SMPS Devreleri ve Çalışma Prensibi

SMPS Devresi Nedir ve Nasıl Çalışır?

SMPS (Anahtarlamalı Güç Kaynağı), elektrik enerjisini verimli ve kontrollü bir şekilde dönüştürmek için kullanılan modern bir güç kaynağı devresi olarak tanımlanabilir. Geleneksel lineer güç kaynaklarının aksine, SMPS devreleri yüksek verimlilik, kompakt yapı ve düşük ısı üretimi gibi avantajlar sunar. Bahse konu bu avantajlar sayesinde enerjiden ve alandan tasarruf sağlanmaktadır. SMPS devrelerinin çalışma prensibine bakıldığında;

Temel Çalışma Prensibi

SMPS devresi, girişten aldığı AC veya DC gerilimi yüksek frekansta anahtarlayarak, transformatör veya indüktörler yardımıyla istenen çıkış gerilimine dönüştürür. Bu dönüşüm sırasında enerji geçici olarak manyetik alanlar içinde depolanır ve daha sonra yük devresine aktarılır. İşlem şu adımlarla özetlenebilir. Burada temel prensip yüksek frekansta anahtarlama sağlamaktır. Sebebi ise transformatörlerin AC gerilimde çalışmasında kaynaklanmasından gelmektedir. Trafolara enerjinin bir verilmesi bir kesilmesi tekrar verilmesi ve tekrar kesilmesi ile trafoların çalışma prensibine uygun bir eylem yapılmış olunmaktadır. Elbette bu trafoların enerjilenmesi ve kesilmesi çok yüksek frekanslar ile gerçekleşmekte, bu da trafoya indüklenen enerjinin daha hızlı ve daha az kayba uğrayarak karşı tarafa aktarılmasına sebep olmaktadır.

1. Doğrultma ve Filtreleme (Rectifier & Filter): AC girişten gelen enerji ilk olarak filtreleme devresinden geçmekte ve farklı indükleme ve istenmeyen parazitlerin temizlenmesi sağlanmaktadır. Akabinde doğrultucu devresine gelen AC köprü diyot sayesinde DC'ye dönüşmektedir. DC'ye dönüşen enerji kondansatörlerle filtrelenir ve 300 volt civarı bir enerji ile kondansatörlerde depolanmaya başlanır. Voltajın 300 küsür volt olmasının sebebi 2020 volt AC enerjinin efektif değeri alınır yani 220 x kök2 = 311 volt.

2. Anahtarlama (Switching):Transistör (genellikle MOSFET veya IGBT) yardımıyla gerilim yüksek frekansta anahtarlanır. Bu anahtarlama işlemi PWM (Pulse Width Modulation – Darbe Genişlik Modülasyonu) ile kontrol edilir. Anahtarlama elemanı olarak kullanılan mosfetlerin gate uçları PWM entegresi tarafından tetiklenir ve transformatörün indüklenmesi sağlanır. Yani Transformatöre enerji gelecek ve hemen kesilecek,tekrar gelecek ve hemen kesilecek. Bu şekilde trafonun primer sargısında manyetik alan oluşacak ve sekonder sargısına manyetik alan ile bu enerji aktarılacak. Bu noktada mosfet yüksek frekanslarda aç kapa yaparak trafoyu devamlı surette indükleyecektir.

3. Transformatör veya İndüktör:Anahtarlanan gerilim bir yüksek frekans transformatöründen geçirilerek istenen seviyeye düşürülür veya yükseltilir. Aynı zamanda izolasyon da sağlanır. Yukarıda da bahsedildiği üzere primer sekonder sargı sayısına göre trafoya verilen enerji azaltılacak veya arttırılacaktır. Voltajın düşmesi istendiğinde Buck devresi, yükselmesi istendiğinde Boost devresi kurulması gerekmektedir.

4. Çıkış Doğrultması ve Filtreleme:Transformatörden çıkan AC gerilim, hızlı diyotlarla yeniden DC'ye çevrilir ve çıkış kondansatörleri ile düzgün hale getirilir. Bahsedildiği üzere trafondan AC enerji geçebileceğini ifade ettik. Alde edilen AC enerji hızlı diyot olarak bilinen Schottky Diyotlar vasıtasıyla tekrar dc'ye dönüştürülür ve çıkışta tam filtreleme için kapasitör eklenir. Çıkış kapasitörlerinde elde edilen enerji istenilen çıkış voltajı olarak yüke aktarılmaktadır. Schottky diyotları normal diyorlardan farklı olark yüksek frekanksta çalışabilme özellğine sahip bir doğrultucu dever elemanıdır.

5. Geri Besleme Kontrolü (Feedback):Çıkış gerilimi sürekli olarak izlenir ve referans değeriyle karşılaştırılır. Eğer çıkışta sapma varsa, PWM sinyali buna göre ayarlanır. Bu sayede çıkış gerilimi sabit tutulur. Bu noktada TL431 devre elemanı kullanılmaktadır. Çıkış gerilimi ayrıca TL431 devre elemanına geri besleme olarak verilmektedir. TL431 devre elemanı 2,5 volt çalışacak şekilde tasarlanmış ve çıkış gerilimini 2,5 voltta tutacak şekilde dizayn edilmiştir. Çıkışta yüksek voltajın oluşması durumunda TL431 üzerine düşecek olan voltaj artacak ve opto kuplör yoluyla bu voltaj tekrar PWM entegresine Feedback ayağına bildirilecektir. F/B ayağına gelen fazla voltaj sonucu PWM entegresi mosfeti çalıştırdığı kara galga işaretini değiştirecek ve az sıklıkta kare dalga üretmeye başlayacaktır. Bu da daha az mosfetin tetiklenmesi ve daha az trafonun indüklenmesi anlamına gelmektedir. Neticede daha az indüklenen trafo çıkışa daha az enerji aktaracak ve voltajı düşürecektir. Bu döngü F/B ayağına gelen geri besleme voltajının optimum seviyeye gelene kadar devam edecek ve istenilen seviye yakalandığında PWM aynı kara dalgayı üretmeye devam edecektir.

   
   

SMPS’in Avantajları

• Yüksek Verim: Enerji kayıpları düşüktür, genellikle %80’in üzerindedir.

• Küçük Boyut: Yüksek frekansta çalıştığı için daha küçük transformatör ve filtre elemanları kullanılır.

• Isı Üretimi Azdır: Daha az güç kaybı olduğundan soğutma ihtiyacı daha azdır.

• Geniş Giriş Aralığı: 85V - 265V gibi geniş AC aralığında bile stabil çalışabilir.

Bu blog yazımızda SMPS devresi nedir ve çalışma prensibi nasıldıra karşı c