Yrd. Doç. Dr. Ramazan AKKAYA

Transkript

1 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

2 -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.

3 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 Q 2 transistörünün beyz akımı olduğundan Q 2 bu akımı kazancı kadar artırıp kendi Ic 2 akımını oluşturacak ve bu akım Q 1 transistörünün beyz akımı olduğundan bu değeri Q 1 transistöründen tekrar kuvvetlendirerek Q 2 nin beyzine gelecektir. Bu döngü birbirlerini tetikleyen pozitif

4 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 Q 1 ve Q 2 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.

5 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 V AK gate e akım uygulandıktan sonra düşmeye başlar. Anot akımı I a yükün empedansına göre belli bir oranda yükselir. Bu esnada harcanan ani güç P= V AK *I a 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 t f 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.

6 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

7 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

8 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.

9 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

10 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 I.t q. C U c s (1) T q :tristör serbest kalma zamanı 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 U c 1 e 1 U r t. C dc (2) bağıntısıyla belirlenir. Uc=0,98 Udc alınarak R direncinin en büyük hangi değerde olması gerektiği hesaplanabilir.

11 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. Udc U I Hy,, dc r (3) r I Hy Bu şartı yerine getirmek üzere hesaplanan değer R nin alt sınırını belirler. DENEYİN YAPILIŞI: 1) I= 1,5 A, t q =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, I Hy =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

12 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 r min dersek, yardımcı tristör tutma akımının tam değerini ; DENEYLE İLGİLİ SORULAR: U dc IHy (4) den hesaplayınız. rmin 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 diyotunun akımı nasıl değişmektedir? Diyot bağlanmazsa ne olur?

13 DENEY NO : 2 DENEYİN ADI : AC FAZ KONTROL DEVRELERİ DENEYİN AMACI : Bu deneyde, sabit genlik ve frekanslı ac şebeke geriliminden değişken genlikli bir ac gerilim elde edilmesi için tristör ve triyaklar ile gerçekleştirilen tek fazlı ac faz kontrol (ac kıyıcı) devrelerinin çalışması incelenecektir. Ayrıca doğrudan ve izolasyonlu (tetikleme trafosu ve opto elemanlarla) tetikleme devrelerinin dirençle, diak ve UJT gibi tetikleme elemanlarıyla ve TCA 785 Faz kontrol entegresi ile kontrol edilmesinin deneysel olarak incelenmesi amaçlanmıştır. DENEY HAKKINDA TEORİK BİLGİLER: 1. DOĞRUDAN TETİKLEMELİ FAZ KONTROL DEVRELERİ MONTAJ -1 : Dirençli Tetikleme Devresi Gerekli kapı akımını temin etmek için en basit çare sınırlayıcı direnç kullanarak anot geriliminden yararlanmaktır. Çünkü iletime geçirilecek tristörün anot gerilimi pozitiftir. Şekil 1.1 de ters paralel bağlanmış tristörün kullanılarak dirençle tetiklemeli bir AC ayarlayıcı bağlantı şeması görülmektedir. Şekil 1.1: Ters paralel bağlı iki tristör ve dirençlerle gerçekleştirilen AC faz kontrol devresi Devrede gate akımları şebekeye bağlı bulunan dirençler yardımıyla sağlanır. T1 tristörünün gate akımı sinüsoidal şebeke geriliminin pozitif alternansında elde edilir. Pozitif alternansta akım, D1 diyodu, R min ve R pot potansiyometresi üzerinden T1 tristörünün gate ucuna gelir. Böylece T1 tetiklenmiş olur. R pot potansiyometre değeri ayarlanarak T1 in tetiklenme açısı değiştirilir ve yük üzerine düşen gerilim değeri sürekli değiştirilebilir.

14 T2 tristörünün gate akımı ise sinüzoidal şebeke geriliminin negatif alternansından elde edilir. Negatif alternansta akım, D2 diyodu, R min ve R pot potansiyometresi üzerinden, T2 tristörünün gate ucuna gelir. Böylelikle T2 tetiklenmiş olur. T1 de olduğu gibi R pot potansiyometresi üzerinden ayarlama yapılarak; yani direnç değeri değiştirilerek tetikleme açısı ve yük üzerine düşen gerilim değeri ayarlanabilir. Böylece hem pozitif hem de negatif alternansta gerilim ayarı gerçekleştirilir. Bu devrede açısı 90 0 e kadar ayarlanabilir. Bu nedenle akımın ayar sahası oldukça dardır. Aynı zamanda devrenin davranışı I GT akımına bağlıdır. I GT akımı ise sıcaklıkla çok değişir. Bu sebepten tristör ısındıkça açısının kendiliğinden düşmesine neden olur. Tetikleme devresine kondansatör eklemek suretiyle bu sakıncalar bir dereceye kadar ortadan kaldırılmış olur. MONTAJ- 2: Diyaklı Tetikleme Devresi Triyak ın AC de sürekli iletimde kalabilmesi için kapısına her iki alternansıda geçiren çift yönlü diyot gibi çalışan diyak bağlanmalıdır. Şekil 1.2 de triyak kullanılarak gerçekleştirilen diyak tetiklemeli bir AC ayarlayıcı bağlantı şeması görülmektedir. (R min +R pot ) direnci ile C kondansatörü devrede zamanlamayı sağlar. AC gerilim pozitif yönde artarken C kondansatörü şarj olacağından üzerindeki gerilimde artar. C kondansatörünün üzerindeki gerilim diyak ın devrilme gerilimine ulaştığında diyak iletime geçer ve triyak ın A 2 ve A 1 uçları kısa devre olduğundan devre akımı yük- A 2 - A 1 üzerinden devresini tamamlar. Triyak iletimde olduğu sürece C kondansatörü üzerindeki gerilim 0 Volt a yaklaşır. AC girişindeki pozitif alternans 0 olduğunda triyak kesime gider negatif alternans süresince C kondansatörü bu sefer ters yönde dolmaya başlar. C kondansatörü üzerinden gerilim diyak ın ters devrilme noktasına ulaştığı zaman diyak iletime geçer. Diyak ın iletime geçmesi triyak ın kapısına tetikleme darbesi uygular. Triyak iletime geçer. Bu şekilde AC nin her iki alternansında da triyak iletimde olur. Böylece yük her iki alternansta sürekli devrede kalır.

15 Şekil 1.2: Triyak ve diyaklı osilatör ile gerçekleştirilen AC faz kontrol devresi MONTAJ- 3 : UJT li Tetikleme Devresi UJT, tristörün tetiklenmesi için gerekli darbe akımlarınının elde edilmesinde kullanılabilen bir elemandır. Prensip olarak bir osilatör devresi olarak çalışır. Şekil 1.3 de UJT kullanılarak gerçekleştirilmiş bir tristör tetikleme devresinin bağlantı şeması görülmektedir. UJT nin tabanlar arasına uygulana U BB gerilimi arttıkça, emiter-taban gerilimi U E nin maksimum değeri olan devrilme gerilimi U p de artmaktadır. Emiter jonksiyonundaki gerilim düşümü olarak tanımlanır. Buna göre devrilme gerilimi; U p = U D + η U BB (1) olarak elde edilir. UJT nin "Öz Standoff Oranı" olarak η simgesi kullanılır. U E gerilimi de U p değerine ulaştığında emiter ile B 1 tabanı arası iletken hale gelir ve direnci 5 ile 25Ω arasında bir değer alır. C kondansatörü, R min ve R pot dirençleri üzerinden zener diyotun gerilimi yardımıyla şarj olur. Kondansatör gerilimi, U P gerilimine ulaştığında R B1 direnci üzerinden deşarj olur. Böylece R B1 in uçlarında U B1 gerilimi oluşur. Deşarj sonucu U E gerilimi belirli bir değerin altına düştüğünde UJT iletimden çıkar. C kondansatörü tekrar şarj olmaya başlar. Bu olaylar periyodik olarak devam eder. Elde edilen gerilim darbesi, tristör kapı devresine doğrudan doğruya uygulanır.

16 Şekil 1.3: Diyot köprüsü, tristör ve UJT li osilatör ile gerçekleştirilen AC faz kontrol devresi Bu devreyle elde edilen tetikleme periyodunun yaklaşık değeri ise; T = ( R min + R pot ) C ln ( 1/ ( 1- η ) ) (2) denkleminden yararlanılarak bulunur. C kondansatörü tristörün tetiklenmesi için yeterli yükü depo edecek kapasitede olmalıdır. Çoğunlukta C kondansatörünün değeri 0.01μF ile 0.5μF arasında seçilir. Kondansatör gerilimi artarak U E =U P olduğundan UJT tetiklenerek iletime geçer R min ile R pot dirençleri değerine bağlı olarak U E -I E karakteristiği üzerinde stabil veya astabil bölgede bir çalışma noktası oluşur. Çoğunlukla 10 ila 100Ω arasında değerler alan R B1 ; R min ve R pot toplamına göre çok küçük olduğundan denklemde ihmal edilmiştir. R min ve R pot toplam direnci (R min + R pot ) min gibi bir değerin altına ise C kondansatörü B 1 tabanı ve R B1 direnci üzerinden deşarj olur. Çalışma noktası stabil bölgenin başladığı noktanın üstüne çıkmamalıdır. U z kaynak gerilimi tristörün tetiklenmesi için yeterli olan U B1 geriliminin temin edebilecek en az değerde olmalıdır. Aynı zamanda UJT nin tabanları arasına uygulanacak U BB gerilimi müsaade edilen en yüksek değeri aşmayacak kadar da küçük olmalıdır.

17 Genellikle U z gerilimi 10 ila 35 volt arasında seçilmesi gerekmektedir. Bu da devrede zener diyotu ile gerilimi sabit tutulan bir DC kaynaktan sağlanabilir. U z gerilimi alternatif akımlı devrelerden bir güç direnci üzerinden şebekeden de sağlanabilir. İstenirse zener diyotla sinüs yarım dalgası kırpılabilir. Bu tür devrelerde tetikleme noktasını emiter geriliminden çok tabanlar arası gerilim belirler. Çünkü U BB nin aniden azalması halinde U P gerilimide aynı anda aniden düşer. Kondansatör gerilimine bağlı olarak U E; U P den büyük veya ona eşit ise UJT hemen tetiklenir. Bu tür devrelerde, tetikleme darbelerinin şebeke ile senkronizasyonunu sağlamak kolaydır. 2. İZOLASYONLU TETİKLEMELİ FAZ KONTROL DEVRELERİ MONTAJ-1 : UJT osilatörlü ve tetikleme transformatörlü tetikleme devresi Şekil 2.1 de görüldüğü gibi; diyot köprüsü, tristör ve UJT li osilatör ile gerçekleştirilen AC faz kontrol devresi bağlantı şeması görülmektedir. Montaj 3 deki RB 1 direncinin yerine tetikleme transformatörünün primer ucu bağlanmıştır. Bu sargıdan geçen doğru akım tristörden bir kapı akımı geçmesine sebep olmaz. Fakat tetikleme transformatöründe yüksek güçlü transformatör kullanılması gerekir. Şekil 2.1: UJT li osilatör, tetikleme transformatörü ve ters paralel bağlı iki tristör ile gerçekleştirilen AC faz kontrol devresi

18 Uzun süreli sinyallerde ilk anda çıkış verip sonra kısa devre özelliği gösteren tetikleme transformatörünün girişi bir transistör tarafından kuvvetlendirilerek daha olanaklı bir gerilim ve akım elde edilerek gate ucuna verilmelidir. Sekonder uçlarının polaritelerine dikkat edilerek gate uçlarına verilmesi gerekmektedir. Bu nedenle sekonder sargı uçları arasına bir diyot bağlanarak akımın bir yönde geçmesi sağlanır. MONTAJ-2 : UJT Osilatörlü ve Optotriyaklı Tetikleme Devresi UJT osilatör ile gerçekleştirilen AC faz kontrol devresi çıkışına tetikleme transformatörü yerine optotriyak kullanılır. Şekil 2.2 de optotriyak ın UJT çıkışına bağlantı şeması görülmektedir. Optotriyak bağlanmasının sebebi; tetikleme transformatörleri uzun süreli darbeleri iletemezler. Sürme devresi ile güç devresi arasına optotriyak bağlanarak izolasyon sağlanmaktadır. Aynı zamanda bu devrede triyak kullanıldığı için çift tetikleme olacağından dolayı yalıtım daha kolay olur Şekil 2.2: UJT osilatör, optotriyak ve triyakla gerçekleştirilen AC faz kontrol devresi Devrede opto elemanın girişine uygulanan sinyal ışık kaynağı olan led ile ışığa hassas bir yarı iletken üzerine düşürülerek çıkışından darbeler elde edilir. Bu darbelerle triyak ın tetiklenmesi sağlanmış olur.

19 MONTAJ -3 : TCA785 Entegresi İle Gerçekleştirilen Tetikleme Devresi Şekil 2.3 de TCA785 entegresinin iç yapısı görülmektedir. Senkronlama sinyali U SYN, büyük bir direnç üzerinden AC şebekeden alınır. U SYN gerilimi, 5 ve 1 şase bacakları arasına uygulanmalıdır. Bu sinyal, iç yapıdaki "Sıfır Gerilim Dedektörü" tarafından değerlendirilerek şebeke geriliminin sıfırdan geçiş anlarını belirler. Bu dedektörün çıkışı, testere dişi bir gerilim üreten rampa generatörünü kontrol etmek üzere "Senkronlama Hafızası"na uygulanmıştır. Rampa gerilimi prensip olarak dışarıdan 10 bacağına bağlanan C 10 rampa kondansatörü, I 10 sabit akımı ile şarj edilerek elde edilir. Rampa kondansatörünün kapasitesi ne kadar büyük seçilirse gerilimin eğimi o kadar azalır ve geri dönüş süresi uzar. I 10 sabit akımı, 9 bacağına dışardan bağlanan R 9 potansiyometresi ile rampa direnci yardımıyla ayarlanabilir. R 9 ile C 10 birlikte rampa geriliminin eğimini belirlerler. Her rampa, senkronlama geriliminin sıfırdan geçişi ile başlar ve C 10 rampa kondansatörünün entegre iç yapısındaki deşarj transistörü üzerinden boşalması ile sona erer. C 10 un deşarj olduğu, iç yapıdaki C 10 "Deşarj Denetleyici Komparatörü" tarafından "Senkronlama Hafızası"na bildirilir. Bu elemandaki lojik bağlantı sayesinde ancak deşarj tamamlanınca "Sıfır Gerilim Dedektörü"nden gelen sinyal işleme konur. Kontrol gerilimi U 11, 1 şase ile 11 bacağı arasına uygulanır. İç yapıdaki kontrol komparatörü, bu gerilimle rampa gerilimini karşılaştırır. Rampa gerilimi U 11, kontrol gerilimi U 10 u aşar aşmaz, gecikme açısı elde edilir ve çıkıştaki darbe başlatılır. Bundan sonraki lojik blok içinde gerçekleştirilen bağıntılar sayesinde çıkış uçlarının farklı değerleri elde edilir. Ana çıkışlar Q 1 ve Q 2 olup, bu çıkışlar maksimum 250 ma e kadar yüklenebilir. Bunlardan Q 1, AC gerilimin sadece pozitif yarım dalgasında, Q 2 ise negatif yarım dalgasında darbe verirler. 12 bacağına hiçbir bağlantı yapılmazsa, bu darbeler oldukça kısa olup 30 s sürelidir. 12 bacağına C 12 dışardan bir darbe uzatma kondansatörü bağlamak suretiyle, Q 1 ve Q 2 çıkışlarındaki darbeler genişletilebilir. Bu durumda darbe genişliği (- ) a yükseltilebilir. 3 bacağındaki Q U ve 7 bacağındaki Q Z yardımcı çıkışları da açık kollektörlü olup dışarıdaki başka bir lojik devreye kumanda etmek için kullanılabilir

20 Şekil 2.3: TCA785 entegresinin iç yapısı Şekil 2.4 de triyak kullanılarak gerçekleştirilen TCA785 entegresi ile tetiklemeli bir AC ayarlayıcı bağlantı şeması görülmektedir. Triyak ın kapısına uzun darbeler uygulanmaktadır. C 12 kondansatörünün değeri artırılarak, darbelerin genişliği artırılabilir. Triyak kapısındaki darbe en az, yük tarafından belirlenen akım triyak ı iletimde tutacak seviyeye yükselinceye kadar devam etmelidir. Testere dişi generatörünün frekansı, sıfır gerilim dedektörü tarafından belirlenir. Yani şebeke geriliminin her sıfırda geçişinden yeni bir testere dişi gerilim dalgası elde edilir. Testere dişi gerilimin yükselme hızı rampa kondansatörü (C 9 ) ve rampa direnci (R 9 ) ile ayarlanır. R 11 potansiyometresi ile U ST kontrol gerilimi, 0 ile 8V arasında değiştirilebilir. Testere dişi gerilim, 11 bacağına uygulanan kontrol gerilimine eriştiğinde entegrenin 15 nolu bacağında kumanda darbesi elde edilir. U ST ne kadar artırılırsa, testere dişi gerilimin bu değere erişmesi o kadar geç olur ve dolayısıyla gecikme açısı büyük olur. U ST değiştirilmek suretiyle açısı ayarlanır.

21 Şekil 2.4: TCA785 entegresi ve triyak ile gerçekleştirilen AC faz kontrol devresi 3. DENEYDE YAPILACAK İŞLEMLER Devrelerle aşağıdaki işlemleri gerçekleştiriniz. 1. Osiloskobu yükün uçlarına bağlayınız. R pot direncini değiştirerek yük, AC kıyıcı ve elemanların gerilimlerinin değişimlerini inceleyiniz. 2. Osiloskop, ampermetre ve ohmmetre kullanarak ve R pot direncini değiştirerek min, I max, max ve I min değerlerini ölçünüz. Tablo 1 e yazınız. 3. Tablo 2 de verilen değerleri için R pot değerlerini ölçünüz ve teorik olarak hesaplayınız. Elde ettiğiniz sonuçları Tablo 2 ye yazınız.

22 4. Tabloda verilen değerleri için I TEF değerlerini hesaplayınız. I TEF değerlerini ampermetre ile ölçünüz. Elde ettiğiniz değerleri Tablo 2 ye yazınız. 5. Tablo 2 de her bir devre için verilen değişimleri milimetrik kağıda alt alta çiziniz. Tablo 1 Montaj no min max I min I max Tablo 2 Montaj no R pot-ölç R pot-hes I TEF-ölç I TEF-hes Alınacak Değişimler 1 30 o U A, U Y, I Y, U G 2 45 o U A, U Y, I Y, U G, U C 3 60 o U A, U Y, I Y, U G, U C, U Z 4 90 o U A, U Y, I Y, U G, U C, U Z o U A, U Y, I Y, U G, U C, U Z o U A, U Y, I Y, U G, U Z

23 DENEY NO : 3 DENEYİN ADI : DOĞRULTUCULAR (AC-DC DÖNÜŞTÜRÜCÜLER) DENEYİN AMACI : Bu deneyde, tek fazlı ve üç fazlı ac şebeke geriliminden sabit veya değişken bir dc gerilim elde edilmesi için kullanılan kontrolsüz ve kontrollü ac-dc dönüştürücülerin çalışmasının incelenmesi ve tek fazlı ve üç fazlı kontrolsüz tek yollu ve iki yollu (köprü) devreler ile TCA 785 Faz kontrol entegresi ile kontrol edilen tek fazlı yarı kontrollü devrenin çalışmasının deneysel olarak incelenmesi amaçlanmıştır. DENEY HAKKINDA TEORİK BİLGİLER: 1. GİRİŞ Pek çok uygulamada AC gerilimin sabit veya ayarlanabilir bir DC gerilime dönüştürülmesi gerekmektedir. Bu amaçla Doğrultucular (AC-DC dönüştürücüler) kullanılır. Doğrultucular, alternatif akımı doğru akıma çeviren şebeke denetimli, doğal komutasyonlu ve problemsiz devrelerdir. Pratikte Redresör olarak bilinirler. Doğrultucu bağlantıları bağlantıları tek yollu ve iki yollu olmak üzere ikiye ayrılırlar. Tek yollu bağlantılara, Yarım dalga bağlantıları, iki yollu olanlara ise Tam dalga bağlantıları veya köprü bağlantıları da denir. Köprü montajlarında faz geriliminin hem pozitif hem de negatif yarım dalgasından faydalanılır. Bu sebeple elde edilen doğru gerilimin değeri, tek yollu bağlantılarla elde edilen doğru gerilimin iki katı olur. Tek yollularda, doğrultulmuş gerilimin bir periyodundaki tepe sayısı alternatif akımın faz sayısına ve doğrultucuların hasıl ettiği kol sayısına eşittir. Gerekli doğrultucu eleman (Diyot, Tristör) sayısı iki yollu bağlantılardakilerin yarısı kadardır. Fakat buna karşılık kullanılacak elemanların gerilimi, aynı doğru gerilimin elde edilmesi için iki yolluya göre iki katıdır. Şekil 1. Kontrollü ve Kontrolsüz doğrultucuların temel blok diyagramı

24 Doğrultucular, dc çıkış geriliminin kontrol edilebilirliğine göre ikiye ayrılırlar. Şekil 1 de görüldüğü gibi çıkış ayarı yapılabilenlere kontrollü doğrultucu yapılamayanlara ise kontrolsüz doğrultucu adı verilir. Kontrolsüz doğrultucular diyot, Kontrolsüz doğrultucular ise genellikle tristörler veya diğer kontrollü yarıiletken güç elemanlarıyla gerçekleştirilirler. Bu deneyde temel amaç, teorik olarak Güç Elektroniği Derslerinde anlatılan kontrollü ve kontrolsüz doğrultucuların nasıl çalıştığını güç elektroniği laboratuarındaki deney setlerinde öğrencilerin pratik olarak anlamasını sağlamaktır. Yapılacak çalışmada 1 ve 3 diyotlu doğrultucular ile 1 tristörlü yarı kontrollü köprü doğrultucu devreleri pratik olarak deney seti üzerinden incelenecek ve çalıştırılacaktır. 2. KONTROLSÜZ DOĞRULTUCULAR Kontrolsüz doğrultucularda doğrultma elemanı olarak diyotlar kullanılır. Kullanılan eleman sayısı, faz sayısı ile yol sayısının çarpımı kadardır. Çıkış gerilimi sabittir. Herhangi bir ayar yapılamaz. Buna karşılık basit ve ucuzdur. Doğrultucu ideal çıkış gerilimi aşağıdaki şekilde bulunur. V di q s 2. V.sin q (1) Burada; s = yol sayısı Tek yollu bağlantıda s=1 İki yollu bağlantıda s=2 q = faz sayısı V = faz gerilimi

25 Görüldüğü gibi çıkış geriliminin değeri faz gerilimine, faz sayısına ve yol sayısına bağlıdır. Aynı giriş gerilimi için devrelerin çıkış gerilimleri farklıdır. Bu parametreler dikkate alınarak istenilen çıkış gerilimini elde etmek için uygun devre seçilmelidir. Çıkış gerilimini süzmek için + ve bara arasına bir filtre (kondansatör) konulabilir. Şekil 2 de deneylerde kullanılacak olan kontrolsüz doğrultucuların temel bağlantı şemaları görülmektedir. Şekil 2.1. İki fazlı tek yollu bağlantı Şekil 2.2. Üç fazlı tek yollu bağlantı

26 Şekil 2.3. Tek fazlı köprü bağlantı Şekil 2.4. Üç fazlı köprü bağlantı. 3. KONTROLLÜ DOĞRULTUCULAR Genellikle doğrultma elemanı olarak tristörler kullanılır. Çıkış gerilimi sıfır ile V di arasında istenen değere ayarlanabilir. Bilindiği gibi tristör anot gerilimi pozitif olduktan sonra ancak tetiklenirse akımı üzerine alabilir. O halde biraz geç tetiklenerek akımı üzerine alma noktası biraz geciktirilebilir. Bu gecikme açısı 0-π aralığında ayarlanarak DC çıkış geriliminin ortalama değeri değiştirilmiş olur. Şekil 2 deki bağlantılarda diyotların yerine tristörler kullanılırsa aynı montajlar kontrollü doğrultucu olarak kullanılabilir.

27 = Tetikleme açısı (gecikme açısı) olmak üzere kontrollü doğrultucular için ideal çıkış gerilimi, q V di s 2. V.sin cos q (2) V cos di V di 4. GERİLİM DÜŞÜMLERİ Çalışma esnasında hem kontrollü hem de kontrolsüz doğrultucularda ideal çıkış gerilimi doğrudan yük üzerindeki gerilime eşit değildir. Çıkış Geriliminde azalmaya sebep olan gerilim düşümleri üç kısımdan oluşmaktadır Endüktif Gerilim Düşümü Komütasyon anında, yani akım bir koldan diğerine geçerken, kısa bir süre de olsa doğrultucu elemanlardan her ikisi de iletimdedir. Bundan dolayı elde edilen V d gerilimi ne söndürülen ne de henüz iletime geçen elemanın bağlı bulunduğu faz gerilimine eşittir. Kollar dengeli olduğundan meydana gelen gerilim düşümleri aynıdır. Bu nedenle V d gerilimi iki faz geriliminin tam arasında bir değer alır. Bu durumda meydana gelen gerilim düşümü, D s. f. q. L I x k d (3) denklemi ile hesaplanır Omik Gerilim Düşümü Komütasyon direncinde meydana gelir. I d yük akımı sadece tek elemandan geçtiğine göre omik gerilim düşümü, D s. R. I r k d den bulunur. (4)

28 1.3. Doğrultucuların İletim Durumundaki Gerilim Düşümü Doğrudan doğruya dönüştürücüde kullanılan yarı iletken güç elemanının geçirme karakteristiğine bağlıdır. Genelde sabit olarak kabul edilir. D s. T V t (5) Bir fazlı köprü doğrultucuda gerilimler hesaplanırken sekonder devre gerilimi ile L K ve R K ikiye bölünür ve iki fazlı devre gibi düşünülerek işlem yapılır. Burada; R K = Transformatör sekonder sargısı ve bağlantı iletkenlerinin direnci L K = Komütasyon self endüksiyon katsayısı f = Şebeke geriliminin frekansı I d = DC yük akımı V T = Bir doğrultucu elemanın iletim durumundaki gerilim düşümü Toplam gerilim düşümü: (6) V D dir. x D r D T 4.4. Yük Uçlarındaki DC Çıkış Geriliminin Bulunması Yük uçlarındaki gerilim kontrolsüz doğrultucuda, V d V di V (7) Kontrollü doğrultucuda, (8) V d V di V

29 Doğrultucu elemanlardan birinin maruz kaldığı ortalama ve efektif akım değerleri sırasıyla, I AV I d q (9) ve I TEF I d q (10) dir. Bir elemanın maruz kalabileceği maksimum gerilim ise V m 2 2V sin( / q) (11) dir. 5. TCA785 ENTEGRESİ KONTROL EDİLEN TEK FAZLI YARI KONTROLLÜ KÖPRÜ DOĞRULTUCU Bağlantı şeması Şekil 3 de verilen bu devrede akım, pozitif alternansta D 2 ve Th 2 üzerinden ve negatif alternansta D 1 ve Th 1 üzerinden devresini tamamlar. Bu montaj ile inverter çalışma modu gerçekleşmez. Böylece yük uçlarındaki gerilim daima pozitif olur. Doğrultucu çıkışındaki ortalama gerilim, V di V m ( 1 cos) (12) Pozitif alternansta akım D 2 -yük-th 2 den geçerek devresini tamamlarken T 1 tristörü kesimdedir. Negatif alternansta ise akım D 1 -Yük-Th 1 den geçerek devresini tamamlarken de Th 2 tristörü kesimdedir. Bu iletim sırasına göre Th 1 ve Th 2 tristörlerinin iletim süreleri değiştirilerek çıkıştaki DC gerilim ayarlanır.

30 Gerçekleştirilen tek fazlı yarı kontrollü köprü doğrultucu devresinde tristörlerin gecikme açısı, TCA785 faz kontrol entegresinin 14 ve 15 numaralı bacaklarındaki tetikleme sinyallerini değiştiren 10 k luk potansiyometre ile kontrol edilir. Giriş geriliminin pozitif alternansında 15 numaralı bacaktaki tetikleme sinyali ile Th 2 tristörü, negatif alternansta ise 14 numaralı bacaktaki tetikleme sinyali ile Th 1 tristörü gecikme açısına bağlı olarak iletime geçer. 10 k luk potansiyometre ile gecikme açısı değiştirilerek Th 1 ve Th 2 tristörlerinin iletimde kalma süreleri değiştirilir. Yük uçlarındaki dc çıkış gerilimi gecikme açısına bağlı olarak maksimim ve minimum değerler arasında ayarlanır. Gerçekleştirilen devrede entegrenin 14 numaralı bacağı ile Th 1 tristörünün kapısı arasında izalosyon amacıyla kullanılan tetikleme trafosunun yerine optotriyak kullanılmıştır. Şekil 3. TCA785 Faz Kontrol Entegresi tarafından tetikleme sinyalleri üretilen tek fazlı yarı kontrollü köprü Doğrultucu

31 6. DENEYDE YAPILACAK İŞLEMLER 6.1. Kontrolsüz Doğrultucular için, 1- Giriş şalterini kapatarak, yüksüz durumda (Ş ç açık) iken ac giriş gerilimini, ideal çıkış gerilimini ölçünüz ve çıkış geriliminin şeklini osiloskoptan bakarak çiziniz. 2- Çıkış şalterini kapatarak ve doğrultucuyu Tablo 3.1 deki akım kademelerinde yükleyerek, her bir kademe için yük uçlarındaki dc gerilimi voltmetre ile ölçünüz. 3- Yüklü ve yüksüz durumdaki çıkış gerilimlerinin değerlerini ve osiloskoptaki değişimlerini karşılaştırarak sonucu yorumlayınız Kontrollü doğrultucular için; 4- Tablo 3.2 de verilen değerleri için yüksüz durumda iken V di değerlerini ölçerek kaydediniz ve dalga değişimlerini alt alta çiziniz. 5- =45 o için Tablo 3.2 de verilen I d değerleri için çıkış geriliminin değerini voltmetreden okuyarak kaydediniz. 6- Her bir bağlantı için deneyde ölçtüğünüz değerlerler V d -I d (kontrollü doğrultucu için V d -I d ) karakteristiğini çiziniz.

32 Tablo 1 Bağlantı Şeması Boşta Çalışma Yükte Çalışma V a V d Çıkış Geriliminin Değişimi V a V d I d İki fazlı tek yollu bağlantı Üç fazlı tek yollu bağlantı Tek fazlı köprü bağlantı Tek fazlı köprü bağlantı Tablo 2 Bağlantı Şeması Boşta Çalışma Yükte Çalışma V a V di Çıkış Geriliminin Değişimi V d I d Tek fazlı tam dalga yarı kontrollü bağlantı

33 DENEY NO : 4 DENEYİN ADI : DC KIYICILAR (DC-DC DÖNÜŞTÜRÜCÜLER) DENEYİN AMACI : Bu deneyde, sabit genlikli bir dc gerilim kaynağından değişken genlikli bir dc gerilimin elde edilmesi için kullanılan ve anahtarlamalı güç kaynaklarının temelini oluşturan dc-dc dönüştürücülerden Buck tipi devrenin çalışmasının incelenmesi ve deneysel olarak incelenmesi amaçlanmıştır. DENEY HAKKINDA TEORİK BİLGİLER: 1. GİRİŞ Bir çok endüstriyel uygulamada mevcut sabit doğru gerilimin, değişken bir doğru gerilime dönüştürülmesi istenir. Bu amaçla, sabit genlikli bir dc gerilimi, doğrudan ayarlanabilir bir dc gerilime dönüştürmek amacıyla dc kıyıcılar kullanılır. Bir dc kıyıcı, dönüştürme oranı kademesiz olarak değiştirilebilen bir ac transformatör olarak da düşünülebilir. Transformatörde olduğu gibi, gerilimi düşürebilir veya yükseltebilir. Bir dc kıyıcının temel blok diyagramı Şekil 1 de görülmektedir. ac Doğrultucu ( 1Köprü Diyot) dc Filtre Kondansatörü Yarı iletken Güç Elemanı (MOSFET) Filtre Kondansatörü dc Kontrol + Sürme Devresi Şekil 1. Bir dc kıyıcının temel blok diyagramı DC kıyıcı, yapısı bakımından periyodik olarak açılıp kapatılan bir yarı iletken dc şalterdir. Normal olarak giriş ve çıkış arasında elektriksel izolasyon yoktur. İzolasyonun gerekli olduğu veya giriş ve çıkış gerilimleri arasında çok büyük fark bulunduğu hallerde dc-dc dönüşüm için bir ac ara devre kullanılabilir. DC kıyıcılar anahtarlamalı güç kaynaklarının temelini oluştururlar. Bu deneysel çalışmada çıkış gerilimini 0 dan maksimum giriş gerilimine kadar ayarlayabilen buck tipi IGBT li bir kıyıcı devresi incelenecektir.

34 2. DC KIYICILARDA GERİLİMİN DÜŞÜRÜLMESİ Bir dc kıyıcı ile gerilimin düşürülme prensibi Şekil 2. de görülmektedir. Elde mevcut olan sabit genlikli V 1 doğru gerilimi, yük için gerekli olan ayarlanabilir V 2 doğru gerilimine dönüştürülmektedir. Yarı iletken şalter bir IGBT ile gerçekleştirilmiştir. DC yük için akımın olabildiğince sabit olması istendiğinden, yük endüktansının yeterli olmaması halinde yüke seri olarak şekilde görülen L bobini bağlanır. Yarı iletken şalter periyodik olarak açılıp kapatılır. İkinci taraftaki akım yani yük akımı I 2, şalter kapalı iken kaynaktan çekilir. I 1 =I 2 olduğu ve BJT de iletimdeki gerilim düşümü ihmal edildiğine göre v 2 =V 1 olur. Şalterin açık olduğu zaman aralığında, yaklaşık olarak sabit olan I 2 akımı devresini diyot üzerinden tamamlar ve I 1 =0, I D =I 2 olur. Diyottaki gerilim düşümü ihmal edildiğine göre diyot iletimde iken v D =0 dır. Şekil 2.b den de görüldüğü gibi şalter açılıp kapandıkça v 2 çıkış gerilimi, 0 ve V 1 olmak üzere iki farklı değer alır. V 2 nin ortalama değeri, yükün uçlarındaki gerilimin aritmetiksel ortalama değerini ve aynı zamanda doğru gerilim bileşenini vermektedir. (a) (b) Şekil 2. DC kıyıcı ile gerilimin düşürülmesi, a.)prensip Bağlantı Şeması, b.) Çıkış Gerilimi ve Akımın değişimi IGBT nin anahtarlanmasına göre dc kıyıcılarda genellikle iki farklı kontrol metodu kullanılır. Birinci metod Sabit Frekanslı Çalışma olup, anahtarlama frekansı sabittir. Çıkış gerilimi, IGBT nin kapalı kalma süresi T 1 değiştirilerek ayarlanılır. Çıkış gerilimi darbesinin genişliği değiştirildiği için, bu tip kontrol Darbe Genişlik Modülasyonlu Kontrol veya kısaca PWM kontrol olarak adlandırılır.

35 İkinci metod Değişken Frekanslı Çalışma dır. Burada IGBT nin kapalı veya açık kalma süresi (T 1 veya T 2 ) sabit tutulur ve anahtarlama frekansı değiştirilir. Bu kontrol şekli kısaca Frekans Modülasyonlu kontrol olarak adlandırılır. Bu metotta V 1 e yakın büyük çıkış gerilimlerinin elde edilebilmesi için, frekansın çok geniş sınırlar içinde değiştirilmesi gerekir. Bunun sonucunda harmonik frekansları da sürekli olarak değişeceğinden, filtre hesabı güçleşir. Uygulamalarda daima PWM kontrol kullanılır. Şekil 2.b deki değişimlerden yararlanılarak giriş ve çıkıştaki akım ve gerilimler arasındaki bağıntılar bulunabilir. Çıkış geriliminin aritmetiksel ortalama değeri, V 2 AV 1 T T 0 v 2 dt T 1 V2 AV V1 T1 T2 T1 T T 1 2 (1) V2 AV V 1 (2) olarak bulunur. Giriş ve çıkış tarafları arasındaki güçlerin eşitliğinden veya doğrudan şekil 1.b den giriş akımının aritmetiksel ortalama değeri bulunabilir. I 1AV 1 T T 0 i dt 1 T 1 I1 AV I 2 I 2 T1 T2 (3) (2) ve (3) ifadelerine DC Kıyıcının Dönüşüm Denklemleri adı verilir.

36 Bu iki ifade λ ya göre çözülürse, V V 2 AV 1 I I 1AV V1. I1AV I 2. V2AV 2 (4) (5) olarak bulunur. Burada, 0 1, 0 V2 AV V1 (6) seklinde değiştirilebilir. DC kıyıcıda anahtarlama elemanı olarak BJT, IGBT, MOSFET, GTO veya TRİSTÖR kullanılabilir. MOSFET le çok yüksek anahtarlama frekanslarında çalışılabilir. Ancak iletimdeki gerilim düşümünün fazla olması en büyük sakıncasıdır. Tristör kullanılması halinde söndürme (komütasyon) düzenine ihtiyaç vardır. Yüksek anahtarlama frekanslarında çalışılabilmesi için kullanılan tristör şalterin çok hızlı ve olabildiğince kayıpsız çalışması gerekir. Şekil 3. Laboratuvarda gerçekleştirilen MOSFET li kıyıcı devresi

37 Deneysel amaçla gerçekleştirilen Şekil 3 deki devrede alternatif giriş 220/50V luk trafodan elde edilmektedir. Bu gerilim köprü diyot ile doğrultulur. Tam dalga doğrultulmuş gerilim kondansatör ile filtre edilerek düzgün bir doğru gerilim elde edilir. Burada kondansatör değeri 160V 2200 mikrofarad seçilmiştir. Güç elemanı olarak IRF840 MOSFET i kullanılmıştır. Ayrıca güç devresine seri bir şok bobini bağlanmıştır. Şok bobininin amacı akım dalgalanmasını % olarak istenen değerde tutmaktır. Kontrol devresi, besleme, kontrolör ve sürme devresinden oluşmaktadır. Kontrol devresinde PIC16F84 mikrokontrolörü ve ADC0804 analog/dijital dönüştürücüsü kullanılmıştır. Anahtarlamalar kare dalga PWM ile yapılmaktadır. PWM sinyalinin iletim ve kesim süreleri kontrol devresindeki potansiyometre ile sağlanmaktadır. Bu potansiyometre PIC e ADC0804 ile okutulmaktadır. PIC donanım çıkışındaki PWM sinyalleri (12KHz) tasarlanan sürücü katı ile kuvvetlendirilerek +15V/-15V genlik değerlerine yükseltilmektedir. Bu sayede MOSFET in kolayca iletime girmesi ve iletimden çıkması sağlanmaktadır. Kontrol devresinin beslemesi; sürme devresi için gereken +15V/-15V DC gerilim değerleri regülatörleri ile, ADC0804 ve PIC16F84 için gerekli +5V DC gerilim değerleri 7805 regülatörü ile sağlanmaktadır. Devrede yapılan çalışmalarda omik-endüktif yükte girişe ac 50V verildiğinde, çıkış gerilimin dc 33V-70V arasında ayarlandığı gözlenmiştir. Gücü 65 W tır. Çıkış kondansatörü çıkarıldığı zaman gerilim 1,2V-70V arasında ayarlanabilmektedir. Ancak çıkış gerilimi darbe şeklinde olmaktadır.

38 DENEYDE YAPILACAK İŞLEMLER 1. Şekil 3 deki MOSFET li kıyıcı devresinde V GE, V CE, V D, V L ve V Y nin Osiloskoptaki değişimilerini uygun eksen takımına çiziniz. 2. Bağıl iletimde kalma süresini değiştirerek Tablo 1 i doldurunuz 3. Bağıl iletimde kalma süresine bağlı olarak çıkış geriliminin değişimini çiziniz. 4. Çıkışa DC kondansatörler bağlayarak çıkış geriliminin dalgalanmasını inceleyiniz. Tablo 1 λ V 2 (Ölçülen) V 2 = λ.v 1

39 DENEY NO : 5 DENEYİN ADI : İNVERTERLER (DC-AC DÖNÜŞTÜRÜCÜLER) DENEYİN AMACI : Bu deneyde, sabit bir dc gerilim kaynağından sabit veya değişken bir ac gerilimin elde elde edilmesi için kullanılan inverterlerin çalışmasının incelenmesi ve MOSFET ler ile gerçekleştirilen tek fazlı PWM kontrollü inverterin PIC 16F84 mikrodenetleyicisi ile kontrolünün deneysel olarak incelenmesi amaçlanmıştır. DENEY HAKKINDA TEORİK BİLGİLER: 1. GİRİŞ İnverterler doğru akımı alternatif akıma çeviren devrelerdir. Bir inverterin görevi girişindeki bir doğru gerilimi, çıkışında istenen genlik ve frekansta simetrik bir alternatif gerilime dönüştürmektir. Çıkışta elde edilen gerilim ve frekans değerleri sabit veya değişken olabilir. Girişteki dc gerilim değiştirilmek ve inverter kazancı sabit tutulmak suretiyle, değişken bir çıkış gerilimi elde edilebilir. Diğer taraftan giriş geriliminin sabit olması halinde, inverter kazancı değiştirilmek suretiyle değişken bir çıkış gerilimi elde edilebilir. İnverter kazancı; çıkıştaki ac gerilimin girişteki dc gerilime oranı olarak tarif edilebilir. İnverterler; Gerilim beslemeli ve akım beslemeli olmak üzere iki gruba ayrılır. Gerilim beslemeli inverterler sabit bir dc gerilim kaynağından beslendiği halde, Akım beslemeli inverterler sabit bir akım kaynağından beslenirler. Bir gerilim kaynağına seri olarak bir endüktans bağlamak suretiyle, bu kaynak bir akım kaynağına dönüştürülebilir ve bir geri besleme çevrimi yardımı ile gerilim modu nda çalıştırılabilir. Benzer şekilde bir akım kontrollü inverter gerilim kontrol modunda çalışmak üzere kontrol edilebilir. İnverterler; ac makinaların beslenmesinde, ayarlı gerilim ve frekanslı güç kaynaklarında, kesintisiz güç kaynaklarında, endüksiyonla ısıtmada, ultrasonik dalga üretiminde, aktif güç şebeke filtreleri ve buna benzer uygulama alanlarında yaygın olarak kullanılırlar. Bu deneyde anahtarlama elemanı olarak MOSFET kullanılarak gerçekleştirilen PWM kontrollü paralel inverter devresi incelenecektir.

40 2. DC GERİLİMDEN AC GERİLİMİN ELDE EDİLMESİ Temel olarak bir dc gerilimden ac gerilimin elde edilmesi aşağıdaki gibi gerçekleştirilebilir. AC gerilimin elde edilmesine ait temel bir inverter prensip şeması şekil 1 de görülmektedir. Burada görülen 4 anahtar Tristör, MOSFET, IGBT gibi herhangi bir güç elemanı olabilir. Şekil 1. Tek Fazlı bir inverterin prensip bağlantı şeması ve çıkış geriliminin değişimi Devre girişinde bir dc gerilim bulunduğunu ve anahtar çiftlerinin periyodik olarak açılıp kapatıldığını düşünelim. Bu durumda yükün sağ ucu (-) baraya, sol ucu da (+) baraya bağlanacak ve yük uçlarında (+V d ) gerilimi oluşacaktır. İkinci yarım periyotta P anahtarlarının açılıp, N anahtarlarının kapatıldığı düşünülürse, bu durumda yükün sağ ucu (+) baraya sol ucu (-) baraya bağlanacak ve yük uçlarında (-V d ) gerilimi oluşacaktır. Bu işleme periyodik olarak devam edilirse yük uçlarında şekil 1.b de görüldüğü gibi bir ac gerilim değişimi elde edilir ve bu gerilimin efektif değeri; V Y 2 / T T / 2 0 V 2 d. dt V d (1) formülü ile hesaplanabilir. Elde edilen bu kare dalga ac gerilim ana dalganın yanında pek çok harmonik de içerir.

41 Çıkış geriliminin ani değeri, fourier serisine açılarak ana dalga ve harmoniklerine ayrılabilir. Genel olarak bir periyodik fonksiyonun fourier açılımı aşağıdaki gibi yazılabilir. f ( wt) a0 a1.cos wt a2 cos 2wt... ak.cos kwt b1.sin wt b2.sin 2wt... bk. sin kwt Buradaki fourier katsayıları; (2) a b k k 2 / T 2 / T T / 2 0 T / 2 0 f ( wt).cos kwt. dwt f ( wt).sin kwt. dwt (3) (4) ifadelerinden bulunabilir. Kosinüslü bileşenlerin genlikleri olan a k katsayıları sıfır olur, b k katsayıları da hesaplanarak yerine konulursa, V Y k1,3,5 (4V d / k ). sin kwt (5) Bu ifadede k=1 alınırsa ana dalga bileşeninin efektif değeri, V ( 4V / 2 ) 0. 9V Y d d (6) olarak bulunur. 3. MOSFET Lİ PWM KONTROLLÜ PARALEL İNVERTER MOSFET in özelliğinden dolayı iletimden çıkması, tristördeki gibi zor değildir. Tetikleme darbesi kesildiği anda MOSFET kendiliğinden iletimden çıkar, dolayısıyla söndürme kondansatörüne gerek yoktur MOSFET