DENEY 10 UJT-SCR Faz Kontrol

DENEY 10 UJT-SCR Faz Kontrol
DENEYİN AMACI
1. Faz kontrol ilkesini öğrenmek.
2. RC faz kontrol devresinin çalışmasını öğrenmek.
3. SCR faz kontrol devresindeki UJT gevşemeli osilatör uygulamasını incelemek.
GİRİŞ
Endüstriyel elektronik kontrollerinin temel amacı kaynaktan yüke enerji transferini
regüle etmektir. Bu kontrol, elektrik enerjisinin ısı enerjisine dönüştürüldüğü kaynak
makinesi kontrolü olabilir; elektrik enerjisinin mekanik enerjiye dönüştürüldüğü motor
kontrolü olabilir; yada elektrik enerjisinin sese dönüştürüldüğü bir alarm devresi
olabilir. Eğer enerji transferi sabit bir hızda ise, kontrol bir ON-OFF anahtar kadar
basit olabilir. Genellikle çıkışı kontrol etmek için enerji transfer hızını ayarlamak
gerekir, bir motor hızı, alarmın ses seviyesi, yada lambanın parlaklığı gibi.
Ac kaynaktan enerji transfer hızını kontrol etmenin en uygun yolu her çevrimde yüke
sağlanan akımı kontrol etmektir. Bu durum, SCS ve triyak devrelerinde, ac gerilimin
her çevriminde tristörün faz açısını kontrol ederek gerçekleştirilir. Bu teknik faz
kaydırmalı kontrol olarak adlandırılır.
Temel Faz Kontrol Devreleri
Şekil 10-1’de gösterildiği gibi tristörle gerçekleştirilen çeşitli faz kontrol devreleri vardır.
Faz kontrolün en basit şekli, Şekil 10-1(a)’da gösterilen sadece bir yönde iletilen akımı
kontrol etmek için bir SCR kullanılan yarım-dalga kontroldür. Bu devre, sıfırdan tam
dalganın yarısına kadar güç kontrolü ve aynı zamanda doğru akım gerektiren yükler
için kullanılır. Bir doğrultucu diyot D eklenerek, Şekil 10-1(b), bir yarım dalga sabit
olmak üzere güç kontrol aralığı yarı güç ile tam güç arasına kaydırılır,
ancak buradaki dc bileşen güçlüdür. İki SCR kullanımı, Şekil 10-1(c), sıfırdan tam
güçe kadar kontrol yapılabilmesini sağlar ve izole edilmiş iki kapı işareti gerektirir; bu
iki kapı işareti, iki kontrol devresi yada bir tek kontrolden çıkarılan
darbe-transformatörü ile gerçekleştirilir. İki SCR’nin eşit açılarla tetiklenmesi dc
bileşeni olmayan bir simetrik çıkış dalgası üretir. Tetikleme açısının simetrisini kontrol
ederek tersine çevrilebilir yarım dalga dc çıkış elde edilir.
10-1
Tam dalga kontrolün bir diğer yöntemi Şekil 10-1(d)’de gösterilmiştir. Bu devre, iki
SCR’nin katot ve kapı uçlarının ortak bağlanabilmesi avantajına sahiptir. İki
doğrultucu diyot, SCR’lerin ters gerilime maruz kalmasını engellerken, iletimleri
sırasında harcadıkları güç dolayısıyla devrenin verimini azaltırlar.
(a) Yarım dalga kontrol
(b) Yarım dalgası sabit yarım
(c) Tam dalga kontrol
dalga kontrol
(d) Tam dalga kontrol
(e) Tam dalga kontrol
(f) Tam dalga kontrol
Şekil 10-1 Temel AC faz kontrol yöntemleri
10-2
Şekil 10-2 RC Faz Kaydırmalı Devre ile SCR Güç Kontrolü
En esnek devre, Şekil 10-1(e), köprü doğrultucuda bir SCR kullanan ve ac yada tam
dalga doğrultulmuş dc kontrolünde kullanılabilen devredir. Bir ac yük kullanılacaksa,
yük ac gerilim ile köprü doğrultucu arasına bağlanmalıdır. Eğer bir DC yük
kullanılacaksa, yük Şekil 10-1(e)’de gösterilen kesik çizgili yere yerleştirilmelidir.
Ancak, doğrultucu kayıpları bu devreyi en az verimli hale getirir, ve bu devrelerde
komutasyon sorunları görülür.
Ac güç kontrolünün en basit, verimli, ve güvenilir yöntemi, Şekil 10-1(f)’de gösterildiği
gibi çift yönlü triyot tristör (triyak) kullanmaktır. Deney devresinin açıklaması
bölümünde bu devrenin çalışmasını inceleyeceğiz.
Faz kaydırmalı Kontrol Analizi
1. Yarım dalga kontrol
Şekil 10-1(a)’da gösterilen SCR yarım dalga kontrol devresindeki ohmik yükteki
gerilim Şekil 10-3’te gösterilmiştir. Ortalama yük gerilimi, EAVG, SCR’nin ateşleme
açısı kontrol edilerek belirlenir.
Şekil 10-3 Şekil 10-1(a)’daki Devrenin Yük Gerilimi Dalga Şekli
10-3
EAVG ile α arasındaki ilişki şöyle ifade edilebilir:
E AVG =
=
π
1
E P sin ωtdωt
2π ∫α
EP
[− cos ωt ]απ
2π
EP
[1 + cos α] ………………………………………………………………………(1
2π
0-1)
=
Burada EP yükteki tepe çıkış gerilimidir. RMS değeri şöyle hesaplanır:
E RMS =
1 π
E P sin ωtdωt
2π α∫
2
=
EP
2π
π
1
⎤
⎡1
⎢ 2 (ωt ) − 2 sin 2ωt ⎥
⎦α
⎣
E ⎛
1
⎞
= P ⎜ π − α + sin 2α ⎟
2
2 π⎝
⎠
1
2
…...………………………………………………(10-2)
Denklem 10-1 ve 10-2’yi tekrar düzenleyerek, şu denklemleri elde ederiz:
E AVG 1 + cos α
……………………………………………………..……….………(10-3)
=
2π
EP
E RMS
1 ⎛
1
⎞
=
⎜ π − α + sin 2α ⎟
2
EP
2 π⎝
⎠
1
2
…………………………………………….………(10-4)
(10-3) ve (10-4) denklemleri, SCR yarım dalga faz kontrolünde α, EAVG, ve ERMS
arasındaki ilişkiyi gösterir. Bu denklemler faz kaydırmalı kontrol devreleri tasarımında
çok yararlı denklemlerdir.
α, EAVG, ve ERMS arasındaki ilişki, Şekil 10-4’teki grafikte gösterilmiştir.
10-4
Şekil 10-4 Yarım Dalga Faz Kontrolü Analiz Grafiği
Şekil 10-4’teki P/PMAX eğrisi, ac kaynaktan ohmik yüke aktarılan tam güç oranlarını
gösterir. Örneğin, SCR’nin iletim açısı 180o, ve tetikleme açısı 180o-180o=0o,
dolayısıyla P/PMAX = 0.5’tir.
2. Tam dalga kontrol
Şekil 10-5 Şekil 10-1(e)’nin yük gerilimi
Şekil 10-1(e)’deki SCR tam dalga kontrol devresindeki ohmik yükteki gerilim Şekil
10-5’te gösterilmiştir. EAVG, ortalama yük gerilimi şöyle ifade edilebilir:
E AVG =
π
1
E P sin ωtdωt
π α∫
=
EP
[− cos ωt ]απ
π
=
EP
[1 + cos α] ………………………………………………………………(10-5)
π
10-5
yada
E AVG 1 + cos α
……………………………………………………………..……(10-6)
=
π
EP
Yük geriliminin efektif değeri şöyle ifade edilebilir:
E RMS =
π
1
E P2 sin 2 ωtdωt
π α∫
2
π
1
⎤
⎡1
2
⎢ 2 (ωt ) − 2 sin ωt ⎥
⎦α
⎣
=
EP
2π
=
E P2 ⎛
1
⎞
⎜ π − α + sin 2α ⎟ …...………………………………………………(10-7)
2π ⎝
2
⎠
yada
E RMS
1 ⎛
1
⎞
=
⎜ π − α + sin 2α ⎟
2
EP
2 π⎝
⎠
1
2
…………………………………………………(10-8)
(10-6) ve (10-8) denklemleri, Şekil 10-6’daki grafikte ifade edilmiştir.
Şekil 10-6 Tam Dalga Kontrol Analiz Grafiği
10-6
Şekil 10-1(c)’deki simetrik tam dalga kontrol devresindeki ohmik yükteki gerilim Şekil
10-7’de gösterilmiştir. EAVG, ortalama yük gerilimi sıfırdır. ERMS, efektif yük gerilimi,
Denklem (10-7) ve (10-8) ile hesaplanabilir.
Şekil 10-7 Şekil 10-1(c)’deki Devrenin Yük Gerilimi
Şekil 10-1(e)’deki köprü SCR devresinde, Şekil 10-6’dan 113o’de ortalama yük
gerilimi EAVG = 0.194 x 340 = 66V ve ortalama yük akımı 66 / 12 = 5.5A bulunur.
Her bir doğrultucu diyottaki ortalama akım 5.5 / 2 = 2.75 A’dır.
Eğer bir triyak kullanılsaydı, Şekil 10-1(f), ve her bir yarım dalganın iletim açısı 67o
olduğu durumda rms akım 10A’dır.
AC Faz Kontrol Devreleri Tasarımı
Darbe üreteci ve RC faz kaydırması içeren birçok ac faz kaydırmalı kontrol devresi
uygulaması inceledik. Ac faz kaydırmalı kontrol devresi tasarımı basitçe üç adımda
açıklanabilir:
(1) Yük ve kaynak gerilimi güç gereksinimlerine göre ateşleme ve iletim açılarının
belirlenmesi
(2) Uygun faz kaydırmalı kontrol devresinin belirlenmesi
(3) Faz kaydırmalı kontrol devresinin, tristörün tetiklenme koşullarına eşlenmesi
Tabii ki, bir tasarımın son aşaması, bir model yapmak ve istenenleri karşılayacak
ayarların yapılmasıdır. Şimdi, faz kaydırmalı kontrol tasarımındaki adımlara tek tek
bakalım.
A. Ateşleme ve iletim açılarının belirlenmesi
Kontrol değerleri genellikle ortalama güç yada yükün rms gerilim ihtiyacına göre
oluşturulur. Ortalama yük gücü alttaki formülle hesaplanabilir
PAV = E2RMS / RL ………………………………………………………………(10-9)
Burada,
10-7
PAV : Belirlenen tetikleme açısında yük aktarılan ortalama güç
ERMS : Belirlenen tetikleme açısında yükün rms gerilimi
RL : Saf ohmik yük.
B. Uygun kayma devresinin belirlenmesi
Yukarıda anlatıldığı gibi, tetikleme devresi olarak kullanılan temel kayma devresi,
genellikle RC yada RL devrelerinden oluşur. Bununla birlikte pratik uygulamalarda
RC devreler en çok kullanılan devrelerdir.
Kullanılan faz kaydırmalı kontrol devresinin tipi α’nın maksimum değerine göre
değişir. Eğer αmax 90o’den küçükse, Şekil 10-8’de gösterildiği gibi bir RC yada RL
devresi yeterli olacaktır. αmax 90o civarında yada daha büyükse, Şekil 10-9’daki
devreye benzer bir köprü RC devresi kullanılmalıdır.
Şekil 10-8 Basit Faz Kaydırma Devreleri
Şekil 10-9 Köprü Faz Kaydırma Devreleri
C. Faz kaydırma devresinin tristör tetiklenme gereksinimlerine eşlenmesi
Faz kaydırmalı devre ile güç tristörü arasında bir tetikleme elemanı olacak şekilde
Şekil 10-9’daki temel RC faz kaydırmalı kontrol devreleri yeniden düzenlenmelidir.
Tetikleme elemanı, her bir tristörün kendine has özelliklerine göre bir ayarlama
yapılmaksızın, tristörlerin çoğunun tetiklenme gereksinimlerine karşılık verebilecek
RC faz kaydırmalı devrelere imkan sağlar. Genellikle kullanılan yöntem,
10-8
kapasitörde enerji depolamak ve istenen zamanda kapasitörü tetikleme elemanına
boşaltmaktır. Çıkış darbesi, genellikle bir tristörün kapısını sürmek için yeterlidir.
Şekil 10-10 AC Faz Kontrol Devrelerinde Kullanılan Tetikleme Elemanları
Negatif direnç karakteristiğine sahip herhangi bir yarı iletken eleman, tetikleme
elemanı olarak kullanılabilir. Şekil 10-10, SCR yada triyak için kullanılan tetikleme
elemanlarının bazı temel uygulamalarını gösterir.
UJT Gevşemeli Osilatör ile SCR Kapı Tetiklemesi
Faz kontrolünde karşılaşabileceğiniz en olası faz kaydırma devresi, UJT gevşemeli
osilatördür. Şekil 10-11, bir SCR faz kontrolünde UJT gevşemeli osilatörü gösterir.
UJT gevşemeli osilatör devresi tasarımını incelemiştik. Osilasyon frekansının, RT
veCT elemanlarının değerleri ile belirlendiğini ve f ≅ 1/RTCT olduğunu hatırlayalım.
Şekil 10-11(b)’de gösterildiği gibi emetördeki gerilim dalga şekli, VE, bir testere dişli
dalgadır, ve baz 1’deki gerilim dalga şekli, VB1, bir pozitif darbe katarıdır. Darbe katarı,
yüke aktarılan gücü kontrol etmek için SCR’nin kapısına uygulanır.
10-9
(a) Temel devre
(b) VE ve VB1 dalga şekilleri
Şekil 10-11 SCR Faz Kontrolünde UJT Gevşemeli Osilatör
(1) RTCT zaman sabiti, SCR’nin iletim açısını belirler. RTCT zaman sabiti SCR’nin
iletim açısı ile doğru orantılıdır, ve yük gücü ile ters orantılıdır.
(2) UJT OFF durumunda iken, R1 üzerinden akan küçük IBB akımı, IBB x R1 ‘lik bir
gerilim düşümü oluşturur.
(3) UJT OFF durumunda iken SCR’nin tetiklenmesinden sakınmak için, R1 değeri
uygun bir aralıkla sınırlandırılmalıdır.
(4) R2 sıcaklık kompanzasyonu için kullanılır.
R1’in maksimum değeri, SCR’nin minimum kapı tetiklenme gerilimini ve IBB
değerine göre belirlenmelidir. Şekil 10-11(a)’da, matematiksel bağıntı şöyledir:
R1(max) ≤ VGK(min) / IBB……………………………………………………(10-10)
Uygulamada, R1 ve R2 tipik olarak 100Ω’dur.
RBB >> R1 + R2 ; IBB ≈ VBB / rBB
Bu değeri denklem (10-10)’da yerine koyarsak,
R1(max) ≈ (VGK(min) rBB) / VBB………………………………………………..(10-11)
Şekil 10-10(a)’daki devrenin ana dezavantajı iki farklı güç kaynağı kullanılmasıdır.
Şekil 10-12 ve 10-13‘teki devreler, faz kontrolünde farklı güç kaynakları kullanımı
sorununu gideren devrelerdir.
10-10
Şekil 10-12 UJT-SCR Yarım Dalga Faz Kontrolü
Şekil 10-12(a) bir UJT-SCR yarım dalga faz kontrolü devresi gösterir. RD direnci ve
D1 zener diyotu ac gerilimi regüle ederek UJT gevşemeli osilatör için sabit VZ gerilimi
sağlarlar. Devrenin dalga şekilleri Şekil 10-12(b)’de gösterilmiştir. Bu devrenin
çalışması Şekil 10-1’deki devreye benzerdir. Devre çalışmasını şöyle özetleyebiliriz:
(1) D1 zener diyotu, UJT gevşemeli osilatör için sabit bir dc gerilim sağlar ve UJT’yi
korur.
(2) Emetör gerilimi bir testere dişli dalga, ve B1’deki gerilim bir darbe katarıdır, bkz.
Şekil 10-12(b).
(3) VE, VB1, ve VLOAD dalga şekillerini karşılaştırırsak, R1 değiştiğinde, gevşemeli
osilatörün osilasyon periyodunun ve tetikleme faz açısının değişeceği görülür.
(4) Bir pozitif yarım dalga boyunca SCR bir kez iletime tetiklenince, UJT devresine
sağlanan gerilim çok küçük bir potansiyele düşecektir. Bundan dolayı yarım
çevrimin kalan kısmında tetikleme darbesi görülmez.
(5) SCR OFF durumunda iken, zener akımı hala yük ve RD’den akar. Uygun bir RD
direnci kullanılarak zener akımı en aza indirilmelidir., tipik olarak RD >> RLOAD.
Şekil 10-12’deki devre, motorlar, lambalar, ve elektrikli ısıtıcılar gibi çok çeşitli
yüklerde kullanılabilir. Güç verimini incelersek, dc yada ac yüklerde Şekil 10-13’te
gösterilen tam-dalga faz kontrol devrelerinin uygun olduğu görülür.
10-11
(a) DC yük faz kontrolü
(b) AC yük faz kontrolü
Şekil 10-13 AC ve DC faz kontrol devreleri
10-12
Deney Devresinin Açıklaması
Şekil 10-14 Deney Devresi
Bu deneyde kullanılan UJT-SCR faz kontrol devresi Şekil 10-14’te gösterilmiştir.
Köprü doğrultucu, D1~D4, 18V ac gerilimi dalgalı dc gerilime dönüştürür. Zener diyot
ZD1, bu dalgalı dc gerilimi gevşemeli osilatör için 12V’ye sabitler. R1 direnci zeneri
aşırı akımdan korur.
SCR kapısına bir tetikleme işareti uygulanmadığında, SCR kesimdedir ve lamba
sönüktür. UJT gevşemeli osilatör çalışmaya başlayınca, baz 1’deki darbeler SCR’yi
her bir yarım dalgada tetikleyecektir, ve akım lamba üzerinden akacak; lamba
yanacaktır. Yük gücü, SCR’nin iletim açısı ile kontrol edilir. Kısaca, yük gücü ile
tetikleme darbesinin periyodu ters orantılıdır.
KULLANILACAK ELEMANLAR
KL-51001 Güç Kaynağı Ünitesi
KL-53005 Modülü
Osiloskop
10-13
DENEYİN YAPILIŞI
1. UJT tetiklemeli SCR kaymalı kontrol devresini, Şekil 10-14’te gösterildiği gibi,
KL-53005 modülüne yerleştirin.
2. Short-jumper’ları 1, 2, ve 5 numaralara takın. Minimum direnç elde etmek için
VR1’i saat yönünün tersi yönde sonuna kadar çevirin.
3. Osiloskopu kullanarak, zener diyot ZD uçlarındaki gerilim dalga şeklini
gözlemleyin ve şekli Tablo 10-1’e çizin.
Tablo 10-1
ZD
V
0
T
4. Osiloskopu kullanarak, UJT’nin B1’indeki ve SCR’nin anot-katot uçlarındaki
gerilim dalga şekillerini gözlemleyin ve Tablo 10-2’ye çizin. Lambanın parlaklığını
gözlemleyin ve kaydedin._________________.
Tablo 10-2
A
B1
V
0
V
T
0
T
5. VR1’i orta noktasına getirin. 4. Adımı tekrarlayın ve sonucu Tablo 10-3’e kaydedin.
Lambanın parlaklığını gözlemleyin ve kaydedin.
10-14
Tablo 10-3
A
B1
V
0
V
T
0
T
6. VR1’i istediğiniz bir miktar çevirin ve VAK gerilim dalga şeklini ve lambanın
parlaklığını gözlemleyin. Lamba parlaklığı ve tetikleme açısındaki değişimleri
kaydedin.
________________________________________________________________
____________________________________________________________
7. Short-jumper’i 2 numaradan çıkarın ve 3 numaraya takın. 4. ve 5. Adımları
tekrarlayın.
8. VR1’i istediğiniz bir miktar çevirin ve VAK gerilim dalga şeklini ve lambanın
parlaklığını gözlemleyin. Lamba parlaklığı ve tetikleme açısındaki değişimleri
kaydedin.
________________________________________________________________
____________________________________________________________
Elde ettiğiniz sonucu 6. Adımdaki sonuçla karşılaştırın ve farkları yorumlayın.
________________________________________________________________
____________________________________________________________
9. Short-jumper’i 3 numaradan çıkarın ve 4 numaraya takın. 4. Ve 5. Adımları tekrar
edin.
10-15
10. VR1’i istediğiniz bir miktar çevirin ve VAK gerilim dalga şeklini ve lambanın
parlaklığını gözlemleyin. Lamba parlaklığı ve tetikleme açısındaki değişimleri
kaydedin.
________________________________________________________________
____________________________________________________________
Elde ettiğiniz sonucu 8. Adımdaki sonuçla karşılaştırın ve farkları yorumlayın.
________________________________________________________________
____________________________________________________________
SONUÇ
Bu deneyde, VR1’in değişimi ile UJT gevşemeli osilatör osilasyon periyodunun
değiştiğini, dolayısıyla SCR iletim açısının değiştiğini gördük. UJT emetör gerilimi bir
testere dişli dalga ve B1 gerilimi SCR tetikleme darbesidir.
10-16