PROF. DR. HAC BODR GÜÇ ELEKTRONİĞİ. Güç Elektroniğinin Kapsamı ve ygulamaları. Temel Yarı İletken Güç Elemanları 3. Diğer Yarı İletken Güç Elemanları 4. Güç Elemanlarının Karşılaştırılması 5. AC-DC Dönüştürücüler / Doğrultucular 6. AC-AC Dönüştürücüler / AC Kıyıcılar 7. DC-AC Dönüştürücüler / İnverterler 8. DC-DC Dönüştürücüler / DC Kıyıcılar 9. Güç Elemanlarına Kayıplar ve sınma 0. Temel Yarı İletken Kontrol Elemanları. Güç Elektroniğine Temel Kontrol Düzenleri. Güç Elektroniğine Temel Koruma Düzenleri
PROF. DR. HAC BODR. GÜÇ ELEKTRONİĞİNİN KAPSAM ve YGLAMALAR A) GÜÇ ELEKTRONİĞİNİN TANM ve KAPSAM GÜÇ ELEKTRONİĞİNİN TANM Güç Elektroniği, temel olarak yüke verilen enerjinin kontrol eilmesi ve enerji şekillerinin birbirine önüştürülmesini inceleyen bilim alıır. Güç Elektroniği, Elektrik Mühenisliğinin olukça cazip ve önemli bir bilim alıır. Güç Elektroniği, temel olarak Matematik ve Devre Teorisi ile Elektronik bilgisi gerektirir. YÜKE VERİLEN ENERJİNİN KONTROLÜ Yüke verilen enerjinin kontrolü, enerjinin açılması ve kapanması ile ayarlanmasını içerir.. Statik (Yarı İletken) Şalterler a) Statik AC şalterler b) Statik DC şalterler. Statik (Yarı İletken) Ayarlayıcılar a) Statik AC ayarlayıcılar b) Statik DC ayarlayıcılar ENERJİ ŞEKİLLERİNİN BİRBİRİNE DÖNÜŞTÜRÜLMESİ Elektrik enerji şekillerini birbirine önüştüren evrelere genel olarak Dönüştürücüler aı verilir. Dört temel önüştürücü varır. Bu önüştürücüler aşağıaki iyagrama özetlenmiştir. Dönüştürücüler Dönüştürücülere kullanılan kısaltmalar DC : Doğru Akım şeklineki elektrik enerjisi AC : Alternatif Akım şeklineki elektrik enerjisi : DC gerilim (ortalama eğer) : AC gerilim (efektif eğer) F : Frekans q : Faz sayısı
PROF. DR. HAC BODR. AC-DC Dönüştürücüler / Doğrultucular, Reresörler AC DC, f, q Temel Özellikleri Enerji Doğal komütasyonluur. Tristör ve iyotlarla gerçekleştirilir. Başlıca ygulama Alanları DC motor kontrolü Akümülatör şarjı Galvano teknikle kaplama DC gerilim kaynakları. DC-AC Dönüştürücüler / İnverterler, Eviriciler DC Enerji, f, q AC Temel Özellikleri Zorlamalı komütasyonluur. Yüksek güç ve üşük frekanslara SCR kullanılır. Orta güç ve orta frekanslara BJT kullanılır. Düşük güç ve yüksek frekanslara MOSFET kullanılır. Ayrıca, iğer güç elemanları, GTO yüksek güç ve üşük frekanslara, GBT ortanın üzerineki güç ve frekanslara, MCT yüksek güç ve orta frekanslara kullanılmaktaır. Başlıca ygulama Alanları AC motor kontrolü Kesintisiz güç kaynakları Enüksiyonla ısıtma sistemleri Yüksek gerilim DC taşıma sistemleri AC gerilim kaynakları 3. DC-DC Dönüştürücüler / DC Kıyıcılar DC Enerji DC < 3
PROF. DR. HAC BODR Temel Özellikleri Zorlamalı komütasyonluur. Eleman seçimi invertereki gibiir. Başlıca ygulama Alanları DC motor kontrolü Akümülatör şarjı DC gerilim kaynakları 4. AC-AC Dönüştürücüler / AC Kıyıcılar, Doğruan Frekans Dönüştürücüler AC Kıyıcılar AC AC, f, q, f, q Enerji f f q q AC KYC / FAZ KESME DEVRESİ Temel Özellikleri Doğal komütasyonluur. Tristör ve triyaklarla gerçekleştirilir. Başlıca ygulama Alanları Omik yüklere güç kontrolü, temel olarak ısı ve ışık kontrolu Vantilatör karakteristikli yükleri (fan, pompa, ve kompresör gibi) tahrik een üşük güçlü AC motor kontrolü Doğruan Frekans Dönüştürücüler f f q q,f,q,f,q DOĞRDAN FREKANS DÖNÜŞTÜRÜCÜ Temel Özellikleri Doğal komütasyonluur. Tristörlerle gerçekleştirilir. Düşük hızlara kontrol imkanı sağlar. Başlıca ygulama Alanları Çok üşük evirlere çalışan ağır iş makinalarının (yol kazma, taş kırma, maen çıkarma makinaları gibi) kontrolü 4
PROF. DR. HAC BODR B) GÜÇ ELEKTRONİĞİNİN ENDÜSTRİYEL YGLAMALAR Güç Elektroniğinin statik ve inamik temel enüstriyel uygulama alanları ile iğer önemli enüstriyel uygulama alanları aşağıaki gibi sıralanabilir.. Temel Statik ygulamalar Kesintisiz Güç Kaynakları (KGK, PS) Anahtarlamalı Güç Kaynakları (AGK, SMPS) Rezonanslı Güç Kaynakları (RGK, RMPS) Enüksiyonla sıtma (E, EH) Elektronik Balastlar (EB, EB) Yüksek Gerilim DC Taşıma (YGDCT, HVDC) Statik VAR Kompanzasyonu (SVK, SVC). Temel Dinamik ygulamalar Genel Olarak DC Motor Kontrolü Genel Olarak AC Motor Kontrolü Sincap Kafesli (Kısa Devre Rotorlu) Asenkron Motor Kontrolü Bilezikli (Sargılı Rotorlu) Asenkron Motor Kontrolü Lineer Asenkron Motor Kontrolü Senkron Motor Kontrolü Üniversal Motor Kontrolü Aım Motoru Kontrolü Relüktans Motor Kontrolü 3. Diğer Önemli ygulamalar Ayınlatma ve şık Kontrolü Sistemleri sıtma ve Soğuma Sistemleri Lehim ve Kaynak Yapma Sistemleri Eritme ve Sertleştirme Sistemleri Eleme ve Öğütme Sistemleri Asansör ve Vinç Sistemleri Yürüyen Meriven ve Bant Sistemleri Pompa ve Kompresör Sistemleri Havalanırma ve Fan Sistemleri Alternatif Enerji Kaynağı Sistemleri Akümülatör Şarjı ve Enerji Depolama Sistemleri Elektrikli Taşıma ve Elektrikli Araç Sistemleri zay ve Askeri Araç Sistemleri Yer Kazma ve Maen Çıkarma Sistemleri Ayrıca, Güç Elektroniği, Disiplinlerarası Bilim Alanları olarak bilinen Enüstriyel Otomasyon Mekatronik Robotik bilimleri içerisine e yoğun bir şekile yer almaktaır. 5
PROF. DR. HAC BODR. TEMEL YAR İLETKEN GÜÇ ELEMANLAR A) TEMEL KONTROLSÜZ GÜÇ ELEMAN DİYOT Yapı, Sembol ve İletim Karakteristiği Yapı Sembol A : Anot K : Katot Açıklama En basit yapılı kontrolsüz yarı iletken elemanır. İletim yönüne, eşik geriliminin üzerine küçük eğerli bir iç irence sahip olan bir iletken gibiir. Kesim yönüne ise, elinme gerilimine kaar çok küçük sızıntı akımlar geçiren bir yalıtkan gibiir. İletim Karakteristiği : Delinme Gerilimi TO : Eşik Gerilimi r T : Eşeğer Direnç (μω - mω mertebelerine) Güç iyou, gerilimine tahrip olur ve iletken hale gelir. Yüksek ve sabit bir gerilim altına akımın sonsuza gittiği bu tür evrilmelere, genel olarak çığ evrilme enilmekteir. Çığ evrilmeye maruz kalan yarı iletken elemanlar, güç kaybınan olayı genellikle tahrip olur yani bozulurlar. Tahrip olan yarı iletken elemanlar ise, genellikle kısa evre olurlar. Güç iyotları, pozitif yöne akımı geçirmeleri ve ters yöne akımı tutmaları için, olukça yaygın olarak kullanılmaktaır. Normal, hızlı ve çok hızlı iyot türleri mevcuttur. Normal iyotlar, genellikle AC şebekeye bağlı oğrultucu ve AC kıyıcı evrelerine kullanılmaktaır. Hızlı iyotlar ise, genellikle inverter ve DC kıyıcılara kullanılmaktaır. Günümüze Ters Toparlanma Süresi veya Sönme Süresi birkaç 0 ns olan iyotlar üretilebilmekteir. 6
PROF. DR. HAC BODR B) TEMEL KONTROLLÜ GÜÇ ELEMANLAR. TRİSTÖR (SCR) Yapı, Sembol ve İletim Karakteristiği Yapı ve Sembol İletim Karakteristiği Karakteristik Değerler i G : Kapı Akımı u G : Kapı Gerilimi GT : Tetikleme Akımı. GT : Tetikleme Gerilimi GTM : Max. Kapı Akımı GTM : Max. Kapı Gerilimi u B : Devrilme gerilimi B0 : Sıfır Devrilme Gerilimi H : Tutma Akımı (ma) L : Kilitleme Akımı (ma) L > H : Delinme Gerilimi u krt : Kritik Gerilim Yükseltme Hızı (V/μs) t i krt : Kritik Akım Yükseltme Hızı (A/μs) t t q : Sönme Süresi (μs) Q s : Taban Tabakalarına Biriken Elektrik Yükü (μas) DRM : Max. Periyoik (+) Dayanma Gerilimi DRM < B0 RRM : Max. Periyoik (-) Dayanma Gerilimi RRM < TAVM : Sürekli Çalışmaa Tristörün Max. Ortalama Akımı TEFM : Sürekli Çalışmaa Tristörün Max. Efektif Akımı Tmax t: 0 ms : 0 ms için Tristörün Max. Akımı 7
PROF. DR. HAC BODR i t : Tristörün Max. Sınır Yükü (μa s) θ vj : Jonksiyon Sıcaklığı θ vjmax : Max. Jonksiyon Sıcaklığı NOT : GT f ( TM, θ Vj ), GT : Her türlü şartlar altına tristörü tetikleyebilen eğerir. Tristörün İletim ve Kesime Kilitlenme Özelliği Kapısına kısa süreli ve yeterli bir akım sinyali uygulanan tristör tetiklenir ve iletime girer. Kısa süreli bir sinyal ile iletime giriği için tristöre Tetiklemeli Eleman a enmekteir. İletimeki bir tristörün içinen geçen akım kilitleme akımına eriştiğine, tristör iletime olarak kilitlenir ve artık kapı akımı kesilse e iletime kalır. İletime olan bir tristörün içinen geçen akım herhangi bir şekile tutma akımının altına üşerse, tristör otomatik olarak kesime girer. Bu anan itibaren en az sönme süresi kaar tristör negatif bir gerilimle tutulur veya tekrar bir pozitif gerilim ( 0,6 V) uygulanmaz ise, tristör kesime olarak kilitlenir ve artık pozitif gerilim uygulansa a kesime kalır. Bu neenle, tristöre Kilitlemeli Eleman a enilmekteir. Tristöre iletime girme işlemi kontrollü olup, kesime girme işlemi kontrolsüzür. Bu neenle tristöre Yarı Kontrollü Eleman a enilmekteir. Tristörün Keniliğinen İletime Geçme Sebepleri. Bir tristörün uçlarınaki gerilimin eğeri bu tristörün sıfır evrilme gerilimi eğerine erişirse, yani u T B0 ise, bu tristör keniliğinen iletime geçer.. Bir tristörün uçlarınaki gerilimin yükselme hızı eğeri bu tristörün kritik gerilim yükselme hızı eğerine erişirse, yani u T t u krt ise, t bu tristör keniliğinen iletime geçer. 3. Yeni iletimen çıkan bir tristörün negatif gerilimle tutulma süresi bu tristörün sönme süresinen küçükse, yani t N < t q ise, bu tristör keniliğinen iletime geçer. 8
PROF. DR. HAC BODR Tristörün Tahrip Olma Sebepleri. u T > ise, çığ evrilme ve aşırı güç kaybı ile mak. sıcaklık sınırı aşılır ve tristör bozulur.. TAV > TAVM ve TEF > TEFM ise, aşırı güç kaybı ile mak. sıcaklık sınırı aşılır ve tristör bozulur. 3. i T t > i t ise, aşırı güç kaybı neeniyle mak. sıcaklık sınırı aşılır ve tristör tahrip olur. 4. i T t i > krt ise, iletime girmee ilk oluşan ar iletken kanala mak. sıcaklık sınırı aşılır ve t tristör bozulur. Buna sicim olayı aı verilir. 5. θ vj > θ vjmax ise, aşırı güç kayıplarının sonucu olarak, yarı iletken yapı bozulur. Bu urumlara tristör genellikle iletken hale gelir veya kısa evre olur. Tristörün Tetiklenmesi t : Gecikme Süresi t r : Yükselme Süresi, Açma Süresi t s : Yayılma Süresi t t + t + t ON r s t r süresi sonuna, kapı akımı civarına ana akımın geçtiği ar bir kanal oluşur. t s süresi sonuna ise, ısınma etkisi ile akım bütün jonksiyon yüzeyine yayılır. t r süresi sonuna oluşan kanalan geçen akım bu kanalın iletkenliğini arttırır. İletkenliği artan kanalan aha çok akım geçer. Bu olay zincirleme bir şekile sürer ve akım bütün yüzeye yayılır. Fakat, akımın yükselme hızı kritik akım yükselme hızına erişirse, akım bütün yüzeye yayılmaan bu kanalın sıcaklığı max. eğere erişir ve bu kanal tahrip olur. Böylece, yarı iletken yapı bozulur ve iletken hale gelir. Bu şekileki bozulmaya sicim olayı enir. Sicim Olayı neeniyle tristörün tahrip olmaması için, i. T i krt olacak şekile, tristöre bağlanan küçük eğerli bir seri enüktans ile akım t t artış hızı sınırlanırılmalıır.. Üretim esnasına, kapı akımının uygulanığı nokta veya punto sayısı arttırılmalıır. 9
PROF. DR. HAC BODR Tristörün Sönürülmesi Q s : Taban Tabaklarına Biriken Elektrik Yükü (μas) TM : Sönme Öncesi Tristören Geçen Akım (A) i / t : Sönme Esnasına Tristör Akımının Azalma Hızı (A/μs) t q : Sönme Süresi (μs) T : İletim Gerilim Düşümü (V) Tristör ve Diyoun İletim Gerilim Düşümü u T T0 + r T. i T T0 : Eşik Gerilimi r T : Eşeğer Direnç (μω-mω mertebelerine) Tristörün ygulama Alanları Tristör, kontrollü bir iyottur. Kapısına sürekli ve yeterli bir sinyal verilen tristör, iyoa eşeğerir ve iyot gibi avranır. Diyoun a kontrolsüz bir tristör oluğu söylenebilir. İletimen çıkma olayı ikisine e aynıır. Tristör ve iyotlar, normal akım ve kısa süreli ani akım eğerleri en yüksek olan elemanlarır. Tristörlerin e normal ve hızlı türleri mevcuttur. Sönme Süresi, normal tristörlere birkaç 00 μs civarına, hızlı tristörlere ise 00 μs nin altınaır. Normal Tristörler, AC şebekeye bağlı oğrultucular ile AC kıyıcılara yaygın olarak kullanılmaktaır. Hızlı Tristörler ise, tam kontrollü güç elemanlarının güçleri yetmeiğine, inverter ve DC kıyıcılara kullanılmaktaır. Elektrikli taşıma sistemlerine kullanılan DC kıyıcılar ile enüksiyonla ısıtma sistemlerine kullanılan inverterler buna örnek gösterilebilir. 0
PROF. DR. HAC BODR Tristörlü Örnek Devreler. Tristörlü bir AC ygulama Tetikleme Sinyali Bu evree, tristör, α anına kısa süreli bir sinyalle tetiklenir ve iletime olarak kilitlenir. Tristör içerisinen akım geçtiği sürece iletime kalır. anına akımın 0 olmasıyla, tristör keniliğinen oğal olarak söner yani kesime girer. Yeni bir pozitif yarım algaa yeni bir α anına tekrar tetikleninceye kaar tristör kesime kalır. Sonuç olarak, tristör, pozitif yarım algalara ve α- aralıklarına iletime kalır ve sinüsoial bir akım geçirir. α açıları eğiştirilerek yükün gücü ayarlanabilir yani güç kontrolü yapılabilir. Bu evre, yarım alga kontrollü bir oğrultucu olup, oğal komütasyonlu bir evreir.. Tristörlü bir DC ygulama Bu evree ise, yine kısa süreli bir sinyal ile iletime giren tristör, içerisinen geçen akım hiç kesilmeyeceğine göre, oğal olarak hiç iletimen çıkmaz ve sürekli akım geçirir. Ancak, ilave evre ve üzenlerle isteniliği zaman zorla sönürülebilir. Tristörün iletime kalma oranı eğiştirilerek güç kontrolü yapılabilir. Bu evre ise, bir DC kıyıcı olup, zorlamalı komütasyonlu bir evreir.
PROF. DR. HAC BODR. BİPOLAR TRANSİSTÖR ( BJT ) Yapı, Sembol ve İletim Karakteristiği npn türü Yapı Sembol pnp türü C : Kollektör, E : Emiter, B : Taban İletim Karakteristiği Temel bir Transistör Devresi Temel Özellikler Yük genellikle C ucuna bağlanır. Taban akımı aima E B arasına geçer ve akımın yönü p en n ye oğruur. Ana akım ile taban akımı aima aynı yöneir. B ile C arasına bir akım geçerek, transistör ters ve istenmeyen kötü bir iletime girebilir. Bu urum önlenmeliir. Transistörün çığ evrilmeye girmesi elemanı tahrip eer. Güç evrelerine transistör ya tam iletime (kalın çizgi üzerine) ya a tam kesime çalıştırılmalıır. Buna Anahtarlama Elemanı olarak çalışma enilir. Tristörler oğal olarak böyle çalışır. Transistöre giriş oluğu sürece çıkış varır. Transistör bir Tam Kontrollü Elemanır. Giriş akım, çıkış akımır.
PROF. DR. HAC BODR İletim gerilim üşümü veya iletim kaybı en üşük olan elemanır. Anahtarlama güç kaybı en yüksek olan elemanır. Alt bölgelere karakteristikler paralel ve eşit aralıklıır. Bu bölgee sabit kazançla akım yükseltme işlemi yapılabilir. Fakat güç evrelerine bu yapılamaz. Genel Tanımlar i C β F. i B i E i C + i B ( + β F ) i B β F : DC Akım Kazancı i C β F. i B u R R L. i C u CE L - u R u CE L - R L.i C Yük Doğrusu BE 0,6 V L u ib R B BE Doyum ve Aşırı Doyum i B BB ise, u CE u BE olur. Buna Sınıra Çalışma enir. i B BS ise, u CE CEsat ve i C Cmax olur. Buna Doyuma Çalışma enir. BB < i B < BS ise, u CE < u BE olur. Buna Doyum Bölgesine Çalışma enir. i B > BS ise, yine u CE CEsat ve i C Cmax olur. Buna a Aşırı Doyuma Çalışma enilir. B-E arası normale göre iç irenci olukça büyük olan bir iyot jonksiyonuur. Doyum karakteristiği ile u BE karakteristiği arasınaki bölgeye Doyum Bölgesi enir. Bir transistörün iletimen çıkma süresi, i B akımının oyum fazlası ile orantılıır. Aşırı oyum, transistörün hızını üşürür ve anahtarlama kayıplarını arttırır. Aynı zamana, B-C jonksiyonunan akım geçirerek ilave kayıplara sebep olabilir. Emniyetli Çalışma Alanı (SOA) Bir transistörün aynı ana hangi akım ve gerilim eğerlerine kullanılabileceği, Emniyetli Çalışma Alanı (SOA) ile verilir. Bir transistöre, nominal akım ve gerilim eğerleri, aynı ana kullanılabilecek eğerler eğilir. Tristörlere nominal eğerler aynı ana kullanılabilir. Tristörlere SOA alanı gibi bir sınırlama mevcut eğilir. 3
PROF. DR. HAC BODR İletime ve Kesime Girme t r : Yükselme Süresi t s : Yayılma Süresi t f : Düşme Süresi t ON t r t OFF t s + t f t SW t ON + t OFF t r + t s + t f Anahtarlama esnasınaki ani güç kaybı çok yüksektir. Bir yarı iletkenin toplam güç kaybı, anahtarlama ve iletim güç kayıplarının toplamına eşittir. Düşük frekanslara iletim güç kaybı, yüksek frekanslara ise anahtarlama güç kaybı aha etkiliir. Transistörler, orta güç ve orta frekanslara en yaygın olarak kullanılan en ucuz yarı iletken güç elemanlarıır. Transistörün ygulama Alanları Transistörler, normal olarak, orta güç ve frekanslara, zorlamalı komütasyonlu olan inverter ve DC kıyıcı evrelerine kullanılmaktaır. Ancak, uygulama alanları gittikçe azalmaktaır. Transistörün Sürülmesine Önemli Olan Hususlar İletime girme ve çıkma SOA alanı içine olmalıır. Sürekli çalışmaa Cmax eğeri aşılmamalıır. İletime girerken i c /t ve iletimen çıkarken u CE /t eğerleri sınırlanmalıır. Bu, kayıp güçleri azaltır. İletime sürme ve iletimen çıkarma sinyali ani akım arbeli olmalı, sürekli sürme akımı ise ana akımla tam uyum içine olmalıır. Aşırı oyum önlenmeliir. Bu, elemanı hızlanırır ve kayıpları azaltır. B E uçları (eleman girişi) uygun bir irenç ile köprülenmeliir. Bu, kaçak, sızıntı ve eplasman akımlarına karşı elemanı korur, kayıpları azaltır. Ters gerilim uygulanmamalıır. Güç transistörünün ters gerilim tutma özelliği yoktur. Normal olarak -30 V civarınaır. Girişi irençle köprülenmiş bir transistör negatif gerilim tutma özelliğini tamamen kaybeer. Eleman elektronik olarak korunmalıır. 4
PROF. DR. HAC BODR Genel bir Sürme Devresi ve Aşırı Doyumun Önlenmesi L : İletime girerken i c /t yi sınırlar. R B ve C B : Her yarı iletkene paralel olarak konulması gereken ( R C ) elemanıır. İletimen çıkarken u CE /t ve CEmax ı sınırlar. R BS : Giriş akımını sınırlar. Gerilim sinyalini akım sinyaline önüştürür. R BP : Sızıntı ve eplasman akımına karşı koruma görevi yapar. D, D ve D 3 : Aşırı oyumu önler, transistörün belirli bir gerilim üşümü ile çalışmasını sağlar. D 4 veya D 5 : Transistörü ters akım ve gerilimlere karşı korur. İletime girme esnasına D 3 iyou kesimeir. CE : Çok yüksek veya A an büyüktür. A D D : Bir iyottaki gerilim üşümü. D 0,6 V BE D İ D3 0 g A ig R BS i g i B i RBP + i B BE i RBP R BP i RBP << i B olmalıır. i B i g olur. İletim uruma D 3 iyotu aima iletime olmalıır. i g i B + i D3 i D3 i g - i B i B i RBP + i B i RBP BE / R BP i B i C / β F D + BE D3 + CE D D3 D CE BE D İletimen çıkma esnasına i g i B i BP + i B İ D3 0, D 3 kesime. Transistöre E en B ye oğru kararlı rejime bir akım geçmez. Saece transistör iletimen çıkıncaya kaar E en B ye oğru bir akım geçer. Bu akım, kesime girmeyi büyük ölçüe hızlanırır. Transistör kesime giriğine ters i B akımı keniliğinen sıfırlanır. 5
PROF. DR. HAC BODR Yükseltmeli bir Sürme Devresi Ters-paralel bağlı iki elamanan birisinin iletime olması, iğerinin kesime olmasını garanti eer. Buraa transistörlerin tabanları ters-paralel bağlı oluğunan, iki transistörün birlikte iletime olması mümkün eğilir. Herhangi birisinin tabanına bir akım uygulanığına, iğerinin tabanına 0.6 V kaar bir negatif gerilim oluşur, bu transistör iletime giremez ve eğer iletime ise hızlı bir şekile kesime girer. Bu mükemmel bir kilitlemeir. Yaklaşık khz nin üzerineki orta ve yüksek frekanslara giriş sinyali ve sürme kaynağı iki yönlü veya çift kutuplu olmalıır. Transistörlü Örnek bir Devre Bu evree, bir iyot köprüsü ile oğrultulan tek fazlı sinüsoial şebeke gerilimi, transistör yarımı ile belli açılara kıyılmaktaır. Transistör, bütün yarım algalara ve α- aralıklarına iletime kalır ve sinüsoial bir akım geçirir. α açıları eğiştirilerek yükün gücü ayarlanabilir yani güç kontrolü yapılabilir. Transistör girişine α- aralıklarına yeterli bir pozitif ve bunların ışınaki aralıklara yeterli bir negatif akım uygulanır. Aşırı oyum koruması oluğunan, transistör tabanı ihtiyacı olan akımı çeker ve gelen akımın fazlası iyot üzerinen geçer. Transistör girişine verilen akım, en kötü hale bile yeterli eğere olmalıır. Bu evre, tam alga kontrollü bir oğrultucu olup, aslına oğal komütasyonlu bir evreir. 6
PROF. DR. HAC BODR 3. İZOLE KAPL ALAN ETKİLİ TRANSİSTÖR (GFET, MOSFET) Yapı, Sembol ve İletim Karakteristiği Sembol İletim Karakteristiği Genel Özellikler MOSFET aima oyuma kullanılmalıır. Giriş oluğu sürece çıkış varır. Giriş gerilim, çıkış akımır. Kazanç sonsuz kabul eilir. En hızlı yarı iletken elemanır. İletime giriş 50-60 ns ve iletimen çıkış 50-00 ns civarınaır. Anahtarlama kaybı en üşük olan elemanır. İletim gerilim üşümü veya iletim güç kaybı en yüksek olan elemanır. Tek ezavantajı, sıcaklıkla artan yüksek eğerli bir iç irence sahip olmasıır. Düşük güç ve yüksek frekanslara kullanılır. Giriş akımı nanoamperler mertebesineir. Ancak, gerilim sinyali ilk veriliğine yüksek eğerli bir şarj akımı çeker. Bu akımın karşılanmasına ikkat eilmeliir. Aksi hale hız üşer. Kapı ayanma gerilimi ± 0 V tur. Gerçekte, uygulanan gerilim ± 8 V u geçmemeliir. ygulamalara, genellikle sürme gerilimi olarak ± 5 V kullanılmaktaır. 7
PROF. DR. HAC BODR MOSFET lerin ygulama Alanları MOSFET ler, normal olarak, üşük güç ve yüksek frekanslara, zorlamalı komütasyonlu olan inverter ve DC kıyıcı evrelerine kullanılmaktaır. Bu elemanlara fiyat gerilime çok bağlıır. Düşük gerilimli MOSFET lerin fiyatları olukça üşük oluğunan, üşük gerilimli uygulamalara MOSFET ler yaygın olarak kullanılmaktaır. Buna örnek olarak, üşük gerilimli akümülatör-inverter grubuna sahip olan kesintisiz güç kaynakları ile üşük gerilimli DC kıyıcı evresine sahip olan anahtarlamalı güç kaynakları gösterilebilir. Ayrıca, MOSFET ler çalışma frekansı en yüksek olan elemanlarır. Yüksek frekans ve üşük güçlü uygulamalara a MOSFET ler yaygın olarak kullanılmaktaır. Buna örnek olarak, üşük güçlü kesintisiz ve anahtarlamalı güç kaynakları ile enüksiyonla ısıtma ve elektronik balastlar gösterilebilir. Ancak, BJT ve MOSFET lerin uygulama alanları sürekli olarak aralmakta, bunların yerini hız ve güçleri sürekli olarak gelişen GBT elemanları almaktaır. Örnek bir MOSFET Sürme Devresi MOSFET ve GBT elemanlarının sürülmesine, iki yönlü veya çift kutuplu giriş sinyali ve iki yönlü sürme kaynağına gerek yoktur. BJT elemanlarının sürülmesine ise, yaklaşık olarak khz nin altınaki üşük frekanslara iki yönlü giriş sinyali ve iki yönlü sürme kaynağına gerek yoktur. Bu şartlar altına, bütün bu elemanların sürülmesine buraa verilen evre kullanılabilir. Ancak, BJT için zenerlere gerek yoktur. MOSFET ve GBT için ise zenerler her zaman gerekliir. Bu sürme evresine, giriş sinyali uygulanığına, T, T ve T 3 arışık olarak iletime girer ve G ucu +5 V a çekilir. Giriş sinyali kesiliğine, R n ile gösterilen irenç üzerinen T 4 iletime girerek G ucunu 0 a çeker, yani MOSFET in parasitik giriş konansatörü C GS i eşarj eer. Hızlı transistörler seçiliğine, sürme evresi olukça hızlı ve emniyetliir. 8
PROF. DR. HAC BODR 3. DİĞER YAR İLETKEN GÜÇ ELEMANLAR TRİSTÖR TETROT 4 uçlu özel bir tristörür. Her iki kapıan a tetiklenebilir. Tetiklemee, i G ve i G akımları ayrı ayrı kullanılabilir. FOTO TRİSTÖR Normal ortama gözle görülen ışıkla iletime giren iki, üç veya ört uçlu özel bir tristörür. şıkla veya bir kapı akımıyla kontrol eilebilir. TRİYAK (İKİ YÖNLÜ TRİSTÖR TRİYOT) Triyak ters-paralel bağlı iki tristöre eşeğerir. İki yönlü tristör e enir. Tetikleme ve montaj kolaylığı sağlar. Saece AC uygulamalara kullanılmak üzere üretilmekteir. AC kıyıcılara gücün yettiği yere kaar bir triyak kullanılır. Aksi hale tristörlere geçilir. Yaklaşık 00-50 A lere kaar triyaklar üretilmekteir. Triyak - ve - belgelerine üşük akımlarla kolay tetiklenir. + belgesine tetikleme çok zor veya imkansızır. ygulamalara, + ve - bölgelerine çalışma kolayır. 9
PROF. DR. HAC BODR KAP SÖNÜMLÜ TRİSTÖR (GTO) Kısa süreli i G ile tetiklenir ve i G ile sönürülür. i G çok küçük eğerlereir (normal trsitörlereki gibi). i G çok büyük eğerlereir ( ¼ ana akım kaar). Hızlı özel bir tristörür. Düşük frekans ve yüksek güçlere kullanılır. Sönürme sinyalinin büyüklüğünen olayı tetikleme evreleri karmaşık ve pahalıır. MOS KONTROLLÜ TRİSTÖR (MCT) MOSFET ve tristör karışımı, olukça hızlı, gerilim kontrollü, karma bir elemanır. MOSFET in ieal sürme özelliği ile tristörün ieal iletim karakteristiğini birlikte taşır. Negatif gerilim sinyali ile tetiklenir. Pozitif gerilim sinyali ile söner. Yine iletime ve kesime kilitlenme özelliği varır. Şu ana en üstün eleman görünümüneir. Fakat henüz gelişimi tamamlanamamıştır. Halen ticari olarak üretilememekteir. İZOLE KAPL BİPOLAR TRANSİSTÖR (GBT) Sembol u-i karakteristiği CET : Çıkış Eşik Gerilimi GET : Kapı Eşik Gerilimi Genellikle, CET > V ve GET : 4 V civarınaır. MOSFET in MOS kontrolü ve BJT nin ana akım karakteristiğini birlikte taşıyan karma bir elemanır. Tek ezavantajı çıkış eşik geriliminin oluşuur. Ancak iç irenci çok küçük oluğunan, yüksek akımlara yine avantajlı uruma geçer. Günümüze GBT ortanın biraz üzerineki güç ve frekanslara, en yaygın olarak kullanılan elemanlarır. 0
PROF. DR. HAC BODR 4. GÜÇ ELEMANLARNN KARŞLAŞTRLMAS TEMEL Yİ GÜÇ ELEMANLARNN İYİDEN KÖTÜYE DOĞR SRALAMAS Sürme Kolaylığı MOSFET GBT GTO BJT Sönme Kolaylığı MOSFET GBT BJT GTO İletim Gerilim Düşümü BJT GTO GBT MOSFET (.0 V) (.0 V) (3.0 V) (5.0V) Anahtarlama Güç Kaybı MOSFET GBT GTO BJT Akım Dayanımı GTO GBT BJT MOSFET (3000 A) (800 A) (600 A) (00 A) Gerilim Dayanımı GTO GBT BJT MOSFET (3000 V) (500 V) (00 V) (000 V) Devre Gücü GTO GBT BJT MOSFET (0 MW) (500 kw) (00 kw) (0 kw) Çalışma Frekansı MOSFET GBT BJT GTO (00 khz) (0 khz) (0 khz) ( khz) Fiyat BJT GTO GBT MOSFET Not :. Güç BJT leri genellikle Darlington yapıa ve npn türüneir.. Buraa GTO tristör ailesini temsil etmekteir.
PROF. DR. HAC BODR KON İLE İLGİLİ ÇÖZÜLMÜŞ PROBLEMLER Problem Bir tristör u T 000 Sin 6800 t (V) şekline bir gerilime maruz kalacaktır. Bu tristörün, keniliğinen iletime geçmemesi için, a) B0 eğeri ne olmalıır? u b) krt eğeri ne olmalıır? t Çözüm a) Tmax < B0 olmalıır. B0 > Tmax 000 V u b) T u ( ) max < krt olmalıır. t t ut T max sin ωt ut ωt max cosωt t ut ωt max t max 6800.000 V/s 6.8 V/μs u krt > 6,8 V/μs olmalıır. t Problem Kritik gerilim yükselme hızı 5 V / μs olan bir tristöre, genliği 000 V olan bir sinüsoial gerilim uygulanmaktaır. Frekans gittikçe yükseltilirse, bu frekans hangi eğere ulaştığına tristör keniliğinen iletime geçer? Çözüm u T u max krt t t u T m Sinωt u T m.ω.cosωt t u T max m. ω t 5.0 6 V/s 000...f f 0 khz bulunur.
PROF. DR. HAC BODR Problem 3 t0 anına yeni iletimen çıkan ve şekileki gibi bir gerilime maruz kalan bir tristörün keniliğinen iletime geçmemesi için, bu tristörün, u B0, krt ve t q eğerleri t ne olmalıır? Çözüm B0 > Tmax Şekilen, B0 > 3000 V olmalıır. tq t N Şekilen, 0 μs olmalıır. t q 0 μ s t 50 μs için, u T u u krt > ( T ) max, t t olmalıır. 3000 ( t 0 ) 30 u krt > 00 V / μs t Problem 4 0 Ω luk bir yükü 50 V luk bir DC kaynak ile beslemek üzere, şekile verilen bir npn tipi transistörün emiter montajı kullanılmıştır. Transistörün akım kazancı 00 oluğuna göre, a) Taban evresi irenci 5 kω iken, yük akımı ve gerilimi ne olur? b) Yükte harcanan gücün 60 W olabilmesi için, taban evresi irenci kaç kω a ayarlanmalıır? Çözüm 3
a) C L L BE B R B B 0mA 50 0 3 5.0 C 0. 0-3. 00 A L Y R L. L 0. 0 V b) P L 60 W P L R L. L 60 0. L B 4 / 00 B 0 ma L BE 50 0 R B 3 B 0.0 R B,5 kω bulunur. PROF. DR. HAC BODR L 4 A C Problem 5 Şekileki evree, a) İletime geçme esnasına ani taban akımı eğerini hesaplayınız ( i D3 0 ). b) İletim urumuna, transistörün gerilim üşümü ile taban akımını ve D 3 iyounun akımını bulunuz. c) İletimen çıkma esnasına, ters taban akımının ani eğerini bulunuz. ) Taban akımı eğişimini yaklaşık olarak çiziniz. D,,3 0,6 V BE V β c 00 EB - V Çözüm a) İletime geçme esnasına, i B? İ D3 0, ' B i g i i00 + ib B BE A D + B 0,6 +,6 V ' g A 5,6 i g i B 500mA 6,8 6,8 i 00 B / 00 / 00 0 ma ' i B i B i00 500 0 490 ma bulunur. b) İletim urumuna, CE, i B, i D3? İletimen çıkmaa : 4
PROF. DR. HAC BODR i C u Ş / i C. 0. Sinωt / i C 0. Sinωt A i c βc i B 0 Sinω t 00 00 Sinωt (ma) i 00 0 ma i B. 00. Sinωt + 0 (ma) i g 500 ma i D3 i g - i B 490 -. 00. Sinωt (ma) bulunur. D + BE D3 + CE CE V bulunur. c) İletimen çıkma esnasına, i B? B BE V A - D + BE -0,6+ 0,4 V g A 5 0,4 i g 575mA 6,8 6,8 ) i 00 BE 0 ma 00 g ' B i i i + i 00 B i B ig + i00 575+9 i B 585 ma bulunur. Problem 6 Peryoik bir çalışmaa, kesim ışınaki çalışma urumları için, bir transistörün uçlarınaki gerilim ve içinen geçen akımın eğişimleri şekile verilmiştir. Bu transistör f P 0 khz lik bir frekansta anahtarlanığına göre, a) Transistörün verilen her bir aralıktaki enerji kaybını hesaplayınız. b) Transistörün toplam enerji ve güç kaybını hesaplayınız. 5
Çözüm. bölge için, u 50 6 t + 50 50 6.0 6 t V 4.0 50 i 5.0 6 t 0. 0 6 t A 4μs 6 W ( 6.0 t) 0... P T 06,3 W PROF. DR. HAC BODR 50.0.0 tt 6,6773 mj 6 6
PROF. DR. HAC BODR 5. AC-DC DÖNÜŞTÜRÜCÜLER / DOĞRLTCLAR GİRİŞ AC-DC Dönüştürücülerin Genel Özellikleri Enüstrie en eski ve en yaygın olarak kullanılan önüştürücü türüür. Temel Özellikleri : AC girişteki efektif faz gerilimi f : Frekans q : Faz sayısı, y : DC çıkış veya yük akımı (ortalama eğer) α : DC çıkış gerilimi, α f(α) : Maksimum DC çıkış gerilimi, α 0 α α : Faz Kesme veya Faz Kontrol açısı : Gecikme Açısı veya Tetikleme Gecikmesi D : Serbest Geçiş (Komütasyon, Sönürme) iyou 3 f : Efektif Faz Gerilimi 3 h : Efektif Fazlar Arası Gerilim fm : Faz Gerilimi Maksimum Değeri hm : Hat (Fazlar Arası) Gerilimi Maksimum Değeri Kontrol lineer eğilir. Faz Kontrol Yöntemi ile kontrol sağlanır. Çıkış gerilimi ortalama olarak kontrol eilir. Şebeke tarafına yüksek eğerli harmonikler, yük tarafına yüksek eğerli algalanmalar oluşur. Doğal komütasyonluur. Diyot ve/veya tristörler ile gerçekleştirilir. Başlıca ygulama Alanları DC motor kontrolu Akümülatör şarjı Galvanoteknikle kaplama DC motor alan besleme DC kaynak makinaları DC regülatörler DC gerilim kaynakları AC-DC Dönüştürücülerin Genel Olarak Sınıflanırılması 7
PROF. DR. HAC BODR AC-DC Dönüştürücülerin Kontrol Açısınan Karşılaştırılması Kontrolsüz Doğrultucu Tam Kontrollü Dönüştürücü Yarı Kontrollü Doğrultucu Diyotlarla gerçekleştirilir Saece oğrultucu mouna çalışır. Genellikle serbest geçiş iyou yoktur. α 0 α Sabit Tristörlerle gerçekleştirilir. Hem oğrultucu hem e inverter mouna çalışır. Serbest geçiş iyou yoktur. Konursa inverter mouna çalışmaz. 0 < α < + > α > - Tristör ve iyotlarla gerçekleştirilir. Saece oğrultucu mouna çalışır. Genellikle serbest geçiş iyou varır. 0 < α < + > α > 0 AC-DC Dönüştürücülerin Dalga Sayısı Açısınan Karşılaştırılması Yarım Dalga Doğrultucua, şebekenin nötrüne (N) göre bir çıkış gerilimi üretilir yani çıkıştaki DC hatların birisi şebekenin N ucuna bağlıır. Tam Dalga Doğrultucu, Pozitif (+) ve Negatif (-) Yarım Dalga Doğrultucuların toplamına eşeğerir. Çıkışta N ucu kullanılmaz. Ancak, çıkış gerilimi potansiyel olarak N ucunu ortalar. Temel AC-DC Dönüştürücülerin Temel Devre Şemaları 8
PROF. DR. HAC BODR Tek Fazlı Dönüştürücünün Fazlı Eşeğeri Tek Fazlı Sistem q s f R k L k İki Fazlı Eşeğeri q s f / R k / L k / Enüstrie Fazlı bir AC Şebeke sistemi mevcut eğilir. Ancak, sekoneri orta uçlu olan tek fazlı bir transformatöre, orta uca göre sekoner uçlarına 80 faz farklı fazlı bir AC gerilim oluşmaktaır. Enüstriyel olarak fazlı bir gerilim bu şekile üretilebilir. Ayrıca, teorik analizlere, yukarıa görülüğü gibi, tek fazlı bir gerilimin fazlı eşeğeri kullanılabilmekteir. DOĞRLTCLARN ENDÜSTRİYEL YGLAMA DEVRELERİ Enüstriyel uygulamalara kullanılan oğrultucuların gerçek eşeğer evreleri aşağıaki gibi sıralanabilir. Kontrolsüz bir oğrultucu ile tek yönlü (kutuplu, DC) bir konansatör grubu, DC-DC veya DC- AC önüştürücülerin beslenmesine, genellikle ucuz ve basit olması neeniyle enüstrie yaygın olarak kullanılmaktaır. Buraa, R K ve L K, AC şebekenin eşeğer irenç ve enüktansıır. Etkisinin azalması neeniyle analize öncelikle R K irenci ihmal eilir. Bu evree, şebeke geriliminin maksimum oluğu anların yakınlarına, şebekeen aşırı akım arbeleri çekilir. Şebeke gerilimine cii bozulmalar oluşur. Devre çalışmaya ilk başlaığına, konansatörün şarjı için ilk tebirler alınır. Şebeke bozulmalarına karşı uluslar arası üzeye sınırlamalar başlaığınan, bu evrenin kullanılmasına azalma olması beklenmekteir. 9