SELÇUK ÜNİVERSİTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ 1202715-GÜÇ ELEKTRONİĞİ LABORATUVARI DENEY FÖYÜ DENEY NO:1 DENEYİN ADI :TRİSTÖR TETİKLEME DEVRELERİ DENEYİN AMACI : Bu deneyde AC ve DC gerilimler altında tristörün davranışı ve tetiklenmeleri incelenecektir. gate akımı, tristörün durdurulması, anot-katod gibi tristöre özel kavramların öğrenilmesi ve tristörün anahtar olarak kullanılması bu deneyin amaçları arasındadır. DENEY HAKKINDA TEORİK BİLGİLER: TRİSTÖRLER ABD’de 1957 yılında çok katmanlı yarı iletkenler üzerinde yapılan deneyler General Electric şirketi tarafından prototip bir güç elemanın üretimiyle sonuçlandı ve adına tristör denildi. Tristör, SCR ya da doğru akım şalteri olarak da bilinir. Tristörler, güç elektroniği alanında yeni bir çağın başlangıcı olarak kabul edilebilir. Tristörlerin - Boyutlarının küçük olması, - Hafif olması, - Açılıp kapatılması esnasında ark oluşturmaması, - Güç harcamalarının düşük olması, - Sökülüp takılmalarının kolay olması, - İletime girme ve iletimden çıkma sürelerinin kısa olması, - Bakım gerektirmemeleri, gibi avantajları, uygulamada giderek artan bir oranda kullanılmalarına sebep olmuştur. Tristörlerin popülaritesinin artmasından sonra değişik uygulamalar ve ihtiyaçlara uygun tristörler imal edilmiştir. Böylece tristör tek bir elemanın değil, -Silikon kontrollü doğrultucu (SCR), -Yükseltici kapılı tristörler -Hızlı anahtarlamalı tristörler -Kapıdan tıkanabilen tristörler (GTO) -Ters iletimli tristörler -Statik indüksiyon tristörleri Yrd. Doç. Dr. Ramazan AKKAYA SELÇUK ÜNİVERSİTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ 1202715-GÜÇ ELEKTRONİĞİ LABORATUVARI DENEY FÖYÜ -Işık ile aktif olan tristörler (LASCR) -FET kontrollü tristörler -Triyaklar gibi çeşitli güç elemanlarının oluşturduğu ailenin genel adı olmuştur. SİLİKON KONTROLLÜ DOĞRULTUCULAR Üretilen ilk tristör tipi olduğu için SCR ile tristör eş anlamlı olarak kullanılmaktadır. Şekil 1 tipik bir tristörün silisyum katmanlarını ve doping miktarını göstermektedir. Görüldüğü gibi 4 adet farklı doping miktarlarına sahip silisyum katmanı ve bu katmanların en incesinden çıkarılmış bir kapı(gate) ucu vardır. p1 ve n2 bölgelerinin konsantrasyonu (doping miktarı), n1 ve p2 bölgelerine göre daha yüksektir n1 bölgesi hem daha geniştir hem de konsantrasyonu daha düşüktür böylece düz veya ters yönde yüksek tıkama kapasitesi elde edilir Şekil 1 Tristörün yapısı . Yrd. Doç. Dr. Ramazan AKKAYA SELÇUK ÜNİVERSİTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ 1202715-GÜÇ ELEKTRONİĞİ LABORATUVARI DENEY FÖYÜ SCR’NİN ÇALIŞMASI Tristörün çalışmasını açıklamak için en uygun yöntem transistör karşılığını çizip bu şekil üzerinde çalışma prensibini açıklamaktır. Şekil 2a’daki 4 katmanlı tristörün orta iki katmanını şekildeki gibi bölersek ortaya PNP ve NPN olan iki transistör çıktığını görebiliriz. Transistörlerin bağlantısı ise şekil 2b’deki gibi olacaktır. Böyle bir eşlenik devre istenirse, iki eşlenik transistör ile bord üzerinde de kurulup tristör gibi çalıştığı gözlenebilir. Tristörler hakkındaki bilgiler, bu model kullanılarak açıklanabilir. (a) (b) Şekil 2. (a) Tristörün yapısı, (b) transistör eşdeğeri Öncelikle transistörlü yapıdan akımın sadece tek yönde akabildiği (anottan katoda doğru) anlaşılmaktadır. Bu yüzden tristörlere DC şalteri denir. Tristörler sadece doğru akımda kullanılır demek yanlış olur. AC akımda da kolayca kullanılabilir. Şekil 2b’deki modelin anot-katod uçlarına enerji verildiğinde devreden bir akım akması düşünülmez. Ancak aşağıdaki şartlarda; kapısına bir tetikleme sinyali uygulanmasa bile tristörler kendiliğinden iletime girer ve akımı geçirir. 1. Model devre üzerindeki gerilimin seviyesi yüksek değerlere çıkartılır ise emitörden kollektöre akan bir sızıntı akımı oluşacaktır. Bu akım Q2 transistörünün beyz akımı olduğundan Q2 bu akımı kazancı kadar artırıp kendi Ic2 akımını oluşturacak ve bu akım Q1’transistörünün beyz akımı olduğundan bu değeri Q1 transistöründen tekrar kuvvetlendirerek Q2’nin beyzine gelecektir. Bu döngü birbirlerini tetikleyen pozitif Yrd. Doç. Dr. Ramazan AKKAYA SELÇUK ÜNİVERSİTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ 1202715-GÜÇ ELEKTRONİĞİ LABORATUVARI DENEY FÖYÜ olaylar zincirinin bir halkasıdır. Sonunda transistörler hiç bir beyz akımına gerek duymadan iletime geçecektir. Bu gerilim seviyesi, tristörlerin çalışmasını belirleyen limit değerdir ve devrilme (breakdown ) gerilimi olarak bilinir. Tristör, bu limit değerine yakın çalıştırılmamalıdır. 2. Devreye uygulanan gerilim seviyesinin 1’de anlatılan limit değerlere yakın olmayan uygun bir gerilim değeri olduğunu varsayalım dolayısı ile tristörün kendiliğinden iletime geçme problemi olmayacaktır. Şimdi modeli çevre sıcaklığının yüksek olduğu bir ortama koyalım. Bu durumda transistörlerin ısınmasına bağlı olarak sızıntı akımı oluşacak ve oluşan bu akım yine Q1 ve Q2 transistörleri ile kuvvetlendirerek pozitif bir döngü oluşturacak ve Tristör iletime geçecektir. Buradan çıkan sonuç, tristörün de çevre sıcaklığına (bundan kasıt gövde sıcaklığıdır) bağlı bir karakteristiğinin olduğudur. Tristör uygulamalarında ısınma söz konusu ise mutlaka yeterli miktarda soğutma sağlanmalıdır. 3. Transistörlerin yüksek frekans eşdeğerleri çizildiğinde pinler arasında kapasitif değerler oluşacaktır. Özellikle kolektör-beyz arasında kazançla çarpılan yüksek değerde bir sanal kapasite vardır. (Transistörlerin ortak emitörlü ve açık çevrim olarak bağlı oldukları transistör bilgilerimizden dikkate alınır ise bu kapasite göz ardı edilemez) Transistöre dV/dt oranı yüksek bir gerilim uygulanır ise bu darbe transistörlerin beyzlerine yansıyacak ve transistörlerin iletime geçmesine sebep olacaktır. Buradan çıkan sonuç tristörlerin dV/dt’ye bağlı bir limit parametrelerinin olduğudur. Özellikle güç elektroniği uygulamalarında bu durum dikkate alınmalı ve snubber devreleri ile tristör korunmalıdır. Yukarıda anlatılan 3 madde için tristörlerin sınırlayıcı parametreleri vardır ve tristörlerin yukarıdaki nedenlerle ile iletime geçmeleri istenmez. TRİSTÖRÜN İLETİME SOKULMASI Tristörleri iletime sokmak kesime götürmekten çok daha kolaydır. Bir tristör iletime geçtiği zaman tamamen yük akımını üzerine alır. Tristörün iletime geçmesi için sadece bir başlangıç kapı akımı yeterlidir. İletime geçmiş bir tristör için ikinci bir kapı akımının bir anlamı yoktur veya ters kapı akımı ile kesime sokulamazlar. İkinci bir önemli nokta, kapı akımının katoda göre daha pozitif bir değerde olması gerektiğidir. Yrd. Doç. Dr. Ramazan AKKAYA SELÇUK ÜNİVERSİTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ 1202715-GÜÇ ELEKTRONİĞİ LABORATUVARI DENEY FÖYÜ Anot katoda göre negatif iken tristörler tetiklenemezler. Tristörlerde önemli olan husus tristörün arzu edilen anda iletime geçmesinin sağlanmasıdır. Tristörler için yatay ve dikey tetikleme olarak 2 tür iletime sokma yönteminden bahsetmek mümkündür. SCR’NİN ANAHTARLAMA TEPKİSİ SCR'lerin anahtarlama tepkisi yarı iletken diyot ve transistörlere çok benzer şekil 2 bir SCR'ni iletime geçmesini gösteriyor anot katot gerilimi VAK gate e akım uygulandıktan sonra düşmeye başlar. Anot akımı Ia yükün empedansına göre belli bir oranda yükselir. Bu esnada harcanan ani güç P= VAK *Ia olur bu gücün büyüklüğü güç eğrisi altında kalan alan ile doğru orantılıdır Şekil 3. Tristörün açma zamanına ilişkin tepki grafiği İletime geçen bir SCR toplam anahtarlama zamanı şekil 3 deki gibidir t d gecikme zamanı ile tf düşme zamanının toplamıdır. Gate sinyalinin artması gecikme zamanını azaltsa da düşme zamanı üzerinde bağıl olarak küçük bir etkiye sahiptir. Düşme zamanı esnasında anot katot gerilimi başlangıç değerinin (düz yön tıkama geriliminin) %90'ından %10'una düşmesi için gereken zamandır. Dikey tetikleme: Bu tip tetiklemede tristör düz polarmalı iken iletime geçebilmesi için kullanılan kumanda akımının yüksekliğine bağlı olarak gate devrilme geriliminin değişmesi özelliğinden faydalanılır. Yrd. Doç. Dr. Ramazan AKKAYA SELÇUK ÜNİVERSİTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ 1202715-GÜÇ ELEKTRONİĞİ LABORATUVARI DENEY FÖYÜ Şekil 4.’deki devreyi kurunuz. Devrenin geyt tarafına DC 15 volt ile veya kesikli çizgi ile belirtilen yolu da kullanarak 220 volt üzerinden çalıştırabilirsiniz. 220 volt için yalıtılmış bir kaynak kullanınız ve osilaskop kullanırken aynı anda farklı GND noktaları kullanmayınız. 220 volt yalıtım transformatöründen önce ototrafo kullanınız.Ototrafoyu 110 volta ayarlayınız ve devreye enerji veriniz. Potansiyometreyi sağa sola çevirerek lambanın yandığını gözleyiniz. Şimdi potansiyometre ile lambanın yanma noktasına getiriniz. (lamba sönük olacak). Daha sonra ototrafo üzerinden gerilim arttırınız ve lambanın yandığını gözleyiniz. Aynı şekilde gerilimi tekrar 110 Volta ayarlayınız ve bu defa tristörün gövdesini bir kibrit veya çakmak gibi harici bir elemanla ısıtınız aynı şekilde lambanın yandığını gözleyiniz. SONUÇ: Bu şekilde tasarlanmış bir tetikleme tristör tetikleme düzeneği arzu edilemez. Gerilim dalgalanması veya ısınma gibi problemler ortaya çıktığında tristör kontrol edilememektedir. Şekil 4 Tristör dikey tetikleme devresi Yatay tetikleme: Yatay tetikleme ile tristörün daha emniyetli tetiklenmesi sağlanmıştır. Yatay tetikleme ile tristörün tetiklenmesi istendiği anda gate’ine bir pals vererek tristörün iletime geçmesi Yrd. Doç. Dr. Ramazan AKKAYA SELÇUK ÜNİVERSİTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ 1202715-GÜÇ ELEKTRONİĞİ LABORATUVARI DENEY FÖYÜ sağlanır. Şekil 5 Bir tristör için gate ucunun boşta veya bir dirençle katoda çekilmesi (pulldown) gate devrilme gerilimini etkiler. Bundan dolayı yatay tetikleme daha emniyetlidir. Şekil 5 tristörün istenen açıda bir pals ile tetiklenmesi Şekil 6.’daki devreyi kurunuz ve ototrafo ve yalıtım transformatörü üzerinden 220 volt uygulayınız. potansiyometre ile lambanın parlaklık ayarını yapabildiğinizi gözleyiniz. Yarıparlak durumda iken tristörü ısıtınız ve parlaklığın kayda değer şekilde değişmediğine dikkat ediniz. Şekil 7 Tristör yatay tetikleme devresi Devreye ilk enerji verildiğinde kondansatör 39K direnç ve pot üzerinden dolmaya başlar. Tetikleme açısına gelindiğinde tristör iletime geçer ve AC gerilim sıfır noktasından Yrd. Doç. Dr. Ramazan AKKAYA SELÇUK ÜNİVERSİTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ 1202715-GÜÇ ELEKTRONİĞİ LABORATUVARI DENEY FÖYÜ geçinceye kadar tristör alternans boyunca iletide kalır. Bu arada kondansatörde pot’a paralel bağlı diyot üzerinden boşalır. Peşinden gelen + alternans boyunca olaylar tekrar edilir. Böylece tetikleme açısı sürekli yenilenir. TRİSTÖRÜN DURUDURULMASI: Tristörlerin iletim durumundan kurtulmaları tetiklenmeleri kadar kolay değildir. tristör iletime girdikten sonra gate üzerinden kontrol edilemez. tristörün belki de en büyük handikaplarından biri budur. bir çok kullanıcı gate’inden durdurulabilen bir tristör hayal etmiştir. zaten daha sonraki yıllarda da GTO adında gate’inden durdurulabilen bir ileri nesil tristörler de piyasaya çıkmıştır. tristörü bir kaç şekilde durdurmak mümkündür. Şekil 8. tristörü durdurma metodları Şekil 8’de 3 adet durdurma yöntemi gösterilmektedir. 3 yöntemin ortak yanı bir şekilde anot akımının kesilmesi veya anot akımının ters bir akım kaynağı ile tıkanması prensibine dayanmasıdır. ileride karşımıza çıkacak tüm tristör durdurma devrelerinin de ortak yanı bu iki felsefeden biri olacaktır. tristör durdurma yöntemi tristörün kontrol ettiği yüke bağlı olarak değişebilir. örneğin bir kaç 100 watt mertebesindeki güçler için şekil 8’deki a ve b uygulamaları tercih edilebilir ama kilowatt düzeylerindeki güçler için şekil 8c’deki uygulamanın ileri versiyonlarını kullanmak gerekir. aşağıda bir kaç tristör durma devresi vardır.bu devreleri sıra ile çalışma prensiplerini açıklayalım. Yrd. Doç. Dr. Ramazan AKKAYA SELÇUK ÜNİVERSİTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ 1202715-GÜÇ ELEKTRONİĞİ LABORATUVARI DENEY FÖYÜ Şekil 9 tristör durdurulması ait devre devreye enerji verildiğinde T1 anahtarı ile tristör iletime geçirilir. tristör iletim durumunda iken C kondansatörü 4.7K üzerinden şarj olacaktır. C kondansatörünün alt ucu -, üst ucu + polarmadadır. T2 anahtarına basıldığında C kondansatörü iletken olan SCR üzerinden ve T2 üzerinden kısa devre olacaktır. ancak C kondansatörünün akımı tristör içinden geçen akıma zıt yönlü olduğu için tristörün akımını tıkayacaktır. eğer kondansatörün enerjisi tristörün kapanmasına yetecek kadar büyükse tristör kesime gider. kondansatör ise daha sonra yük üzerinden kalan enerjisini boşaltarak deşarj olur. aşağıdaki şekil daha büyük güçlü bir tristörün küçük b,ir yardımcı tristör ile durdurulmasının göstermektedir. S1 ile yük anahtarlanmakta ve C kondansatörü üst ucu + polarite olacak şekilde şarj olmaktadır. S2 anahtarına basıldığı zaman C kondansatörü iletimde olan T ve iletime geçirilen Ty üzerinden deşarj olmak isteyecektir. deşarj akımının yönü Ty nin anot akımı ile aynı yönlü olmasına rağmen T tristörünü tıkayacak yöndedir. dolayısıyla T tristörü kesime gider. ancak Ty hala ,iletimdedir. C kondansatörü bu sefer ters yönde şarj olarak alt ucu + potansiyele döner. Tekrar S1 anahtarına basıldığında Bu sefer Ty tıkanır ve T iletime geçer. Bu sistemde dikkat edilmesi S1 ve S2 anahtarlarına aynı basılmaması gerektiğidir. Şekil 10 Tristör durdurma devresi aşağıdaki devre ise yukarıda devrenin bir benzeri olup yukarıdaki devreye göre en büyük avantajı katodlarının aynı şase üzerinde ve –‘ye bağlı olmalıdır. böylece dijital devrelere Yrd. Doç. Dr. Ramazan AKKAYA SELÇUK ÜNİVERSİTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ 1202715-GÜÇ ELEKTRONİĞİ LABORATUVARI DENEY FÖYÜ uygulanması daha kolaydır. S1 anahtarına basıldığında T1 iletime geçer ve L1 lambası yanar. Bu anda C kondansatörü R üzerinden sol ucu -, sağ ucu + polarite olacak şekilde şarj olur. S2 anahtarına basıldığında C kondansatörü R,iletimde olan T1 ve iletime katılan T2 üzerinde deşarj olmak isteyecektir. deşarj akımı T1’ tıkayacak yönde olduğundan T1 durur. böylece iletime geçirilen T2 üzerinden L2 lambası yanar ve L1 lambası sönmüş olur. bu devreler daha çok flaşör türü devrelerde daha yaygın kullanılmaktadır. Şekil 11 Tristör durdurma devresi Son iki devrede dikkat edilmesi gereken C kondansatörünün polaritesi hangi tristörün iletimde olduğuna göre değişmektedir. bundan dolayı tasarımda nonpolar kondansatörler kullanılmalıdır. I : yük akımı C I.t q . s Uc Tq:tristör serbest kalma zamanı (1) s : emniyet katsayısı büyük yük akımlarında kondansatör tarafından temin edilen komütasyon akımı da bu akım değerine erişeceğinden bu devrede doğrudan S2’nin kullanılması imkansızdır. R direncinin seçiminde iki şart yerine getirilmelidir. a) S1 kapatıldıktan sonra, en kısa hangi süre içinde SCR açılacaksa bu süre içinde C kondansatörü takriben şebeke gerilimine kadar (0,988 Udc) şarj olmalıdır. Bu süreyi t1 ile gösterirsek, bu sürenin sonunda kondansatör gerilimi t 1 U c U dc 1 e r .C (2) bağıntısıyla belirlenir. Uc=0,98 Udc alınarak R direncinin en büyük hangi değerde olması gerektiği hesaplanabilir. Yrd. Doç. Dr. Ramazan AKKAYA SELÇUK ÜNİVERSİTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ 1202715-GÜÇ ELEKTRONİĞİ LABORATUVARI DENEY FÖYÜ b) Ty yardımcı tristörü tetiklendikten sonra akımın bir bölümü devresini artı kutup, Ty ve R üzerinden eksi kutba tamamlar. Ty’nin kendiliğinden sönebilmesi için bu yoldan geçen akım tutma akımından düşük olmalıdır. U dc I Hy , r , r U dc I Hy (3) Bu şartı yerine getirmek üzere hesaplanan değer R’nin alt sınırını belirler. DENEYİN YAPILIŞI: 1) I= 1,5 A , tq =100 s , s = 1,3 ve Uc =220 V için (1) bağıntısından yararlanarak söndürme kondansatörünün kapasitesini hesaplayınız ve şekil 1’deki bağlantıyı kurunuz. 2) Şalteri kapatmadan devreden geçen tristör pozitif kapama akımını ölçünüz. yük empedansını en yüksek değere ayarlayınız. ampermetreyi büyük akım kademesine alarak S1 butonuna basınız. Şalter kapatıldıktan sonra yük akımını ölçünüz. 3) S2 butonuna basarak şalteri açınız. Şalteri tekrar kapatınız ve yük empedansını küçülterek, akımı tristörün elverdiği kadar büyük değere ayarlayınız. S2 ye basınca söndürme kondansatöründe biriken yükün tristörü söndürmeye yeterli olmadığını görünüz. osiloskop girişlerini yük uçlarına ve tristör anot-katod uçlarına bağlayarak bu olayları inceleyiniz. 4) Yük empedansını değiştirerek akımı azaltınız ve her seferinde S2 ye basarak şalteri açmaya çalışınız. Şalterin açılabildiği yük akımını tesbit ediniz. 5) (2),(3) Bağıntılarında t1= 1 s , IHy =100mA koyarak r direncini hesaplayınız. S1 deki aynı kondansatörü kullanarak şekil 2 deki bağıntıyı kurunuz. kondansatörün uçlarındaki gerilimi ölçmek için kullanacağınız voltmetrenin içdirencinin mümkün mertebe büyük olmasına dikkat ediniz. 6) S1 butonuna basarak şalteri kapatınız ve yük akımını ölçünüz. bir süre sonra şalteri S2 butonuna basarak açınız. Ty nin söndüğünden emin olmak için tekrar şalteri kapatınız. kondansatörün uçlarındaki gerilim yükseliyorsa Ty sönmüş demektir. r direnci yerine büyük bir direnç (1 M) bağlayınız. şalteri kapatınız ve kondansatörün uçlarındaki gerilimin çok yavaş yükseldiğini gözleyiniz. çeşitli kondansatör gerilimlerinde S2 butonuna basarak şalteri açmaya çalışın. hangi Yrd. Doç. Dr. Ramazan AKKAYA SELÇUK ÜNİVERSİTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ 1202715-GÜÇ ELEKTRONİĞİ LABORATUVARI DENEY FÖYÜ gerilimde şalterin açılabildiğini tesbit ediniz. gerekirse şalteri açıp kapatarak deneyi tekrarlayınız. bu olayları osiloskopta inceleyiniz. 7) R’nin en küçük hangi değerde seçilebileceğini tesbit etmek üzere r yerine 1 kiloohmluk ayarlanabilir bir direnç kullanınız. tekrar kondansatörün uçlarına voltmetereyi bağlayınız. direnci yavaş yavaş azaltınız ve her seferinde şalteri açıp kapatınız ve kondansatör gerilimini izleyiniz. r yi küçültmeye devam ediniz ve nihayet Ty nin sönmediği r direncini beliryiniz. bu dirence rmin dersek, yardımcı tristör tutma akımının tam değerini ; I Hy U dc rmin (4) den hesaplayınız. DENEYLE İLGİLİ SORULAR: 1) Madde 4 için (1) bağıntısından s=1 için tristörün serbest kalma zamanını hesaplayınız. 2) Kondansatör yükü tristörü söndürmeye kafi gelmez ise ne olur? Bu sırada C kondansatörünü ve Ty nin durumlarını açıklayınız. 3) Tristör söndürülünce yükün uçlarındaki gerilim ve D diyodunun akımı nasıl değişmektedir? Diyot bağlanmazsa ne olur? Yrd. Doç. Dr. Ramazan AKKAYA