Güç Kaynaklarında Yaşanan 5 Problem

Güç kaynaklarının kesintisiz ve minimum problemle çalışması, sistemlerin devamlılığı için büyük öneme sahiptir. Peki güç kaynaklarındaki yaşanan temel problemleri biliyor musunuz? Bu yazımızda 5 ana problemi sizler için ele aldık.

A- A+

01.01.2022 tarihli yazı 7378 kez okunmuştur.

Güç kaynakları ile çalışmak söz konusu olunca önümüze yüksek veya düşük voltaj gibi birden çok problem gelecektir ve dizayn mühendisleri bu problemlerden kaçınmak için önlemler almalıdır. Güç kaynakları sistemlerde genellikle göz ardı edilir ancak çalışma performansında düşüklük olduğunda göz ardı edilmeleri mümkün değildir. Bu yazımızda 5 ana problemi açıklayarak bu problemlerin nasıl oluştuğunu ve nasıl çözümleyebileceğimizi inceledik.

Şekil 1: Güç Kaynağı Modellemesi

1) Yüksek veya Alçak Giriş Gerilimi

Hem yüksek hem de alçak giriş voltajı güç kaynaklarında büyük ve geri dönüşü olmayan problemlere yol açabilir. Ayrıca hem yüksek hem de alçak voltaj en çok karşılaşılan sorunlardır.

Hem yüksek hem de alçak giriş voltajı için bilinen en büyük problem, 110/240 V non-universal anahtarı yanlış ayarlamaktır. Bu anahtar, güç kaynağı içindeki bir voltaj dönüştürücü elemanı açar veya kapar. Her iki durumda da dahili iç devreler 240 V’da çalışır. Ancak anahtar yanlış ayarlanırsa dahili devreler ya yüksek ya da alçak voltaja maruz kalır ve bu arızaya sebep olur.

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

Voltaj dalgalanması, hızlı elektrik geçişi (Electric Fast Transient) ve elektrostatik deşarj (ESD) gibi elektromanyetik bozukluklar hızlı-kısa süreli ancak şiddetli alçak ve yüksek gerilime sebep olurlar.

Enerjinin açılıp kapanması, yıldırım düşmeleri ve yüklü nesnelerle güç kaynağına temas da yüksek voltaja sebep olabilir. Çoğu güç kaynağı bu durumlara karşı belirli oranda korumaya sahiptir. Uygulamalara bağlı olarak bu problemlere karşı koruma oranları belirlenir.

Şekil 2: Elektromanyetik girişim yüksek gerilime sebep olabilir

Güç kaynakları, Şekil 2'de gösterilen elektromanyetik girişimden (EMI) kaynaklanan hızlı elektrik geçişleri (EFT) gibi kısa süreli olaylara dayanacak şekilde tasarlansa da, sürekli giriş yüksek gerilimleri hasara yol açabilir. Düşük voltaj da sorunlara yol açar. Çıkış regülasyonu ve kontrolü ile ilgili sorunlara neden olabilir ve artan giriş akımı ve güç kaybıyla sonuçlanarak arızaya neden olabilir. Bazı güç kaynakları UVP (düşük voltaj koruması) içerir. Giriş voltajı UVP eşiğinin altına düşerse UVP güç dönüşümünü durdurur ve devreyi korur.

2) Yüksek Çıkış Gücü ve Akımı

Çıkış akım sınırları, bir güç kaynağı seçerken son derece önemli bir özelliktir ve genellikle tasarım sürecinde yeterince belirtilmez. Bunun sonucunda, çıkış yüksek akımı veya çıkış aşırı gücü güç kaynağının arızalanması, erimiş kablo veya yanmış devre gibi sonuçlara yol açabilir. Sınırların aşılması ayrıca artan güç tüketimine, fazla ısıya ve önemli verim kaybına sebebiyet verebilir.

►İlginizi Çekebilir: Yedekli Güç Kaynağı Konseptleri | Phoenix Contact

OCP (Yüksek Akım Koruması), akımın sınırı aşması durumunda güç kaynağını korur. OPP (Yüksek Güç Koruması), güç limitlerinin aşılması durumunda güç kaynağını korur. OPP genellikle giriş tarafına entegre edilir ve maksimum gücün aşılmadığını kontrol etmek için trafoyu izler. Tek çıkışlı güç kaynağı için OPP ve OCP ilişkilidir. Çok çıkışlı güç kaynağında ise bir çıkıştan fazla akım çekilmesinde güç sınırları aşılmadığından OPP devreye girmez ve yüksek akım arızaya sebep verebilir. Yüksek Akım Koruması (OCP) akımı doğrudan izler ve bu sorunu önlemek için her bir çıkışa ayrı ayrı uygulanabilir. Bundan dolayı Yüksek Akım Koruması (OCP) ve Yüksek Güç Koruması (OPP)’nın birlikte kullanımı çok çıkışlı güç kaynakları için önemlidir.

Büyük, daha pahalı güç kaynaklarından kaçınmak için kullanıcılar bazen güç ve akım oranlarını eksik belirtir. Eğer güç kaynakları uygun boyutlandırılmazsa, transient akımmlar tekrarlanan kapanmalara sebep olabilir. Güç kaynakları dolayı Yüksek Akım Koruması (OCP) ve Yüksek Güç Koruması (OPP)’nın yanlışlıkla açılmasını önlemek için transient çıkış akımları nominal akım limitleri içinde kalacak şekilde boyutlandırılır.

3) Ters Polarite

Ters polarite, giriş veya çıkış uçlarındaki pozitif ve negatif uçların yanlış bağlanmasıdır. Bir çok devre komponenti, örneğin elektrolitik kapasitör, ters polariteyi tolere edemez ve maruz kalırsa işlevini kaybeder.

Güç kaynağının çıkış bağlantılarında kutupların ters çevrildiğini varsayalım. Bu durumda, yük hasar görebilir ve potansiyel olarak güç kaynağı arızasına yol açabilir ve en kötü durum devrelerin bozulması veya elektrik yangınları olabilir.

Düşük güçlü uygulamalarda ters polariteye karşı koruma sağlamak için bir diyot kullanılabilir. Giriş veya çıkış ile seri veya anti-paralel olarak yerleştirilebilir. Seri bağlıyken, voltaj tersine çevrilirse diyot akımı iletmez ve devreyi açık tutar. Bu yöntemin dezavantajı, diyotun giriş akımıyla orantılı olarak gücü dağıtmasıdır. Girişe anti-paralel yerleştirildiğinde, diyot normalde kapalı olacak ve sadece polarite ters çevrildiğinde iletecektir. Diyot, ilettiğinde sigorta veya güç kaynakları OCP gibi bir yüksek akım koruma cihazını kısa devre yapacak ve tetikleyecektir.

4) Sıcaklık Sorunları

Güç kaynağının uygun çalışma sıcaklıkları datasheetlerinde belirtilir. Eğer önerilen çalışma sıcaklıklarının altında veya üstünde çalıştırılırsa sorunlara sebep olabilir. Termal sınırlar, güç kaynağının beklenen performansta güvenle çalışmasını sağlar.

Şekil 3: Güç kaynağını grafikte belirtilen güvenli çalışma alanı dışında çalıştırmak beklenmeyen sorunlara yol açabilir

Minimum ve maksimum çalışma sıcakları dışında çalıştırmak, uygunluk, regülasyon, EMI (Elektromanyetik Girişim) ve verim açısından problemlerle sonuçlanabilir. Güç kaynağının içindeki transistörler gibi birçok komponent, termal sınırlarına yakın sıcaklıklarda çalışır. Güç kaynağının nominal sıcaklığının üzerinde veya altında çalıştırılması bu cihazların arızalanmasına neden olabilir.

Bazı güç kaynakları, çıkış gücü azaltılırsa genişletilmiş bir sıcaklık aralığına izin verir. Bu güç kaynakları için belirli koşullar altında çalışma sıcaklığını veren Şekil 3’deki gibi değer kaybı grafikleri verilir. Daha düşük sıcaklıklarda da değer kaybı gerekli olabilir. Çok düşük sıcaklıklarda bazı komponentlerin değerleri, özellikle elektrolitik kapasitörün, normal koşullarda olduğundan daha önemlidir. Bu dalgalı voltajın artmasına ve başlatma sorunlarına yol açabilir.

5) Eksik Harici Komponentler

Güç kaynağı performansı, eksik harici bileşenler veya bağlantılar nedeniyle önemli ölçüde etkilenebilir. Dataheetlerde listelenen performans, bazen tipik bir uygulamayı taklit etmek için belirli bir devre kullanılarak karakterize edilir. Test sırasında benzer bir devre uygulanmazsa, performans belirtilenden farklı olabilir. Örneğin, bazı güç kaynakları, performans ve kararlılık için giriş ve/veya çıkışta harici kapasitans gerektirir. Önerilen veya gerekli harici bileşenlerin dahil edilmemesi performansı olumsuz etkileyebilir ve hatta arızaya neden olabilir.

Sıklıkla eksik olan diğer bir bileşen grubu, açma/kapama için bilinen bir voltajın sağlanması için gerekli olabilecek pull-up ve pull-down dirençleridir. Örneğin bir pull-up direnci, kritik bileşenlerin etrafında ek bir döngü oluşturur ve bir anahtar açıkken bile iyi tanımlanmış bir voltajın kalmasını sağlar; Öte yandan bir pull-down direnci, bir anahtar açıkken voltajı sıfıra yakın tutacaktır.

EMI (Elektromanyetik Girişim), ürettikleri gürültü miktarı nedeniyle bazı anahtarlamalı güç kaynakları için sorunlu olabilir. Dahili güç kaynaklarıyla, boyutu azaltmak ve tasarım esnekliğini artırmak için dahili olarak minimum filtreleme dahil edilebilir. Bu durumlarda, belirli gereksinimleri karşılamak için harici filtreleme gerekebilir. Örneğin, bir güç kaynağı, B Sınıfı emisyonları karşılayacak şekilde tasarlandığını belirtebilir, ancak harici filtreleme olmadan yalnızca A sınıfını karşılayacaktır. Bu, B Sınıfı uygulamaların ek harici filtreleme gerektireceği anlamına gelir. Bu durumlarda, datasheet genellikle B sınıfının karşılanması için önerilen devreleri sağlayacaktır.

Şekil 4: Çıkış Bağlantılarının Voltaj Algılama Kullanılması (sağ) ve Kullanılmaması (sol) Durumu

Bazı güç kaynakları, Şekil 4'te gösterildiği gibi, geri besleme döngüsünü esas olarak güç kaynağının dışına çıkaran voltaj algılamalı bağlantılar içerir. Bu, güç kaynağının kabloların ve konnektörlerin empedansını telafi etmesine olanak tanır ve yükte daha sıkı regülasyon ile sonuçlanır. Bu algılama bağlantıları kullanılmazsa, genellikle çıkışa kısa devre yapılması gerekir. Açık bırakılırsa, geri besleme döngüsü kapatılamayabilir ve çıkış kontrolsüz olacaktır.

Sonuç olarak, beş yaygın güç kaynağı sorunu, giriş ve çıkıştaki voltaj ve akım sorunlarını, ters polariteyi, sıcaklık sorunlarını ve eksik harici komponentleri içerir. Ancak tasarım sürecinde bu sorunların göz önüne alınması ve ek hesaplamalar yapılması bu sorunlardan kaçınmamıza, bunlara karşı koruma sağlamamıza veya sorun olma olasılığını azaltmamıza olanak sağlar.