özel tristörler

ÖZEL TRİSTÖRLER
Tristör tanımının dışında kalan bazı tristörler bulunmaktadır.Bunların bazı özellikleri normal
tristörlerdekine benzemekle beraber yeni yetenekler eklenmiştir. Bunlar iki yönlü iletebilme
veya tıkama , ters kapı akımıyla tıkamaya sokulabilme , ışıkla iletime geçirilebilme gibi
özelliklerdir.
TRİYAK
TANIM VE ÖZELLİKLERİ:
Tristörün sadece bir yönde akım iletimini gerçekleştirmesi özellikle AC güç kontrol
devrelerinde çoğunlukla dezavantajdır.Her iki yönde de iletime geçirilebilen bir eleman
mevcuttur.Bu eleman triyaktır.
Triyak (TRIAC),”Triode (three electrode) AC” [üç elektrotlu] yarı iletken anahtar olarak
anılabilir fakat genel kullanımı bu kelimelerin baş harflerinin kullanılmasıyla kısaltılmıştır.
AC devrelerinde, tristörler gibi bir kapı sinyali kontrolüyle akım anahtarlamalarında
kullanılırlar.
Akımı her iki polariteyi de geçirebilme ya da tıkama özelliği bulunur ki bu özelliğinden
dolayı , triyak -genel olarak– iki yönlü triyot tristör olarak adlandırılır. İki tek yönlü
tristörün ters paralel bağlanmış şekli gibi davranırlar. Böylece , uygulanmış olan gerilimin
her iki polaritesini de iletme ya da tıkama yeteneğine sahiptir. Bir pozitif veya negatif kapı
akımı kullanarak her iki yönde akım geçişi sağlanabilir. Özellikle şebeke frekanslı AC
kontrolü için kullanılırlar. Triyağın kullanışlılığı ve güç tutabilme özelliğinin artması
nedeniyle AC , DC motor hız kontrolü (ve çalıştırılması) ; ışık ayarı (dimmer) ;AC statik
anahtarlama ve ısıtıcı kontrolü gibi tam dalga kontrol uygulamaları için aranan ve çok
elverişli bir elemandır. Bir kristal yapı içinde iki ters paralel p-n-p-n zincirini sağlamak zor
olduğun için trisrörler kadar büyük akım ve gerilim değerleri için üretilmezler.Triyağın
kullanımı , normal bir tristöre göre,bir soğutucu ve bir tetikleme devresi yeterli olduğundan
daha ekonomiktir.
Anot gerilimi UA ve kapı gerilimi UG ‘nin yönüne bağlı olarak triyağın 4 tetikleme bölgesi
vardır(1.,2.,3.,4. Bölgeler).
Triyaklar , 200 A akım değeri ve 1000 V gerilim değerlerine kadar kullanılabilir. 400 Hz’e
kadar ve özellikle 50-60 Hz’de kullanılabilir.Tipik tetikleme seviyeleri ve büyüklükleri
tristörünkilere benzerdir.Mesela , 10-2 mertebesindeki akımlar ve 1 veya 2 voltluk kapı
tetikleme sinyali ; 1 ve 2 V iletimdeki gerilimini kapsayan bir sahadadır.
Triyak ve normal tristör arasındaki yön kavramından kaynaklanan farklılığı görmezlikten
gelirsek, aralarında birçok benzerliğin olduğunu görebiliriz.Bunlar , ilgili kullanılan terimler
(terminoloji) ; tetikleme metotları , uygulamaları ; 1. Bölge karakteristikleri ve üretim
teknikleridir. Triyaklarda kapı akımına hassasiyet normal tristörlere nazaran daha azdır ,
serbest kalma süreleri daha uzundur.Kritik gerilim yükselme hızları da daha küçüktür.Bu
nedenle endüktif yüklü uygulamalarda kullanımları zordur çünkü kapı kontrolleri tekrar elde
edilemez
Şekil 1.1‘de bir tipik düşük akımlı triyağın değerleri verilmiştir.Birçok triyak açıklaması ,
sembolü , ve büyüklükleri tristördekilerle aynıdır.Bu tablodaki veriler genellikle en kötü haldir,
bu nedenle ana uç ve kapı polaritesi durumlarından en zorlusunu yansıtır.Triyak kapı
nicelikleri tepe değerleri ile en düşük kapı tetikleme seviyeleri değerleri
karıştırılmamalıdır.Kapı nicelikleri tepe değeri , maksimum izin verilen kapı kaybı ve düşük
kapı tetikleme seviyeleri değerleri de , tetiklenme için gerekli olan minimum seviyeyle
1
ilgilidir.Şekil 1.1.(a) ve (b). Tipik triyak verileri , geçirme akımı ve maksimum sıcaklık ile
ilgili olan grafikleri içerir.
40485
Kapama Durumunda Periyodik
Gerilimin Tepe Değeri ,VDROM
Kapı Tetikleme Akımı Tepe Değeri ,
IGTM , (Max.1μs için)
Kapı Güç Kaybı, PGM (tepe) (Max 1μs
ve IGTM ≤ 4 A (tepe) için)
40486 Şekil 1.1.(a) MT ve Kapı Geriliminin Her İki
200 V
400
Polaritesine Ait Bazı Büyüklükler
V
4A
4A
16 W
16 W
Ortalama PGAV
0,2 W
0,2 W
Geçirme Akımı RMS Değeri, It(RMS) ,
TC =+75°C ve 360°’lik iletme açısı
için
6A
6A
Sembol
Sınırlar
40486
Tİpik Max Min
0,1
4
--
Tipik
0,2
Max
44
mA
Birim
Kapamadaki Akım Tepe Değeri ,
TJ=+100°C için
IDROM
40485
Min
--
Maksimum İletim Gerilimi,
İT = 30 A(tepe) ve TC =+25°C için
vT
--
1,6
4
--
1,6
2,25
V
DC Tutma Akımı , TC =+25°C için
IH0
--
15
2,25
--
15
30
mA
3
10
30
3
10
--
V/μs
30
150
--
20
100
--
Karakteristik
Komutasyon Gerilimi Kritik
YükselmeHızı, VDROM=VD, It(RMS)=6A,
di/dt=3,2A/ms ,TC =+75°C için
Kapama Gerilimi Kritik Yükselme Hızı dv/dt
, TC =+100°C
DC Kapı Tetikleme
IGT
Akımı,VD=12V(dc),RL=12Ω,TC=+25°
C için
I.Bölge
III.Bölge
IV.Bölge
II.Bölge
DC Kapı Tetikleme Gerilimi , RL=12Ω VGT
VD=12V(dc), TC=+25°C için ve
VDROM=VD, RL=125Ω , TJ=+100°C için
Kapı Kontrollü İletime Geçme Zamanı tGT
(Gecikme Zamanı + Yükselme
Zamanı)
Termik Direnç (Jonksiyon-Gövde)
mA
------
15
15
25
25
1
25
25
40
40
2,2
------
15
15
25
25
1
25
25
40
40
2,2
0,2
--
--
0,2
--
--
--
2,2
--
--
2,2
--
μs
--
--
4
--
--
4
°C/W
V
Şekil 1.1.(b).Karakteristikler.
2
ANA UÇ KARAKTERİSTİKLERİ:
Şekil 1. 2.Ana Triyak Yapısı ve Devre Sembolü
Ana triyak yapısı şekil 2‘de gösterilmiştir.Triyakda iki yönlü akım geçişi olabildiğinden
dolayı ana uçlar , anot ve katot yerine MT1 ve MT2 olarak adlandırılır.MT1 ucu , kapı
ucundaki ve MT2 ucundaki akım gerilim ölçümündeki referans noktasıdır.Her iki ana ucun da
,hem n –tipi hem de p- tipi emiter ile omik kontakları vardır.MT2’deki n-tipi emiter ,MT1
‘deki p- tipi emiterin direk olarak tersindedir ve MT2’deki p-tipi emiter , MT1’deki n-tipi
emiterin direk olarak tersindedir.Bu da, MT1 ve MT2 uçları arasındaki bölgenin p-n-p-n ve np-n-p zincirlerinin paralel bağlantısından oluştuğunu gösterir.Kapı bölgesi daha karmaşık bir
yapıdadır.
Bu eleman bir kısa devre emiter yapısına sahiptir.n emiterleri ,komşu p bölgelerine kısa
devre edilmiştir.Bu nedenle ,bu jonksiyonların gerilimleri sıfırdır.Eğer kapıya bir darbe
uygulanırsa , elektronlar n3 ‘den p2 ‘ye doğru hareket eder.Elektronlar n2 ‘ye birikir ve iletime
geçme oluşur.Eğer kapıya negatif bir darbe uygulanırsa ,elektronlar n4 ‘den p2 ‘ye hareket eder
ve sonuçta yine tetiklenme gerçekleşmiş olur.
Anot gerilimi UA ve kapı gerilimi UG ‘nin yönüne bağlı olarak triyağın 4 tetiklenme bölgesi
bulunmaktadır(Şekil 1.3.).Triyak 1 ve 3. bölgelerde en hassastır ,tetiklenmesi en kolaydır.Daha
sonraki hassasiyet sırası 4 ve 2 .bölgelerdir .Modern triyaklar bu 4 bölgede de tetiklenebilecek
yapıdadır.
Şekil 1. 3.
(a) Anot Akım-Gerilim Karakteristiği
,
(b)Tetiklenme Bölgeleri
3
Şekil 1.3.(a)‘da AC akım-gerilim karakteristiği gösterilmiştir. Referans noktası olarak MT1
alınmıştır . 4 tetiklenme bölgesini inceleyecek olursak , 1. bölge MT2’ nin MT1‘e göre pozitif
olduğu bölge ve 3. bölge de MT2 ’nin MT1 ‘e göre negatif olduğu bölgedir.Normal tristördeki
gibi triyak da kapamadan iletime devrilme gerilimi V B0 ‘da geçer.İletimde, ana akım, IH tutma
akımı altına düşene kadar kapı kontrolünü kaybetmiştir. Devrilme noktasına kapı ucuna pozitif
veya negatif bir darbe uygulanarak daha düşük bir ana uç geriliminde ulaşılabilir . Devrilme
geriliminin (VB0 ‘ın) ,her iki bölgede de , kapı kontrolünü yitirmemek için , uygulanan normal
AC dalga şeklinden büyük olması gerekir . Böylece her iki polaritede, belirtilmiş genlikteki bir
kapı akımı , her iki bölgede triyağı iletime sokacaktır . Eğer VB0 aşılırsa (kısa süreli de olsa) ,
triyak iletime geçer ve akımı ,tutma akımı IH‘ın altına düşene kadar iletimde kalır . Bu hareket
triyakta aşırı süreksiz gerilimler için doğal bir bağışıklık sağlar ve genelde yardımcı koruyucu
elemanlar için duyulan ihtiyacı yok eder . Bazı uygulamalarda ,triyağı süreksiz sinyalle iletime
sokmak , kontrol edilen devrede bazı istenmeyen ve tehlikeli sonuçlar doğurabilir . Triyağın
kendisi bu geçici sinyallerden zarar görmese bile , iletime geçmesini önlemek için geçici sinyal
bastırması gereklidir.
Şekil 1.4. Triyak Kesit Görünüşü ve Farklı Çalışma Durumlarında Akım Geçişi
Şekil 1.4 ‘de MT2 ve kapının durumuna göre jonksiyonlar arası akım geçişi gösterilmiştir.
Şeklin üst yarısı , MT2 pozitifken (MT1 referans alınmıştır) negatif ve pozitif kapı tetiklemesi
olasılığını gösterir.Pozitif kapı gerilimi ile , kapı akımı , gösterilmiş iletimdeki (forward biased)
p-n jonksiyonundan geçerek kapıdan MT1’e akar.
Negatif kapı sinyalleri de triyağı tetikleyebilir.Tek fark , asimetri ve ana akım etkilerinden
dolayı ihtiyaç duyulan IG akımı seviyesindeki bazı farklılıklar ve kapı akım yoludur.
4
Tristörlerin kapamaya geçmesi için tam bir negatif yarım periyodu vardır fakat triyak , her iki
yarım periyotta da iletir ve bu nedenle ana gerilim sıfırdan geçerken triyak kısa bir sürede
kapamaya geçmelidir.
Tristörlerdekine benzer olarak , triyak akım büyüklükleri maksimum jonksiyon sıcaklığına
bağlıdır . Akım büyüklüğü –uygun soğutma şartlarında -, güç kaybı , (RThJC ) (iç termik direnç)
jonksiyon gövde termik direnci ile belirlenir . Eğer gövde sıcaklığının belirlenmiş değerinin
üstüne çıkmasına izin verilirse,triyağın belirlenmiş gerilimini tıkaması ya da ana uç akımı sıfır
değerine düştüğünde emniyetli (güvenilir) bir iletimden çıkma olayı garanti edilemez.
Endüktif yükler için , hat akımı ve hat gerilimi arasındaki faz kayması triyağın iletimden
çıkması anlamına gelir ve daha sonra triyak uçlarında oluşması gereken belirli bir hat gerilimi
meydana gelir. Eğer bu gerilim çok hızlı bir şekilde oluşursa , yük taşıyıcılarında çığ oluşabilir
ve bu çığ sonucu triyak hemen tekrar iletime girer . Belirli endüktif yüklerle uygun bir
komutasyon elde etmek için dv/dt değeri , triyağa paralel bağlı RC devresiyle ya da akım
– gerilim faz kayması veya jonksiyon sıcaklığının azaltılmasıyla sınırlandırılmalıdır.
KAPI TETİKLEME KARAKTERİSTİKLERİ:
Triyak , 1. ve 3. bölgelerde , düşük enerjili pozitif veya negatif kapı akımlarıyla
tetiklenebileceği için devre tasarımcısı kontrol elemanlarını seçebilmesi için geniş bir alana
sahiptir.Tetikleme , DC ,doğrultulmuş AC, AC , veya UJT , neon lamba ,anahtarlama diyotları
[(ST2)diyak,SBS, asimetrik tetikleme anahtarı(ST-4)] gibi darbe kaynaklarından elde edilebilir
.Burada önemli olan , iki yönlü karakteristik sergileyen tetikleme elemanları kullanmaktır . Bu
olay , tetikleme elemanı sinyali , AC hattan elde edildiğinde önem kazanır ve bazı belirli pozitif
ve negatif gerilimlerde tetikleme elemanının devrilmesi veya iletmesi istenilir bir olaydır.
TRİYAK TETİKLEME DURUMLARI
MT1’e göre
MT1’e göre
Çalışma
MT2 GERİLİMİ
KAPI GERİLİMİ Bölgesi
Pozitif
Pozitif
I (+) I
Pozitif
Negatif
I (-) IV
Negatif
Pozitif
III (+) II
Negatif
Negatif
III (-)III
Not:(+) ve (-) işaretleri kapı tetikleme akımı veya
geriliminin polaritesini gösterir. MT1 ucu referans noktasıdır.
Şekil 1.5. Triyak Tetikleme Durumları
Triyağın hassasiyeti II. ve IV. bölgelerde biraz daha düşük olduğundan özel durumlar
oluşmadıkça bu bölgelerde (özellikle II. bölgede) kullanılmaz.Böyle bir durumda, bu uygulama
için özel olarak seçilmiş triyaklar kullanılabilir.
Triyağın V-I karakteristiğini incelenirse , kapı ve MT1 uçları arasında düşük non-lineer
empedansın bulunduğu görülür . Karakteristik , bir çift diyodun ters paralel biçimde
bağlanmasıyla oluşan karakteristikle benzerdir.
Triyak çalışma teorisi hakkında temel sağlayan 4 ana tristör kavramı vardır:
a)Temel Geri Tıkamalı Triyot Tristör(The Basic Reverse Blocking Triode Thyristor or SCR)
b)Kısa Devre Emiterli Tristör(The Shorted Emitter Thyristor)
c)Jonksiyon Kapı Tristörü(Junction Gate Thyristor)
d)Uzak Kapı Tristörü(Remote Gate Thyristor)
5
c)Jonksiyon Kapı Tristörü şekil 1.6‘da gösterilmiştir.
Şekil 1.6. Jonksiyon Kapı Tristörü
Başlangıçta , IG kapı akımı , yardımcı p1–n1–p2–n3 yapısının p2–n3 kapı jonksiyonunu iletime
sokar ve p1–n1–p2–n3 yapısının iletime geçmesiyle bu yapıdaki gerilim düşümü azalır . p2
bölgesinin sağ tarafı anot potansiyeline erişmeye başlar . p2 ‘den yanal bir akım geçer . p2-n2
‘nin sağ köşesi iletime geçtiğinde elektronlar bu noktaya gelir ve ana yapı iletime geçer.
d)Uzak Kapı Tristörü şekil 1.7 ‘de gösterilmiştir.
Şekil 1.7. Uzak Kapı Tristörü
Dış kapı akımı , IG , p1-n3 ‘ ün iletime girmesine neden olur ve şekilde gösterildiği gibi
elektronlar hareket eder . Bu elektronlar , p1 bölgesinde yayılır ve p1–n1 jonksiyonu tarafından
toplanır . p1–n1 iletime geçse bile hala bir kollektör gibi hareket eder . n3 ‘deki elektronlar , p1–
n1 tarafından toplanır ve p1–n1 ‘de bir akım artışı meydana gelir.Eleman tekrar iletime geçer.
Yukarıdaki 4 elemanın belirgin özellikleri tek bir elemanda birleştirilebilir.Bu eleman
triyaktır.
Aşağıda tipik bir triyağın yapısı gösterilmiştir (Şekil 1.8).Çalışma şekli şu şekildedir:
a)Ana uç 2 (MT2) pozitif , pozitif kapı akımı ;
Bu durumda ,triyak ,tam olarak sıradan bir tristör gibi davranır.Aktif bölümler p1–n1–p2–n2
‘dir.
b) Ana uç 2 (MT2) pozitif , negatif kapı akımı;
Çalışma , jonksiyon kapı tristörününkine benzedir. p1–n1–p2–n2 ana yapıdır. n3 de jonksiyon
kapı bölgesi olarak davranır.
c) Ana uç 2 (MT2) negatif , negatif kapı akımı;
Uzak kapı durumudur. p2–n1–p1–n4 ana yapıdır.
d) Ana uç 2 (MT2) negatif , pozitif kapı akımı;
6
p2-n2 iletimdedir ve p2–n1 tarafından toplanan elektronları enjekte eder . p2–n1 daha çok ileri
ön gerilime sahip olur. p2–n1–p1–n4 ‘den geçen akım oranı artar ve bu bölüm iletime geçer.Bu
durum da , uzak kapı çalışmasına benzerdir.
Şekil 1.8. Tipik Triyak Yapısı
TRİYAĞIN KULLANIMI:
Triyağın basitliği ve çok yönlü olması , AC güç kontrolünü içeren uygulamalarda geniş bir
çeşitlilik sağlayarak onu ideal yapar.
Triyağın kapısına tetikleme darbesinin sağlanmasında iki yönlü tetikleme gereksinimleri için
ideal olarak uygun olan 3 eleman vardır. Bunlar , neon lamba , diyak , ve silisyumlu iki yönlü
anahtar tristördür (SBS).
a)STATİK ANAHTARLAMA:
AC devrelerde triyağın bir statik anahtar olarak kullanılması , mekanik anahtarlama hakkında
belirli avantajlar verir . Denk bir röleyle karşılaştırırsak çok düşük bir güç kontrol kaynağıyla
oldukça büyük akımların kontrol edilmesine izin verir.Triyak her yarım dalgada kilitlendiğinde
(latching) , bir kontak sıçraması olmaz . Triyak , daima sıfır akımda açıldığından , herhangi bir
ark veya güç ya da yük hattında depolanmış endüktif enerjiden dolayı güçlenen geçici gerilim
oluşmaz . Ayrıca , bileşen sayısında – diğer yarı iletken statik anahtarlarla karşılaştırıldığındaetkileyici bir azalma vardır . Bunun nedeni , kapı tetikleme sinyali ve ana gerilimin her iki
polaritesini de iletme yeteneğindendir . Devre basitliğinin en dikkat çeken örneği şekil 1.9’da
gösterilen temel statik anahtardır.
Triyağın tetiklenmesi için gerekli olan sadece birkaç mikrosaniye süresince kontaklar akım
tuttuğu için , şekildeki (şekil 1.9.(a)) anahtar yerine (reed switch) , röleler , termostatlar , basınç
anahtarları , program / timer anahtarları gibi geniş çeşitlilikteki küçük anahtarlama elemanları
kullanılabilir. Bu devre , [MT2+ ,kapı+] ve [MT2- , kapı-] , kapı tetikleme durumlarını
kullanır. Şekil 1.9(b), basit 3 pozisyonlu güç kontrolü elde etmek için , dalgalanma sınırlayıcı
direnci ile seri olan düşük akım diyodu ve bir 3 pozisyonlu anahtarın kullanımını gösterir .
1.pozisyonda herhangi bir kapı bağlantısı yoktur ve güç verilmez . 2.pozisyonda , kapı akımına
sadece bir yarım periyotta izin verilir ve yükteki güç yarım dalgadır.
7
Şekil 1.9.Triyağın Statik AC Anahtarlama Uygulamaları
3.pozisyonda , her iki yarım periyotta da kapı akımı vardır ve güç tam olarak bulunur.Şekil 1.9
(c)’de gösterildiği gibi , bu anahtar yerine trafo da kullanılabilir.Burada, R direnci , primerden
toprağa mıknatıslanma akımını şönt etmek için seçilir . Bu devre , yalıtılmış düşük gerilim
kontaklarıyla kontrolü sağlar.
Çok kanallı çalışmalardaki işitsel (audio) kodlanmış giriş sinyallerinde tam frekans
seçilebilirlik anahtarlamaları sağlamak için şekil 1.9(a) ’ daki gibi devredeki triyakla birlikte
rezonant-reed röleler kullanılır.Daha düşük frekanslarda , bazı tetikleme noktası modulasyonu
hat frekansı darbesinden meydana gelir.
Şekil 1.10. (a)DC Kontrol
(b) AC Kontrol
Diğer yararlı anahtarlama devreleri , şekil 1.10 ’ da gösterilmiştir ve triyak AC ve DC
tetiklemesini gösterir . S1 anahtarı , termistör , fotosel veya şekil 1.11 ’ de gösterildiği gibi
elektriksel sinyal ile kontrol edilen bir transistör ile yer değiştirebilir. 600 Hz’in üstündeki daha
yüksek frekanslar da etkilidir . Kumanda kontrol çalışması veya bir sistemin teyp kayıt
programlanması için diğer statik veya dinamik filtre devreleri kullanımıyla frekans seçiciliği
elde edilebilir . Ne olursa olsun , triyak tetikleme hassasiyetinin her iki polaritede veya her
bölgede (I,II,III,IV) tümüyle aynı olmadığı,bu nedenle bir eşik dedektörü olarak kullanılmadığı
için tetikleme sinyali ON ya da OFF biçiminde olmalıdır.
Düşük seviye DC lojik kaynağı gözönünde tutulursa, şekil 1.11’deki transistör bağlantıları
bir triyak veya bir dizi triyağın sürülmesi için idealdir . Bunun bir örneği şekil 1.12 ’ de
gösterilmiştir ve burada bir AC güç flaşör düzenlemesinde bir transistör flip-flop devresiyle iki
triyağın tetiklenmesi gösterilmiştir.
8
Şekil 1.11 Transistörlü Kapı Kontrolü
Şekil 1.12. AC Güç Flaşörü.(R2’nin ayarlanmasıyla, belirtilen frekansta triyak 1 ve 2 birbirini takip ederek
ardarda iletime girer.)
Triyak 1-2: GE SCI51B (1kw yük için) / GE SCI46B (600 kw yük için)
CR1-CR 4 : GE AI4F
Q1: GE 2N26 46 / Q2-Q3: GE2N3416
C1 :500μF 25 V Elektrolitik / C2 :0,2 μF / C3 ,C 4: 0,05 μF
R1:56Ω 2W
R2:2 MEG TRİMMER / R3:1 MEG / R4 :100 Ω / R7-R8-R9 : 680 Ω / R10 R11 R12 R13:10 kΩ
b)TETİKLEYİCİ DİYOT İLE ATEŞLEME:
Şekil 1.13 ’ te gösterildiği gibi , temel tam dalga triyak faz kontrol devresi oluşturmak için
sadece 4 bileşene ihtiyaç duyulur . Bunlar , ayarlanabilir R1 direnci ve C1 kapasitesi , diyak ve
triyaktır . Diyak karakteristiği , ileri veya geri yönde olmak üzere benzer simetride yaklaşık
olarak ±32 V’ta diyağın devrilmesini gösterir.Ayrıca ,bir negatif direnç karakteristiği ve düşük
tetikleme - akım gereksinimlerini sergiler . C1 üzerindeki gerilim diyağın (iki yönlü tetikleyici
diyot) VBO devrilme gerilimine ulaştığında , C1 , diyak üzerinden triyağın kapısına kısmen
boşalır . Şekilde diyak , C1 kapasitesi yaklaşık olarak ±32 V’ a kadar şarj olduğunda devrilir ve
bu değer de 115 veya 230 V ’ luk hat için uygun bir seviyedir. Bu yarım periyodun kalanında ,
bu darbe triyağı iletim durumuna tetikler . Dalga şeklinde gösterildiği gibi yarım periyodun geri
kalanında hat gerilimi yüke taşınır. R1 direnci oldukça düşük bir direnç değerine ayarlandığında
,tetikleme her alternansta erken gerçekleşir ve yük gücü artar . R1 direnci arttırıldığında , C1 ‘in
diyak devrilme gerilimine ulaşması için gerekli olan zaman da büyüyecek ve hat geriliminin
küçük bir yüzdesi yüke uygulanacaktır.
9
Şekil 1.13.Temel Diyak-Triyak Faz Kontrolü
Şekildeki kapasite-gerilim dalga şekli , kapasite gerilimindeki istenmeyen etkileri gösterir. İlk
diyak tetiklenmesinde kapasite gerilimi, diyak ileri gerilimi seviyesine kadar azalır.Böylece, C1
gerilimi öncekinden daha düşük bir gerilimden şarj olmaya başlar ve devrilme gerilimi bir
sonraki periyotta daha sonra oluşur . VC1 ‘ deki bu azalma istenmeyen bir histeresis etkisine
neden olur .Yükü başlatma ve durdurma ayarı aynı olmayacaktır.Bu ,bir lamba ayarlayıcısında
(lamp dimmer) ,lambanın geçirmeye geçmesi ve ayarların %40 kadar aynı zamana rastlamadığı
anlamına gelir.Böylece potansiyometre kontrol sahası %60 ‘a sınırlandırılmış olur.Bunun için
şekilde kesikli çizgiyle gösterilmiş olan ikinci bir R-C faz kayma ağının eklenmesiyle
histeresis azaltılır ve saha da arttırılır .İkinci R-C zaman sabiti ilkinden daha büyük yapılır.
Böylece ikinci kapasite C1 ‘i tekrar doldurur ve onun tetiklemeden sonraki normal şarjını
korumasına yardımcı olur . Bu tek veya çift R-C ‘ li devre , akkor lambaların parlaklık
kontrolünde kullanılabilir.Burada yük bir lamba veya lamba grubu şeklindedir.Akkor lambanın
ışık şiddeti , uygulanmış gücün lineer fonksiyonu değildir . Bu nedenle , ışıklandırma , R1’in
ayarlanmasıyla oldukça hızlı bir şekilde değişir . Lamba kontrolüne özgü problemlerden biri ,
oldukça düşük soğuk flaman direnci nedeniyle oluşan yüksek başlama akımıdır . Bu direnç ,
normal çalışma sıcaklığındaki flaman dirençten birkaç kat daha düşüktür . Bununla beraber ,
genelde birkaç yüz milisaniye içinde normal dirence ulaşılır.Yüksek akım sadece bir çift devir
için akacaktır. Bu devrede , tetikleme I ve III bölgelerindedir . Bu devrenin sınırlı bir kontrol
sahası olmasına rağmen ve bu sahanın sonunda düşük-çıkışta büyük histeresis etkileri olmasına
rağmen , lamba , ısıtıcı , fan hız kontrolleri gibi küçük uygulamaların birçoğunda devrenin
basitliğinden dolayı çok uygun bir devredir.Bu basit devredeki bazı problemleri yok etmek için
, tam bir kontrol sahasının gerektiği yerlerde , çok daha karmaşık devreler (dv/dt bastırma , RFI
bastırma , endüktif yükler için bir paralel R-C devresi , bir mekanik ana güç anahtarı vb.)
genelde kullanılır. Asimetrik tetikleyici anahtar (ST-4) gibi iki yönlü tetikleyici diyotların diğer
tipleri de kullanılabilir.
10
Şekil 1.14.Resistif Bir Yükün Gerilimi
(a) R değeri düşükken,
(b) R değeri makul bir değerde,
(c) R değeri yüksekken .
Şekil 1.15.Triyak Faz Kontrol Devresinde Dalga Şekilleri
Şekil 1.14‘de gösterildiği gibi ,triyak yük gücünü kontrol ederken her alternansta tetiklenir.
Bu nedenle ,kapı ,her alternans sonunda kontrolü elde edemez.Anot akımı IA sıfırdan geçerken,
triyak iletimden çıkma eğilimindedir ve kontrolü kapıya verir.Şekil 1.15 (a)’daki dalga şekilleri
,yük endüktifken triyak akımı ve kaynak gerilimi E arasındaki faz ilişkisini gösterir . IA akımı
sıfıra yaklaştığı ve triyağın iletimden çıkması için elektron delik çiftleri birleştiği zaman aralığı
Δt ‘dir(çizimde abartılmıştır).
Şekil (b)’de triyak kapamaya geçmeye meylettiğindeki triyak gerilimi değişimi gösterilmiştir.
Şekil (c) ’de ise de/dt etkisinin triyağı periyodik olarak tekrar tetiklediğindeki yük gerilim
değişimini gösterir.
Bu devrede gösterilmemesine rağmen , neon lamba ve SBS de iki yönlü karakteristiğe sahip
olduğu için triyak tetiklenmesi için kullanılabilir . Neon lambalar , 50 V ’ tan 100 V ’ a kadar
olan devrilme gerilimleriyle kullanılabilir ve SBS anahtarlama gerilimi yaklaşık olarak 8 V’tur.
SBS , düşük gerilim anahtarlaması istendiğinde tercih edilir.
DİĞER TRİYAK DEVRELERİ :
Şekil 1.16 ,birkaç triyak motor kontrol devresini gösterir.Endüksiyon motor hız kontrolünün
basitleştirilmiş bir şeması (a) ’ da gösterilmiştir . Bu devre , çamaşır makinesi gibi 3 hızlı
motorlarda kullanılabilir ve 2/1 oranında sürekli hız kontrolüne ek bir avantaj sunar.Bu devrede
, triyak , sürme sarımı ile seridir ve bu nedenle , motor hızını ve bu bobinin gücünü kontrol
eder . Böyle bir motorun kontrolü ve regülasyonu , küçük bir takometreden elde edilen UJT
kaynağı ile bir UJT darbe devresi ile sağlanır . Takometre bobini motorun ucuna ( sonuna )
yerleştirilmiştir. Bunun AC çıkışı , motor hızı ile orantılıdır ve motorun hızını istenen ayarda
korumak için geri beslenmiştir.
11
Şekil 1.16.Triyak Motor Kontrol Devreleri
(a)Endüksiyon Motoru Hız Kontrolü,
(b)Santrifüj Anahtar Yerine Triyağın Bağlanması,
(c)Triyak Ters Yön Motor Kontrolü.
Endüksiyon motorlarının diğer bir gereksinimi,motora hız kazandırmak için başlama sarımını
enerjilendirmek ve onun bağlantısını kesmek gibi yollardır . Bu görev genelde röle veya
santrifüj anahtar gibi elektromekanik elemanlarla yerine getirilir.Diğer bir durumda,ilk geçirme
süresince gücün başlama sarımı üzerinden akmasına izin verilir ve daha sonra elektromekanik
birim ,motorun sarımını açmasına neden olur.Şekil 1.16 (c)’ de gösterildiği gibi , bir triyak , bu
elektromekanik elemanın yerine kullanılabilir.Güç uygulandığında,ilk akım baskını (yığılması)
süresince ,trafo kapı tetikleme gerilimini üretir ve akım kesilince gerilimi VGT altına düşer. Bu
noktada , triyak iletimi durdurur ve başlama sarımı açılır.
Diğer bir triyak uygulaması , şekil 1.16 (c) ’deki basitleştirilmiş şemada gösterilen ters yönde
çalışan motorların kontrolüdür.Bu gibi uygulamalarda,triyaklar ,hem ileri hem de geri bobinleri
enerjilendiren statik anahtarlar gibi davranır.Kontrol anahtarları , radyo frekansı veya ışık bağı
yolu ile uzaktan veya normal olarak tetiklenen solid-state ya da mekanik anahtarlar olabilir.
Motoru ,istenilen limitlerde durdurmak için genelde bir limit anahtarı birleştirilir. Komutasyon
kapasitesi, triyak ana uç gerilimlerini tersine çevirir . Bir triyağın hala iletimde , diğerinin ise
tetiklenmiş olduğu gibi bir durumda,R1 direnci, kapasite akımını sınırlandırmak için gereklidir.
Eğer kapı devresi dirençlerinden biri termistörse veya buna benzer ısıya duyarlı bir bileşense ,
şekil 1.13 (a) ’ daki devre, rezistans ısıtıcıya uygulanmış gücü kontrol edecektir . Bununla
birlikte , ısıtıcıların genelde çok yüksek güçte olmasından , RFI aşırı olacaktır ve elverişli bir
bastırma ağı büyük ve pahalı olacaktır . Bu nedenle , bir sıfır – gerilim anahtarlama devresi ,
ısıtıcı uygulamalarında en sık kullanılan devredir . Bu devreler , sıfır gerilim geçişleri
yakınlarında meydana gelen bir anahtarlama ile yüke , yarım veya tam dalga periyotlarını
uygular. Tristörde olduğu gibi, tetiklemenin sıfır bölgesinde meydana gelmesini sağlamak için
en basit ve en etkili araçlardan biri , ana gerilimle 90 ° faz farkı (önde) olan bir kapı akımını
sağlamak için kapı devresinde bir kapasite kullanmaktır . Ana gerilim minimumdayken , kapı
tetikleme sinyali maksimumdur , ve tetikleme , ana gerilim birkaç volta ulaşınca oluşur.
12
TRİYAKLARIN KOMUTASYONU:
AC devrelerinde , triyağın kullanımı ve bir çift tristörün kullanımı arasında bir önemli fark
vardır .Tristörlerden her biri kapamaya geçmek için tam bir yarım dalgaya sahiptir.Oysa ki
yük akımı sıfırdan geçerken triyağın komutasyonu oldukça kısa bir an içinde gerçekleşmelidir .
Bu problem , 3 ve 10 V/s değerleri arasında ortadadır (şekil 1.1 (b)’de belirtilmiş olan “kritik
komutasyon gerilim hızı). Endüktif yükler ile triyağın komutasyonu zorlaşır.
Triyağın kapamaya sokulmasındaki problem , elemanın her iki yönde de iletmesinden
kaynaklanır . Bu nedenle , uygulanan gerilimin tersi , ters yöndeki iletime geçme olayını
başlatabilecek bir algılama akımına neden olur. Bu problemi ortadan kaldırmak için , triyak ana
akımı , IH ( tutma akımı ) değerinin altına düşürülmelidir . Akımın sıfırdan geçişinde var olan
gerilim değişme hızına yaklaşık olarak denk olan bir zaman aralığı için ana gerilim tekrar
uygulanmamalıdır . Bu zaman aralığı depolanmış taşıyıcıların tekrar birleşmesi için yeterli bir
süredir.Böylece triyak tekrar iletime geçmeye hazır duruma gelmiş olacaktır.
Şekil 1.17. Endüktif Yük Dalga Şekilleri
Şekil 1.17 , tipik endüktif yük devresi için triyak akım ve gerilim dalga şekillerini gösterir.
Endüktif yük ile , endüktans üzerindeki gerilim hemen değişebilir ve triyak gerilimi , akımının
sıfıra düşmesinden sonra bir anda yükselir . Eğer sıfır akımdaki ( kapama noktasındaki ) dalga
şekillerini incelersek , şekil 1.18’deki gibi bir dalga şekli bulunur . Burada da , algılama akımı
fiili bir kapı akımı gibi davranır ve elemanı tekrar iletime sokmaya çalışır . Bundan başka,
jonksiyon kapasitesi ve tekrar uygulanan dv/dt ‘ den dolayı geri akıma bir bileşen vardır .
Bu bileşen direk olarak algılama akımına eklenir fakat triyak,ters polariteyi tıkamaya başlayana
kadar bu bileşen ortaya çıkmaz . Akım değişme hızı (-di/dt ) azalınca , algılama akımı da
azalır.Bu da ,verilen bir komutasyon yeteneği için düşük di/dt değerleri için ,tekrar uygulanmış
yüksek dv/dt ‘lerin izin verilebilir olduğunu gösterir.
Yükselme hızı dv /dt , endüktif yükteki akım sıfır olduğundan sadece triyak kapasitesi ile
sınırlandırılır . Eğer dv/dt belirli bir değeri aşarsa , yeni ek koruma devreleri eklenmelidir.
Standart metot , şekil 1.17’deki R1C1 gibi bir R-C bastırma devresi kullanılarak gerçekleştirilir.
R1 ve C1 değerleri , kullanılan triyak , hat gerilimi ve yükün bir fonksiyonudur.
13
Şekil 1.18. Komutasyonda Triyak Akım ve Gerilimi
TRİYAK TERMİK DİRENÇLERİ:
Bütün yarı iletken elemanlarında olduğu gibi , sıcaklık , izin verilen çalışma gücünü etkiler.
Yüksek sıcaklıklarda ( genelde 125° ) sızıntı akımlar yüksektir ve istenmeyen tetiklenme
tehlikesi olasılığı yüksektir .Yüksek çevre sıcaklıkları ve akımlarda düşük seviyeli triyakların
çalışması için bazı soğutma şekilleri gereklidir(triyağın soğutucu plaka üzerine monte edilmesi)
. Özel bir uygulama için triyağın seçiminde elverişli emniyet sınırı sağlanmalıdır . Böylece
eleman aşırı değerdeki TJMAX , PGM vs. gibi değerlerle karşı karşıya bırakılmamış olur.
Şekil 1.19. İki Farklı Triyak Termik Direnci
GE triyak kataloglarında , aynı eleman için 2 farklı termik direnç belirtilmiştir.
1)JEDEC Termik Direnci:
Elemanların , birbirinin yerine geçebilme yeteneğine kanıtlamak amacıyla JEDEC tarafından
belirtilmiş bir termal karakteristiktir.Bir tek yönlü DC gücünün elemanda kaybı sonucu oluşan,
gövde referans noktasındaki jonksiyon sıcaklık artışının ölçülmesiyle elde edilmiş bir değerdir.
Termik karakteristik her iki iletim yönü için tamamıyla aynı değildir.
2)Görünür Termik Direnç:
Triyak genelde AC uygulamalarda kullanılır ve sonuç olarak , JEDEC tek yönlü termik direnç
değeri,maksimum gövde sıcaklığında akım büyüklüğü hesaplamalarında kullanılırken AC akım
büyüklüklerinde çok az koruyucu eleman sağlar.Bunu yenmek için ,GE , görünür termik direnç
değeri yerleştirmiştir ki bu da ,belirtilen bir frekanstaki akımının tam sinüs dalgası tarafından
üretilen bir ortalama güç tarafından arttırıldığında , akım iletiminin her yarım dalgasının
onlarında bir anlık oluşan bir jonksiyon sıcaklığı sağlar. Akım büyüklüğü , bu anlık jonksiyon
sıcaklığı değerinin eleman için maksimum değer olmasıyla saptanır. Bu da herhangi bir yarım
14
dalga akım iletim zaman aralıklarını takip eden kapama gerilimlerini ( dv/dt sınırlamaları ile
birlikte) elemanın tıkamasına hazır hale gelmesini temin eder.
Şekil 1.19 (b)’de gösterildiği gibi ,triyağın görünür termik direnci “Y” modeli ile gösterilir .
”Y”nin kollarından herbiri (R,R) , silisyum elemanın yaklaşık olarak yarısının
termik direncini gösterir (bir polaritedeki devre akımı için çalışma) . ”Y” nin ana ayağı ise
silisyum eleman bağlantı noktasından referans noktasına (TC ) kadar kılıfın termik
direncidir.Ayrıca GE , fazla yüklenmiş AC akım hesaplamalarında kullanılmak üzere bir
görünür süreksiz termik empedans eğrisi belirtmiştir.
GTO TRİSTÖR
TANIM VE ÖZELLİKLERİ:
Normal tristörler güç elektroniği uygulamalarında hemen hemen ideal şalterler olarak
kullanılır . Kapama yönünde birkaç bin volt değerindeki gerilimleri ve iletim yönünde ise
birkaç bin ampere kadar çıkan akım değerlerini birkaç voltluk gerilim düşümü ile iletirler . En
çok kullanımları , tristörün kapısına bir kontrol sinyali uygulayarak istenildiği anda iletime
geçirilmeleridir . Bununla birlikte tristörlerin anahtarlama uygulamalarındaki kullanımlarını
önleyen ciddi bir eksikliği vardır.Bir kontrol sinyali uygulayarak tıkamaya geçirilemezler . Bu
tıkamaya geçirilme özelliğinin kazandırılması için eleman yapısında bazı değişiklikler
yapılmalıdır.
GTO tristör (Gate Turn-Off thyristor) , normal bir tristörde olduğu gibi p-n-p-n yapıya
sahiptir fakat katot bölgesi , kapıya uygulanan pozitif bir akımın elemanı iletime sokacak ve
kapıya uygulanan negatif bir akımın elemanı iletimden çıkaracak şekilde tasarlanmıştır. Sonuç
olarak , sıradan bir tristörle karşılaştırırsak , GTO tristör iki yolla iletimden çıkarılabilir:
a) Sıradan bir tristördeki gibi , ileri akımını tutma akımı IH0 ’ dan düşük bir değere
azaltılmasıyla ,
b)Kapıya negatif kapama akımının uygulanmasıyla .
Geriye kalan işlevler, özellikler , karakteristiği ,normal tristör ile aynıdır.
Şekil 2.1.GTO Tristörün Çalışması.
15
Şekil 2.1 (a)’da tetikleme için , pozitif akım uygulanışı ; (b)’de GTO’dan geçen ileri akım IA
ve J3 jonksiyon bölgesinde IA ‘den çıkarılan negatif kapama akımı – IG ; c’ de ise sonuç olarak ,
IA–IG sonucunda I<IH0 olması gereken I akımı J3 jonksiyonundan geçer . Bu durum olursa ,
tristör iletimden çıkar.Eğer p-n-p-n yapısı alanı yeteri derecede büyükse , yanal elektrik alanları
ve yanal taşıyıcı konsantrasyon iniş çıkışları oluşur . Bu nedenle , açıklanan IA–IG çıkartması
sadece kapı çevresinde uygulanabilir. Daha uzak bölgelerde bu unsur uygulanamaz ve GTO ,
negatif kapı akımı ile ( IG ) iletimden çıkarılamaz . İletimden çıkarılma mekanizmasının
işlemesini sağlamak için p-n-p-n yapısının katot bölgesi için özel bir tasarım uygulanmalıdır.
GTO tristör inverterlerde , chopper devrelerinde , elektronik anahtarlama ve diğer
uygulamalarda kullanılmaktadır. GTO’nun avantajları , sıradan bir tristörü iletimden çıkarmayı
kolaylaştıran komutasyon zamanını elde etmek için gerekli olan chopper devrelerinde yardımcı
endüktanslar ve kapasitelerin atılması olayına bağlıdır.
İletimden çıkma kazancı , anot akımının kapamaya yol açan kapı akımına oranına eşittir ve
tipik değeri 3 - 5 mertebesindedir . Tam yük durumları altında , uygunsuz ısınma ve kapı
bağlantısında olası erime meydana gelebilir. Tetikleme darbesi , darbe şeklinde başlamalı ve
tGD ( maksimum kapı kontrolü gecikme zamanı) zamanına uygun olarak bir biçimde devam
etmelidir.
Bir büyük sınırlama vardır ki , yüksek kapama kazancı elde etmek için geri tıkama gerilimi
etkili bir şekilde azaltılmıştır ve eğer bir devrede kullanılıyorsa tristörü korumak için seri bir
diyot bağlanmalıdır.
İletime girme ve serbest kalma süreleri bu elemanlar için genelde bir mikrosaniye
mertebesindedir . GTO ‘ nun iletimdeki gerilim düşümü aynı büyüklükteki normal bir tristörle
karşılaştırılırsa – GTO ’ nun eşdeğer direncinin büyük olmasından dolayı – daha fazladır ve
nominal akımdaki tipik değeri 3 volt mertebesindedir.Kilitleme ve tutma akımları da yüksek
değerdedir . İletimde iken anot akımı tutma akımı seviyesine kadar azalırsa , kristal yapıda
akımın geçmediği izole adalar oluşabilir . Anot akımı tekrar arttırıldığında ve kapı akımı
bulunmaması halinde , akımın tekrar tüm yüzeye yayılmaması ihtimali vardır . Sonuçta ,
bölgesel ısınma sonucu eleman tahrip olabilir . Böyle bir sorunun meydana gelme olasılığı
bulunan uygulamalarda , GTO’nun iletim süresince kapı akımının sürekli olarak geçirilmesi
gerekir.
GTO tristörün mevcut akım değeri 3500 A , gerilimi 6000 V’tur.
TEMEL YAPISI VE I-V KARAKTERİSTİĞİ:
GTO ’nun geçirme mekanizması normal tristörle benzerlik taşır. 4 katmanlı eleman ,
iki transistörün bağlanması ile düşünülebilir fakat elemanın iletimdeki ve aşırı akımdaki
davranışı için iyi bir örnek değildir . Anot katot uçlarına ileri gerilim uygulandığında geri
gerilimli merkez jonksiyonu bulunduğundan akım geçmez . Eğer bir pozitif akım
geçirilirse , akım taşıyıcılar jonksiyon merkezinde oluşur ve eleman iletime geçer. Akım
taşıyıcıların oluşumuna göre jonksiyon merkezindeki akım aşağıdaki gibidir:
IC 0
1  npn  pnp
Burada , IC0 , tristördeki sızıntı akımdır ve α , transistör ortak baz kazancına eşittir.
Buradan , taşıyıcıların artış oranı “C” , p bölgesinin içlerinde:
C = IL.( αnpn – 1 +α pnp ).
Eğer C > 0 ise , taşıyıcı sayısı artar ve bu da iletime neden olur. αnpn+α pnp , IL akımına
bağlıdır.
IA  IC 0  npn.IA  pnp .IA 
16
Eğer C < 0 olduğunda , taşıyıcılar taşınır fakat ikinci jonksiyonundaki boşaltma tabakasının
artması , bu taşınma oranına karşı koyar .Bu da bir potansiyel tepe oluşturur ki bu da iletime
karşı koyar . Bu durum , kapıdan akımı geri çekme ile oluşturulabilir . Böylece yeni oran:
C = IG.αnpn +IL( αnpn + α pnp-1 ) olur.
Kapı akımı negatiftir ve böylece , taşıyıcı oranı “C” nin negatif olmasına neden olabilir.
(npn  pnp  1)
npn
Uygun bir geri devrilme gerilimine uygun olarak αnpn ve α pnp ‘ nin seçimiyle , iletimden
çıkma oranı IL/IG , 2–10 oranındaki değerlere sahip olabilir.
IG IL
Maksimum periyodik frekans yaklaşık olarak 100 kc/s ‘ dir ve yüksek frekanslar büyük
anahtarlama kayıpları anlamına gelir.
Şekil 2.2.GTO ‘nun Düşey Kesit Perspektif Görünüşü ve GTO ‘nun Devre Sembolü
Şekil 2.2 (a) ’ da , kapı katot yapısının birbiriyle çoğalan bölmeleriyle GTO ’ nun dikey
kesiti gösterilmiştir . GTO ‘ da p2 baz tabakasının kalınlığı , sıradan bir tristöre oranla
biraz daha küçüktür . GTO ve sıradan bir tristör yapıları arasında üç önemli fark vardır . İlk
fark , kapı ve katot yapılarının , karmaşık kıvrımlı yapıları içeren çeşitli tipteki geometrik
formlarla birçok bölmelere ayrılmış olmasıdır . Temel amaç , katot çevresini büyütmek ve
kapıdan katot bölgesi merkezine olan uzaklığın azaltılmasıdır.
İkinci fark , katodu çevreleyen silisyumun asitle aşındırılarak uzaklaştırılması ile katot
bölgelerinin oluşturulmasıdır. Böylece ,katot bölgeleri , şekilde de gösterildiği gibi adalar veya
yükseltiler olarak görünür. Bu katot adaları , direk olarak metal soğutucu plakasına bağlıdır ve
bu da katot bağlantısının dışarıya verilmesini sağlar.
Üçüncü daha önemli fark ise ,GTO’nun anot bölgesiyle ilgilidir.Düzenli aralıklarda , n1 baz
tabakasını biçimlendiren n- bölgesiyle teması sağlamak için n+ bölgesi , p tipi anoda (p1
tabakası) sızar. n+ bölgeleri ,aynı maden kaplama üzerindedir ve p tipi anotla temas halindedir
ve kısa devre anot oluşur.Kısa devre anot yapısı GTO’ nun kapamaya geçmesini hızlandırmak
için kullanılır.Eleman geri gerilimleri tıkasın diye,bazı GTO ‘lar kısa devre anotsuz yapılırlar.
GTO ‘nun ileri yöndeki I-V karakteristiği sıradan bir tristörünkiyle aynıdır . Bununla beraber
17
,geri yönde ,kısa devre anot yapısından dolayı GTO aslında tıkama yeteneğine sahip değildir.
Geri yönde tıkama yapan tek jonksiyon J3 ’tür ve oldukça düşük bir devrilme gerilimine (tipik
olarak 20-30 V) sahiptir.GTO ‘nun devre sembolü şekil 2.2 (b)‘de gösterilmiştir.
KAPAMA ÇALIŞMASI FİZİĞİ:
a)KAPAMA KAZANCI:
Şekil 2.3. Bir Tristörün Basitleştirilmiş Modeli
GTO ‘nun temel işleyişi , sıradan bir tristörle aynıdır. İki eleman arasındaki başlıca farklar ,
kapıdan kapamaya sokulabilme özelliğinin kazandırılması için ana tristör yapısında yapılan
değişikliklere dayanır . GTO yapısının sıradan bir tristörle neden farklılıklar taşıdığı ve hangi
uzlaşmaların yapılması gerektiğinin anlaşılması iki transistör eşdeğer devresinde kapama
durumlarının incelenmesiyle mümkün olur (şekil 2.3) . Kapı devresine gelen pozitif bir darbe
ile Q1 transistörü ve ardından Q2 iletime geçer . Devre kilitlenir ve kapıdaki darbe kesildiği
halde transistörler hala iletimde kalır.GTO ‘nun iletimden çıkabilmesi için uygulanacak negatif
bir akımın Q2 transistörünün IC2 akımını kesmesi gerekir. Eşdeğer devredeki Q1 , Q2 tristör
geçirmedeyken doymuştur.Bununla beraber ,eğer Q2 ‘ ye doğru baz akımı , doymayı korumak
için (Iβ2< I C2 /β2) , gerekli olan değerden az yapılmalıdır.Daha sonra , Q2 aktif olur ve bir veya
her iki transistör aktif olunca , devrede mevcut olan yenileyici hareketten dolayı tristör
kapamaya geçer.
Şekil 2.3 (b)’deki eşdeğer devreyi kullanarak ,tristör uç akımlarına göre Iβ2 ‘yi yazabiliriz:
Iβ2= α1 . IA -IG'
Burada IG' ,normal kapı akımının negatifidir.Eşdeğer devreden, Q2 ‘yi doymadan çıkarmanın
tek yolunun bir negatif kapı akımı IG' olduğu görülebilir.Kollektör akımı IC2 şu şekildedir:
IC2 = (1-α1).IA
Iβ2< I C2 /β2 eşitsizliğini , β2= α2 / (1-α2) ve yukarıdaki iki denklemi kullanarak düzenlersek:
I
 OFF
parametresi ,kapama kazancıdır ve şu şekilde verilir:
IG ' 
βOFF
 OFF 
2
1   2  1
18
b)GEREKLİ YAPISAL DEĞİŞİKLİKLER :
Normal bir tristörü GTO ‘ya değiştirmek için ilk adım , kapama kazancını uygulanabilir kadar
büyük yapmaktır.Böylece negatif kapı akımının çok yüksek değerlerinin önüne geçilmiş olur.
Bu durumda α1 küçüktür ve α2 de bir yakınındadır . α2 ‘ yi bu durumda yapmak , n-p-n
transistörü Q2 için dar bir p2 tabakasının kullanımını ister . Bu adımlar , bir BJT ‘de büyük bir
beta değeri elde etmek için gerekli olan ve sıradan bir tristörün fabrikasyonunda kullanılan
normal adımlardır.
α1 ‘i küçük yapmak için , n1 tristör tabakası (Q1 transistörünün bazı) mümkün olduğunca kalın
olmalıdır ve taşıyıcı ömrü bu katmanda kısa olacaktır . Kalın bir n1 tabakası , bir tristör
fabrikasyonunda standarttır çünkü bu katman , ileri tıkama durumundaki eleman çalışması
sırasında J2 jonksiyonunun boşaltma tabakasını barındırmalıdır . Bununla birlikte , kısa ömürlü
taşıyıcılara duyulan ihtiyaçla , bu bölgede geçirmedeki güç kayıplarını en aza indirmek için
uzun ömürlü taşıyıcılara duyulan ihtiyaç arasında uyuşmazlık vardır . Kapıdan tıkamaya
sokulabilme özelliğinin elde edilmesi için taşıyıcı ömürlerindeki bazı azalmalar kabul
edilmelidir ve sonuç olarak GTO’nun sıradan bir tristöre göre,verilen bir akım değerinde,daha
yüksek bir geçirme gerilim düşümü vardır.
Yukarıda anlatılan , taşıyıcı ömürlerdeki uyuşmazlık ihtiyaçları ,şekil 2.2’de gösterildiği gibi
kısa devre anot yapısıyla büyük ölçüde ortadan kaldırılmıştır . GTO’nun kapamaya sokulması
için,aşırı miktardaki taşıyıcıların özellikle deliklerin n1 tabakasından taşınması (kaldırılması)
gerekir.Kısa devre anot yapısından dolayı,hiç geri anot katot gerilimi olamaz ve böylece aşırı
miktardaki taşıyıcıların temizlenmesi (taşınması) için gereken geri anot akımları da olamaz .
Aşırı miktardaki bu taşıyıcıların taşınması için tek yol , difüzyon ve iç tekrar birleşmelidir.
Bununla beraber,GTO’daki n+ bölgeleri ,delik difuzyonu duvarını (engelini) kaldırır . Bu
, delik difüzyonunun büyük bir oranda olmasına izin verir . Böylece n1 tabakasındaki aşırı
miktardaki delikler en azından difüzyonla olduğu kadar iç tekrar birleşme ile de taşınır . Net
sonuç , elemanın kapanması sırasında toplam depolanmış yükün daha hızlı taşınmasıdır ve
böylece iletimdeki kayıplar dışında sıradan bir tristörle karşılaştırıldığında GTO’nun istenilir
her iki daha kısa serbest kalma (turn off) ve ileri algılama zamanları vardır. Bu kısa devre anot
yapısı , serbest kalma ve algılama zamanlarının azaltılmasında çok etkilidir ve bazen RCT
denilen özel tristör yapılarında da kullanılır.RCT’lerin GTO’da olduğu gibi kısa serbest kalma
ve algılama zamanları vardır fakat bir negatif kapı akımıyla tıkamaya geçirilemez çünkü
gerekli bazı yapısal değişiklikleri içermez.
Kapıdan tıkamaya sokulma yeteneği için gerekli çoğalan bölmeli bir yapıya sahip olan
kapı ve katot yapısının kullanımıdır.Bu , (çoğalan bölmeli kapı ve katot yapısının kullanımı)
da geçirme ve kapama sırasında p2 tabakasındaki yanal gerilim düşümlerini en aza indirir.
Bu yanal gerilim düşümleri , özellikle sıradan tristörlerde göze çarpar . Bu gibi yanal gerilim
düşümleri , akım yığılması problemleri ve di/dt sınırlamalarına neden olur. Bununla birlikte ,
çoğalan bölmeli kapı - katot yapısının kullanımı - ki bu yapılar , kapı kontakları ve katot
bölgesi ortası arasında oldukça kısa mesafelere sahiptir - bu problemleri en az indirir. Büyük
kapı kapama akımları ile kapı metal kaplamasında önemli gerilim düşümlerinin önüne
geçmek için kapı metaline gelen kontaklar , ince yüzeyde aralıklı dizilmiştir.
GTO ANAHTARLAMA KARAKTERİSTİKLERİ :
a)BASTIRMA VE SÜRME DEVRELERİNİN DAHİL EDİLMESİ:
GTO ’ lar , normalde bastırma devreleriyle birlikte kullanılmalıdır . GTO anahtarlama
davranışının gerçekçi bir açıklaması bastırma devrelerinin etkilerini de içermelidir.
19
Şekil 2.4. Kapama ve Geçirme Bastırmalarıyla Birlikte GTO’nun Kullanıldığı Bir Konverter Devresi
Şekil 2.4 ’ de gösterilen gerilim azaltıcı konverter devresi (bu devre anahtarlama elemanı
olarak GTO’yu kullanır.) anahtarlama dalga şekillerinin açıklanmasında kullanacaktır. GTO
sadece akım gerilim seviyelerinin büyük olduğu yerlerde değil, ayrıca GTO ile birleştirilen
diğer yarı iletken bileşenlerin yavaş olduğu , sadece orta-yüksek güç uygulamalarında
kullanılır. Bu nedenle , şekil 2.4’deki Df diyodu , çok hızlı bir algılama diyodu olmayacaktır.
Diğer taraftan , -GTO ’ nun çoğalan bölmeli kapı katot yapısından dolayı – diyodun geri
algılama zamanıyla karşılaştırıldığında GTO’nun daha hızlı akım yükselme zamanı vardır.
Bunun sonucu , koruyucu devreler olmadan ,diyodun oldukça yavaş geri algılaması nedeniyle
çok büyük aşırı akımlar hem GTO hem de diyottan geçebilecektir.Bastırma devresi ,GTO’nun
uçlarına uygulanabilecek gerilim yükselme hızını arttırır ve iletimden çıkma kabiliyetini
iyileştirir .Bir pozitif kapı akımı darbesiyle GTO iletime sokulur . İletime geçmeden önce CS
bastırma devresi kondansatörü , UD kaynak gerilimi ile şarjlıdır . İletime geçerken CS , RS ve
GTO üzerinden boşalır . Enerjisinin büyük bir bölümü RS ‘ de harcanır . Negatif kapı akımı
darbesi ile GTO kesime geçirildiğinde CS , DS diyodu üzerinden salınarak dolar.Seri bağlı olan
kaçak endüktanslar ,GTO ‘nun uçlarındaki gerilim yükselme hızını sınırlar.Bastırma devresinin
güç kaybı yaklaşık olarak :
PS = (½).CS.UD2.f ‘dir.Burada f işletme (darbe) frekansıdır.
Şekil 2.4’deki bastırma indüktörü , devrede bir geçirme bastırması olarak davranması için
devrede bulunmaktadır.
GTO ‘nun iletime geçmedeki davranışı normal tristörünkine benzerdir fakat iletimden çıkma
karakteristikleri farklıdır (şekil 2.7).Negatif kapı akımı oluştuğunda , anot akımı (IA) belirli bir
gecikmeden sonra düşmeye başlar . Bu süre çok kısadır (yaklaşık olarak <1μs ) . Geçirme
yönünde pozitif bir anot gerilim oluşmaya başladığında ve anot akımı bastırma devresi
üzerinden geçmeye çalıştığında , LS kaçak endüktansı bir gerilim sıçramasına neden olur. Eğer
bu gerilim tepesi büyükse zararlıdır ve akım yoğunluğu bölgesel ısınmalar sonucu , sekonder
devrilmeye sebep olabilir . Bu da arıza durumudur . Bu problem , bastırma devresi kaçak
endüktansının minimuma indirilmesiyle giderilebilir.Sıçrama geriliminden sonra anot gerilimi
normal UD değerini almadan önce bastırma devresi rezonansından dolayı büyük bir değerden
geçerek salınır. Bu sırada , anot akımında , bir sapma akımı oluşur . Bu akıma kuyruk akımı
denir . Bastırma devresi kondansatörünü arttırarak , kuyruk akımı ve bu gerilim darbesi
küçültülebilir fakat bu da bastırma devresi kayıplarının artmasına neden olur.Normalde GTO
‘nun bastırma kondansatörü , normal tristörünküne göre birkaç kat daha büyüktür.
20
GTO , kapamaya sokulduğunda , anot-katot gerilim büyüme oranı ,dv/dt belirli seviyelere
sınırlandırılmalıdır . Yoksa , GTO’nun tekrar geçirmeye tetiklenmesi meydana gelir .
Bu sebepten , şekil 2.4’de gösterildiği gibi , anahtarlama devresinin bir parçası olan kapama
bastırması bulunmaktadır . Tavsiye edilen kapı durumlarını karşılayan bir kapı sürme devresi –
şekil 2.5’de gösterildiği gibi-GTO tristör üreticileri tarafından önerilmiştir.
Şekil 2. 5. Bir GTO İçin Kapı Sürme Devresi
b)İLETİME GEÇMEDEKİ GEÇİCİ REJİM:
Şekil 2.4‘deki konverter devresinde,GTO kapamadayken,akım Df diyodu serbest döngüdedir.
Şekil 2.6’da gösterildiği gibi bir kapı akımı darbesi iletime geçmeyi başlatır .
Geçirmeye girme süresince , hem kapı akımı artış oranı , diG/dt, ve hem de kapı akımı tepe
değeri , IGM , bütün katot adalarının iletime geçmesini ve anot akımının uygun dinamik bir
paylaşımı olmasını sağlamak için büyük olmalıdır . Yoksa , çok az bir miktarda olan adalar
toplam akımı taşıyacak ve yerel termik kaçış olayı meydana gelecek ve GTO da zarar
görecektir . İletime geçme işleminin tamamlanmasını sağlamak için yeterli bir zaman için
,mesela 10μs , büyük bir IGM değeri sağlanır . İletime girmenin tamamlanmasının ardından ,
istenmeyen kapamayı önlemek için bütün bir geçirme periyodu süresince bir minimum sürekli
kapı akımı IGT‘nin akması gereklidir. Kapı akımı sıfırsa ve anot akımı çok düşük bir değere
inerse , bazı katot adaları iletimi kesebilirler . Eğer anot akımı sonradan artarsa , geri kalan
iletimdeki adalar akımı tutamayabileceklerdir ve sonuç olarak ortaya çıkan bir termik kaçış
sonucu GTO tahrip olabilecektir.
21
Şekil 2.6.Geçirme ve Kapama Bastırma Devreli bir Konverterdeki GTO ‘nun Geçirme Dalga Şekilleri
TG1 ve TG2 transistörlerinin her ikisinin de iletime geçmesiyle ,ilk kapı akımı büyük darbesi
şekil 2.5’deki kapı sürme devresi tarafından sağlanır. Pozitif kapı sürme devresindeki kaçak
endüktans , iletimde büyük bir diG/dt değeri elde etmek için minimum değerde tutulmalıdır.
Bir süre sonra (tw1) , TG1 ‘ in kapamaya geçmesiyle kapı akımı IGM değerinden IGT ’ ye
azaltılacaktır.
Anot akımının büyümesi süresince , giriş gerilimi , GTO ve geçirme bastırma endüktansı
arasında paylaşılır . Eğer anot akımının di/dt ‘ si , büyük değerinden dolayı bu endüktans
tarafından sınırlandırılırsa , daha sonra (şekil 2.6) GTO üzerindeki gerilim aniden oldukça
düşük bir değere düşecektir.Anot akımındaki darbe, DF diyodunun geri algılamasından gelir.
c)KESİME GEÇMEDEKİ GEÇİCİ REJİM:
Şekil 2.7. Geçirme ve Kapama Bastırma Devreli bir Konverterdeki GTO ‘nun Kapama Dalga Şekilleri
Şekil 2.7 ’de gösterildiği gibi , GTO , büyük bir negatif kapı akımının uygulanmasıyla
kapamaya sokulur.Meydana gelen akım ve gerilim dalga şekilleri şekil 2.4 ’ deki devredeki
22
GTO için yukarıda gösterilmiştir.Kapama sırasında birkaç farklı zaman aralığı vardır.Şekil 2.5
kapı sürme devresi , TG3 transistörünün iletime geçmesiyle negatif kapı akımı sağlar . Kapı
akımı (iletimden çıkma kazancı 3-5 değerine karşılık olarak ) anot akımının 1/5 –1/3 ‘ ü gibi
çok büyük bir değerde olmalıdır.Bu büyük negatif akım sadece oldukça kısa bir zaman için
istenir . Düşük gerilimli MOSFET ’ ler , TG3 için hemen hemen ideal bir seçimdir . Kısa bir
depolama (storage time) zamanı ve kısa bir anot akımı düşüş zamanına sahip olmak için ve
kapı güç kaybını azaltmak için , negatif diG/dt büyük bir değerde olmalıdır . Bununla birlikte ,
çok büyük değerdeki negatif diG/dt , anot kuyruk akımının daha kısa tanımlanması sonucunu
doğurur.Bu nedenle, diG/dt , eleman üreticisi tarafından belirtilmiş sınırda tutulmalıdır.
Negatif diG/dt , kapı sürme devresinin negatif kapı sürme parçasındaki LG ve VGG- ile kontrol
edilir.Burada VGG- , kapı-katot jonksiyon devrilme geriliminden daha küçük seçilmelidir. VGG‘nin bilinmesiyle , belirtilmiş diG/dt ‘ yi verecek şekilde LG seçilir . Büyük GTO için negatif
kapı sürme devresindeki kaçak endüktans , gereken LG değerine eşit olabilir.
İlk zaman aralığı süresince , depolama zamanı tS süresince , büyüyen negatif kapı akımı (şekil
2.8) katot adalarının çevresindeki p2 ve n2 tabakalarındaki depolanmış yükleri taşır.
Depolanmış yük , çevreden taşınmaya devam ederken , boş plazma bölgesi büyüklüğü ( katot
adalarının ortalarına doğru yanal bir yönde yayılma hızı denilen bir hızla genişleyerek) artar.
Depolanmış yükün yeterli bir miktarı taşınmışsa ,GTO ‘daki yenileyici hareket durdurulmuştur
ve anot akımı düşmeye başlar.Bu da, depolanma zamanının sonunu belirtir.
GTO’nun yenileyici hareketi durdurulduğunda , anot akımı hızla düşmeye başlar. IO - iA akımı ,
GTO uygulamalarında oldukça büyük olan kapama bastırma kapasitesi CS’i söndürür. Kapama
bastırma devresi çevrimindeki kaçak endüktanstan dolayı , GTO üzerindeki gerilimde
eşzamanlı hızlı bir yükselme vardır. Anot akımı düşüş zaman aralığı süresince gerilim tepesi
tepe değerini belirtilmiş bir değerde tutmak için , bu kaçak endüktans (şekil 2.4 ‘de Lσ )
minimumda tutulmalıdır . Kapı katot jonksiyonundaki aşırı miktardaki taşıyıcılar dışarı
taşındığında ve jonksiyon geri tıkama yeteneğini tekrar elde ettiğinde , anot akım düşüş zamanı
(t f i ) sona erer.
Kapı katot jonksiyonunun geri tıkama yeteneğini tekrar elde etmesiyle birlikte , kapı- katot
gerilimi negatif değerlere artmaya başlar ve böylece negatif kapı akımı hızla azalmaya başlar
(şekil 2.7). LG endüktansında endüklenen gerilim kapı akımının azalmasına izin vermez (akımı
akmaya zorlar) ve kapı katot jonksiyonu primer devrilmeye (çığ olayı sonucu meydana gelen
devrilme ) girer.Daha sonra , kapı-katot jonksiyonu bir zener diyot gibi çalışmaktadır.Bu süre
içinde , diG/dt şöyle verilir:
diG VGK , Devrilme  VGG 

dt
LG
Bu primer devrilme kısa bir süre için düşünüldüğünde istenilir bir olaydır.Bu süre, tw2 , kapıkatot jonksiyonu primer devrilme zamanıdır . Bu olayın istenmesinin nedeni , mümkün
olduğunca çok depolanmış yükün kapı ve p2 tabakasından sürüklenmesini sağlamaktır. Bu süre
LG ve VGG- ‘nin seçimiyle kontrol edilebilen diG/dt ‘ ye bağlıdır . tw2 süresi , kapı-katot
jonksiyonunun tahribatını engellemek için belirtilen maksimum değerin altında tutulmalıdır.
tw2 süresinin sonunda , GTO ’nun iki baz bölgesinde ( n1 ve p2 tabakaları ) hala bazı aşırı
depolanmış yük bulunacaktır.Bu kalan yüklerin hareketi sonucu , anot ve negatif gerilimli kapı
arasında anot kuyruk akımı olarak adlandırılan küçük bir anot akımı akmaya devam eder . Bu
akım , anot ve kapı gerilim farkının büyümesiyle sürülür . Kuyruk akımının aktığı süre anot
kuyruk akım zamanı ( tkuyruk ) olarak adlandırılır . tkuyruk zamanının büyük bölümü süresince
23
kapı gerilimi VGG- değerindedir. Bu değer bütün bir kapama süresi boyunca kapı geriliminin
sahip olacağı bir değerdir.
Kuyruk akımı zaman aralığı süresince , GTO gerilimi –aşağıdaki bağıntıyla bulunan- sabit bir
değere doğru büyür:
dVAK I0

dt
CS
Bu aralık (tkuyruk) , kapama kayıplarının büyük bir bölümünü oluşturur çünkü bu süre oldukça
uzundur ve GTO gerilimi de büyük değerdedir.
Kapamadaki aşırı gerilim (şekil 2.7) , güç devresindeki kaçak endüktanstan dolayıdır .
Anot-katot aşırı gerilimi , aşırı gerilim bastırma devreleriyle azaltılabilir.
MİNİMUM KAPAMA VE GEÇİRME SÜRELERİ:
GTO,belirli bir süre geçmeden , belli bir süre için kaldığı kapamadan iletime geçirilmemelidir
. Bunun nedeni , çeşitli katot adaları arasında zayıf akım paylaşımı olasılığındandır . Azınlık
taşıyıcılar , uzun ömürlü olduklarından dolayı uzun süre GTO ‘ da kalırlar ve bu geriye kalan
taşıyıcılar , taşıyıcıların çevresinde bazı katot adalarına neden olurlar ki bu adaların diğerlerine
göre daha iyi bir iletme karakteristiği vardır.Buradan, eğer taşıyıcılar tekrar birleşmeden veya
sürüklenmeden önce GTO iletime sokulmaya çalışılırsa , akımın büyük miktarı bu az sayıdaki
adalar (zayıf akım paylaşımı ) tarafından taşınır ve eleman tahribi meydana gelebilir.
Benzer olarak , kapama başlatılmadan önce , belli bir zaman periyodu için GTO geçirmede
tutulmalıdır.Tekrar , neden olarak , çeşitli katot adaları arasında zayıf akım paylaşımı olasılığı
gösterilir.
Devre tasarımcısının , uygun bir çalışma için , iletim ve kapama bastırmalarının (anılan sıraya
göre ) bir minimum kapama durumu ve bir minimum geçirme durumu süresine ihtiyacı
olduğunu bilmesi gerekir.
MAKSİMUM KONTROL EDİLEBİLİR ANOT AKIMI:
Maksimum kontrol edilebilir akım , kapısından kontrol edilerek kesilebilen en büyük akımdır.
Negatif kapı akımının yükselme hızı artırılarak daha büyük anot akımları kontrol edilebilir . p2
tabakasındaki aşırı taşıyıcılar , negatif kapı akımı için taşıyıcıların kaynağıdı r. Negatif kapı
akımı ve boş plazma bölgesi büyüdükçe (şekil 2.8) , kapı-katot jonksiyonundaki gerilimde bir
artma vardır (p2 katmanındaki kapı akımının yanal geçişinden dolayı olduğu belirtilmiştir .
Katot çevresinde kapı kontağına yakın noktalarda jonksiyon gerilimi en yüksektir . Eğer bu
gerilim jonksiyon devrilme gerilimini aşarsa negatif kapı akımı sadece devrilmenin olduğu
katot çevresinde akar . Geriye kalan d epolanmış yüklerin hiçbiri taşınmayacaktır , ve GTO
kapamaya geçirilmeyecektir . Bu nedenle, VGG- gerilimi , kapı - katot jonksiyon devrilme
geriliminden daha az tutulmalıdır.
Negatif kapı-katot gerilimindeki sınırlama , GTO ’dan çıkarılabilecek bir maksimum kapı
akımının olduğu anlamına gelir.Depolanmış yükün taşınması son evresine girdiğinde , aşırı
taşıyıcıların bölgesi , katot adası merkezi yakınlarındaki küçük bir alana daralmıştır ve kapı
bağlantı noktasından en uzak noktadadır . Bu durumlar altında , geri gerilim en yüksek
değerindedir . Yanal omik direnci (şekil 2.8(b)) eleman geometrisinin bir fonksiyonu olup ,
24
maksimum negatif kapı akımının ne kadar olacağının belirlenmesinde kullanılır.Bu da ayrıca ,
iletimden çıkarılabilecek bir maksimum anot akımının olduğu anlamına gelir.
IG ' 
I
 IA  OFF . IG , max .
 OFF
Kontrol edilebilir maksimum anot akımı eleman üreticisi tarafından verilen kataloglarda
gösterilmiştir.
Şekil 2.8. Bir Negatif Kapı Akımıyla Kesilebilen Maksimum Anot Akımını Belirleyen Mekanizma.
(a) Yoğun-Taşıyıcı Plazmayı Katot Adasının Merkezinde Küçük Bir Hacme Sıkıştıran Negatif Kapı
Akımı.
(b) Maksimum Kapı Akımını Sınırlandıran , P2 Tabakasındaki Yanal Omik Direnç.
25
GTO’LARDA AŞIRI AKIM KORUMASI:
MOSFET ve BJT ‘de olağan dışı bir olay sonucu oluşan aşırı akım , elemanın doymadan
çıkıp aktif bölgeye girmesine neden olur.Eleman , maksimum akımı kendisi sınırlar ama
eleman üzerindeki gerilim çok büyük değerlere ulaşır.Böylece , aşırı akım durumu , elemanın
iletimdeki geriliminin ölçülmesiyle kolaylıkla bulunabilir.Aşırı akım , akım sensörü vasıtasıyla
veya MOSFET için bir SENSEFET kullanarak bulunabilir.Bu aşırı akım bulunduğunda , BJT
veya MOSFET’ler birkaç mikrosaniyede kesime geçirilerek koruma gerçekleştirilir.
Şekil 2.9. GTO İçin Aşırı Akım Koruma Yöntemleri :
(a) Aşırı Akımların Tanımı ,
(b) Çoğalma Metodu İle Aşırı Akım Koruması ,
(c) Sigortanın Açmasına Kadar Köprüdeki Bütün GTO’ların Akımı Paylaşmak İçin İletime
Geçirilmeleriyle Gerçekleşen Aşırı Akım Koruma Metodu.
Bu koruma işlemi , GTO’larda çok daha karmaşıktır.Şekil 2.9 (a)’da gösterildiği gibi ,
müsaade edilen akım tepe değeri , güvenlik faktörü tarafından , maksimum kontrol edilebilir
akımdan küçük seçilmelidir.GTO’da aşırı akım , akım algılanmasıyla bulunmalıdır.Eğer
saptanan akım , maksimum kontrol edilebilir akımdan küçükse , örneğin şekilde A
noktasındaysa , GTO bir negatif kapı akımıyla iletimden çıkarılabilir.
Bununla birlikte , eğer aşırı akım maksimum kontrol edilebilir akımdan büyükse , örneğin
şekilde B noktasındaysa ,GTO bir negatif kapı akımıyla iletimden çıkarılmaya çalışılırsa GTO
bozulur.Bu nedenle , GTO “çoğalma tekniği” (crowbarring) denilen yöntemle korunur.Böyle
bir devrede , bir tristör GTO’ya paralel bağlıdır (şekil 2.9(b)) ve tristörün aniden iletime
geçmesiyle sigorta atar.Çoğalma tekniği olmadan şekil 2.9 (b) ‘deki devrede GTO’yu
korumanın tek yolu ,daha büyük akım değerlerindeki bir GTO kullanmaktır fakat bu da
pahalıdır.
26
Şekil 2.9 (c)’de gösterildiği gibi bir üç faz konfigürasyonunda ,altı adet GTO’nun da aynı
anda iletime geçmesiyle çoğalma tekniği elde edilebilir.Üç koldaki GTO’ların hepsinin aynı
anda iletime geçmesiyle sigortadan geçen akım 3 kola ayrılır ve GTO da sigorta atıncaya
kadar bu akımı taşıyabilecek kapasitededir.
GTO UYGULAMALARI:
Şekil 2.10. GTO DC Amfi.
Yukarıdaki devre (Şekil 2.10) GTO DC amfidir.Giriş uçlarına pozitif gerilim uygulandığında
, C1 kapasitesi , R1 direnci ve uygulanan gerilime bağlı olarak belirli bir değere kadar şarj
olur.Eğer uygulanan gerilim (4 katmanlı D) diyodu devrilme geriliminden yüksekse , belirli bir
zaman sonra ( t1) diyot iletime geçer.
t1 = R1.C1.loge[Vgiriş/(Vgiriş – VB0 )] saniye
GTO’da meydana gelen akım geçişi , onun iletime geçmesini sağlar ve akım yük direnci RL
‘den akar.
Aynı zamanda , C3 kapasitesi yük gerilimi +E değerine kadar şarj olur ve C2 kapasitesi R2
direnci üzerinden şarj olur. C2 üzerindeki gerilim , zener diyot devrilme gerilimini aştığında TH
tristörünün kapısından bir akım geçecektir . Yükte gerilimin görüldüğü noktaya kadar olan
zaman gecikmesi t2’dir:
t2 = R2.C2.loge[E/(E – V2)] saniye
Tristör iletime geçer ve yük akımı bir anlık GTO kapısından geçer ve GTO iletimden
çıkar.Tam bir iletimden çıkmayı gerçekleştirmek için C3 kapasitesi sayesinde GTO kapı-katot
geri gerilimi sürdürülür (korunur).C1 kapasitesinde yeterli yük depolanmışsa TH tristörü 4
katmanlı D diyodunun iletime geçmesine neden olacaktır.Böylece devre resetlenir ve işlemler
tekrarlanır.
Ortalama çıkış gerilimi , giriş gerilimi Vgiriş ‘nin bir fonksiyonu olduğu için devre bir DC
amfi gibi davranır.Ortalama çıkış gücü { Vçıkış = [t2/( t1+t2)].E } volttur ve bu da :
27
VÇIKIŞ 
R 2.C 2. log e[E /(E  V 2)]
Volttur.
R 1.C1. log e[Vgiriş /(Vgiriş  VB0)]  R 2.C 2. log e[E /(E  V 2)]
Şekil 2.11 . Giriş Gerilimi (Vin) ile Çıkış Geriliminin Değişimi.
Bu ilişki şekil 2.11‘de grafiksel olarak gösterilmiştir.Daha lineer bir ilişki istenirse , bir geri
besleme sistemi kullanılmalıdır.Şekil 2.12’de bir yüksek güç solenoid sürücüsü
gösterilmiştir.Giriş uçlarına pozitif bir gerilim darbesi uygulandığında , GTO iletime geçer ve
solenoid üzerindeki gerilim (E) ,kaynak gerilimine doğru üstel bir şekilde artar .Bununla
birlikte , bu seviyeye ulaşılmadan önce , 4 katmanlı diyot (D) devrilme gerilimine ulaşır ve bir
anlık olarak GTO kapısına gelen akım GTO’yu iletimden çıkartır.
Darbe uzunluğu:
T  R .C. log e[ E /( E  VB0 )]saniyedir
Şekil 2.12.Yüksek Güçlü Solenoid Sürücü ve Devre Dalga Şekilleri
28
Şekil 2.13. Sabit Gerilim Motor Sürme Devresi
Bir başka uygulama ise şekil 2.13’ de gösterilmiştir.Bu düzenleme ,bir DC motor armatür
(rotor) geriliminin sabit tutulması için tasarlanmıştır.Güç uygulandığında ,C1 kapasitesi
gerilimi , zener diyot ZD ‘nin zener gerilimini aşmasına kadar GTO kapamada kalır .Bu olay
olursa GTO kapısından akım geçer ve böylece GTO iletime geçer.C2 kapasitesi şarj olur ve- 4
katmanlı D diyodu devrildiğinde- GTO iletimden çıkar.Daha sonra C1 şarj olur ve GTO’ nun
tekrar iletime geçmesine neden olur.Böylece motor üzerindeki gerilim istenen değer üzerinde
salınır.
FOTOTRİSTÖR (LASCR)
TANIM VE ÖZELLİKLERİ:
Fototristör (LASCR, Light Activated SCR ) , normal bir tristör gibi bir kapı elektrodu
bulunan 4 katmanlı p-n-p-n yapısına sahip bir elemandır . Tristörle arasındaki fark ,
tetiklemenin sadece kapı akımı veya bir devrilme gerilimi UB0 ile sağlanmaması altında yatar
.Ayrıca fototristörde , tetikleme etkili yoğunluktaki ışık şiddeti φefT ile gerçekleştirilebilir
(silisyumun doğrudan ışıkla radyasyonu vasıtasıyla ).Bu değer genellikle (W.m-2) cinsinden
verilir.
Fototristörler , diyot şeklinde 2 uçlu veya 3, 4 uçlu da olabilir.3 ve uçlu olanlar ayrıca bir
elektriksel akım darbesiyle de iletime geçirilebilirler . 4 uçlu olanlar ise bu 4. ucu sayesinde
iletimden çıkarılabilir.
Işık fototristöre uygulandığında akım taşıyıcılar aktif olur.Bu oluşan akım eğer tutma
akımından (IH) büyükse fototristör iletime geçer.
29
Fototristör bir bistabil elemandır ve duyarlı bir röle ile birlikte ya foto voltaik ya da foto
rezistif tipteki sıradan bir fotosel yerini alır.Bir DC kaynakda çalışırken , eleman , bir kilitleme
rölesi olarak davranır ve kapamayı sağlamak için devrede ekstra elemanlara ihtiyaç duyulur.
Elemanı geçirmeye sokan ışık seviyesi kapı kontrolüne ön gerilim uygulanmasıyla
değiştirilebilir.Bir küçük pozitif kapı akımı , geçirme ışık seviyesini değiştirecek ve
fototristörün daha düşük bir ışık yoğunluğunda iletime geçmesine neden olur.Zıt olarak ,
elemanı daha yüksek bir ışık yoğunluğunda iletime sokmak için küçük bir negatif kapı akımı
kullanılır.
Genelde, bu ışık duyarlı tristörler , çok yüksek kazançlı elemanlardır.Küçük bir kapı akımı
iletime geçmeye neden olur.Emniyetli bir çalışma için , kapı açık devre bırakılmamalıdır , ve
şönt bir direnç kapı katot arasına bağlanmalıdır.Yoksa , anottaki yerel manyetik alanlar veya
geçici sinyallerden endüksiyon istenmeyen bir geçirmeye neden olabilir.Buradan da
anlaşılacağı üzere , geçirme ışık seviyesi kesin değildir.Böylece eleman bir tam ışık referansı
olarak kullanılamaz.
Fototristörler , lojik devrelerde , sinyal verme ve güvenlik sistemleri , yüksek gerilim elde
etmek için seri bağlanmış güç tristörleri anahtarlamalarında , yüksek gerilimli DC taşıma
sistemlerinde , statik reaktif güç (VAR) kompanzasyonunda , ve bu gibi benzer durumlarda
uygulama bulurlar.Burada , devreler ve optik olarak birbiriyle bağlantılı donanımlar arasında
bir galvanik bölme oluşturulmalıdır.Bir kontrol devresinde elde edilen ışık darbesi özel bir
iletkenle taşınarak fototristör gövdesindeki pencereden geçirilerek uygulanabilir. Böylece
parazitler sebebiyle oluşabilecek istenmeyen tetiklenmelerin de önüne geçilmiş olur ve kontrol
devresi ile yüksek gerilim ana akım devresi arasında tam bir elektriksel izolasyon sağlanmış
olur . LED gibi pratik ışık kaynaklarından yararlanarak tetiklemeyi gerçekleştirmek için kapı
yapısı , yeterli hassasiyet sağlanacak şekilde planlanmalıdır.Burada da di/dt ve du/dt
kabiliyetlerinin korunmasına çalışılmalıdır.
TEMEL YAPI VE KARAKTERİSTİKLERİ:
Fototristör için farklı tetikleme faktörlerini birleştirmek mümkündür.Kendine özgü kullanımı
, tetiklemeyi gerçekleştirmek için kapı akımı IG ve etkili yoğunluktaki ışık şiddeti φef <φefT ‘nin
birleştirilmesiyle gerçekleştirilendir. IG ve φef ‘nin birleştirilmiş etkisi şekil 3.1’de
verilmiştir.Aynı sütundaki değerler daima tetiklemeye neden olur.
IG
φef
<
IG1 <
IG2
<
IGT
φefT >
φef1 >
φef2
>
0
0
Şekil 3.1. IG ve φef Birleştirilmiş Etkisi
Temel olarak , radyasyon etkisiyle oluşan elektron-delik çiftleri , elektriksel alanın etkisi
altında tetikleme akımını üretir ve tetiklenme gerçekleşir.
Şekil 3.2‘de , fototristörün yapısı ve temel çalışması gösterilmiştir.Uygulanan ileri gerilimle
birlikte , J1 ve J3 jonksiyonları ileri gerilimlidir ve yeterli serbest yük mevcutsa iletebilirler.J2
jonksiyon geri gerilimlidir ve akımı tıkar.Silisyuma gelen ışık ,-daha sonra J2’ye süpürülecek
(atılacak ) olan– J2 boşaltma bölgesi çevresinde serbest delik-elektron çiftleri oluşturur.Işığın
arttırılmasıyla , şekil 3.2 (c)’deki geri gerilimli diyottaki akım artacaktır.Yapıdaki n-p-n ve p-n-
30
p transistörlerinin akım kazançları da akımla artar.Bazı noktalarda net akım kazancı (α1+α2)
biri aşar ve tristör iletime geçer.
Şekil 3.2. LASCR, Fototristör.
(a) – (b) Fototristörün Basitleştirilmiş Fiziksel Tertipi,
(c) Fototristör Transistör Eşdeğeri.
IA 
 2.(IP  IG )  ICB 0(1)  ICB 0 ( 2)
1   2  1
IP = Foton akımı (Düşen ışık tarafından üretilen akım)
IG = Kapı akımı
ICB(1) + ICB0(2) = Sızıntı akımı
α = Akım kazancı
α1 , IA + ( IP ) ile değişir;
α2 , IA + ( IP ± IG ) ile değişir;
α1 + α2 → 1 , IA → ∞ .
Fototristör karakteristikleri , şekil 3.3’de gösterilmiştir.
Şekil 3.3. Fototristörün karakteristiği
31
Işığa karşı makul bir hassasiyet sağlamak için tristör çok düşük bir akım yoğunluğu ile
tetiklenebilecek şekilde yapılmalıdır.Bu da , küçük boyutlardaki oldukça ince bir silisyum çipin
kullanımını gerektirir.Böylece , yüksek akım elemanları , ışık tetiklenmesi için kullanışlı
görülmez . Fototristörün yüksek duyarlılığı, ayrıca , iç akımlara neden olan diğer etkilere
karşılık vermesine neden olur.Sonuç olarak , LASCR ,ısıya ,uygulanan gerilime , bu gerilimin
değişme hızına karşı yüksek bir hassasiyete sahiptir ve normal bir tristörden daha uzun bir
serbest kalma zamanı (tq) vardır. Tetikleme seviyesi , en düşük jonksiyon sıcaklığında en
yüksek olduğundan , verilen bir sistemde sağlanmış ışık miktarı , (çalışmanın umulduğu ) en
düşük jonksiyon sıcaklığını göz önüne almalıdır.Zıt olarak , maksimum hassasiyet , maksimum
jonksiyon sıcaklığında elde edilir.Bununla birlikte , fototristörün tetiklenemeyeceği durumlar
altında , sistem tarafından sağlanan maksimum ışık yoğunluğu en yüksek çalışma jonksiyon
sıcaklığı için verilen bir değerin altında olmalıdır.
Direk ışınım , J2 bölgesine ulaşmak için silisyumun önemli bir kalınlığına sızmalıdır.
Silisyumun emmesi , görülebilir bir spektrumda (0,4-0,7 mikron ) oldukça yüksek olduğundan
bu bantta ışık dağılımına ait cevap oldukça düşüktür. Yerleşimden dağılan ışık çipin kenarına
yakın J2 çevresine ulaşır , ve buradan ,daha kısa dalga boyunun daha azı jonksiyona ulaşmadan
emilir.
Yüksek gerilimlerde , eşdeğer transistör devresinin kazancında gerilim etkisinin bir sonucu
olarak , tetikleme için gereken ışık yoğunluğu önemli derecede azalır. 6 V’luk bir anot gerilimi
ile HET normal olarak belirlendiğinden daha yüksek veya daha düşük gerilimlerdeki çalışma bu
değeri değiştirecektir.Eğer uygulanmış gerilim sinüsoidal ve ışıklandırma düşük bir seviyeden
yavaşça arttırılırsa , tetikleme ilk olarak uygulanmış dalga şeklinin tepesinde meydana gelir
.Işıklandırmadaki daha fazla artış , tetikleme noktasını ,uygulanmış dalganın başlangıcına
doğru getirecektir.
Tipik ışık hassasiyeti , kapıdan katota direnç ile ters orantılıdır. Kapı katot direncinin amacı J1
çevresindeki akımı bypass etmek içindir . Böylece elemanın hassasiyetini azaltmak için n-p-n
transistör bölgesinin kazancı da azalmış olur.Isıya duyarlı dirençlerin (termistörlerin) , kapı
katot arasında kullanımı veya bir ileri gerilimli silisyum diyodu + direnç ağının kullanımı ,
hassasiyetteki değişimlere karşı bazı derecede sıcaklık kompanzasyonu sağlayabilir. Bununla
birlikte , hassasiyet üzerindeki sıcaklık etkisi , bir elemandan diğerine farklılık gösterebilir.Bu
nedenle ,çalışma sıcaklık sahası üzerinde ışık hassasiyet sabitini koruyan sıcaklık
kompanzasyonu sağlamak için genel bir kural elverişli değildir.
BAZI FOTOTRİSTÖR UYGULAMALARI:
Şekil 3.4. Fototristör Işık Anahtarı
32
Yukarıdaki devre (şekil 3.4 (a)), fototristörün üzerine ışığın düşmesi yolu ile bir lambanın
yakılmasıyla fototristörün bir ışık dedektörü ve güç rölesi olarak kullanımını gösterir.Kaynağın
her pozitif yarım dalgasında , fototristör ışıklandırıldığında iletime geçer ve lamba veya yük
güçlenir.Işıklandırma biterse , lamba söner . Kapı direnci RS ,fototristörün çalışmasını
dengelemek ( stabilize etmek ) için gereklidir.Bunun nedeni , eleman yüksek kazançlı bir
eleman olması ve bir açık devre kapı ile kaynaktaki gerilim dalgalanmalarında istenmeyen
tetiklemenin meydana gelebilmesidir. Kapı direnci , elemanın hassasiyetini azaltıcı olarak
görev yapar emniyetli ateşleme karakteristiklerinin elde edilmesini sağlar.
Eğer ışıkla büyük bir yük kontrol edilecekse , aşağıdaki devre kullanılır(şekil 3.4 (b)).
Burada, ana yük akımını geçiren iki yüksek güç tristörü için fototristör kapı akımını kontrol
eder.
ASİMETRİK TRİSTÖR (ASCR)
Bazı uygulamalarda , özellikle bazı kıyıcı ve inverter devrelerinde tristörün kapama
yönündeki gerilimleri tutması istenmez ve tristöre ters paralel bir diyot bağlanır.
Asimetrik tristörlerin , temel belirgin karakteristiklerinden biri , önemli geri gerilimleri
tıkamamasıdır .Bu gerilim değeri sınırlı , küçük bir değerde tutulmuştur. Böylece iletime
geçme zamanı , iletimden çıkma zamanı ve iletimdeki gerilim düşümü azaltılmıştır.. 400-2000
V arası geçirme yönünde tutma yeteneğine sahip olacak şekilde tipik olarak tasarlanırlar.Geri
gerilimi 20 V’ un altında tutan ters paralel geri besleme doğrultucularına ihtiyaç duyan birçok
gerilim beslemeli inverter devresinde uygulama bulur.1500 V’ luk bir asimetrik tristörün
iletimden çıkma zamanının tipik değeri 10-15μs’ dir . Halbuki bu değer normal bir tristörde 2030μs mertebesindedir.
Şekil 4.1.Simetrik ve Asimetrik Tristör Yapıları
Şekil 4.1 , ASCR’ nin ana yapısını ,sıradan bir
tristörle karşılaştırır. Ana fark , n bazı ve p+
anodu arasında bir n tampon tabakasının ilave
edilmiş olmasıdır. Tampon n tabakası bir “ alan
durdurucusu “ gibi davranır ve n baz bölgesinin
sıradan bir tristörün genişliğinin yarısına
indirilmesine izin verir. Tristör üzerindeki
gerilim ( d2/Dτ ) ‘ye bağlı olduğu için –burada d
, n bazı genişliği ; D , difüzyon katsayısı ; τ ,
azınlık taşıyıcı ömrüdür ki – aynı ileri düşümü
sürerken d ‘yi yarıya indirmek ömrün 4 kat
azalmasına izin verir . Şekil 4.2 ‘de bir 1200 V
simetrik ve asimetrik tristör için serbest kalma
zamanı tq’ya karşı tipik ileri gerilim düşümü
karşılaştırılmıştır.Buna göre , yukarıda
anlatılanlar , şekil 4.2’de gösterilen kapama
süresindeki %50’lik veya daha fazla bir
gelişmeyi açıklar. Daha ince n bazı genişliği
geçirme süresince di/dt yeteneğini düzeltir
çünkü yayılma hızı , n bazı genişliği ile ters
orantılıdır.
33
Şekil 4.2. 1200 V Asimetrik ve Simetrik Tristör İçin Tipik İleri İletme Geriliminin Serbest Kalma
Zamanına Oranı.
Normal tristörler tıkama yönünde zorlanmazlar fakat ASCR’lerin diğer özellikleri daha iyidir.
Asimetrik tristörlerin özel bir tipi RCT ‘dir.RCT , bir p-n-p-n yapısına sahiptir (şekil 4.3).
Şekil 4.3.Ters Paralel Diyot ile Bir RCT Yapısı.
Eleman genelde aynı yarı iletken yapı içindeki ters paralel bağlı n1p2 diyodu ile tasarlanır.
Böylece normal tristörün ters tutma özelliği kaybettirilmiştir , soğutucu elemanları miktarı
azalmıştır ve bulunduğu devre daha az elemandan oluşmuş olacaktır.Ayrıca bu şekilde bir
kullanımla ,tristörle diyodun oluşturduğu kapalı devrenin kaçak endüktansının istenmeyen
etkisi ortadan kaldırılmıştır.
J1 ve J3 jonksiyonlarının her ikisinin de geri tutma yeteneği yoktur.
STATİK ENDÜKSİYON TRİSTÖRÜ (SİTH)
Statik endüksiyon tristörü , güç alan tristörü (Field Controlled Thyristor) olarak da anılır.GTO
gibi kontrol edilerek iletime sokulup çıkarılabilir.Bu elemanın yapısı şekil 5.1’de
gösterilmiştir.Bu elemanın tasarımı, fabrikasyonu ve karakteristiği , onu yüksek akımların
yüksek hızdaki anahtarlanmasında kullanılması maksadıyla yapılmıştır. (Normalde kapalı tip
statik endüksiyon tristörü için)Eleman çipinin büyüklüğü 7 ve 10 mm2 ‘ dir ; 9000 kanal içerir
ve bu kanalların her biri 1,5μm genişliğinde ve 250μm uzunluğundadır . Bu tip elemanın
fabrikasyonunda çift LOCOS tekniği kullanılmıştır.100 A gibi bir değerde 1,2 V değerinde bir
34
düşük ileri gerilim düşümü meydana gelir . Düşük kayıplar ,yüksek anahtarlama hızı gereken
ve yüksek güçlü uygulamalarda tercih edilebilir.
Şekil 5.1. Statik Endüksiyon Tristörünün Yapısı ve Gerilim Kontrollü Triyoda Benzeyen Elektriki Çıkış
Karakteristikleri.
SİT ’in kapı katot arası gerilimi sıfır olduğu için SİT , normalde iletimde olan bir elemandır .
Bu durumda çoğunluktaki taşıyıcılar , katot ve anot arasında akar ve kanal direnci elemanın
uçları arasında bir gerilim düşümüne neden olur.Eğer kapı katot arası gerilim negatif yapılırsa
büyük bir ön gerilim oluşur ve kanal tamamen akımı keser .SİT normalde iletimde olduğundan
anot gerilimi pozitif yapılır ve kapı ucu da açık bırakılırsa SİT diyot gibi davranır.
SİT ‘in yüksek hızda çalışabilmesi için negatif anot gerilimlerini tutma özelliği verilmemiştir
. Ayrıca yüksek anahtarlama hızları elde etmek için kuyruk akımı süresi azaltılabilir.Eğer bu
işlem gerçekleştirilirse iletimdeki gerilim düşümü artacaktır.
İletimden çıkma karakteristiği GTO ‘ya benzer . Negatif kapı akımı büyüktür ve anot
devresinden bir kuyruk akımı geçer.GTO ‘ya göre iletimdeki gerilim düşümü daha fazladır.
di/dt ve du/dt değerleri daha yüksektir.Anahtarlama frekansı daha yüksektir.Güvenli çalışma
bölgesi daha elverişlidir.
Bu elemanların fabrikasyonu , n tipi silisyum ince tabakadan yola çıkılarak yapılır ve bu
tabakanın bir tarafında p+ anot bölgesi düzenlenir . n+ katodu ve p+ bölgeleri zıt yüzeyde
oluşturulur .Güç JFET ’ lerinde olduğu gibi , p+ kapı bölgeleri ,n+ katot bölgelerini tümüyle
çevirmelidir çünkü SİT’in ileri tıkama yeteneği JFET’ te olduğu gibi elde edilir (anot akım
geçişini önlemek için n+ katodu altında bir potansiyel bariyer oluşturmak için , uygulanan bir
negatif kapı gerilimi kullanılır).Bununla birlikte , geçirmede , p+ anot bölgesinin varlığından
dolayı , SİT’in çalışması JFET’ten önemli derecede farklıdır . Elemanın akım iletme süresince ,
bu p+ bölgesi , çok yüksek bir konsantrasyondaki azınlık taşıyıcılarını n birikme tabakasına
enjekte eder . Bu , n birikme tabakası direncini ciddi bir şekilde azaltır ve SİT ‘in GTO ‘dakine
benzer yüksek akım yoğunluklarında çalışmasına izin verir . SİT ‘deki p+ anot jonksiyonu J2 ,
bu elemanlarda bu elemanlarda geri tıkama yeteneğini de sağlar.Bu elemanların n birikme
tabakası ,GTO ‘nun kullanımına benzer bir şekilde dizayn edilmelidir (kapı ve anot bölgeleri
arasında oluşmuş olan açık baz p-n-p transistöründen dolayı).
İlk SİT elemanlarının çok düşük tıkama kazançları vardı ( 5’ten küçük ) .Kapı yapısındaki
gelişmeler , elemanların 50 ‘nin üstünde kapama kazancına sahip olmalarına neden olmuştur.
35
Bu elemanların avantajları , yüksek bir ileri iletme akım yoğunluğu (GTO ‘dakine benzer
olarak) ve bir yenileyici 4 tabakalı yapının bulunmayışıdır.Bu yapının bulunmayışı , SİT ‘in
GTO ‘nun dv/dt ‘sinden daha fazla (yaklaşık 10 kat ) dv/dt ‘de çalışmasına izin verir.Bu
elemanlar , daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilirler ve daha iyi bir radyasyon toleransı
sergilerler.Bunların güç anahtarlama uygulamalarındaki kullanımı , onların normal geçirme
karakteristikleri tarafından azaltılmıştır.
SİT , endüksiyonla ısıtma , yüksek frekans ara devreli DC-DC konverterler , aktif güç şebeke
düzenleyicileri , statik VAR kompanzatörleri ve gürültüsüz PWM inverterli tahrik sistemleri
gibi uygulamalarda kullanılır.
FET KONTROLLÜ TRİSTÖR
FET kontrollü tristör , normal bir tristörün anot ve kapı uçları arasına bir MOSFET ‘in paralel
bağlanmasından meydana gelir .MOSFET ’in kapısına bir gerilim uygulanmasıyla FET-CTH
iletime geçirilir.MOSFET’in kapısına tipik değeri 3 V olan bir gerilim uygulandığında , anot ve
katot arasındaki gerilim tristörün kapı devresinden akım geçmesine neden olur ve FET CTH
tetiklenir .GTO ‘daki gibi kapıdan kesime sokulma yeteneği yoktur .Anahtarlama hızı,kritik
akım ve gerilim yükselme hızları yüksek değerdedir.Giriş empedansı bakımından bir MOSFET
, iletimdeki gerilim düşümü bakımından da bir tristör gibi davranır . Bu eleman , bir entegre
devre vasıtasıyla optik olarak da tetiklenebilir.Böylece kontrol devresi ve yüksek gerilimli an
akım devresi arasında tam bir elektriksel izolasyon sağlanmış olur.
Şekil 6.1. FET Kontrollü Tristörün Eşdeğer Devresi .
MOS KONTROLLÜ TRİSTÖR (MCT)
MCT , güç elemanlarını yeni bir sınıfıdır . MOS ve tristör elemanlarının optimal bir şekilde
birleştirilmesine dayanır .Birbirinin aynı binlerce mikro hücrenin aynı çip üzerinde paralel
bağlanmasıyla oluşturulur. Davranışı bakımından GTO ‘ya benzer . Bu sınıftaki elemanlar
,yapılarındaki tristör nedeniyle kilitlenme özelliğine sahiptir ve tristörden ayırt edilemez bir
36
biçimde geçirme ve tıkama durumlarında çalışır . MOS kapısına bir gerilim uygulanmasıyla
tıkamadan geçirmeye ve geçirmeden tıkamaya sokularak anahtarlanabilir .Uygulama da büyük
du/dt değerlerinden dolayı istenmeyen iletime veya kesime geçme olaylarını engellemek için
kapılarına sinyal uygulanmaya devam edilir. Böylece , eleman , son derece düşük ileri gerilim
düşümü (yapılarındaki tristörden dolayı) , yüksek darbe akımı yeteneği sergiler .
Anahtarlama hızı , GTO ‘larla karşılaştırılırsa benzerdir ve diğer bipolar elemanlarda olduğu
gibi , başlıca , taşıyıcı tekrar birleşme zamanı , eleman kalınlığı ve kapama di/dt değerine
bağlıdır. Anahtarlama süreleri tipik olarak 1μs mertebesindedir.
Bir yapı içinde iki MOSFET , bir tristörden oluşur. Bu MOSFET ‘lerden bir ON-FET , diğeri
de OFF-FET ‘tir. ON-FET , MCT ‘yi iletime sokmaya ,OFF-FET de iletimden çıkarmaya
yarar.
İki tip MCT vardır.Bunlar P-MCT ve N-MCT’dir.Her iki tipin de statik akım gerilim
karakteristikleri prensip olarak GTO ‘ya benzer.
MCT’yi iletime geçirmek için , ON-FET iletime geçirilir.Bu anda , OFF-FET kesimde
tutulur.Bir P-MCT’de ON-FET’İ iletime geçirmek için yani MCT’yi iletime geçirmek için
kapısına , anoduna göre negatif bir gerilim uygulanır.Anoduna göre pozitif bir gerilim
uygulanırsa kesime geçer.Bu gerilim yaklaşık olarak –7 V olursa yeterlidir.Bu gerilimin üst
sınırı –20 V ‘ tur . Anoda göre pozitif gerilim kapıya uygulandığında eşdeğer devredeki n-p-n
transistörün tabanından akım geçer ve bu transistör iletime geçer.N-p-n transistörün kollektör
akımı p-n-p transistörün tabanından geçer ve böylece p-n-p transistör de iletime geçerek MCT
kilitlenir.MCT iletimde iken kapısına aynı gerilimin uygulanmasıyla istenmeyen kesime geçme
engellenir.
Şekil 7.1. (a) P-MCT ‘nin Eşdeğer Devresi ,
(b) Sembolü.
Şekil 7.2. (a) N-MCT’nin Eşdeğer Devresi
(b) Sembolü.
Güvenli bir kesim için kapıya uygulanacak pozitif gerilimin en az +10 V olması gerekir.Bu
gerilimin yükselme hızının yeteri kadar hızlı olmalıdır . Bu değer 200 ns ‘den küçük olmalıdır.
Böylece iletimden çıkma sırasındaki istenmeyen akım yığılmaları engellenmiş olur.
Bu olay N-MCT’de tam tersi şekildedir.Yani anoduna katota göre pozitif bir gerilim
uygulanırsa iletime;negatif bir gerilim uygulanırsa kesime geçer.
P-MCT’ nin maksimum kontrol edilebilir anot akımı N-MCT ‘nin değerinin yaklaşık 3 katıdır
(Maksimum kontrol edilebilir anot akımı OFF-FET ‘in karakteristiğine bağlıdır).Anot katot
gerilimi büyük değerler aldığında bu akım değeri azalır.
N-MCT’yi kesime geçirmek için , MCT kapısına pozitif gerilim uygulanır ve böylece p
kanallı OFF-FET iletime geçer.Eşdeğer devredeki n-p-n transistörün taban emiter arası kısa
devre olmuştur.Sonuçta bu transistör taban akımı OFF-FET’ten geçmeye başlar.Transistör
37
iletimden çıkmaya meyleder.N-p-n transistörün akım kazancı çok düşük değerlere inince
kilitlenme olayı gerçekleşmez ve tristör iletimden çıkar.
KAYNAKLAR:
 Modern Power Electronics , Evolution , Technology , and Applications, Edited by B.K.Bose.
 Solid State Electronics , George B.Rutkowski , 3rd Edition .
 SCR Manual , İncluding Triacs and Other Thyristors , 6.Edition , General Electric ,Prepared by
Application Engineering Centers , Auburn .
 Electronic Devices , 3rd Edition,Conventional Flow Version ,Ronald J. Tocci,Monroe
Community College ,Charles E . Merril Publishing Company.
 Modern Power Electronics , Converters ,Applications , and Designing ,Ned Mohan ,Torc
M.Undeland,William P.Robbins.
 Power Transistors=Device Design and Applications Edited by B.Joyant Baliga,Dan Y.Chen.
 Semiconductors and Electronic Devices , 3rd Edition , Adir Bar.Lev , Technion-Israel
Institution of Technology , Prentice Hall.
 IEEE Transactions On Electron Devices , VOL. ED-33,NO=10,OCTOBER 1986.,”MOS
Controlled Thyristors-A New Class Of Power Devices”.
 IEEE Transactions On Electron Devices , VOL.36,NO=6,JUNE 1989,”Design Considerations
For Large Current GTO’s”.
 Power Semiconductor , Milan Kubát ,Springer –Verlas , New York ,1984.
 Integrated Circuits and Semiconductor Devices ,Theory and Application ,Gordon J.
Debou,Clifford N. Burrovs.
 IEEE Transactions On Electron Devices , VOL. ED31,NO=11,NOVEMBER,1984.,”Evolution
Of Power Device Technology”(Bipolar Power Devices,ASCR,GTO).
 Thyristors ,Theory and Applications ,R. K.Sugandhi.
 Semiconductor Devices and Circuits , Charles L. Alley & Kenneth W. Atwood,Electrical
Engineering Department ,University of Utah ,Salt Lake City ,Utah.
 Semiconductors,Hannoy N.B.,Reinhold Publishing Corporation , New York;
 Principles Of Semiconductor Device Operation , John Wiley&Sans , Janscher , New York .
ÖZEL TRİSTÖRLER ......................................................................................................................................... 1
38
TRİYAK......................................................................................................................................................... 1
Sembol ............................................................................................................................................................... 2
GTO TRİSTÖR ............................................................................................................................................ 15
FOTOTRİSTÖR (LASCR) ............................................................................................................................... 29
STATİK ENDÜKSİYON TRİSTÖRÜ (SİTH) .................................................................................................. 34
FET KONTROLLÜ TRİSTÖR ......................................................................................................................... 36
MOS KONTROLLÜ TRİSTÖR (MCT) ............................................................................................................ 36
39