Güç kaynağı ünitesi, bir veya daha fazla elektrik yüküne güç sağlayan bir elektrik cihazıdır. Temel işlevi, elektrik kaynağından gelen enerjiyi yükün ihtiyaç duyduğu ilgili akım, gerilim ve frekansa dönüştürerek elektrik enerjisini yüke uyarlamaktır. Güç kaynakları ayrıca yük akımını sınırlayarak ve arıza durumunda kapatarak beslenen yüke koruma da sağlar. Bu cihazlar ayrıca elektronik gürültüyü önlemek ve güç faktörü düzeltmesi sağlamak için çıkış gücünü de değiştirir.

Bu makalede, farklı güç kaynağı türlerini açıklayacak ve fansız güç kaynaklarının neden en iyi performansı sağlayabileceğini inceleyeceğiz.

Doğrusal Regülatörler ve SMPS'ler

Güç kaynakları iki ana türe ayrılabilir: doğrusal regüleli ve anahtarlamalı güç kaynakları (SMPS).

Doğrusal regülatörler, alternatif akımı (AC) sabit bir doğru akıma (DC) dönüştürür. Yüksek gerilimli AC giriş ile düşük gerilimli DC çıkış arasında galvanik izolasyon sağlamak, girişten gelen gürültüyü filtrelemek ve doğrultularak DC çıkış gerilimine dönüştürülecek giriş AC gerilimini düşürmek için bir transformatör kullanırlar. Doğrusal regüleli güç kaynaklarının verimliliği düşüktür (yüzde 30-60), bu da daha fazla güç kaybı ve dağıtılması gereken ısı anlamına gelir.

Anahtarlamalı güç kaynakları yüksek verimliliğe (yüzde 80'den fazla) ve gelişmiş performansa sahiptir. SMPS'ler, gelen şebeke frekansı gerilimini yüksek frekanslı AC gerilime dönüştürür, ardından küçük bir transformatör kullanarak bunu daha düşük bir gerilime indirger. Gerilim daha sonra doğrultulur, filtrelenir ve düzenlenerek sabit DC gerilimi olarak çıkışa verilir.

SMPS'ler, doğrusal regülatörlere kıyasla daha karmaşık bir tasarıma ve daha yüksek bir maliyete sahiptir. Ancak, küçük gövdeler ve aşırı miktarda ısı yaymadan çok yüksek verimlilik dahil olmak üzere doğrusal regülatörlere kıyasla sayısız avantaja sahiptirler.

Güç Kaynağı Verimliliğinin Önemi

Güç kaynağı verimliliği, normalde tam yükte ve nominal giriş geriliminde belirtilen, toplam çıkış gücünün giriş gücüne oranının yüzdesidir:

Örneğin, güç kaynağı ünitesinin verimliliği yüzde 50 ise ve talep edilen yük gücü 100W ise, toplam giriş gücünün 200W olması gerekir. Giriş gücünün diğer yüzde 50'si, çoğunlukla ısı olarak boşa gider ve üniteye zarar vermemek için düzgün bir şekilde dağıtılması gerekir. Bu, yüksek verimli güç kaynaklarının ne kadar önemli olduğunu göstermektedir. Önemli ölçüde daha az kayba sahiptirler, bu da daha serin kaldıkları ve aynı çıkış gücünü sağlamak için şebekeden daha az güç kullandıkları anlamına gelir.

Güç kaynağı cihazları sabit bir verimliliğe sahip değildir, çünkü bu çevresel koşullara ve yük koşullarına bağlıdır. Genel olarak, güç kaynakları nominal yükün yüzde 50'sinde çalıştırıldığında maksimum verimliliğe ulaşır. Güç kaynağı üniteleri, 110V AC yerine 230V ile beslendiğinde daha yüksek verimliliğe sahiptir. Günümüzde piyasa, nominal yükün yüzde 50-100 aralığında bile sürekli olarak yüksek verimlilikle çalışabilen gelişmiş modeller sunmaktadır. Örneğin, Şekil 1'deki diyagram, MEAN WELL UHP-2500 serisinin besleme gerilimi ve yüke karşı verimlilik eğrisini göstermektedir. 

Yüzde 100 güç kaynağı verimliliğine ulaşmak mümkün değildir. Ancak, gelişmiş bir tasarım ve uygun bileşenlerle yüksek verimlilikler mümkündür (örneğin, Şekil 1'deki MEAN WELL UHP-2500 yüzde 96'ya varan verimliliğe sahiptir). Güç kaynaklarındaki kayıplar pasif ve aktif bileşenlerden kaynaklanır ve doğrusal kaynaklarda SMPS'lere göre daha fazla meydana gelir. SMPS güç kayıpları çoğunlukla anahtarlama cihazlarında (MOSFET'ler ve diyotlar) meydana gelir. Diğer kayıplar kapasitörler ve indüktörlerden kaynaklanır (bu, genellikle pahalı olan gelişmiş düşük dirençli bileşenler kullanılırsa azaltılabilir). Pasif bileşen kayıpları, direnç kayıplarını (I2R), kapasitör kayıplarını ve çekirdek ve sargı indüksiyonundan kaynaklanan indüktör kayıplarını içerir. Aktif bileşen kayıpları çoğunlukla iletim ve anahtarlama kayıpları olarak MOSFET'ler ve diyotlardan kaynaklanır.

SMPS'ler daha pahalı olsa da, yüksek verimlilikleri elektrik maliyetlerinden tasarruf sağlar. Ayrıca daha güvenilirdir, daha az gürültü üretir ve daha az soğutma gerektirir. Anahtarlama cihazları, ağır hizmet tipi kapasitörler ve iyi özelliklere sahip bobinler gibi yüksek kaliteli bileşenler kullanırlar. Düşük dalgalanmalı, daha az gürültülü ve daha az ısılı daha iyi çıkış gerilimi üretirler ve daha iyi gerilim düzenlemesi sağlarlar.

Güç Kaynağı Soğutma Yöntemleri

Güç kaynakları, devredeki bileşenlere zarar verebilecek ısı üretir. Bu nedenle, güç kaynaklarının fazla ısıyı dağıtmak için bir soğutma sistemine sahip olması gerekir. İşte en yaygın kullanılan ısı iletim veya soğutma yöntemleri:

1. Doğal hava akışı , havanın doğal olarak aktığı ve bir cihazdan ısıyı uzaklaştırdığı basit bir konveksiyon soğutma yöntemidir. Doğal hava akışı, ek mekanik bileşen içermeyen basit, düşük maliyetli bir soğutma seçeneğidir. Bu soğutma türü düşük ısı yayma kapasitesine sahip olduğundan, bunu kullanan güç kaynakları güvenli sıcaklık çalışma aralıklarında sınırlıdır.
2. Zorlamalı hava soğutması , daha yüksek çalışma sıcaklıklarına izin vererek doğal hava akışını iyileştirmek için bir veya daha fazla fan içerir. Ek güç tükettiklerinden, fanlar güç kaynağı verimliliğini azaltır. Ayrıca düzenli bakım ve değişim gerektirirler. Bu soğutma türü, sınırlı alana sahip uygulamalar için pratik değildir.
3. Isı emiciler , daha soğuk bir bileşenle doğrudan temas yoluyla ısı transferi sağlar; bu, kanatlı ısı emiciler ve kanatsız soğuk plakalar olabilir. Kanatlı bir ısı emici, hava ile temas için daha büyük bir yüzey alanına sahiptir ve bu nedenle daha hızlı ısı yayılımına izin verir. Genellikle daha iyi ısı yayılımı için zorlamalı hava soğutmasıyla birleştirilir. Ancak, ısı emiciler daha fazla alan gerektirir ve bu da bazı uygulamalarda kullanımlarını sınırlar. Soğuk plakalar, cihazdan ısıyı uzaklaştırmak için kullanılan kalın metal plakalardır. Basitlik ve alanın önemli parametreler olduğu uygulamalarda kullanılırlar.
4. Sıvı soğutma , kapalı devre soğuk sıvı akışı sağlayan gömülü bir borulu soğuk plakadan oluşur. Sıvı, taban plakasının çok sabit bir sıcaklıkta kalmasına yardımcı olarak ısı transferini mümkün olduğunca verimli hale getirir. Fanlara olan ihtiyacı ortadan kaldırdığı için sıvı soğutma çok fazla yer kaplamaz. Sıvı soğutma mükemmel ısı yayılımına sahiptir, gürültü ve titreşim üretmez ve güç kaynağının ömrünü uzatır. Ancak, sıvı soğutma daha karmaşık bir tasarım gerektirdiğinden daha maliyetlidir. Sıvı soğutma yaygın olarak endüstriyel lazerler veya şarj istasyonları gibi yüksek ısı üreten uygulamalarda kullanılır.

Sıvı soğutmalı güç kaynakları çok yüksek çıkış gücüyle tasarlanabilir. Örneğin, MEAN WELL'in sıvı soğutmalı güç kaynakları olan PHP-3500 serisi, 3.500W'a kadar çıkış gücü sağlayabilir. Ayrıca, dört paralel üniteye kadar 14.000W sağlamasına olanak tanıyan aktif akım paylaşım işlevine sahiptirler.

Aşağıdaki video, bir MOSFET ve kapasitörün sıvı soğutma ile zorlamalı hava soğutması arasındaki sıcaklık farkını karşılaştırmaktadır. Sıvı soğutma ile sıcaklık, zorlamalı hava soğutmasına kıyasla 6-18°C daha düşüktür.

Maliyetli olmasına rağmen, sıvı soğutmalı güç kaynakları, zorlamalı hava soğutmasının uygun olmadığı uygulamalar için en etkili çözümdür. Birçok uygulamada, bir güç kaynağına fan eklemek güvenilirliğini azalttığından, maliyeti artırdığından, gürültü yarattığından ve bakım sorunlarına yol açtığından zorlamalı hava soğutmasından kaçınılmalıdır.

Fansız bir güç kaynağı (aşağıdaki Şekil 2'deki MEAN WELL UHP-2500 gibi), fan arızalarıyla ilgili sorunlardan kaçınır ve bakım maliyetlerini azaltır. Fansız güç kaynakları, mutlak sessizlik gerektiren ortamlar için de uygundur.

Güç Kaynakları ve Güç Yönetimi

Güç yönetimi, sisteme DC gücünü kontrol ettiği, düzenlediği ve dağıttığı için her elektronik sistemde önemli bir özelliktir. Güç yönetimi güvenilirliği, performansı ve maliyeti etkiler.

Gelişmiş güç kaynakları, harici bir DC kontrol sinyali ile çıkış geriliminin yüzde 50-120 arasında ve akımın yüzde 20-100 arasında ayarlanmasına olanak tanıyan programlanabilir gerilim ve akım (PV/PC) işlevleriyle donatılmıştır. Ayrıca, akıllı bir güç kaynağı elde etmek için iletişim protokollerine (örneğin PMBus veya CANBus) sahip olabilirler. Genel olarak, iki tür güç kaynağı çıkış düzenlemesi vardır: harici analog sinyal arayüzü ve dijital kontrol arayüzü.

Harici analog sinyal arayüzü kontrol teknolojisi, güç kaynağı çıkış gerilimini kontrol etmek için harici gerilimi kullanır. Analog güç kaynakları kararlı ve güvenilirdir, ancak sınırlı esnekliğe sahiptirler. Durum izlenebilse de, kontrol genellikle parametre başına bir olası tepkiyle sınırlıdır. Harici analog gerilim girişi genellikle 1-5V aralığındadır. Çıkış akımı, harici gerilim uygulanarak nominal akımın yüzde 20-100'üne ayarlanabilir. Şekil 3, harici DC gerilim kullanılarak çıkış akımı düzenlemesinin diyagramını göstermektedir.

Dijital kontrol, yüksek düzeyde bilgiye erişim sağlar ve daha esnek çıkışa olanak tanır. Aşağıdaki tablo, dijitalleştirilmiş güç kaynağı tasarımının avantajlarını göstermektedir:

Güç kaynaklarının dijital kontrolünde en yaygın kullanılan iletişim protokolü PMBus'tır (Güç Yönetimi Veriyolu). PMBus, daha basit tasarım sağlayan ve dijital kontrollü güç sistemlerinin karmaşıklığını azaltan açık standart bir güç yönetimi protokolüdür. CANBus (Denetleyici Alan Ağı) başka bir iletişim protokolüdür. PMBus protokolündeki komutların ve işlevlerin çoğunu gerçekleştirebilir; aralarındaki temel fark sinyalleşme yöntemidir. CANBus ile PMBus arasındaki seçim uygulamanın özel gereksinimlerine bağlıdır. MEAN WELL, PMBus ile zaten entegre edilmiş ürünler için isteğe bağlı CANBus modelleri sunar.

Dahili PMBus protokolüne sahip güç kaynakları, son sistemin gerilim, akım ve sıcaklık gibi güç kaynağının çeşitli çalışma parametrelerini izlemesine ve kontrol etmesine olanak tanır. PMBus protokolü ile birleştirilen fansız güç kaynakları, ömür boyu güvenilirliği ve kurulum esnekliğini büyük ölçüde artırarak daha kompakt ve akıllı son sistemlere olanak tanır. Örneğin PHP-3500, maksimum 100kHz veri yolu hızıyla PMBus'ı destekler ve bilgi okuma, durum izleme ve çıkış ayarlamasına olanak tanır.

Fansız güç kaynaklarının ve güç yönetiminin avantajları hakkında daha fazla bilgi edinmek için MEAN WELL UHP ve PHP güç kaynaklarınagöz atın.

 

Bu yazı OnlineComponents.com tarafından sponsorluk almıştır. Tüm görüşler bana aittir. --Edis Osmanbasic