Bilgisayarlar için Regüleli Güç Kaynakları
J. L. Fink
General Electric Co.
Rectifier Department
Lynchburg, Va.
Bilgisayarlar tarafından tüketilen güç miktarı çoğu zaman büyüktür. Bu gücün önemli bir bölümünün sıkı biçimde regüle edilmiş doğru akım olması nedeniyle, güç kaynaklarının iyi tasarımı bilgisayar geliştirmede son derece önemli bir çalışma alanıdır.
1955 yılında, iş operasyonlarıyla ilgili görevleri yerine getiren 2.800’den fazla elektronik dijital bilgisayarın kurulu olduğu tahmin edilmiştir. Bu makineler 227 milyon doların üzerinde bir yatırımı temsil etmekteydi; ayrıca o tarihte 1.700’den fazla bilgisayar sipariş edilmiş olup, bu da 186 milyon doların üzerinde bir birikmiş sipariş hacmine karşılık gelmekteydi. Buna ek olarak, çok sayıda bilgisayar askerî ve bilimsel uygulamalarda kullanılmaktadır. Aradan üç yıl geçmiş olan bugün, karşılık gelen rakamlar daha da büyük olacaktır.
Seçilmiş Dijital Bilgisayarların Güç Gereksinimleri
- Electrodata / Datatron — 19 kVA
- Elliot Bros. Ltd. / 402 — 6 kVA
- Bendix Computer Division / D-12 — 8 kVA
International Business Machines Corp.:
- 607 — 9 ila 11 kVA
- 650 — 17 kVA
- 702 — 75 kVA
- 705 — 87 kVA
Monroe Calculating Machine Co.:
- Monrobot — 3 kW ila 75 kW
Sperry Rand:
- Univac 60 — 10 kVA
- Univac 120 — 10 kVA
- Univac — 120 kVA
- Univac Scientific — 45 kVA
- Univac File Computer — 10 kW
Underwood Corp.:
- Elecom 125 — 15 kVA
Bu makalenin amacı, büyük bilgisayarlarda kullanılan güç kaynaklarını ele almaktır.
Güç Kaynağı Gereksinimleri
Bilgisayarlar için bir başarı ölçütü; hız, depolama kapasitesi, güvenilirlik ve sadelik fonksiyonu olarak önerilmiştir. Aynı genel ölçüm türü güç kaynaklarına da uygulanabilir; burada başarı ölçütü regülasyon, kapasite, güvenilirlik ve sadelik fonksiyonu olarak değerlendirilebilir.
Daha özel olarak, dijital bilgisayar güç kaynaklarının gereksinimleri şunlardır:
- Hat ve yük geçicilerine karşı iyi geçici regülasyon.
- İyi yavaş regülasyon.
- Düşük dalgalanma (ripple).
- Güvenilirlik.
- Sadelik.
- Sürüklenmeye (drift) karşı kararlılık.
- Yüksek verim.
- Düşük akustik gürültü seviyesi.
- Mekanik tasarım özellikleri: taşınabilirlik, erişilebilirlik ve dış görünüm.
- Devre kesiciler, sıralama sistemleri ve çeşitli türlerde arıza göstergeleri gibi yardımcı aygıtlar.
- Elektriksel kapasitenin esnekliği.
Yukarıdaki gereksinimler arasında en önemlisi, iyi geçici regülasyona ilişkin elektriksel gereksinimdir. Bunun nedeni, bilgisayar işlemlerinin çoğunun darbeli yapıda olmasıdır. Doğru akım kaynağındaki herhangi bir ani değişim, darbe devrelerini yanlış sinyallerle tetikleyebilir.
İyi yavaş regülasyon gereksinimi sıklıkla tartışılmaktadır; çünkü güç sistemleri tasarımcıları bazen elektronik gereksinimlerin gereğinden fazla kritik olduğunu düşünmektedir. Çeşitli bilgisayarların gerektirdiği regülasyon derecesi büyük ölçüde devre tasarımcılarının deneyimiyle belirleniyor gibi görünmekte olup, genel sınırlar vermek mümkün değildir.
Küçük tüplü güç kaynaklarının yavaş regülasyonu çok iyidir ve çoğu elektronik breadboard devresi bu tür kaynaklar kullanılarak geliştirildiğinden, nispeten yüksek akım seviyelerinde geniş alanlara hassas gerilimlerin üretilmesi ve dağıtılması genel sorununa çok az dikkat edilerek birçok devrenin geliştirilip onaylanmış olmasının nedeni kolayca anlaşılabilir.
Performans Özellikleri
Bu makalede ayrıntılı olarak ele alınan iki güç kaynağı şunlardır:
- Manyetik yükselteçle regüle edilmiş, statik, selenyumlu bir ünite.
- Regülesiz germanyum doğrultucular besleyen, sıkı biçimde regüle edilmiş bir motor-alternatör seti kullanan regüleli alternatör tipi.
Her iki tip de birkaç kilovat ve üzerindeki boyutlarda tüplü güç kaynakları veya doğru akım makineleriyle rekabet edebilir durumdadır.
Tanımlanacak ilk güç kaynağı, askerî bir uygulama için yapılmış olup aşağıdaki elektriksel teknik özellikleri karşılayacak şekilde tasarlanmıştır:
- Giriş hattı değişimiyle birlikte, yüksüzden tam yüke kadar tüm yük kombinasyonları için %0,2 içinde yavaş regülasyon.
Gerilim değişimleri artı veya eksi %5 ve frekans değişimleri artı veya eksi %3.
- Giriş geriliminin %5’lik bir adım değişimi veya yükte %20’lik bir adım değişimi için artı veya eksi %0,3 tepe geçici sapma.
- Tepe-tepe maksimum %0,3 dalgalanma.
Burada tanımlanan kaynağın kapasitesi 300 amperde 150 volt doğru akımdı. Bu 45 kilovatlık ünite, toplam kapasitesi 240 kilovat olan ve 10 ila 600 volt doğru akım arasında gerilim değerlerine sahip 11 güç kaynağından oluşan bir serinin parçasıydı. Diğer kaynaklar, burada ayrıntılı olarak açıklanan kaynağa kıyasla iki kat daha gevşek genel elektriksel sınırlar içinde yapılmıştır.
Kullanılan tasarım yöntemi ilgi çekicidir; çünkü bu büyüklükte ve hassasiyette bir kaynak daha önce yapılmamıştı. General Electric General Engineering Laboratory bünyesindeki Control Analysis Group’un hizmetlerinden yararlanılarak önerilen tasarımlar üzerinde çalışmalar yapılmış ve nihai tasarımın uygunluğu, kaynağın çalışmasının analog bir bilgisayarda simülasyonu yoluyla kanıtlanmıştır. Bu yeni yaklaşım, tamamlanmış sistemin uygulanabilirliği konusunda en az endişe ile güç kaynağı bileşenlerinin doğrudan tasarlanmasını mümkün kılmıştır.
Bu kaynak için verilen siparişte tanınan çok kısa üretim süresi, yalnızca analog bilgisayar sonuçlarına dayanarak çok sayıda bileşenin üretilmesini zorunlu kılmıştır. Neyse ki analitik çalışmalar son derece doğru çıkmış; montajı yapılan ve test edilen kaynaklar, yalnızca orta düzeyde saha ayarıyla teknik özellikleri karşılamıştır.
Sistemin mümkün olan en yüksek güvenilirliğe sahip olması gerekiyordu. Bu nedenle, mümkün olan her yerde kanıtlanmış bileşenler kullanılmış; gerekli durumlarda bileşenler ani ve öngörülemeyen arızalardan uzak olmaları esas alınarak seçilmiştir. Dolayısıyla vakum tüpleri, röleler, döner makineler ve her tür hareketli parça ortadan kaldırılmaya çalışılmıştır. Bunun ne ölçüde başarıldığı, nihai devrenin blok diyagramı olan Şekil 3’te görülmektedir.
Manyetik Yükselteç Sistemi
Önemli tasarım özelliklerinden biri, doğrulukları ve ani arızalardan uzak olmaları nedeniyle gerilim referansı olarak cıva pillerinin kullanılmasıydı. Yükselteç kademeleri, statik bir frekans çarpanı tarafından üretilen 360 çevrimlik güçle çalıştırılmıştır. Manyetik yükselteçlerin kazancı güç frekansıyla orantılı olduğundan ve dinamik kararlılığın korunması için bu kademelerde kısa bir zaman sabiti gerekli olduğundan, yükselteç kademeleri için yüksek frekanslı bir besleme seçilmiştir.
Giriş: 3 faz, 4 telli, 208 V
Manyetik Yükselteç Sisteminin Blok Diyagramı
Şekil 3
Geçici Tepki
Geçici tepki kaydının izlenmesi:
- %80’den %100’e adım yük değişimi
- 150 volt, 300 amperlik kaynak
Fırçalı kayıt cihazı
Şekil 4
Çıkış gerilimini filtrelemek ve sistemi kararlı hâle getirmek amacıyla, 150 voltluk kaynağın çıkışına toplamda yaklaşık 2 farad elektrolitik kondansatör bağlanmıştır. İlgi çekici olan, 240 kilovatlık kurulumda yaklaşık 32 farad kapasitans kullanılmış olmasıdır. Kondansatörler özel, yüksek kaliteli bir tipte olup, bu tür bir kurulumun çok büyük kısa devre kapasitesine karşı arızalı kondansatörleri korumak amacıyla her tepsi için ayrı sigortalar içeren tepsiler hâlinde düzenlenmiştir.
Güç kademesi, yönlendirilmiş taneli silikon çelik çekirdekler üzerine sarılmış toroidal güç reaktörlerinden oluşuyordu. Bu reaktörler, selenyum doğrultucularla birlikte kendi kendine doyuma giren manyetik yükselteçler olarak bağlanmıştır. Selenyum doğrultucular, bilinen özellikleri ve ani arızalardan uzak olmaları nedeniyle seçilmiştir.
Gerçek testler, kaynakların teknik özelliklerde belirtilen gereksinimleri karşıladığını göstermiştir. Bir geçici tepki kaydı Şekil 4’te gösterilmektedir.
Bu tür bir kaynakla elde edilen işletme deneyimi, özellikle çok az kişinin manyetik yükselteçlere geleneksel tüplü devreler kadar aşina olması nedeniyle, sadelik açısından arzu edilenin altında kaldığını göstermiştir; ancak hareketli parçası olmayan, tüpsüz bir ünite olarak ve yalnızca bir röle içermesi sayesinde, tasarlandığı güvenilir çalışma gereksinimini karşılamıştır.
Motor-Alternatör Sistemi
Tanımlanacak ikinci güç kaynağı tipi, daha az karmaşık, yavaş regülasyon sınırları daha az kritik olan, ancak hat ve yük geçicilerine karşı iyi çalışma özelliklerini koruyan bir kaynağa duyulan gereksinime yanıt olarak tasarlanmıştır. Bu ikinci tip kaynak, bir alternatörü süren bir asenkron motordan oluşmakta olup, alternatörün çıkışı özel tasarımlı statik bir uyarıcı-regülatör ile çok dar sınırlar içinde tutulmuştur. Alternatörün regüle edilmiş çıkışı, doğası gereği iyi regülasyona sahip basit germanyum doğrultucu devrelerini beslemiştir.
Bu sistemle, aşağıdaki tüm kombinasyonlar için doğru akım gerilimini artı veya eksi %3 bandı içinde tutmak mümkündür:
- Artı veya eksi %10 yavaş hat gerilimi değişimi
- Hat geriliminde %10 adım değişimi
- Hat frekansında %3 değişim
- %50’den %100’e yavaş yük akımı değişimi
- %20 yük akımı adım değişimi
%3’lük bant, tepe-tepe dalgalanmayı da içermektedir.
Motor-Alternatör Sisteminin Blok Diyagramı
Şekil 5
Motor-Alternatör Sistemindeki Bireysel Güç Kaynağı
Şekil 6
Sistemlerin Karşılaştırılması
İkinci sistemin temel avantajı, beraberinde getirdiği karmaşıklıkla birlikte tek kapalı çevrim regülatörün uyarıcı-regülatörde bulunmasıdır. Diğer tüm kaynaklar, transformatörler, doğrultucular ve filtrelerden oluşan basit devrelerdir. Bilgisayarların 8 ila 14 farklı güç kaynağı gerektirmesi nedeniyle, bireysel kaynakların basitleştirilmesi önemlidir. Bu sistemin bir blok diyagramı Şekil 5’te ve tipik bir kaynağın şeması Şekil 6’da gösterilmektedir.
Bilgisayar tasarımında güç gereksinimleri, tasarım aşaması oldukça ilerleyene kadar çoğu zaman kesin olarak tanımlanamaz; bazı durumlarda, yalnızca tamamlanmış sistem üzerinde yapılan ölçümler gerçek sistem kapasitesini nihai olarak belirler. Buna rağmen, bilgisayar monte edilip test edilirken güç kaynağı hazır bulunması gereken ilk kalemlerden biridir. Bu durum, güç sistemi tasarımcısının gerilim veya akım kapasitesini teslimatı ya da işletmeyi geciktirmeden değiştirebilme yeteneğine vurgu yapar.
Motor- alternatör sisteminin esnekliği olağanüstüdür; çünkü bireysel bir kaynağın kapasitesindeki herhangi bir değişiklik yalnızca bir transformatör, doğrultucu ve filtreyi içerir. Üç fazlı köprü devresi gibi sık kullanılan basit sistemler için tasarım parametreleri iyi bilinmektedir ve değişiklikler minimum mühendislik hesabıyla yapılabilir. Döner makinenin regülasyonunu ve reaktansını, gereken geçici regülasyon derecesiyle uyumlu seviyelerde tutmak için, genellikle yalnızca doğru akım kaynaklarının güç gereksinimleri dikkate alındığında öngörülenden daha büyük bir makine kullanmak gerekir. Bu ek kapasite, güç kaynağı sisteminin kapasitesinde genel değişiklikler yapılmasının gerekli olduğu durumlarda çoğu zaman yararlı olur.
Mayıs 1958 COMPUTERS and AUTOMATION
Nelerin yapılabileceğine bir örnek olarak, 10 kilovattan 14 kilovata kapasite değişikliği yapılan ve kaynak sayısı 12’den 17’ye çıkarılan sistemler, ekipmanın sevkiyatından yalnızca 8 hafta önce değişiklik yapılmasına rağmen 14 hafta içinde teslim edilmiştir.
Motor- alternatör sisteminin regülasyon eğrileri Şekil 7’de gösterilmektedir. Bir geçici kayıt Şekil 8’de sunulmaktadır.
Bu iki kaynağı ideale kıyaslarken, dağıtım sistemindeki kayıplar nedeniyle aşırı derecede sıkı regülasyona vurgu yapmanın her zaman gerekli olmadığını belirtmek gerekir. Bu nedenle, güç kaynağında mükemmel regülasyon sağlansa bile, güç geniş bir alana dağıtıldığında sonuç mükemmelden daha düşük olacaktır.
Manyetik yükselteç tipi kaynak, motor- alternatör sistemiyle yaklaşılamayacak ölçüde yavaş regülasyonu koruyabilir. İki sistemin geçici tepkileri birbirine çok da benzememektedir. Manyetik yükselteç sisteminin tam yükte verimi yaklaşık %78’dir ve güç faktörü %70 ila %75 arasında değişmektedir. Motor- alternatör sisteminin 15 kilovatlık kapasitede toplam verimi yaklaşık %70’tir. Güç faktörü kullanılan motor tipine bağlıdır. Aşırı uyarılmış senkron motor kullanılarak ileride (leading) bir güç faktörü elde etmek mümkündür. 100 kilovat ve üzerindeki boyutlarda toplam verim yaklaşık %80 olacaktır.
Doğrultucu Elemanlar
Bu kaynaklarda kullanılan güç doğrultucularının özelliklerini karşılaştırmak ilgi çekicidir. Manyetik yükselteç sistemi selenyum doğrultucular kullanırken, motor- alternatör sistemi germanyum kullanmaktadır.
Selenyum doğrultucular Amerika Birleşik Devletleri’nde 1938’den beri ticari olarak üretilmektedir ve özellikleri ile kapasiteleri iyi bilinmektedir. Germanyum doğrultucular birçok üstün elektriksel özellik sergiler, ancak güç seviyelerinde üretimde yalnızca iki yıldan biraz daha uzun süredir bulunduklarından daha az tanınmaktadır. Germanyum doğrultucular daha küçüktür, ileri yönde daha düşük gerilim düşümüne sahiptir ve ters yönde sızıntı akımı selenyuma kıyasla birkaç büyüklük mertebesi daha düşüktür. Buna ek olarak, germanyum selenyumda olduğu gibi yaşlanma eğilimi göstermez. Yaşlanma, ileri yöndeki gerilim düşümünün zamanla kademeli olarak artmasıdır. Bu durum elbette doğrultucu devresinin verimini ve regülasyonunu düşürür. Germanyum hücreler neme karşı dikkatle korunmalıdır ve çok yakın zamana kadar güvenilir, hermetik olarak sızdırmaz hücreler mevcut değildi.
Böylece manyetik yükselteç tipindeki güç kaynağında doğrultucu hücrelerin regülasyonunun, düzenleyici sistem tarafından telafi edildiği ve selenyum doğrultucuların iyi bilinen özelliklerinden yararlanıldığı görülmektedir. Motor-alternatör sisteminde ise, yavaş regülasyon gereklerinin karşılanmasında kendi ileri yöndeki gerilim düşümlerinden yararlanmak için germanyum doğrultucuların kullanılması gereklidir. Günümüzde çok yüksek bir güvenilirlik derecesine sahip, küçük ve hermetik olarak kapatılmış germanyum hücreler mevcuttur. Bu hücrelerin daha yüksek güçlü türleri manyetik yükselteç sistemine dahil edilmelidir; bu, düşük ileri yöndeki gerilim düşümü sayesinde verimlilikte bir artışa yol açarken, düşük kaçak akım da güç kademelerinin kazancını artırarak toplam devre performansında bir iyileşme sağlayacaktır.
Silikon doğrultucu, üretim arttıkça üstün özellikleri daha düşük maliyetle yinelenebilirse, gelecekte hem germanyum hem de selenyum ile rekabet edebilir. Silikon hücreler 200 santigrat derecenin üzerindeki sıcaklıklarda çalışabilirken, germanyum için bu üst sınır yaklaşık 100 santigrat derecedir. Uzun ömür için selenyum hücreler yaklaşık 80 santigrat derece ile sınırlıdır; ancak kısa ömürlü uygulamalarda 150 santigrat dereceye kadar olan sıcaklıklarda çalışabilirler. Silikon hücrelerin fiziksel boyutu germanyumunkine yakındır ve hücre başına ileri yöndeki gerilim düşümleri yalnızca biraz daha yüksektir.
Çalışma sıcaklığı, günümüzde iş bilgisayarlarında ve yerde kullanılan askerî bilgisayarlarda özel bir önem taşımamaktadır; ancak bilgisayarın kendisi için klima kullanımının artmasıyla birlikte, bazı uygulamalarda güç kaynaklarının iklimlendirilmiş alanın dışına yerleştirilmesi avantajlı olabilir; bu durumda silikonun sıcaklık özellikleri önem kazanacaktır. Silikon hücrenin bir diğer avantajı, bir ısı transfer sisteminin termal verimliliğinin, daha sıcak bileşenlerden soğutma havasına ısı aktarılırken daha yüksek olmasıdır. Bu, silikon hücrelerle daha küçük hacimde soğutma havasının kullanılmasının mümkün olabileceği anlamına gelir.
Geçici Rejim Tepkisi Kaydı
- %0’dan %100 yüke değişim
- 150 volt, 20 amperlik güç kaynağı
Fırçalı kaydedici
Şekil 8
Özet
Bu iki tür bilgisayar güç kaynağının karşılaştırması özetlendiğinde, çoğu zaman olduğu gibi, nihai seçimin bir uzlaşma meselesi olduğu görülmektedir. En hassas olan en karmaşık olanıdır ve en basit olan ise en az hassas olandır.
Motor-alternatör sisteminin temel dezavantajları, döner makinenin kullanılmasını içerir. Biraz daha yüksek akustik gürültü düzeyi ve makinenin bakımı tolere edilebiliyorsa, önerilen sistem budur. Manyetik yükselteç sisteminin yüksüz durumdan tam yüke kadar sağladığı yavaş regülasyonla eşleşemez; ancak çoğu bilgisayar uygulamasında bu durum tolere edilebilir, özellikle de hassas gerilim ayarları için transformatör kademeleri sağlanmışsa. Gerçek kullanımda bilgisayar yükleri belirli bir nokta etrafında yoğunlaşır ve gerilim bu duruma göre ayarlanabilir. Motor-alternatör sisteminin sadeliği, servis edilebilirliği ve hat geçicilerinden mükemmel yalıtımı, hassas doğru akım gücünün istendiği her yerde dikkate alınmasını önermektedir.