DENEY 10 UJT-SCR Faz Kontrol

Transkript

1 DNY 0 UJT-SCR Faz Kontrol DNYİN AMACI. Faz kontrol ilkesini öğrenmek.. RC faz kontrol devresinin çalışmasını öğrenmek. 3. SCR faz kontrol devresindeki UJT gevşemeli osilatör uygulamasını incelemek. GİRİŞ ndüstriyel elektronik kontrollerinin temel amacı kaynaktan yüke enerji transferini regüle etmektir. Bu kontrol, elektrik enerjisinin ısı enerjisine dönüştürüldüğü kaynak makinesi kontrolü olabilir; elektrik enerjisinin mekanik enerjiye dönüştürüldüğü motor kontrolü olabilir; yada elektrik enerjisinin sese dönüştürüldüğü bir alarm devresi olabilir. ğer enerji transferi sabit bir hızda ise, kontrol bir ON-OFF anahtar kadar basit olabilir. Genellikle çıkışı kontrol etmek için enerji transfer hızını ayarlamak gerekir, bir motor hızı, alarmın ses seviyesi, yada lambanın parlaklığı gibi. Ac kaynaktan enerji transfer hızını kontrol etmenin en uygun yolu her çevrimde yüke sağlanan akımı kontrol etmektir. Bu durum, SCS ve triyak devrelerinde, ac gerilimin her çevriminde tristörün faz açısını kontrol ederek gerçekleştirilir. Bu teknik faz kaydırmalı kontrol olarak adlandırılır. Temel Faz Kontrol Devreleri Şekil 0- de gösterildiği gibi tristörle gerçekleştirilen çeşitli faz kontrol devreleri vardır. Faz kontrolün en basit şekli, Şekil 0-(a) da gösterilen sadece bir yönde iletilen akımı kontrol etmek için bir SCR kullanılan yarım-dalga kontroldür. Bu devre, sıfırdan tam dalganın yarısına kadar güç kontrolü ve aynı zamanda doğru akım gerektiren yükler için kullanılır. Bir doğrultucu diyot D eklenerek, Şekil 0-(b), bir yarım dalga sabit olmak üzere güç kontrol aralığı yarı güç ile tam güç arasına kaydırılır, ancak buradaki dc bileşen güçlüdür. İki SCR kullanımı, Şekil 0-(c), sıfırdan tam güçe kadar kontrol yapılabilmesini sağlar ve izole edilmiş iki kapı işareti gerektirir; bu iki kapı işareti, iki kontrol devresi yada bir tek kontrolden çıkarılan darbe-transformatörü ile gerçekleştirilir. İki SCR nin eşit açılarla tetiklenmesi dc bileşeni olmayan bir simetrik çıkış dalgası üretir. Tetikleme açısının simetrisini kontrol ederek tersine çevrilebilir yarım dalga dc çıkış elde edilir. 0-

2 Tam dalga kontrolün bir diğer yöntemi Şekil 0-(d) de gösterilmiştir. Bu devre, iki SCR nin katot ve kapı uçlarının ortak bağlanabilmesi avantajına sahiptir. İki doğrultucu diyot, SCR lerin ters gerilime maruz kalmasını engellerken, iletimleri sırasında harcadıkları güç dolayısıyla devrenin verimini azaltırlar. (a) Yarım dalga kontrol (c) Tam dalga kontrol (e) Tam dalga kontrol (b) Yarım dalgası sabit yarım dalga kontrol (d) Tam dalga kontrol (f) Tam dalga kontrol Şekil 0- Temel AC faz kontrol yöntemleri 0-

3 Şekil 0- RC Faz Kaydırmalı Devre ile SCR Güç Kontrolü n esnek devre, Şekil 0-(e), köprü doğrultucuda bir SCR kullanan ve ac yada tam dalga doğrultulmuş dc kontrolünde kullanılabilen devredir. Bir ac yük kullanılacaksa, yük ac gerilim ile köprü doğrultucu arasına bağlanmalıdır. ğer bir DC yük kullanılacaksa, yük Şekil 0-(e) de gösterilen kesik çizgili yere yerleştirilmelidir. Ancak, doğrultucu kayıpları bu devreyi en az verimli hale getirir, ve bu devrelerde komutasyon sorunları görülür. Ac güç kontrolünün en basit, verimli, ve güvenilir yöntemi, Şekil 0-(f) de gösterildiği gibi çift yönlü triyot tristör (triyak) kullanmaktır. Deney devresinin açıklaması bölümünde bu devrenin çalışmasını inceleyeceğiz. Faz kaydırmalı Kontrol Analizi. Yarım dalga kontrol Şekil 0-(a) da gösterilen SCR yarım dalga kontrol devresindeki ohmik yükteki gerilim Şekil 0-3 te gösterilmiştir. Ortalama yük gerilimi, AVG, SCR nin ateşleme açısı kontrol edilerek belirlenir. Şekil 0-3 Şekil 0-(a) daki Devrenin Yük Gerilimi Dalga Şekli 0-3

4 AVG ile α arasındaki ilişki şöyle ifade edilebilir: AVG α = P sin ωtdωt P [ cos ω ] α = t P [ + α] = cos 0-) ( Burada P yükteki tepe çıkış gerilimidir. RMS değeri şöyle hesaplanır: RMS α = P sin ωtdωt = P ( ωt) sin ωt α P = α + sin α... (0-) Denklem 0- ve 0- yi tekrar düzenleyerek, şu denklemleri elde ederiz: AVG + cos α =... (0-3) P RMS P = α + sin α. (0-4) (0-3) ve (0-4) denklemleri, SCR yarım dalga faz kontrolünde α, AVG, ve RMS arasındaki ilişkiyi gösterir. Bu denklemler faz kaydırmalı kontrol devreleri tasarımında çok yararlı denklemlerdir. α, AVG, ve RMS arasındaki ilişki, Şekil 0-4 teki grafikte gösterilmiştir. 0-4

5 Şekil 0-4 Yarım Dalga Faz Kontrolü Analiz Grafiği Şekil 0-4 teki P/P MAX eğrisi, ac kaynaktan ohmik yüke aktarılan tam güç oranlarını gösterir. Örneğin, SCR nin iletim açısı 80 o, ve tetikleme açısı 80 o -80 o =0 o, dolayısıyla P/P MAX = 0.5 tir.. Tam dalga kontrol Şekil 0-5 Şekil 0-(e) nin yük gerilimi Şekil 0-(e) deki SCR tam dalga kontrol devresindeki ohmik yükteki gerilim Şekil 0-5 te gösterilmiştir. AVG, ortalama yük gerilimi şöyle ifade edilebilir: AVG α = P sin ωtdωt = P cos t P [ ω ] α [ + α] = cos (0-5) 0-5

6 yada AVG P + cos α =.. (0-6) Yük geriliminin efektif değeri şöyle ifade edilebilir: RMS α = P sin ωtdωt P = ( ωt) sin ωt α P = α + sin α... (0-7) yada RMS P = α + sin α (0-8) (0-6) ve (0-8) denklemleri, Şekil 0-6 daki grafikte ifade edilmiştir. Şekil 0-6 Tam Dalga Kontrol Analiz Grafiği 0-6

7 Şekil 0-(c) deki simetrik tam dalga kontrol devresindeki ohmik yükteki gerilim Şekil 0-7 de gösterilmiştir. AVG, ortalama yük gerilimi sıfırdır. RMS, efektif yük gerilimi, Denklem (0-7) ve (0-8) ile hesaplanabilir. Şekil 0-7 Şekil 0-(c) deki Devrenin Yük Gerilimi Şekil 0-(e) deki köprü SCR devresinde, Şekil 0-6 dan 3 o de ortalama yük gerilimi AVG = 0.94 x 340 = 66V ve ortalama yük akımı 66 / = 5.5A bulunur. Her bir doğrultucu diyottaki ortalama akım 5.5 / =.75 A dır. ğer bir triyak kullanılsaydı, Şekil 0-(f), ve her bir yarım dalganın iletim açısı 67 o olduğu durumda rms akım 0A dır. AC Faz Kontrol Devreleri Tasarımı Darbe üreteci ve RC faz kaydırması içeren birçok ac faz kaydırmalı kontrol devresi uygulaması inceledik. Ac faz kaydırmalı kontrol devresi tasarımı basitçe üç adımda açıklanabilir: () Yük ve kaynak gerilimi güç gereksinimlerine göre ateşleme ve iletim açılarının belirlenmesi () Uygun faz kaydırmalı kontrol devresinin belirlenmesi (3) Faz kaydırmalı kontrol devresinin, tristörün tetiklenme koşullarına eşlenmesi Tabii ki, bir tasarımın son aşaması, bir model yapmak ve istenenleri karşılayacak ayarların yapılmasıdır. Şimdi, faz kaydırmalı kontrol tasarımındaki adımlara tek tek bakalım. A. Ateşleme ve iletim açılarının belirlenmesi Kontrol değerleri genellikle ortalama güç yada yükün rms gerilim ihtiyacına göre oluşturulur. Ortalama yük gücü alttaki formülle hesaplanabilir P AV = RMS / R L (0-9) Burada, 0-7

8 P AV : Belirlenen tetikleme açısında yük aktarılan ortalama güç RMS : Belirlenen tetikleme açısında yükün rms gerilimi R L : Saf ohmik yük. B. Uygun kayma devresinin belirlenmesi Yukarıda anlatıldığı gibi, tetikleme devresi olarak kullanılan temel kayma devresi, genellikle RC yada RL devrelerinden oluşur. Bununla birlikte pratik uygulamalarda RC devreler en çok kullanılan devrelerdir. Kullanılan faz kaydırmalı kontrol devresinin tipi α nın maksimum değerine göre değişir. ğer α max 90 o den küçükse, Şekil 0-8 de gösterildiği gibi bir RC yada RL devresi yeterli olacaktır. α max 90 o civarında yada daha büyükse, Şekil 0-9 daki devreye benzer bir köprü RC devresi kullanılmalıdır. Şekil 0-8 Basit Faz Kaydırma Devreleri Şekil 0-9 Köprü Faz Kaydırma Devreleri C. Faz kaydırma devresinin tristör tetiklenme gereksinimlerine eşlenmesi Faz kaydırmalı devre ile güç tristörü arasında bir tetikleme elemanı olacak şekilde Şekil 0-9 daki temel RC faz kaydırmalı kontrol devreleri yeniden düzenlenmelidir. Tetikleme elemanı, her bir tristörün kendine has özelliklerine göre bir ayarlama yapılmaksızın, tristörlerin çoğunun tetiklenme gereksinimlerine karşılık verebilecek RC faz kaydırmalı devrelere imkan sağlar. Genellikle kullanılan yöntem, 0-8

9 kapasitörde enerji depolamak ve istenen zamanda kapasitörü tetikleme elemanına boşaltmaktır. Çıkış darbesi, genellikle bir tristörün kapısını sürmek için yeterlidir. Şekil 0-0 AC Faz Kontrol Devrelerinde Kullanılan Tetikleme lemanları Negatif direnç karakteristiğine sahip herhangi bir yarı iletken eleman, tetikleme elemanı olarak kullanılabilir. Şekil 0-0, SCR yada triyak için kullanılan tetikleme elemanlarının bazı temel uygulamalarını gösterir. UJT Gevşemeli Osilatör ile SCR Kapı Tetiklemesi Faz kontrolünde karşılaşabileceğiniz en olası faz kaydırma devresi, UJT gevşemeli osilatördür. Şekil 0-, bir SCR faz kontrolünde UJT gevşemeli osilatörü gösterir. UJT gevşemeli osilatör devresi tasarımını incelemiştik. Osilasyon frekansının, R T vec T elemanlarının değerleri ile belirlendiğini ve f /R T C T olduğunu hatırlayalım. Şekil 0-(b) de gösterildiği gibi emetördeki gerilim dalga şekli, V, bir testere dişli dalgadır, ve baz deki gerilim dalga şekli, V B, bir pozitif darbe katarıdır. Darbe katarı, yüke aktarılan gücü kontrol etmek için SCR nin kapısına uygulanır. 0-9

10 (a) Temel devre (b) V ve V B dalga şekilleri Şekil 0- SCR Faz Kontrolünde UJT Gevşemeli Osilatör () R T C T zaman sabiti, SCR nin iletim açısını belirler. R T C T zaman sabiti SCR nin iletim açısı ile doğru orantılıdır, ve yük gücü ile ters orantılıdır. () UJT OFF durumunda iken, R üzerinden akan küçük I BB akımı, I BB x R lik bir gerilim düşümü oluşturur. (3) UJT OFF durumunda iken SCR nin tetiklenmesinden sakınmak için, R değeri uygun bir aralıkla sınırlandırılmalıdır. (4) R sıcaklık kompanzasyonu için kullanılır. R in maksimum değeri, SCR nin minimum kapı tetiklenme gerilimini ve I BB değerine göre belirlenmelidir. Şekil 0-(a) da, matematiksel bağıntı şöyledir: R(max) V GK(min) / I BB (0-0) Uygulamada, R ve R tipik olarak 00Ω dur. R BB >> R + R ; I BB V BB / r BB Bu değeri denklem (0-0) da yerine koyarsak, R (max) (V GK(min) r BB ) / V BB..(0-) Şekil 0-0(a) daki devrenin ana dezavantajı iki farklı güç kaynağı kullanılmasıdır. Şekil 0- ve 0-3 teki devreler, faz kontrolünde farklı güç kaynakları kullanımı sorununu gideren devrelerdir. 0-0

11 Şekil 0- UJT-SCR Yarım Dalga Faz Kontrolü Şekil 0-(a) bir UJT-SCR yarım dalga faz kontrolü devresi gösterir. RD direnci ve D zener diyotu ac gerilimi regüle ederek UJT gevşemeli osilatör için sabit V Z gerilimi sağlarlar. Devrenin dalga şekilleri Şekil 0-(b) de gösterilmiştir. Bu devrenin çalışması Şekil 0- deki devreye benzerdir. Devre çalışmasını şöyle özetleyebiliriz: () D zener diyotu, UJT gevşemeli osilatör için sabit bir dc gerilim sağlar ve UJT yi korur. () metör gerilimi bir testere dişli dalga, ve B deki gerilim bir darbe katarıdır, bkz. Şekil 0-(b). (3) V, V B, ve V LOAD dalga şekillerini karşılaştırırsak, R değiştiğinde, gevşemeli osilatörün osilasyon periyodunun ve tetikleme faz açısının değişeceği görülür. (4) Bir pozitif yarım dalga boyunca SCR bir kez iletime tetiklenince, UJT devresine sağlanan gerilim çok küçük bir potansiyele düşecektir. Bundan dolayı yarım çevrimin kalan kısmında tetikleme darbesi görülmez. (5) SCR OFF durumunda iken, zener akımı hala yük ve R D den akar. Uygun bir R D direnci kullanılarak zener akımı en aza indirilmelidir., tipik olarak R D >> R LOAD. Şekil 0- deki devre, motorlar, lambalar, ve elektrikli ısıtıcılar gibi çok çeşitli yüklerde kullanılabilir. Güç verimini incelersek, dc yada ac yüklerde Şekil 0-3 te gösterilen tam-dalga faz kontrol devrelerinin uygun olduğu görülür. 0-

12 (a) DC yük faz kontrolü (b) AC yük faz kontrolü Şekil 0-3 AC ve DC faz kontrol devreleri 0-

13 Deney Devresinin Açıklaması Şekil 0-4 Deney Devresi Bu deneyde kullanılan UJT-SCR faz kontrol devresi Şekil 0-4 te gösterilmiştir. Köprü doğrultucu, D~D4, 8V ac gerilimi dalgalı dc gerilime dönüştürür. Zener diyot ZD, bu dalgalı dc gerilimi gevşemeli osilatör için V ye sabitler. R direnci zeneri aşırı akımdan korur. SCR kapısına bir tetikleme işareti uygulanmadığında, SCR kesimdedir ve lamba sönüktür. UJT gevşemeli osilatör çalışmaya başlayınca, baz deki darbeler SCR yi her bir yarım dalgada tetikleyecektir, ve akım lamba üzerinden akacak; lamba yanacaktır. Yük gücü, SCR nin iletim açısı ile kontrol edilir. Kısaca, yük gücü ile tetikleme darbesinin periyodu ters orantılıdır. KULLANILACAK LMANLAR KL-500 Güç Kaynağı Ünitesi KL Modülü Osiloskop 0-3

14 DNYİN YAPILIŞI. UJT tetiklemeli SCR kaymalı kontrol devresini, Şekil 0-4 te gösterildiği gibi, KL modülüne yerleştirin.. Short-jumper ları,, ve 5 numaralara takın. Minimum direnç elde etmek için VR i saat yönünün tersi yönde sonuna kadar çevirin. 3. Osiloskopu kullanarak, zener diyot ZD uçlarındaki gerilim dalga şeklini gözlemleyin ve şekli Tablo 0- e çizin. Tablo 0- ZD V 0 T 4. Osiloskopu kullanarak, UJT nin B indeki ve SCR nin anot-katot uçlarındaki gerilim dalga şekillerini gözlemleyin ve Tablo 0- ye çizin. Lambanın parlaklığını gözlemleyin ve kaydedin.. A Tablo 0- B V V 0 T 0 T 5. VR i orta noktasına getirin. 4. Adımı tekrarlayın ve sonucu Tablo 0-3 e kaydedin. Lambanın parlaklığını gözlemleyin ve kaydedin. 0-4

15 A Tablo 0-3 B V V 0 T 0 T 6. VR i istediğiniz bir miktar çevirin ve V AK gerilim dalga şeklini ve lambanın parlaklığını gözlemleyin. Lamba parlaklığı ve tetikleme açısındaki değişimleri kaydedin. 7. Short-jumper i numaradan çıkarın ve 3 numaraya takın. 4. ve 5. Adımları tekrarlayın. 8. VR i istediğiniz bir miktar çevirin ve V AK gerilim dalga şeklini ve lambanın parlaklığını gözlemleyin. Lamba parlaklığı ve tetikleme açısındaki değişimleri kaydedin. lde ettiğiniz sonucu 6. Adımdaki sonuçla karşılaştırın ve farkları yorumlayın. 9. Short-jumper i 3 numaradan çıkarın ve 4 numaraya takın. 4. Ve 5. Adımları tekrar edin. 0-5

16 0. VR i istediğiniz bir miktar çevirin ve V AK gerilim dalga şeklini ve lambanın parlaklığını gözlemleyin. Lamba parlaklığı ve tetikleme açısındaki değişimleri kaydedin. lde ettiğiniz sonucu 8. Adımdaki sonuçla karşılaştırın ve farkları yorumlayın. SONUÇ Bu deneyde, VR in değişimi ile UJT gevşemeli osilatör osilasyon periyodunun değiştiğini, dolayısıyla SCR iletim açısının değiştiğini gördük. UJT emetör gerilimi bir testere dişli dalga ve B gerilimi SCR tetikleme darbesidir. 0-6