakın bir sonuç elde etmek isterseniz yük tarafında paralel olarak bir kapasitör bağlayabilirsiniz fakat biz bunu şimdilik yapmayacağız.

Adım 2: PI Filtre

Doğrultucu çıkışına paralel bir kondansatör bağlamak yerine bir filtre kullanarak dalga formunun DC ’ye daha yakın olmasını sağlayabiliriz. Böylece köprü doğrultucudan geçen gerilimi PI Filtre devresine giriş olarak vereceğiz. Bildiğimiz üzere filtreler genellikle güç elektroniği ve ses elektroniği devrelerinde istenmeyen frekansları önlemek ve istenmeyen sinyalleri kaldırmak için kullanılmaktadır. Filtreler, Aktif Filtre ve Pasif Filtre olmak üzere 2 ana başlık üzerinden incelenir. Aktif filtreler, aktif bileşenler ile kullanılırken pasif filtreler ise pasif bileşenler ile kullanılır.

Şekil 6: PI Filtre

PI Filtre, 3 elemandan: iki kapasitör ve bir tane de bobinden oluşan bir pasif filtredir. Kullanılan 3 elemanın yerleşimi bir “π” harfini anımsattığından bu devrenin ismi “Pi Filtre” olarak anılır. Çoğunlukla “Alçak Geçiren Filtre” uygulamalarında kullanılır. Alçak geçiren filtre temel olarak belirli bir kesme frekansından daha düşük frekanslara sahip sinyalleri ileten ve ayrıca daha yüksek frekanslı sinyalleri zayıflatan bir filtredir. PI Filtre kullanmamızın şuan ki amacı köprü doğrultucudan çıkan gerilimin dalgalanmalarını(ripple) azaltmaktır. Doğrultucu çıkışına hemen bağlanan kondansatör DC gerilimdeki dalgalanmaları(ripple) azaltmaktadır. Devrede bulunan bobinin karakter özelliği olarak üzerinden akım geçerken devrenin akımını azaltıcı etki yaptığını biliyoruz. Kondansatöre seri olarak bağlanan yukarıda görülen bobin ise akım üzerinde olan dalgalanmaları azaltmaktadır. Paralel bağlanan kondansatörlerin kapasiteleri toplanır. Kondansatörlerin, kapasiteleri ile bağlantılı olarak deşarj süreleri değişir. Kapasite büyüdükçe deşarj süresi yavaşlar. PI filtrede ise kondansatörler paralel bağlı olduğundan toplam kapasite artmaktadır. Böylece çıkış üzerinde deşarj yavaş olacağından çıkış gerilimindeki dalgalanma azalmaktadır. PI Filtre aynı zamanda kart tasarlanırken PCB yollarının endüktif etkilerini göz önüne aldığımızda oluşabilecek voltaj düşmelerinin önüne geçmek içinde kullanılır. Bundan dolayı oluşabilecek EMI (Elektromanyetik Interferans) ‘yi azaltır. Elektromanyetik Girişim olarak da nitelendirebileceğimiz EMI, elektromanyetik dalgalar arasında gerçekleşir. Bu girişim başka istenmeyen akımlar indüklemesine sebep olabilir.
PI Filtresinin çıkışındaki dalga DC forma daha yakın olacaktır:

Şekil 7: PI filtre çıkış işareti

Deşarj süresini arttırmak yani deşarjın yavaş olmasını istediğimizden kondansatörlerin kapasite değerini yüksek seçmeliyiz. C1 kondansatörü, deşarj süresini yavaşlatacağından yüksek seçilecektir. C2 ise kapasite değerini arttıracağından deşarj süresi de böylece artacaktır. Genellikle endüktans ve kapasitans seçimi yüksek değerler seçilir. Bobin 1000 uH, kapasitör ise 10 uF ve 15 uF seçilir.

L = İndüktans C = Kapasitans F_C = Kesim Frekansı Z₀ = Empedans

Bu bölümde PI Filtresi ve Köprü doğrultucu devresini devrede kurarak gerçekleştirdik. Devremizin son hali:

Şekil 8: Devrenin son hali

Gelecek bölümlerimizde SMPS devre tasarımına devam edeceğiz. Snubber devresi ve anahtarlama elemanımız TNY288PG’in devreye entegresini anlatacağız.

Kaynak:

►EMO, Elektrik Mühendisleri Odası
►Marty Brown - Power Supply Cookbook
►Muhammad H. Rashid - Power Electronics
►Richard Lee Ozenbaugh - EMI Filter Design
►https://www.power.com/ - Power Integrations