DENEY 23 Sıfır Gerilim Anahtarı

Transkript

1 DENEY 23 Sıfır Gerilim Anahtarı DENEYİN AMACI 1. Sıfır gerilim anahtarlamasının çalışma mantığını öğrenmek. 2. Sıfır gerilim anahtarı kullanılan AC güç kontrol devrelerini incelemek. 3. IC sıfır gerilim anahtarları uygulamalarını ve çalışmalarını incelemek. GİRİŞ Bir güç devresi açılıp kapatıldığında, girişim problemlerine neden olabilecek yüksek frekanslı bileşenler oluşur. Güç başlangıçta uygulandığında, gerilimin bir adım fonksiyonu devreye uygulanır, bu adım fonksiyonu devrede bir şok uyarma oluşturur. Rasgele anahtarın açılması akımı keser, ancak yine yüksek frekanslı bileşenler oluşturur. Bunlara ek olarak, endüktif bir devrede ters akımın kesilmesi, geçici bir yüksek gerilim endüklenmesine neden olabilir. Tristörlerin tutucu karakteristikleri, girişim problemlerini ortadan kaldırmak için idealdir. Çünkü bu elemanlar yükün güç faktöründen bağımsız olarak, yalnızca ON durumu akımları sıfıra çok yakın iken kesime gidebilirler. Diğer yandan, tristörler ile girişimsiz bir iletime geçme sağlanması için özel tetikleme devrelerine ihtiyaç vardır. Sıfır gerilimde enerjilendirildiklerinde genel amaçlı AC devrelerin minimum EMI (ElectroMagnetic Interference) ürettikleri deneysel olarak ispatlanmıştır. Bundan dolayı bir ac devre anahtarında; uçlarındaki gerilim sıfır iken kapanan ve üzerinden geçen akım sıfır iken açılan bir kontağı vardır. Bu anahtarlamaya sıfır gerilim anahtarlaması denir. Elektromanyetik Girişim (EMI: ElectroMagnetic Interference) Bir devrenin enerjilendiği yada enerjisinin kesildiği her seferde elektriksel dağılıma dikkat edilmelidir. Bir tristörün bir ohmik yükü enerjilendirdiği her seferde, yük akımı birkaç mikrosaniye içinde sıfırdan yükün çektiği akım değerine ulaşır. Bu tip dalga şekillerinin frekans analizi, sonsuz enerji spektrumunda genlik ile frekansın ters orantılı olduğunu gösterir. Faz kontrolünün kullanıldığı uygulamalarda, AM yayın bandı birçok girişimden etkilenir. Örneğin, Şekil 23-1 de gösterildiği gibi TV ve FM yayınları daha az etkilenir. Bu eğri, girişimin yarı-tepe değerlerini gösterir. Bu, radyo frekansı girişiminin iki temel tipinden biridir. Buna ek olarak, güç hatları radyasyon sorununu ortaya çıkarırlar. Tristörler ve EMI filtreleri kullanılarak akım döngülerinin fiziksel boyutlarının minimuma indirilmesi ile bu problemin etkisi en aza indirilebilir. Bu iki radyasyon tipine ek olarak, telefon girişimi ve akustik gürültüden kaynaklanan çeşitli sorunlar da vardır. Şekil 23-1 deki eğrinin en üst kısmı, anahtar 23-1

2 olarak tristör kullanılan bir filtrelenmemiş 600Watt lamba parlaklığı kontrol devresi içindir. Tipik bir mikser ve gürültülü bir fluoresan lamba girişim verileri de eğride verilmiştir. FM ve TV bandlarında tristörler diğer elemanlara göre ihmal edilebilir girişim değerlerine sahip olsa dahi, AM bandında girişim üretiminde tristör kontrolün yalnız olmadığı görülür. Şekil 23-1 Solid State Güç Anahtarlama Devreleri Girişim Eğrisi Filtreli dimmer devrelerinde, akımın yükselme hızını göstermek ve daha yüksek frekansları absorbe etmek için bir LC filtre bulunmaktadır. Büyük yükler için, bu filtreler sadece çok büyük ve pahalı olmakla kalmaz, aynı zamanda çok yüksek güç harcarlar, böylece sıfır gerilim anahtarlaması çok çekici bir alternatif haline gelir. Şekil 23-2, LC filtreli faz kontrolü ile iki adet senkron anahtarlanan devrenin davranışlarını karşılaştırır. 1MHz de, senkron anahtarlanan devrelerin gürültüsü filtreli faz kontrol devresinden daha küçüktür. Sürekli kapı işareti uygulanan triyak devrelerinin düşük frekanslarda daha üstün bir performans göstermesi dikkat çekicidir. DC kapı işareti triyak (yada SCR) nin sürekli iletimde kalmasını garanti eder, yani tutma akımı yetersiz olsa dahi iletimi kesmez. Anot gerilimi 5V den daha büyük iken darbe uygulansaydı, DC kapı işaretinin ürettiği girişim darbeli kapı işaretinden daha düşük olacaktı. Şekil 23-2, NEMA WD-2 girişim sınırı, hat gerilimi 5 volt civarına yükselmeden önce triyak yada SCR nin iletime geçmesi olarak belirlenmiştir. 23-2

3 Şekil 23-2 Filtreli Faz Kontrolü İle Sıfır Gerilim Anahtarlaması Gürültü Karşılaştırması Yarım-dalga Sıfır Gerilim Anahtarı Sıfır gerilim anahtarlaması tekniği, sıradan güç anahtarlama tekniklerinin dezavantajlarını en aza indirmek için kullanılmıştır. Şekil 23-3 te faz kontrolü ile sıfır gerilim anahtarlamasının bir karşılaştırması gösterilmiştir. Yukarıda da bahsedildiği gibi, ideal bir AC devre anahtarı, uçlarındaki gerilim sıfır iken kapanan, ve üzerinden geçen akım sıfır iken açılan bir kontaktan oluşur. Diğer bir deyişle, bir tristör bir AC devre anahtarı olarak kullanıldığında, iletim akımı yükselme hızının çok yükselmemesi için her bir yarım dalganın başında tristör iletime geçirilmelidir. AC gerilimin 5V yi geçtiği noktalar Tablo 23-1 de açı ve zaman cinsinden verilmiştir. (a) Faz Kontrol (b) Sıfır Gerilim Anahtarlaması Şekil 23-3 AC güç kontrol tipleri 23-3

4 Tablo 23-1 Voltage (RMS) 24V 115V 220V Frequency (Hz) θ( ) T(µS) θ T θ T Yarım-dalga Sıfır Gerilim Anahtarlaması Devresi Şekil 23-4, yarım-dalga sıfır gerilim anahtarlaması devresidir. Q1 transistörü kesimde iken, SCR1 deki pozitif anot gerilimi D3 ve R4 üzerinden bir kapı akımı akmasına neden olur ve SCR1 i tetikler. Q1 transistörü iletim yönünde kutuplanınca, R4 ten geçen akım SCR1 in kapısı yerine Q1 in kollektöründen akar. (a) İdeal yarım-dalga anahtarlama devresi (b) Gerilim dalga şekilleri Şekil 23-4 Yarım-dalga Sıfır Gerilim Anahtarlaması Devresi S1 anahtarının kontakları, Q1 i kontrol ederler. Kontaklar açık iken, güç kaynağının negatif yarım dalgası, R1 ve D1 üzerinden C1 kapasitörünü güç kaynağının tepe noktasına şarj eder. Ac güç kaynağı negatif tepe değerinden aşağı doğru inerken, C1 kapasitörü D2 ve R2 üzerinden deşarj olur, ve böylece Q1 e kesme yönünde kutuplama sağlar. Bu durum, ac güç kaynağı gerilimi negatiften pozitife geçerken SCR nin tetiklenmesine neden olur, böylece bir senkron kapama gerçekleşir. SCR nin tutma (latching) karakteristikleri, pozitif yarım-dalganın kalan kısmı boyunca SCR yi iletimde tutar ve yük akımı sıfıra ulaşınca devreyi senkron bir şekilde açmayı sağlar. Şekil 23-4(b) de gösterildiği gibi, rasgele bir A zaman aralığı süresince S1 anahtarının kontaklarının açık olmasına rağmen, SCR sadece tam yarım dalgalar için iletimde olur. 23-4

5 Kontrol kontakları kapatıldığında, negatif yarım dalga boyunca C1 kapasitörü şarj olmaz. Böylece SCR1 tetiklenmeden önce pozitif yarım dalganın başlangıcında Q1 doymaya geçer, ve pozitif yarım dalga süresince kontrol kontaklarının sıralı anahtarlamasından bağımsız olarak, o periyodun kalan kısmı için SCR1 e kapı akımı gitmez. Şekil 23-4(b) den, SCR iletimde iken yük geriliminin düzgün olarak yükseldiğini görebiliriz. Şekil 23-4(a) daki devrenin tasarımında altta belirtilen tasarım kriterleri göz önünde bulundurulmalıdır. (1) R4 direnci; anahtarlamanın oluşacağı yük geriliminin (tipik olarak 3~5V), SCR yi tetikleyecek maksimum kapı akımına bölümünden küçük olmalıdır. Bu gereksinim, SCR kapı tetikleme duyarlılığı karakteristiklerini ön plana çıkarır. 3V 3V R4 = = 15KΩ I 200µ A gt Minimum R4 değeri, Q1 in kollektör akım sınırına göre belirlenir. (2) R3 direnç değeri, C1 deşarj olmuş iken Q1 i doymada tutabilecek yeterli baz akımını sağlayabilecek değerde olmalıdır. 2N5172 elemanının akım kazancı 15 olarak kabul edildiğinde, R3 = 15xR4 220KΩ (3) R2 değeri R3 ten daha düşük olmalıdır. R2=47KΩ kullanınız. (4) R2C1 zaman sabiti, pozitif yarım dalgada da Q1 e kutuplama akımı sağlayacak kadar uzun olmalıdır, ve dolayısıyla yaklaşık olarak ½ f olmalıdır. 60Hz için, R C 8. 3mS 2 1 = 8.3mS C 1 = 0. 2µ F 47K (5) S1 kapatıldığından kontaklarından geçen deşarj akımını sınırlayan R5 direnci R1 e göre daha düşük olmalıdır. Böylece, kontrol kontakları kapalı iken C1 in şarj olması engellenir. R5=10KΩ kullanınız. 23-5

6 İki Transistörlü Anahtarlama Devresi Şekil 23-5, Şekil 23-4 ün değiştirilerek yeniden düzenlenmiş halidir. Bu devrede, Q2 transistörü sıfır gerilim geçişini algılar, Q1 transistörü ise bazı ile kollektörü arasına bağlanan S anahtarı ile SCR ye kapı işareti sağlar. S anahtarı, Q1 in bazı ile emetörü arasına bağlanarak ters lojik sağlanabilir, örneğin S anahtarı kapalı iken SCR1 in kesimde olması gibi. D1 ve D2 diyotları, Şekil 23-4 teki D2 ve D3 diyotlar ile aynı işlevi görürler, yani negatif yarım dalga boyunca düşük gerilim elemanlarını korurlar. D2 nin iletim jonksiyonu gerilim düşümü, Q1 yada Q2 iletimde iken SCR1 in tetiklenmesini engeller. Şekil 23-5 İki Transistörlü Sıfır Gerilim Anahtarlaması Devresi R1 değerinin belirlenmesinde üstte adım (2) de açıklanan kurallar geçerlidir. Burada da R1 in alt sınırı, Q2 transistörünün müsaade edilen baz akımı ile belirlenir. Q1 ve Q2 için darlington transistörler kullanılması daha büyük R1 ve R4 değerlerinin kullanılmasına imkan sağlar, ancak bu durumda bu tip transistörlerin yüksek doyma gerilimlerini kompanze edebilmek için kapı devresine bir diyot eklenmesi gerekecektir. Şekil 23-5 te kesik çizgilerle bağlanan devre integral çevrim kontrolü amacıyla yerleştirilmiştir. R2, R3 ve C ile SCR2, SCR1 e bağlanmıştır. Şekil 23-6 daki devre, arka arkaya bağlamada bir SCR nin diğer SCR nin uydusu olarak bir negatif yarım dalga başlangıcında tetiklemeye nasıl bağlanacağını gösterir. SCR1 tetiklendiğinde, C1 kapasitörü CR1 diyotu ve R1 direnci üzerinden şarj olur. Sonra R2 ve SCR2 nin kapısı üzerinden deşarj olur, ve böylece negatif yarım dalganın başlangıcında SCR2 ye iletim için gerekli kapı akımını sağlar. 23-6

7 Şekil 23-6 Negatif Yarım Dalga SCR Uydu Devresi PUT Sıfır Gerilim Anahtarlaması Şekil 23-7 de gösterildiği gibi bir PUT kullanılarak kolayca kullanışlı bir sıfır gerilim anahtarı yapılabilir. S anahtarı kapatılınca R1, R2, ve D1 üzerinden akan kapı akımı ile PUT iletime geçebilir. Öte yandan, hat gerilimi 5V yi geçer geçmez D1 diyotu ters kutuplanma durumuna geçer ve PUT daha fazla iletimde kalamaz. Dolayısıyla pozitif yarım dalganın sonunda SCR kesime gider. R3 direnci, D1 den geçen kaçak akım PUT un kapısına zarar vermeyecek şekilde seçilmelidir. R 3 V GRM <...(23-1) I + 5V R Burada, V GRM = C13Y kapı çığ gerilimi, tipik olarak 5V. I R = D1 ters kaçak akımı Şekil 23-7 PUT Sıfır Gerilim Anahtarı 23-7

8 Triyak Sıfır Gerilim Anahtarı Şekil 23-8 deki devrede, C103B SCR kesimde olduğu sürece 3µF kapasitörden akan akım ile pozitif yarım dalganın başlangıcında triyak tetiklenecektir. Bunun ardından yük gerilimi 1µF kapasitörü şarj eder, böylece sıradaki negatif yarım dalga boyunca triyak yine enerjilenecektir. III+ tetikleme moduna uygun bir triyak kapısı seçilmesine dikkat edilmelidir. Sıfır noktası anahtarlaması SCR ile garanti altına alınır. Pozitif yarım dalga boyunca C103B SCR nin on durumdan off duruma geçmesi triyakı etkilemez, çünkü triyak daha önce iletime sabitlenmişti. Buna ek olarak, eğer yarım dalganın başında C103B iletime geçirilirse, ters kutuplanana kadar C103B iletimde kalacağı için periyot boyunca triyak hiçbir zaman tetiklenemez. Şekil 23-8 Triyak Sıfır Gerilim Anahtarı Bu devrelerde karşılaşılan en büyük zorluk, pozitif yarım dalga süresince triyakın ateşlenmesidir. Triyakın yüksek kapı akımı gereksinimi sebebiyle, triyak ateşlenmeden önce hat gerilimi 10~15V ye ulaşabilmektedir. Daha büyük kapasite değerleri ile daha küçük direnç değerleri bu ateşleme açısını istenen değerlere getirebilir, ancak bu durum aynı zamanda kapı güç harcamasını ve C103B ve diğer elemanlarda harcanan gücü de arttıracaktır. Çevrim içinde triyakın erken tetiklenmesi problemi yalnızca pozitif yarım çevrimde gerçekleştiğinden, (bir sonraki sıfır gerilim geçişi sırasında 1µF kapasitör triyak kapısına dc gerilim sağladığından triyak kesime gidemez), kapı duyarlılığı yüksek bir SCR kullanılarak pilot tetikleme gerçekleştirmek bu sorunu çözebilir. 23-8

9 (a) Geliştirilmiş Devre (b) I- ve III- tetikleme Şekil 23-9 Triyak Sıfır Gerilim Anahtarlaması Devreleri Şekil 23-9(a) da, R1 ucundaki gerilim yükselmeye başladıktan çok kısa bir süre sonra pilot C103B SCR iletime geçer, ve triyak dolaylı olarak tetiklenir. Negatif yarım dalga tetiklemesi daha önce anlatıldığı gibi gerçekleşir. C106B nin maksimum tetiklenme gerilimi: V M = I GT(maks) x R1 + 4 x V F...(23-2) Burada V F PN jonksiyonu gerilim düşümüdür. V M = (200µA)(10K) + 4 x (0.6) = 4.4V Gerilim 10~15V den daha düşük olduğundan, tetikleme açısı birkaç derece düşebilir. Triyak iletimde iken negatif yarım dalga boyunca 1µF kapasitörün negatif şarj olmasını engellemek için D1 diyotu kullanılmalıdır. Eğer bu durum gerçekleşirse, C103B hala iletimde iken pilot SCR tetiklenebilir. Kapı modları I- ve III- olduğundan Şekil 23-9(b) standart tiplerin kullanımına imkan verir, örneğin negatif kapı tetiklemesi. Transistörlü Sıfır Gerilim Anahtarı Şekil 23-10, bünyesinde kendi regüleli güç kaynağını da barındıran bir sıfır gerilim anahtarlaması devresini gösterir. Devrenin çalışması altta açıklanmıştır. 23-9

10 (1) Güç kaynağı kapasitörü C1, D5 ve R2 üzerinden D6 zener gerilimine şarj olur, bu değer tipik olarak 6-7V dir. (2) Q3 transistörü kapasitör ile R5 ten triyak tetikleme akımı (negatif kapı sürümü) sağlar. Triyakı tetikleyecek komut işaretleri Q4 ün bazına uygulanabilir. (3) Transistör Q1, yön diyotları D1~D4 ve R1-R2 dirençleri sıfır gerilim algılayıcıyı oluştururlar. Hat gerilimi +3~5V ye ulaştığında, D2, D3, R2 ve R3 ten akan akım Q1 i iletime geçirir, böylece Q2 yi doymaya götürür ve kapının tekrar tetiklenmesini engeller. Negatif yarım dalga boyunca, D1 ve D4 diyotları iletimde olacaktır. Şekil Transistörlü Sıfır Gerilim Anahtarı 115V, 60Hz için triyak tetiklemesi 100µS civarında olacaktır ve sıfır gerilim geçiş noktası civarında merkezlenecektir. Bu darbenin sonunda varolabilen tutma akımı, başarıyla kontrol edilebilecek minimum yük akımını belirler. Bu devrelerin tümünün (ve bundan sonrakilerin de) 50~400Hz de çalışması sorunsuzdur, ancak 400Hz kaynaklar için özel seçilmiş bir triyak gereklidir

11 Sıfır Gerilim Anahtarı IC GEL300 Ohmik yüklerin triyaklar yada SCR ler gibi tristörlerle kullanılması durumunda, sıfır gerilim anahtarlaması kontrolü sağlamak için bir eşik algılayıcısı ile bir tetikleme devresinin bir kombinasyonundan oluşan GEL300 devresi kullanılır. Bu devre, bir diferansiyel giriş katı, algılayıcı direnç köprüleri, ve birçok çeşitli bağlantıların yapılabilmesine imkan sağlayan terminallerden oluşur. Bu devrenin çıkışı minimum RFI sıcaklık kontrolü sağlamak için yada küçük röleler yada lambalar sürmek için kullanılabilir. Şekil 23-11, GEL300 şematik diyagramını gösterir. Bu devre ile Şekil daki devre arasındaki farklar açıktır. Bunlar, bir diferansiyel kuvvetlendirici yapısında bağlanan Q1 ve Q2 transistörlerinden oluşan bir giriş katı ile bir direnç köprüsünün bir tarafı olarak kullanılabilecek dengelenmiş bir direnç çiftinin eklenmesidir. Bu devre, Q1 iletimde iken Q1 kollektör akımı devrenin bütün çıkışlarını (Q5 ve Q6) kesecek şekilde düzenlenmiştir. Şekil GEL300 Blok Diyagramı 23-11

12 GEL300 için birçok giriş ve çıkış bağlantısı çeşidi mevcuttur. Bir triyak tetiklemek için yapılabilecek temel bir ac bağlantı Şekil de gösterilmiştir. Bu devrenin açıklanması Şekil e bakarak şöyle açıklanabilir: (1) Sıcaklık ayarlanan değerin altında ise, termistör direnci R A daki artış Q1 in kesime gitmesine ve Q2 nin iletime geçmesine neden olur, ve Q5-Q6 darlington çifti sıfır gerilim noktasında iletime geçer. Dolayısıyla kapı tetikleme akımı triyakı iletime geçirir ve ac güç yüke aktarılır. Böylece sıcaklık kademeli olarak artar. (2) Sıcaklık ayarlanan değere ulaşınca, R A nın düşük değeri Q1 in iletime ve doymaya gitmesine nedene olur. Sıfır gerilim noktasında, Q3 transistörü Q4 ü doymaya geçirir, dolayısıyla Q5-Q6 darlington çifti kesime gider ve triyak kesime gider. Şekil Temel GEL300 Triyak Güç Kontrolü Sıfır Gerilim Anahtarı IC CA3059 CA3059, çeşitli ac güç anahtarlama uygulamalarında tristör kontrolü için tasarlanmış bir sıfır gerilim anahtarı entegresidir. Bu entegre, triyaklar için I+ ve III+ tetikleme modlarında pozitif kapı akımı sağlar. CA3059, 120V ve 240V 60Hz ac hat gerilimlerinde doğrudan çalıştırılabilir. Şekil 23-13, sıfır gerilim anahtarı CA3059 un fonksiyonel bloklarını gösterir. Sınırlayıcı güç kaynağı, entegrenin doğrudan bir AC hattan çalıştırılabilmesini sağlar. Sınırlayıcı (Limiter), giriş hat gerilimini ±8V ye sınırlar. Bu gerilim sıfır geçişi algılayıcısının girişine ve güç kaynağı devresine uygulanır. Sıfır geçişi algılayıcı devresi ( 0 crossing detector), AC gerilim sıfır gerilim noktasında iken devrenin çıkış darbelerini senkronlar. Harici filtre kapasitörlü DC güç kaynağı devresi devre çalışması için 6V gerilim sağlar. Diferansiyel ON/OFF algılayıcı kuvvetlendirici (ON/OFF sensing AMP) harici sensörleri yada komut işaretlerini algılar. Triyak kapılama devresi (TRIAC Gating Circuit), tristör güç kontrolü için yüksek akım darbeleri sağlar. Kapı tetikleme darbeleri yalnızca triyak kapılama devresinin tüm 23-12

13 girişleri yüksek seviye iken üretilir. Diğer bir deyişle, ON/OFF algılayıcı kuvvetlendiricisinin çıkışları, sıfır geçişi algılayıcısı ve hata-güvenlik koruma devresi yüksek seviye iken ve inhibit girişi yüksek seviye iken triyak kapılama çıkışından gelen darbelerle triyak tetiklenir. Şekil CA3059 Blok Diyagramı Şekil 23-14, CA3059 entegresinin iç devresini gösterir. D3~D6 diyotları ve Q1 transistörü sıfır geçişi algılayıcı devresini oluştururlar. Q2-Q4 ve Q3-Q5 darlington çiftleri diferansiyel ON/OFF algılayıcı kuvvetlendiricisini oluştururlar. Q1, Q6, Q7, ve Q8 transistörleri triyak kapılama devresini oluştururlar. D12 diyotu, D15 zener diyotu, ve Q10 transistörü hata-güvenlik koruma devresini meydana getirirler. DC güç kaynağı devresi D7 ve D13 diyotları ile 5 nolu pine dışardan bağlanan bir direnç ve 2 nolu pine dışardan bağlanan bir kapasitörden oluşur. Pin 7 toprak girişidir. Q2-Q4 darlington çifti ve Q1 transistörü OFF durumda iken,kapı tetikleme darbesi 4 nolu pinde oluşur. Tetikleme darbeleri üretmek için sağlanması gereken iki koşul vardır. Bunlar: giriş hat gerilimi ±2.1V aralığında olmalı ve pin 13 e uygulanan algılama gerilim seviyesi pin 9 daki referans gerilimden yüksek olmalıdır

14 Şekil CA3059 Şematik Diyagramı 13 ve 14 nolu pinler kısa devre edilerek hata-güvenlik koruma devresi aktifleştirilebilir. Sensör kısa yada açık devre olduğunda, devre yüke güç aktarmaz. Normal çalışmada, sensör direncinin pot direncine (R P ) oranı tipik olarak 4 ten küçük olmalıdır. Bu koşul sağlanmazsa, triyak kapılama devresi çıkış darbesi yok olur. Koruma çalışmasını canlandırmak için, bir 100KΩ luk termistör kullanılarak ve potansiyometre 1KΩ a ayarlanarak sensörün açık devre durumu simüle edilmiştir. Termistör direncinin pot direncine oranı 4 ten büyük olduğundan (100K/1K) termistör üzerindeki gerilim düşümü D15 zener diyotunu iletime geçirir ve CA3059 yüke güç aktarmayı keser. Bunlara ek olarak, hata-güvenlik koruması inhibit girişine (pin 1) bir komut işareti uygulanarak gerçekleştirilebilir. 10µA akım ve en azından +1,2V2luk bir işaretin uygulanması tristörün sürücü akımını keser. Şekil te, dışarıdan bağlanan Q1 ve D1 elemanları bu işlevi gerçekleştirirler. Termistörden geçen akım, normal çalışmada Q1 i doymaya geçirir. Inhibit girişine uygulanacak çok düşük bir gerilim, yaklaşık 0.2V, hata-güvenlik korumasını devre dışı bırakacaktır. Termistör açık devre olursa, Q1 de baz akımı yoktur ve kesime gider, inhibit girişine yeterli bir akım akar ve tristöre sürme akımı gitmez. Eğer termistör kısa devre olursa, D1 diyotu ileri kutuplanır ve tristör kesime gider. Q1 transistörünün V BE değişimini kompanze etmek için D2 diyotu kullanılmıştır

15 Şekil Harici Hata-Güvenlik Devreli On/Off Kontrolörü Şekil giriş hat gerilimi ile CA3059 çıkış kapı tetikleme darbeleri arasındaki ilişkiyi gösterir. Kapı darbesinin konumu ve genişliği incelendiğinde, CA3059 entegresinin tristörlerin çoğunu her sıfır gerilim noktasında tetikleyebilecek yeterli kapı akımı sağladığı görülür. Şekil CA3059 Çıkış Darbeleri İle Hat Gerilimi Arasındaki İlişki 23-15

16 Şekil ON/OFF Sıcaklık Kontrolünde CA3059 Kullanımı Şekil deki devre triyak kontrollü bir ON/OFF sıcaklık kontrol devresidir. Algılama gerilimi (Sensing Voltage: V S ) referans gerilimi (V R ) aşınca ve hat gerilimi sıfır gerilim noktasında iken, CA3059 entegresi triyakı iletime geçirir. V S <V R ise, entegre çıkışında triyak kapı tetikleme işareti olmaz dolayısıyla triyak kesime gider. Çıkış ve Güç Bağlantıları GEL300 için bir çok giriş ve çıkış bağlantı çeşidi vardır. Bir triyak sürmek için temel ac bağlantı Şekil de gösterilmişti. Eğer bir çift SCR kontrol etmek gerekiyorsa, Şekil 23-18(a) daki devre kullanılabilir. Bu bağlantıda, SCR ler darbe transformatörü aracılığıyla sürülürler. GEL300 çıkış darbesi oldukça uzun olduğundan, darbe transformatörünün çıkışı tetikleme için uygun zamanda üretilecek şekilde darbeyi kaydırmak gerekir. Bu durum, aynı şekilde gösterildiği gibi, GEL300 çıkışındaki darbeler bir devre ile ilerletilerek gerçekleştirilebilir. SCR ye giden çıkış darbesi, primerdeki darbe durmuş iken önceden depolanmış enerji kullanılarak sağlanır. Bu devre şeması, hat ile ateşleme devresi arasında elektriksel izolasyon gereken uygulamalarda da kullanılabilir. Tamamen izole bir düşük gerilim kontrol devresi gerçekleştirmek için T2 izolasyon transformatörü eklenebilir. T2 güç ihtiyacı sadece 24V ac gerilimde 15mA dir

17 (a) SCR lerin Bir Darbe Transformatörü İle Sürülmesi (b) Düşük Akımlı bir SCR ile SCR lerin Sürülmesi Şekil SCR tetikleme bağlantıları Şekil 23-18(b) de, diğer SCR leri tetiklemek için simetrik bazlı transistör olarak bir SCR (Q1) kullanılmıştır. Q1 yarıiletken elemanı, C5 yada C106 gibi gerilim değeri çalışılan hat gerilimi değerlerinde olan düşük akımlı bir SCR dir. GEL300 çıkış akımı, Q1 için gerekli negatif baz sürüşünü iki yarım çevrimde de sağlar. Her bir SCR nin kapı akımı D2 yada D3, R1 ve Q1 üzerinden akar. Bir geçici durum sırasında normal bir SCR gibi Q1 in tetiklenmesinden GEL300 ü korumak için D1 diyotu kullanılmıştır. Entegre çıkışı sınırlı olduğundan ve simetrik transistör akım kazancı çok düşük olduğundan yüksek değerli SCR leri tetiklemek için başka elemanlar kullanılmalıdır. GEL300 ün Yüksek Akımlı SCR ile Kullanımı Şekil da gösterilen devreler, birçok yüksek akımlı SCR nin pozitif iletime geçirilmesini garanti edecek bir seviyeye entegre çıkışını kuvvetlendirmenin çeşitli yollarını göstermektedir. GEL300 devresi özellikle triyakları tetiklemeye göre tasarlandığından, Şekil da gösterildiği gibi devre geriliminin izin verdiği ölçülerde bir pilot SCR şeklinde bir triyak kullanılması gereklidir. Şekil 23-19(a), 23-17

18 GEL300 çıkışında mümkün olduğu gibi bir negatif akım kaynağından bir pilot SCR nin ateşlenmesi için kullanışlı bir tekniği göstermektedir. SCR1 ve SCR2 nin başlangıçta iletime geçirilmesi sırasında oluşabilecek aşırı gerilimlerden korunmak için D1 ve D2 diyotları kullanılmıştır. Şekil 23-19(b), bir PUT aracılığıyla SCR1 in pozitif uydu (slave) ateşlemesini gösterir. C1 kapasitöründe depolanmış yükü, SCR2 akımı kesildikten hemen sonra, kesildiği sırada yada kesilmeden hemen önce SCR1 kapısına boşalmasını sağlamak üzere R5 ve C değerleri ayarlanabilir. Bu devre, yalnızca pasif elemanlardan oluşan uydu (slave) ateşleme devrelerinin dezavantajlarının çoğunu ortadan kaldırır. (a) (b) (c ) Şekil GEL300 den Tetiklenen Yüksek Akımlı SCR Kapı Devreleri Giriş Katı Bağlantıları Giriş katının temel bağlantısı, Şekil de gösterildiği gibi dahili dirençlerin köprünün bir tarafı olarak kullanıldığı bir direnç köprüsü karşılaştırmasıdır. Entegre içinde üretilen kaynağın kullanımında hatalı yüklemelerden korunmak için R A ve R B değerleri 5KΩ dan küçük olmamalıdır. R A ve R B nin maksimum değeri inhibit akımı (5µA maksimum) ve uygulamada izin verilen hata ile belirlenebilir. Bir sonraki adımın, entegre içindeki köprünün diferansiyel katının iki tarafının kullanılması yada harici iki DC seviyenin karşılaştırılması olabileceği açıktır. Sıcaklık kontrol uygulamaları için, R A genellikle bir negatif sıcaklık katsayılı (NTC) termistördür

19 Şekil Diferansiyel Giriş Katı için Temel Köprü Bağlantısı Q2 kollektörü (pin 8), giriş katının durumunu gösteren bir işaret üretmek için kullanılabilir. Q2 iletimde ise, ve kollektörden akım geliyorsa, Q1 kesime gider ve devre çıkış verir. Bu kollektör akımı bir gerilim işareti verecek şekilde bir direnç (2~10KΩ) ile örneklenebilir. Yüksek Frekanslarda Sıfır Gerilim Anahtarlaması 50/60Hz de gerçekleştirilen sıfır gerilim anahtarlaması tekniğinin dezavantajlarının çoğu güç frekansı yükseldiğinde ortaya çıkar. Bu dezavantajlar: (1) Küçük Güçlü Isıtma Sistemlerinde Sıcaklık Dalgalanmaları Uygulanabilecek en küçük enerji artışı bir yada yarım çevrim olduğundan, küçük termal kütleli ısıtıcı yükler için sıcaklık dalgalanmaları aşırı olabilir. Termal kütle frekansla ters orantılı olarak azalabilir, çünkü absorbe edilen enerji zamanla doğru orantılıdır. (2) Lamba Parlaklığı Ayarı Lamba parlaklığının sıfır gerilim anahtarlaması kontrolü mümkün değildir, bunun sebebi düşük parlaklık seviyelerindeki aşırı titreşimlerdir. Gözlerin saniyede 16 kereden daha az meydana gelen olayları görebildiği kabul edilirse, 60 Hz frekansta lamba parlaklığı en fazla ¼ e indirilebilir (her dört darbe yerine bir darbe). 400Hz de ise, lamba parlaklığı kolaylıkla 1/20 sine ayarlanabilir (her yirmi darbe yerine 1 darbe). Dolayısıyla katı hal (solid state) yüksek frekanslı lamba dimmer devreleri çok düşük EMI li katı halin bütün avantajlarını içerir. (3) Motor Hız Kontrolü Motorlarda sıfır gerilim anahtarlaması (1) de anlatılan dezavantajların aynısına sahiptir, düşük eylemsizlikli yükler için aşırı yüksek hızlar buna örnektir. Dolayısıyla, (1) de anlatılan frekans yöntemi burada da geçerlidir

20 Üç Fazlı Sıfır Gerilim Anahtarlamalı Güç Kontrolü Şekil 23-21, üç fazlı üçgen bağlanmış yükün GEL300 ile kontrol edilmesini gösterir. Bu devre, Şekil de gösterilen tek fazlı devrenin geliştirilmiş bir modelidir. Gösterilen değişiklikler yapılarak ohmik yada reaktif yüklere uygulanabilir hale getirilmiştir. Kontrol iki farklı yoldan sağlanabilir. İlk yol; her biri yükün üçte birini kontrol eden üç ayrı termistör kullanımıdır. Farklı bir kontrol yöntemi Şekil te gösterildiği gibi bir merkezi kontrol tekniğinin kullanımıdır. Bu yöntemde yükün her üçte birlik bölümü de bir merkezi sensör tarafından senkronlanacaktır. Şekil Yıldız Bağlanmış Yüklerin Faz Akımlarını Kontrol Eden Üç Fazlı Sıfır Gerilim Anahtarlaması Devresi Şekil deki güç kontrol devresi, yıldız yada üçgen bağlanmış yüklerin akımlarını GEL300 ile kontrol edebilmeyi sağlar. R5 direnci C2 kapasitörü ile birlikte bir yapay sıfır oluşturur, C2 kapasitörü 240V hatta 4Vp-p değerinin altındaki değerleri sıfır gerilime çekerek sıfır noktası kararlılığını sağlar. Aynı zamanda C2 kapasitörü küçük bir faz gecikmesi oluşturarak çıkış darbesinin SCR1 i doğru şekilde tetiklemesini sağlar

21 Şekil Üç Fazlı Sıfır Gerilim Anahtarlamalı Hat Akımı Kontrolü Eğer yük endüktif yada dengesiz ohmik yük ise, endüktif yükler için gösterilen değişiklikler yapılmalıdır. Dört hatlı bir sistemde üç yükün ortak noktası nötre bağlanabilir, ancak bunun için devredeki D1 in bir SCR ile değiştirilmesi ve kapılama devresinin Şekil 23-18(b) deki gibi uygun şekilde modifiye edilmesi gereklidir. Üç adet izole GEL230 için merkezi bir kontrol Şekil te gösterildiği gibi L14 foto darlingtonlar aracılığıyla gerçekleştirilebilir. Işık kaynağı aracılığıyla GEL300 ü inhibit aralıklarının dışına yada tamamen içine sürebilmek için yüksek kazançlı diferansiyel kuvvetlendirici olarak GL230 kullanılmıştır. GEL300 ün tek uygulamasında olduğu gibi oranlı kontrol sağlamak için devre düzenlenebilir. Bu durum, GEL230 girişine testere dişli gerilim uygulanması ile gerçekleştirilir

22 Şekil Ana Kontrol Devresi Üç Fazlı Sıfır Gerilim Anahtarı Deney Devresinin Açıklaması Bu deneyde kullanılan üç devre vardır: (1) ideal yarım-dalga anahtarlama devresi, (2) triyak sıfır gerilim anahtarlaması devresi ve (3) CA3059 sıfır gerilim anahtarlaması devresidir. İlk devre,şekil te gösterildiği gibi, bir ideal yarım-dalga anahtarlaması devresidir. S1 in kontakları açık iken, kaynağın negatif yarım dalgasında, C1 kapasitörü R1 ve D1 üzerinden kaynak geriliminin tepe noktasına şarj olur. Ac kaynak gerilimi negatif tepe değerinden uzaklaşırken, C1 kapasitörü C2 ve D2 üzerinden deşarj olur, böylece Q1 e kesim yönünde kutuplama uygular. Bu durum, ac kaynak geriliminin sıfırdan pozitife geçişi ile SCR1 in tetiklenmesini sağlar, böylece senkron bir kapama gerçekleştirilir. SCR1 in tutucu karakteristikleri pozitif yarım-dalganın geri kalan kısmında da SCR1 in iletimde kalmasını sağlar ve yük akımının sıfıra ulaştığı noktada devrenin senkron bir şekilde açılmasını sağlar. S1 kontakları kapalı iken, C1 kapasitörü R5 üzerinden hızla sıfır gerilime deşarj olur, böylece Q1 e iletim yönünde kutuplama sağlar. Q1 in iletime geçmesi SCR1 i kesime götürür

23 Şekil İdeal Yarım Dalga Anahtarlaması Devresi İkinci devre, Şekil te gösterildiği gibi triyak sıfır gerilim anahtarlaması devresidir. S2 kontakları açık iken, SCR kesimdedir ve pozitif yarım dalganın başlangıcında 3µF lık kapasitörden gelen akım nedeniyle triyak iletime geçer. Yük gerilimi C3 kapasitörünü şarj eder, hat geriliminin sonraki negatif yarım dalgasında triyak enerjilenir. Sıfır gerilim anahtarlaması SCR ile sağlanır. Triyak tutma karakteristiğinde olduğundan pozitif yarım dalga boyunca S2 anahtarı kapatılarak SCR2 nin OFF durumdan ON duruma geçirilmesi triyakı etkilemez. Buna ek olarak, periyodun başlangıcında SCR2 iletime geçirilirse, ters kutuplanana kadar SCR iletimde kalacağı için periyot boyunca triyak tetiklenemez. Şekil Triyak Sıfır Gerilim Anahtarlaması Devresi Şekil daki devre, CA3059 sıfır gerilim anahtarlaması, bu deneyde kullanılan üçüncü devredir. Çalışma prensibi daha önce anlatılmıştı. Bu devre sıfır gerilim anahtarlaması ile kontrol noktasında yarım çevrim fenomeni ile sonuçlanan ac gerilimin sıfır gerilim geçişini algılar. Şekil bu fenomeni gösterir. Kalan 8.3ms boyunca, sıfır gerilim anahtarındaki diferansiyel kuvvetlendirici durum değiştirebilir ve daha fazla darbe çıkışını engeller. Diferansiyel kuvvetlendiricinin kararsız bölgesi ac hat geriliminin negatif yarım dalgası boyunca 5 nolu darbenin triyakı tetiklemesini engeller

24 Şekil Sıfır Gerilim Anahtarında Yarım-Çevrim Fenomeni KULLANILACAK ELEMANLAR KL Modülü KL Modülü Dual Trace Osiloskop Multimetre DENEYİN YAPILIŞI 1. Şekil de gösterildiği gibi ideal yarım-dalga anahtarı devresini KL modülüne yerleştirin. Şekil Deney Devresi (1) 23-24

25 2. S1 i OFF duruma getirin. Tablo 23-1 de istenen dalga şekillerini ölçün ve kaydedin. Tablo 23-1 VC1 V Q1B V Q1C SCR A 3. SCR (iletime yada kesime) geçti. 4. SCR iletim açısı yaklaşık olarak derece. 5. S1 i ON duruma getirin. Tablo 23-2 de istenen dalga şekillerini ölçün ve kaydedin. Tablo 23-2 VC1 V Q1B V Q1C SCR A 6. SCR (iletime yada kesime) geçti S1 i tekrar OFF duruma getirin. SCR (iletime yada kesime) geçti. 8. Şekil de gösterilen triyak sıfır gerilim anahtarlaması devresini KL modülüne yerleştirin. Bu devreye 110VAC uygulayın ve LP soketine 110V lamba yerleştirin

26 Şekil Deney Devresi (2) 9. S1 i OFF duruma getirin. Osiloskopu kullanarak, Tablo 23-3 te istenen dalga şekillerini ölçün ve kaydedin. Tablo 23-3 SCR G SCR A TRIAC G TRIAC T1 10. Triyak (iletime yada kesime) geçti. 11. Triyak iletim açısı yaklaşık olarak derece. 12. S1 i ON duruma getirin. Tablo 23-2 de istenen dalga şekillerini ölçün ve kaydedin

27 Tablo 23-4 SCR G SCR A TRIAC G TRIAC T1 13. Triyak (iletime yada kesime) geçti. 14. Neden devre triyak sıfır gerilim anahtarı olarak adlandırılmıştır? adımdan 13. adıma kadar bütün adımları tekrar edin. Devre normal çalışıyor mu? 16. CA3059 sıfır gerilim anahtarlaması devresini, Şekil da gösterildiği gibi, KL modülüne yerleştirin. Bu devreye 110V ac gerilim uygulayın ve LP soketine 110V lamba yerleştirin. S1 i OFF duruma getirin. Osiloskopu kullanarak, Tablo 23-5 te istenen dalga şekillerini ölçün ve kaydedin. Lamba parlaklığını sonuna kadar arttırmak üzere VR1 i çevirin. Şekil Deney Devresi (3) 23-27

28 Tablo 23-5 VG(pin 4) VT2 VL 17. VR1 i çevirerek dalga şeklinde ve lamba parlaklığındaki değişimleri kaydedin. 18. Maksimum parlaklık elde edecek şekilde VR1 i çevirin. Multimetreyi kullanarak, CA3059 un 13 nolu pinindeki gerilimi ölçün ve kaydedin. Minimum parlaklık elde edecek şekilde VR1 i çevirin. Multimetreyi kullanarak, CA3059 un 13 nolu pinindeki gerilimi ölçün ve kaydedin. Bu iki sonucu karşılaştırın ve farkı yorumlayın. 19. CA3059 un 13 nolu pinindeki minimum tetikleme gerilimi nedir? 20. Termistöre sıcak bir havya yaklaştırın. Anahtarlamadaki değişimleri gözlemleyin ve kaydedin

29 SONUÇ Sıfır gerilim anahtarlarının ana fonksiyonu ac güç devrelerinde minimum elektromanyetik girişim üretmektir. Şekil deki deney devresi, bir yarım dalga anahtar olarak çalışır. Tam dalga güç kontrolü yapabilmek için bazı değişiklikler yapılmalıdır. Şekil daki devrede düşük duyarlılıklı bir sensör kullanıldığında, sıfır gerilim anahtarı lineer modda çalışmaya çok yaklaşır. Bu modda, pozitif yarım dalgadaki çıkış tetikleme akımı triyak tetiklemek için yeterli olabilir, ancak bu tetikleme negatif yarım dalga için yeterli değildir. Bu durum yarım çevrim fenomenini ortaya çıkarır, örneğin triyak pozitif yarım dalgada iletimde negatif yarım dalgada kesimde olabilir