ELE Güç Elektroniği

Transkript

1 ELE 2106 Güç Elektroniği

2 ELEKTRİK NEDİR?

3 Henüz elektrikle ilgili hiçbir bilginin var olmadığı yıllarda, insanlar sadece elektik balığının çarpma etkisinden haberdarlardı. Bu elektik şoklarının iletken bir nesne içinde yolculuk yapabileceğinden haberdarlardı. Şimşek ve başka bir kaynaktan gelen elektriğin keşfine dair tarihteki en eski ve gerçeğe en yakın yaklaşım, 15. yüzyılda şimşek kelimesini (Arapçada "raad") torpil balığı için kullanan Araplara dayandırılır.

4 Yüzyıllar sonra, 1752'de, Benjamin Franklin Yıldırım ile dural elektrik(statik elektrik) arasındaki bağı tanınmış uçurtma deneyi ile incelemiştir. Metal bir anahtarı uçurtmanın alt tarafındaki ıslatılmış sicime bağlayarak, fırtınalı bir günde uçurmayı denemiştir. Birbiri ardına dizilen kıvılcımlar metal anahtar üzerinden eline doğru hareket etmistir ve buda şimşeğin gerçekten de elektrikle ilgili olduğunu göstermiştir.

5 İnsanlar elektriği yüzyıllar önce kehribarın, mesela, kumaşa sürtünmesinden sonra toz ve kıl gibi hafif cisimleri kendisine çekmesi olayı ile tanımışlardır. Bu deneyi ilk yapan Yunanlı filozof ve bilgin Thales(M.Ö ) bu olayın sadece kehribarla ilgili olduğunu sanmış ve elektron(yunanca kehribar) adını kullanmıştır.

6 Bohr ve Rutherford un atom modeline göre her atom pozitif yüklü protonlar ile yüksüz nötronlardan meydana gelen bir çekirdek ve bunun etrafında dönen negatif elektrikle yüklü elektronlardan müteşekkildir. Atom normal halde nötr, yani yüksüzdür. Çünkü proton sayısı ile elektron sayısı eşittir. elektrik akımı bugünkü bilgilerle şu şekilde açıklanabilir: İletkenler dediğimiz maddeler grubunda atomların dış yörüngelerindeki elektronlar, bir atomdan diğerkomşubir atoma rastgele ve serbestçehareketederler. Bu elektronlara serbest elektronlar denir.

7 İletkenlerde serbest elektronların sayısı son derece fazladır. Hareketleri rastgele olduğundan herhangi bir dış etkiye maruz kalmadıkları sürece bir yöne hareket eden elektronların sayısını zıt yöne hareket edenlerin sayısı ile eşit kabul edebiliriz. Böylece belli bir yöne hareket söz konusu olmayacaktır. Halbuki bir dış sebep yüzünden iletkenin bir ucunda elektron fazlalığı ve diğer ucunda da elektron eksikliği meydana gelirse, iletken içindeki serbest elektronlar iki elektrostatik kuvvete maruz kalırlar.

8 Bunlar pozitif ucuna (elektron eksikliği olan uç) doğru çekme kuvveti ve negatif uçtan (elektron fazlalığı olan uç) öteye doğru biritmekuvvetidir. Bu durumda serbest elektronların rastgele hareketleri devam ettiği halde pozitif uca doğru aynı zamanda netbir elektron hareketi veya akışı gözlenecektir. Bu elektron akışına elektrik akımı denir. Elektrik akımı büyüklük olarak,birimzamanda bir iletken içinden akan ortalama negatif elektrik yükü (elektron) miktarı şeklinde tarif edilir.

9 AKIM NEDİR? Elektrik yükünün bir noktadan diğer bir noktaya aktarılmasıdır. Birimi amper (A) dir.

10 GERİLİM NEDİR? İki nokta arasındaki potansiyel farktır. Birimi volt (V) tur. Akımşiddeti ile doğru orantılıdır. Yük Nedir? Elektrik yükü, maddenin ana niteliklerinden biridir.elektrik olgusunda rol oynayan temel parçacık yükü negatif işaretli elektrondur. Coulomb bir yük birimidir ve bir coulomb 6,24x10^18 elektronun elektrik yüküne denk olduğuna göre, coulomb cinsinden elektron elektrik yükü aşağıda gösterilmiştir.

11 Güç Elektroniği Nedir?

12

13 Güç Elektroniği Nedir? Güç elektroniği redresör tekniğinin (Şarj) gelişmesinden doğmuştur. İlk yarı iletkenli doğrultucu bakır oksitli olup 1930 lu yıllarda bulunmuştur. Bunu Sonrasında Selenyumlu doğrultucu izlemiştir. Ancak bu iki sistemlede oluşturulan yapılar sadece küçük güçler için kullanılabilmişlerdir.

14 Güç Elektroniği Nedir? 1950 li yıllara gelindiğinde ise ilk yarı iletkenli diyotlar yapılmıştır. Öncelikle germanyum ile bazı yarı iltkendiyolarüretilmiş sonrasında daha büyük gerilimlere dayanıklı olan silisyumlu yarı iletkenler üretilmiştir. Sonrasında silisyum ile kontrol edilebilen doğrultucu yani Tristörbulundu. Bu yeni yarı iletken küvvetliakım tekniğinde bir devrim niteliğindedir.

15 Güç Elektroniği Nedir? Bu ve sonrasında bulunan yeni yarı iletken gelişmeler sayesinde artık yüksek gerilimlerde kayıpılarminimuma indilirdi, gerilimler arası dönüşümler daha kolay bir hale geldi. Gelinen son noktada, ulaşılan son teknolojik gelişmelerin oluşturduğu bütün için redresör tekniği ismini kullanmak yetersiz kaldı ve 1965 yılında bu gelişmelerin tümüne GÜÇ ELEKTRONİĞİ adı verildi.

16 Elektroniği sinyal çeşidine göre ikiye ayırmak mümkündür. Digitalelektronik ve Analog elektroniği. Digital elektronik nedir? Analog elektronik Nedir? Elektrikli su ısıtıcısı Cep telefonu Elektrik süpürgesi TV niniçerisindeki powerboard.

17 12 V ile çalışan bir arabanız teyibiniz var. Elinizde 24 V lukbirgüçkaynağıvar. Güç elektroniğindeki malzemeler anahtarlama tekniğinden faydalanırlar.

18 Daha önce Elektrik akımının atomun son orbitalindeki serbest elektronların yer değiştirmesi sonucu oluştuğundan bahsetmiştik. Her cismin atomundaki serbest elektron sayısı aynı değildir. Bu sebepten cisimleri ihtiva ettikleri serbest elektron sayısına göre 3 e ayırıyoruz. 1. İletken Malzemeler: En dış yörüngesinde serbest elektron sayısı üç ve üçten az olan malzemeler iletken malzemelerdir. 2. Yalıtkan Malzemeler: En dış yörüngesinde serbest elektron sayısı 6 ve 6 dan fazla olan malzemeler yalıtkan malzemelerdir 3. Yarı iletken Malzemeler: En dış yörüngesinde serbest elektron sayısı 4 veya 5 olan malzemeler iletken malzemelerdir.

19

20 Silikon vadisi nedir? ismini nereden alıyor. En önemli yarıiletkenler Silisyum ve Germanyumdur. Silisyum günümüzde en çok kullanılan yarı iletken malzemedir. Yarıiletkenler sıcaklık ve basınçtan etkilenen yapılardır. Örneğin silisyum atomu normal sıcaklıklarda yalıtkan bir özellik gösterirken yüksek sıcaklıklarda iletken bir özellik gösterebilir.

21 Silisyum ya da Germanyum atomuna katkı elektronları eklenerek N tipi ya da P tipi malzemeler oluşturulur. Son yörüngedeki elektronlara valans elektronu denir. N tipi için 5 elektron P tipi için 3 elektron eklenir. Örneğin Silisyum içine antimon, fosfor arsenik gibi valanselektronu 5 olan bir malzeme konulursa bir elektron açıkta kalır. Oluşan kristal yapı (-) yüklü olur. Burada antimon a verici (Donor) denir. Oluşan kristale ise N tipi iletken denir. Örneğin Silisyum içine Alüminyum, Bor, Galyum, Indiyumgibi valanselektronu 3 olan bir malzeme konulursa bir boş yer kalır. Oluşan kristal yapı ( + ) yüklü olur. Bu tip kristale alıcı (Acceptor) denir. Oluşan kristale ise P tipi iletken denir.

22 1. Yarıiletkenler a. Diyot i. Zener Diyot ii. Tayrektör Diyot iii.şotki Diyot iv.diyak v. İokley vi.sidac vii.işık Diyodu viii.led ix.ired x. Lazer Diyodu xi.tunel Diyot b. Transistor c. Fet ve Mosfetler d. Tristör 2. Doğrultucular 3. Eviriciler 4. Kıyıcılar 5. Anahtarlama 6. Ayarlayıcılar Güç Elektroniği

23 Yarı iletken Nedir?

24

25 P n birleşiminin davranışları üç durum için incelenir. 1. Kutuplamasız( Polarmasız) 2. Doğru Kutuplamalı( Doğru Polarmalı) 3. Ters Kutuplamalı(Ters Polarmalı)

26 Yukarıdaki devrelerde hangi lambalar ışık vermektedir. (Bazı lambalar tam ışık vermeyebilir)

27 Diyot uygulama alanları Diyotlar elektronik devrelerde çok farklı amaçlarla kullanılabilir. Bunlardan bazıları aşağıda verilmiştir. Doğrultma Devrelerinde (Tam dalga, Yarım Dalga) Gerilim ikiliyicilerde Kırpıcılar ve limitleyiciler olarak Voltajın ya da Akımın yönlendirilmesinde Lojik kapıların görevleri diyotlar ile de yapılabilir. Role devrelerinde Koruma devrelerinde

28

29

30

31

32

33

34 Zener diyotlar ; Güç Elektroniği

35 Zener diyotlar ; Devreye ters kutuplamalı bağlanmalıdır. Diyot katologbilgilerinde yazılı olan Zenergeriliminden daha düşük gerilim uygulanmamalıdır Bir seri direnç ile akım sınırlaması yapılacak şekilde devreye bağlanmalıdır.

36

37

38 Zener Diyodun Kullanım Alanları: Başlıca Zener diyot kullanım alanları aşağıda verilmiştir. Kırpma Devresinde: Regülatör Devrelerinde Koruma devrelerinde Belli bir Voltaj değerinin üstünde voltajlarda çalışması gereken devrelerde

39 Soru : E güç kaynağı 9 voltluk bir güç kaynağıdır ancak max12.2 volta kadar çıkabilme kapasitesine sahiptir. Aşağıdaki zener diyotlardan hangisi seçilmelidir. ZenerMaksimumakımı (I ZM )(ma) Zener Gücü(W)

40 Tayrektor Diyot ( a )

41 Schottky Diyot (Barier=Engel Diyotu) Güç Elektroniği

42 Schottky Diyot (Barier=Engel Diyotu) A bariyer n tipi silisyum çift n + katkılı (a) K (b)

43 DIAC Güç Elektroniği

44 DIAC Güç Elektroniği

45 SHOCKLEY Diyodu I A [A] p n -V D p n 0 V D V A [V] (a) (b) (c) (d) Şekil 2.22 Shockley diyodu (a)sembolü, (b)pn eşdeğeri, (c)tranzistör eşdeğer devresi (d)akım gerilim özeğrisi

46 SIDAC (Silicon Diode for Alternating Current: AA da iki Yönlü Yarıiletken Diyot)

47 SIDAC (Silicon Diode for Alternating Current: AA da iki Yönlü Yarıiletken Diyot)

48 IŞIK DİYODU Güç Elektroniği

49 Işık Yayan Diyot Güç Elektroniği

50 Kızılötesi Işın Yayan Diyot Güç Elektroniği

51 Varikap Diyot : varikap Güç Elektroniği

52 Tünel Diyotlar Güç Elektroniği

53 Tünel Diyotlar Güç Elektroniği

54 Güç Transistörleri: a) İki Kutuplu Eklem Tranzistörü(BJT:Bipolar Junction Transistor) b) MOS transistörler(mosfet), c) Yalıtılmış kapılı transist. (IGBT)

55

56 R c R c 25Ω 25Ω c c + V cc - V cc s R b =5Ω b I C 40V s R b =5Ω b I C 10V I B + - I B E b =5V V BE I E E b =5V V EB I E - - e + e (a) (b) Şekil 2.37 İki kutuplu tranzistörlerin iletime kutuplanması (a) npn iletimi (b) pnp iletimi

57

58

59

60 DARLINGTON BAĞLANTI Güç Elektroniği

61

62

63

64

65 FET ve BJT karşılaştırması yapılacak olursa; FET in tipik olarak 100 MΩ olan çok yüksek bir direnci vardır. BJT lerde bu değer tipik olarak 2kΩ dur. FET in anahtar(veya kıyıcı) olarak kullanıldığında, sapa gerilimi yoktur. FET ler yayınıma (radyasyon) karşı nispeten duyarsızdır. Buna karşın BJT çok duyarlıdır. FET, BJT den daha az gürültülüdür.ve bundan dolayı, düşük düzeyli yükselteçlerin (hi-fi FM alıcılasında yaygın olarak kullanılır) giriş katları için daha uygundur. FET, BJT lere göre daha yüksek ısı kararlılığı sağlayacak şekilde çalıştırılabilir. FET, BJT den daha küçüktür, ve bu nedenle IC lerde daha yaygın olarak kullanılır.

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84 Genel olarak yüksek voltaj, yüksek akım ve düşük anahtarlama frekansı gibi değerler için IGBT, düşük voltaj, düşük akım ve yüksek anahtarlama frekansı gibi değerler için ise MOSFET tercih edilmelidir.

85

86

87

88 Tristörü Tetikleme Yöntemleri 1-Ayrı Bir DC Üretecinden Tetikleme Akımı Sağlama 2-Ana Besleme Kaynağından Tetikleme Akımı Sağlama 3-İzolasyon Trafosuyla Tetikleme 4-Optokuplör ile Tristörün Tetiklenmesi 5-Tristörün Anot Katot Arasına Yüksek Gerilim Uygulamak ile Tetikleme 6-Yüksek Sıcaklık ile Tetikleme

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120