Telefonunuzun pili %5 e düşmüşken bile ekranın neden kararmadığını düşündünüz mü? Gerilim azaldığında bu elektronik cihazlar bu koşullarda nasıl ayakta kalıyor? İşte bu noktada devreye günümüz elektroniğin görünmeyen destekçisi olan buck-boost regülatörleri giriyor. Bu yazıda, buck-boost regülatörünün ne olduğunu, nasıl çalıştığını ve nerelerde kullanıldığını inceleyeceğiz.
Buck-Boost Regülatörü Nedir?
Buck-boost regülatörü, hem voltaj düşürücü (buck) hem de voltaj yükseltici (boost) olarak işlevini yerine getiren bir DC-DC dönüştürücüdür. Özellikle pil ile çalışan ve değişken giriş voltajına sahip sistemlerde, çıkış voltajını sabit tutmak için tercih edilmektedir. Buck-boost regülatörü iki farklı modda çalışır : çıkış voltajının giriş voltajından daha düşük olduğu “buck” modu ve çıkış voltajının giriş voltajından daha yüksek olduğu “boost” modu. Bu iki mod arasında geçiş sonsuz bir şekilde çalışır ve bu regülatörün değişen giriş koşulları altında sabit bir çıkış voltajını korur.
Buck-Boost Regülatörü Nasıl Çalışır?
Buck-boost regülatörü, bir kapasitörden geçen akım akışını kontrol eden bir anahtar, bir indüktör, bir transistör ve bir diyot kullanarak çalışmaktadır. Anahtarın açık durumu sırasında devreden geçen yük indüktörde depolanır ve kapalı durumda iken yük diyot aracılığıyla çıkışa aktarılır. Anahtarın açık kalma süresi ne kadar fazla ise toplam döngü süresine oranlandığında çıkış voltajını belirler. Bu şekilde çıkış voltajını kontrol ederek istenen seviyede tutulmasını sağlar.
Devrenin kontrolü için girişe seri olarak bir anahtar eklenir. Bu anahtar, açılıp kapanabilen bir transistör ya da MOSFET olabilir. Şekildeki şemada RL direnci, çıkış bağlı yükü temsil etmekte kısaca devrenin beslediği yükü veya enerji tüketen kısmı temsil etmektedir.
Kısaca; Anahtar, AÇIK durumda ve KAPALI durumda olmak üzere iki farklı koşulda çalışır. AÇIK durumda iken akım transistörden akar ve diyot ters yönde olduğu için indüktörden akım anında akar. İndüktör bu akımı sınırlayarak belirli bir miktarda enerji depolar. Transistör, giriş akımının devreden geçmesini engelleyerek KAPALI durumuna geçer. KAPALI durumda iken indüktör içinde depolanan akımını diyota ve devrenin çıkışına gönderir. Ayrıca akım kondansatörde depolanır. Bir sonraki AÇIK durumda döngü yeniden başlar. Bu sefer indüktörde enerji yoktur, çıkışa güç veren kondansatördür.
(E: Giriş gerilimi, U: Çıkış gerilimi, tON: Anahtarın açık kalma süresi, tOFF: Anahtarın kapalı kalma süresi)
DC güç kaynağı olan E’de elde edilen enerji indüktörde birikir. Bu enerji yüke aktarılır. Yük voltajının pozitif kutbu, DC güç kaynağının negatif kutbuna bağlanır, bu da buck-boost regülatörün yükte voltajı ters yönde gerçekleştirdiğini belirtir. Anahtar açıldığında indüktör DC güç kaynağı olan E’ye bağlanır ve indüktör akımını en düşük seviyeden en yüksek seviyeye arttırır. Bu süre içerisinde DC güç kaynağı olan E voltajı ve U yükünün toplamı nedeniyle diyot ters kutupludur ve enerjiyi iletmez.
Anahtar kapandığında indüktör akımı diyot aracılığıyla kurulur ve indüktörün enerjisini yüke aktarır. Yük voltajı U’nun etkisi altında indüktör akımını en yüksek seviyeden en düşük seviyeye düşürür.
Kapalı durumda indüktör üzerindeki voltajın değeri sıfırdır, bu da şu anlama gelmektedir;
Bu formülün anlamı, çıkış voltajı ve giriş voltajının anahtarın açık kalma süresi kapalı kalma süresine oranıyla çarpılmasıdır. Yani anahtar daha uzun süre açık kalırsa çıkış gerilimi artar, daha kısa sürede açık kalırsa azalır demektir.
Nerelerde Kullanılır?
Buck-boost regülatörü, giriş voltajını artırıp azaltabildikleri için pek çok alanda kullanılmaktadır. Aşağıda bazı yaygın uygulama alanları belirtilmiştir:
- Dizüstü bilgisayarlar, akıllı telefonlar gibi pil ile çalışan cihazlar sabit bir çıkış voltajına ihtiyaç duyar. Buck-boost regülatörü voltajı kararlı tutar.
- GES panelleri ve jeneratörler değişken voltaj üretir. Buck-boost regülatörü bu değişken voltajı düzenleyerek aküleri şarj ederek sabit bir çıkış sağlar.
- Araçlardaki farklı sistemler farklı voltajlar üretir. Buck-boost regülatörü akü voltajı değişse bile kararlı güç sağlar.
- Endüstriyel ve telekom ekipmanları gibi bu cihazlar hassas voltaj ile çalışmaktadır. Bu sistemlerin giriş voltajındaki dalgalanmalar olsa da buck-boost regülatörü sabit bir çıkış üretir.
- LED aydınlatma sistemlerindeki LED’lerin parlaklığı sabit kalır ve ömrü uzar. Buck-boost regülatörü, farklı güç kaynaklarından gelen voltajı düzenleyerek sabit tutar.
Sonuç olarak buck-boost regülatörleri, hem voltaj düşürme hem de voltaj yükseltme ihtiyacını tek bir yapıda çözen özellikle akıllı elektronik cihazlarda ve voltajı değişken enerji kaynaklı sistemlerde hayat kurtaran bir devre elemanıdır. Eğer bir elektronik projede giriş voltajınız sabit değilse, buck-boost regülatör kullanmak çoğu zaman en doğru tercihtir diyebiliriz.
Kaynakça:
- powerelectronicsnews.com
- eeweb.com
- monolithicpower.com
