deney no:1 - selcuk.edu.tr¼ç_elektroniği_lab... · daha sonra ototrafo üzerinden gerilim...

SELÇUK ÜNİVERSİTESİ

ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

1202715-GÜÇ ELEKTRONİĞİ LABORATUVARI DENEY FÖYÜ

Yrd. Doç. Dr. Ramazan AKKAYA

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





-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

.





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 Q2 transistörünün beyz

akımı olduğundan Q2 bu akımı kazancı kadar artırıp kendi Ic2 akımını oluşturacak ve bu

akım Q1’transistörünün beyz akımı olduğundan bu değeri Q1 transistöründen tekrar

kuvvetlendirerek Q2’nin beyzine gelecektir. Bu döngü birbirlerini tetikleyen pozitif





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 Q1 ve Q2 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.





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 VAK gate e akım

uygulandıktan sonra düşmeye başlar. Anot akımı Ia yükün empedansına göre belli bir

oranda yükselir. Bu esnada harcanan ani güç P= VAK *Ia olur bu gücün büyüklüğü güç

eğrisi altında kalan alan ile doğru orantılıdır

İletime geçen bir SCR toplam anahtarlama zamanı şekil 3 deki gibidir td gecikme

zamanı ile tf 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.

Şekil 3. Tristörün açma zamanına ilişkin tepki grafiği





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





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 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

Şekil 5 tristörün istenen açıda bir pals ile tetiklenmesi





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.





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





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

c

sq

U

.t.IC

(1) Tq: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

C.r

t

dcc

1

e1UU (2)

bağıntısıyla belirlenir. Uc=0,98 Udc alınarak R direncinin en büyük hangi değerde olması

gerektiği hesaplanabilir.





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.

Hydc Ir

U , ,

Hy

dc

I

Ur (3)

Bu şartı yerine getirmek üzere hesaplanan değer R’nin alt sınırını belirler.

DENEYİN YAPILIŞI:

1) I= 1,5 A , tq =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 , IHy =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





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 rmin dersek, yardımcı

tristör tutma akımının tam değerini ;

min

dcHy

r

UI (4) den hesaplayınız.

DENEYLE İLGİLİ SORULAR:

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 diyodunun akımı nasıl

değişmektedir? Diyot bağlanmazsa ne olur?





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.


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, Rmin ve Rpot potansiyometresi üzerinden T1

tristörünün gate ucuna gelir. Böylece T1 tetiklenmiş olur. Rpot potansiyometre değeri

ayarlanarak T1’in tetiklenme açısı değiştirilir ve yük üzerine düşen gerilim değeri sürekli

değiştirilebilir.





T2 tristörünün gate akımı ise sinüzoidal şebeke geriliminin negatif alternansından elde

edilir. Negatif alternansta akım, D2 diyodu, Rmin ve Rpot potansiyometresi üzerinden, T2

tristörünün gate ucuna gelir. Böylelikle T2 tetiklenmiş olur. T1’de olduğu gibi Rpot

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 900’e kadar ayarlanabilir. Bu nedenle akımın ayar sahası oldukça

dardır. Aynı zamanda devrenin davranışı IGT akımına bağlıdır. IGT 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.

(Rmin+Rpot) 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 A2 ve A1 uçları kısa devre olduğundan devre akımı yük- A2 - A1

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.





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 UBB gerilimi arttıkça, emiter-taban

gerilimi UE’nin maksimum değeri olan devrilme gerilimi Up de artmaktadır. Emiter

jonksiyonundaki gerilim düşümü olarak tanımlanır. Buna göre devrilme gerilimi;

Up = UD + η UBB (1)

olarak elde edilir. UJT’nin "Öz Standoff Oranı" olarak η simgesi kullanılır. UE gerilimi de

Up değerine ulaştığında emiter ile B1 tabanı arası iletken hale gelir ve direnci 5 ile 25Ω

arasında bir değer alır.

C kondansatörü, Rmin ve Rpot dirençleri üzerinden zener diyotun gerilimi yardımıyla şarj

olur. Kondansatör gerilimi, UP gerilimine ulaştığında RB1 direnci üzerinden deşarj olur.

Böylece RB1’in uçlarında UB1 gerilimi oluşur. Deşarj sonucu UE 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.





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 = ( Rmin + Rpot ) 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 UE=UP olduğundan UJT tetiklenerek iletime geçer Rmin ile

Rpot dirençleri değerine bağlı olarak UE-IE karakteristiği üzerinde stabil veya astabil

bölgede bir çalışma noktası oluşur. Çoğunlukla 10 ila 100Ω arasında değerler alan RB1;

Rmin ve Rpot toplamına göre çok küçük olduğundan denklemde ihmal edilmiştir. Rmin ve

Rpot toplam direnci (Rmin + Rpot)min gibi bir değerin altına ise C kondansatörü B1 tabanı ve

RB1 direnci üzerinden deşarj olur. Çalışma noktası stabil bölgenin başladığı noktanın

üstüne çıkmamalıdır.

Uz kaynak gerilimi tristörün tetiklenmesi için yeterli olan UB1 geriliminin temin

edebilecek en az değerde olmalıdır. Aynı zamanda UJT’nin tabanları arasına uygulanacak

UBB gerilimi müsaade edilen en yüksek değeri aşmayacak kadar da küçük olmalıdır.





Genellikle Uz gerilimi 10 ila 35 volt arasında seçilmesi gerekmektedir. Bu da devrede

zener diyotu ile gerilimi sabit tutulan bir DC kaynaktan sağlanabilir. Uz 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 UBB’nin aniden azalması halinde

UP gerilimide aynı anda aniden düşer. Kondansatör gerilimine bağlı olarak UE; UP’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 RB1 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





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.





MONTAJ -3 : TCA785 Entegresi İle Gerçekleştirilen Tetikleme Devresi

Şekil 2.3’de TCA785 entegresinin iç yapısı görülmektedir. Senkronlama sinyali USYN,

büyük bir direnç üzerinden AC şebekeden alınır. USYN 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 C10 rampa kondansatörü, I10 sabit akımı ile şarj edilerek elde edilir. Rampa

kondansatörünün kapasitesi ne kadar büyük seçilirse gerilimin eğimi o kadar azalır ve geri

dönüş süresi uzar.

I10 sabit akımı, 9 bacağına dışardan bağlanan R9 potansiyometresi ile rampa direnci

yardımıyla ayarlanabilir. R9 ile C10 birlikte rampa geriliminin eğimini belirlerler. Her

rampa, senkronlama geriliminin sıfırdan geçişi ile başlar ve C10 rampa kondansatörünün

entegre iç yapısındaki deşarj transistörü üzerinden boşalması ile sona erer. C10’un deşarj

olduğu, iç yapıdaki C10 "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 U11, 1 şase ile 11 bacağı arasına uygulanır. İç yapıdaki kontrol

komparatörü, bu gerilimle rampa gerilimini karşılaştırır. Rampa gerilimi U11, kontrol

gerilimi U10’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 Q1 ve Q2 olup, bu çıkışlar maksimum 250 mA’e kadar

yüklenebilir. Bunlardan Q1, AC gerilimin sadece pozitif yarım dalgasında, Q2 ise negatif

yarım dalgasında darbe verirler. 12 bacağına hiçbir bağlantı yapılmazsa, bu darbeler

oldukça kısa olup 30 s sürelidir. 12 bacağına C12 dışardan bir darbe uzatma kondansatörü

bağlamak suretiyle, Q1 ve Q2 çıkışlarındaki darbeler genişletilebilir. Bu durumda darbe

genişliği (- ) ’a yükseltilebilir. 3 bacağındaki QU ve 7 bacağındaki QZ yardımcı çıkışları

da açık kollektörlü olup dışarıdaki başka bir lojik devreye kumanda etmek için

kullanılabilir





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. C12 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 (C9) ve rampa direnci (R9) ile

ayarlanır. R11 potansiyometresi ile UST kontrol gerilimi, 0 ile 8V arasında değiştirilebilir.

Testere dişi gerilim, 11 bacağına uygulanan kontrol gerilimine eriştiğinde entegrenin 15

nolu bacağında kumanda darbesi elde edilir. UST’ne kadar artırılırsa, testere dişi gerilimin

bu değere erişmesi o kadar geç olur ve dolayısıyla gecikme açısı büyük olur. UST

değiştirilmek suretiyle açısı ayarlanır.





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. Rpot direncini değiştirerek yük, AC kıyıcı ve

elemanların gerilimlerinin değişimlerini inceleyiniz.

2. Osiloskop, ampermetre ve ohmmetre kullanarak ve Rpot direncini değiştirerek min,

Imax, max ve Imin değerlerini ölçünüz. Tablo 1’e yazınız.

3. Tablo 2’de verilen değerleri için Rpot değerlerini ölçünüz ve teorik olarak

hesaplayınız. Elde ettiğiniz sonuçları Tablo 2’ye yazınız.





4. Tabloda verilen değerleri için ITEF değerlerini hesaplayınız. ITEF 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 Imin Imax

1

2

3

4

5

6

Tablo 2

Montaj no Rpot-ölç Rpot-hes ITEF-ölç ITEF-hes Alınacak Değişimler

1 30o UA, UY, IY, UG

2 45o UA, UY, IY, UG, UC

3 60o UA, UY, IY, UG, UC, UZ



6 150o UA, UY, IY, UG, UZ





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.


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





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.

qV

qsVdi

sin..2

Burada;

s = yol sayısı

Tek yollu bağlantıda s=1

İki yollu bağlantıda s=2

q = faz sayısı

V = faz gerilimi

(1)





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





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 Vdi

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.





= Tetikleme açısı (gecikme açısı) olmak üzere kontrollü doğrultucular için ideal çıkış

gerilimi,

cossin..2

qV

qsVdi

cosdidi VV

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.

1.1. 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 Vd gerilimi ne

söndürülen ne de henüz iletime geçen elemanın bağlı bulunduğu faz gerilimine eşittir.

Kollar dengeli olduğundan meydana gelen gerilim düşümleri aynıdır. Bu nedenle Vd

gerilimi iki faz geriliminin tam arasında bir değer alır . Bu durumda meydana gelen

gerilim düşümü,

dkx ILqfsD ...

denklemi ile hesaplanır.

1.2. Omik Gerilim Düşümü

Komütasyon direncinde meydana gelir. Id yük akımı sadece tek elemandan geçtiğine göre

omik gerilim düşümü,

dkr IRsD ..

den bulunur.

(2)

(3)

(4)





1.3. Doğrultucuların İletim Durumundaki Gerilim Düşümü

Doğrudan doğruya dönüştürücüde kullanılan yarı iletken güç elemanının geçirme

karakteristiğine bağlıdır. Genelde sabit olarak kabul edilir.

tT VsD .

Bir fazlı köprü doğrultucuda gerilimler hesaplanırken sekonder devre gerilimi ile LK ve

RK ikiye bölünür ve iki fazlı devre gibi düşünülerek işlem yapılır.

Burada;

RK = Transformatör sekonder sargısı ve bağlantı iletkenlerinin direnci

LK = Komütasyon self endüksiyon katsayısı

f = Şebeke geriliminin frekansı

Id = DC yük akımı

VT= Bir doğrultucu elemanın iletim durumundaki gerilim düşümü

Toplam gerilim düşümü:

Trx DDDV

dir.

4.4. Yük Uçlarındaki DC Çıkış Geriliminin Bulunması

Yük uçlarındaki gerilim kontrolsüz doğrultucuda,

VVV did

Kontrollü doğrultucuda,

VVV did

(5)

(6)

(7)

(8)





Doğrultucu elemanlardan birinin maruz kaldığı ortalama ve efektif akım değerleri

sırasıyla,

q

II d

AV

ve

q

II d

TEF

dir. Bir elemanın maruz kalabileceği maksimum gerilim ise

)/sin(22 qVVm

dir.

5. TCA785 ENTEGRESİ KONTROL EDİLEN TEK FAZLI YARI KONTROLLÜ

KÖPRÜ DOĞRULTUCU

Bağlantı şeması Şekil 3’de verilen bu devrede akım, pozitif alternansta D2 ve Th2

üzerinden ve negatif alternansta D1 ve Th1 üzerinden devresini tamamlar. Bu montaj ile

inverter çalışma modu gerçekleşmez. Böylece yük uçlarındaki gerilim daima pozitif olur.

Doğrultucu çıkışındaki ortalama gerilim,

)cos1(

mdi

VV

Pozitif alternansta akım D2-yük-Th2’den geçerek devresini tamamlarken T1 tristörü

kesimdedir. Negatif alternansta ise akım D1-Yük-Th1’den geçerek devresini tamamlarken

de Th2 tristörü kesimdedir. Bu iletim sırasına göre Th1 ve Th2 tristörlerinin iletim

süreleri değiştirilerek çıkıştaki DC gerilim ayarlanır.

(9)

(10)

(11)

(12)





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 Th2 tristörü, negatif

alternansta ise 14 numaralı bacaktaki tetikleme sinyali ile Th1 tristörü gecikme açısına

bağlı olarak iletime geçer. 10 k’luk potansiyometre ile gecikme açısı değiştirilerek Th1

ve Th2 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 Th1 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






6.1. Kontrolsüz Doğrultucular için,

1- Giriş şalterini kapatarak, yüksüz durumda (Şç 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.

6.2. Kontrollü doğrultucular için;

4- Tablo 3.2’de verilen değerleri için yüksüz durumda iken Vdi değerlerini ölçerek

kaydediniz ve dalga değişimlerini alt alta çiziniz.

5- =45o için Tablo 3.2’de verilen Id değerleri için çıkış geriliminin değerini

voltmetreden okuyarak kaydediniz.

6- Her bir bağlantı için deneyde ölçtüğünüz değerlerler Vd-Id (kontrollü doğrultucu

için Vd-Id) karakteristiğini çiziniz.





Tablo 1

Bağlantı Şeması

Boşta Çalışma Yükte Çalışma

Va Vd Çıkış Geriliminin Değişimi Va Vd Id

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

Va Vdi

Çıkış Geriliminin Değişimi Vd Id

Tek fazlı

tam dalga yarı kontrollü

bağlantı





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.


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.

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.

Yarı iletken

Güç Elemanı

(MOSFET)

Filtre

Kondansatörü

Doğrultucu

( 1Köprü Diyot) Filtre

Kondansatörü

Kontrol + Sürme

Devresi

ac dc dc





2. DC KIYICILARDA GERİLİMİN DÜŞÜRÜLMESİ

Bir dc kıyıcı ile gerilimin düşürülme prensibi Şekil 2.’de görülmektedir. Elde mevcut olan

sabit genlikli V1 doğru gerilimi, yük için gerekli olan ayarlanabilir V2 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 I2, şalter kapalı iken kaynaktan

çekilir. I1=I2 olduğu ve BJT’de iletimdeki gerilim düşümü ihmal edildiğine göre v2=V1

olur. Şalterin açık olduğu zaman aralığında, yaklaşık olarak sabit olan I2 akımı devresini

diyot üzerinden tamamlar ve I1=0, ID=I2 olur. Diyottaki gerilim düşümü ihmal edildiğine

göre diyot iletimde iken vD=0’dır. Şekil 2.b’den de görüldüğü gibi şalter açılıp kapandıkça

v2 çıkış gerilimi, 0 ve V1 olmak üzere iki farklı değer alır. V2’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 T1 değiştirilerek ayarlanılır. Çıkış gerilimi

darbesinin genişliği değiştirildiği için, bu tip kontrol “Darbe Genişlik Modülasyonlu

Kontrol” veya kısaca “PWM kontrol” olarak adlandırılır.





İkinci metod “Değişken Frekanslı Çalışma”dır. Burada IGBT’nin kapalı veya açık kalma

süresi (T1 veya T2) sabit tutulur ve anahtarlama frekansı değiştirilir. Bu kontrol şekli

kısaca “Frekans Modülasyonlu kontrol” olarak adlandırılır. Bu metotta V1’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,

T

AV dtvT

V

0

22

1

1

21

12 V

TT

TV AV

21

1

TT

T

12 VV AV

olarak bulunur. Giriş ve çıkış tarafları arasındaki güçlerin eşitliğinden veya doğrudan

şekil 1.b’den giriş akımının aritmetiksel ortalama değeri bulunabilir.

T

AV dtiT

I0

11

1

22

21

11 II

TT

TI AV

(2) ve (3) ifadelerine “DC Kıyıcının Dönüşüm Denklemleri” adı verilir.

(1)

(2)

(3)





Bu iki ifade λ’ya göre çözülürse,

2

1

1

2

I

I

V

V AVAV

AVAV VIIV 2211 ..

olarak bulunur. Burada,

10 , 120 VV AV

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

(4)

(5)

(6)





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 7915-7815 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.





DENEYDE YAPILACAK İŞLEMLER

1. Şekil 3’deki MOSFET’li kıyıcı devresinde VGE, VCE, VD, VL ve VY’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 0.2 0.4 0.6 0.8

V2 (Ölçülen)

V2= λ.V1





DENEY NO : 4

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.


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.





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 (+Vd) 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 (-Vd) 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;

d

T

dY VdtVTV 2/

0

2 ./2

formülü ile hesaplanabilir. Elde edilen bu kare dalga ac gerilim ana dalganın yanında pek

çok harmonik de içerir.

(1)





Çıkış geriliminin ani değeri, fourier serisine açılarak ana dalga ve harmoniklerine

ayrılabilir. Genel olarak bir periyodik fonksiyonun fourier açılımı aşağıdaki gibi

yazılabilir.

kwtbwtbwtbkwtawtawtaawtf kk sin....2sin.sin.cos....2coscos.)( 21210

Buradaki fourier katsayıları;

2/

0

.cos).(/2

T

k dwtkwtwtfTa

2/

0

.sin).(/2

T

k dwtkwtwtfTb

ifadelerinden bulunabilir. Kosinüslü bileşenlerin genlikleri olan ak katsayıları sıfır olur, bk

katsayıları da hesaplanarak yerine konulursa,

kwtkVVk

dY sin)./4(5,3,1

Bu ifadede k=1 alınırsa ana dalga bileşeninin efektif değeri,

ddY VVV 9.0)2/4(

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.

3.1. MOSFET

(2)

(3)

(6)

(4)

(5)





P ve N kanallı olabilen güç MOSFET’leri gerilim kontrollü yarı iletken güç elemanlarıdır.

MOSFET’ler BJT’lere göre daha hızlıdır. Bu nedenle güç yarı iletkeni olarak, düşük

güçlü ve yüksek frekanslı uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Yapılarından

kaynaklanan tiplerine ve nominal akımlarına bağlı olmak üzere güç MOSFET’leri birkaç

yüz kHz işletme frekanslarına kadar kullanılabilir. Kapılarına gerilim uygulanmadığı

sürece kesimdedirler. MOSFET’in iletime geçebilmesi için, örneğin n kanallıda kapıya

yeterli düzeyde bir gerilim uygulanmalıdır. Gerekli olan bu gerilim değerine eşik gerilimi

adı verilir.

3.2. Devrenin Çalışması

Deneyde kullanılacak olan PWM kontrollü Paralel inverterin temel bağlantı şeması Şekil

2’de görülmektedir. Devrede T1 ve T2 MOSFET’leri periyodik olarak iletime

sokulmaktadır.

İlk yarım peryotta T1 MOSFET’inin kapısına sinüse göre örneklenmiş dokuz tane

genişliği değiştirilebilen darbe (PWM1) uygulanır. Uygulanan her bir darbe

transformatörün primerinden 1-2-3-T1-5-7 yolu ile bir akım geçirir ve bu geçen akım

transformatörün sekonderinden 9-8 yönünde bir akım geçirir. Bu akım pozitif yönde 9

darbe şeklinde gerilim oluşturur ve bu, ac çıkış geriliminin pozitif alternansını verir.

İkinci yarım periyotta T2 MOSFET’inin kapısına şekilde görüldüğü gibi dokuz adet darbe

(PWM2) uygulanır ve bu tetikleme sinyallerinin MOSFET’i iletime sokması ile

transformatörün sekonderinden 8-9 yönünde bir akım geçer. Bu akım şekil 3’de

görüldüğü gibi yük uçlarında dokuz adet darbe şeklinde gerilim oluşturur. Bu da ac çıkış

geriliminin negatif alternansını verir.

Bir peryodun tamamlanması ile inverter çıkışında ac çıkış gerilimi elde edilmiş olur.

Devredeki transformatör düşük genlikli dc gerilim ile yüksek genlikli ac gerilim arasında

hem izolasyon hem de gerilim yükseltme fonksiyonlarını yerine getir.





Şekil 2. İnverterin bağlantı şeması

Şekil 3. MOSFET Sürme Sinyalleri ve AC çıkış geriliminin değişimi

3.3. PWM Sinyallerinin üretilmesi

Darbe Genişlik Modülasyonu (PWM) metodunun amacı ac geriliminin temel bileşeninin

dc gerilime oranını değiştirmektir. Çıkış geriliminin kontrolü MOSFET’in bağıl iletimde

kalma sürelerinin değiştirilmesi ile gerçekleştirilir. PWM kontrol, çıkış gerilimindeki

harmonikleri azaltarak çıkış geriliminin süzülmesini kolaylaştırır. Böylece daha düzgün

bir ac çıkış gerilimi elde edilmiş olur.





PWM sinyallerinin üretilmesi için PIC16F84 mikrodenetleyicisi kullanılmıştır. PIC’den

elde edilen Sinüsoidal PWM darbeleri Optokuplörler üzerinden Sinyalleri Yükseltmek

amacıyla kullanılan sürme devreleri üzerinden MOSFET’lerin kapılarına uygulanmıştır.

Sinüse göre örneklenen PWM darbe sinyallerinin genişliği, bir potansiyometre ile 0-5V

arasında değiştirilen referans gerilimin A/D dönüştürücü üzerinden PIC’e

uygulanmasıyla 50 Hz frekanslı ayarlanabilir ac çıkış gerilimleri üretilmiştir.

12V’luk aküden alınan DC giriş geriliminin pozitif ucu trafonun orta ucuna bağlanmıştır.

Trafonun diğer uçlarına bağlanan IRF540 tipi MOSFET’ler PIC tarafından üretilen 10

ms’lik PWM sinyalleri ile çıkışda şebeke frekansında ac gerilim üretilmiştir.


1. Osiloskobun probunu MOSFET’lerin gate ve drain uçlarına bağlayınız ve her iki

MOSFET için tetikleme darbelerini milimetrik kağıda çiziniz.

2. Omik ve Omik-Endüktif yükler için yük uçlarındaki gerilim ile yükten geçen

akımın değişimini değişimini milimetrik kağıda çiziniz ve sonucu yorumlayınız.

3. Tetikleme devresi üzerindeki potansiyometreden darbelerin genişliklerini

değiştirerek her iki yük durumu için yük uçlarına bağladığınız osiloskop ve voltmetreden

gerilim değişimlerini gözleyiniz. 8 değişik darbe genişliği için, ac çıkış gerilimi ve dc

giriş gerilimini voltmetrelerden okuyunuz ve Tablo.1’e kaydediniz. Darbe genişlik oranı

değiştikçe giriş ve çıkış gerilimi nasıl değişmektedir? Giriş gerilimi değişiyorsa nedeni

nedir.

4. Deney raporunuzda üçüncü adımda aldığınız değerleri kullanarak VY=f()

grafiğini çiziniz.





Tablo 1

Vd VY

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

REFERANSLAR

1. GÜLGÜN, R., Güç Elektroniği, Yıldız Teknik Ünv. Yayınları, 1995

2. AKKAYA,. R., Güç Elektroniği Ders Notları, Selçuk Ünv.

3. Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robbins: Power electronics : converters,

applications, and design, New York : John Wiley and Sons, 1995

4. John G. Kassakian, Martin F. Schlecht, George C. Verghese: Principles of power

electronics, Reading, Mass. : Addison-Wesley, c1991.

5. Muhammad H. Rashid: Power electronics : circuits, devices, and applications, Englewood

Cliffs, N.J. : Prentice Hall, c1993

6. Dewan, S.B. Power Semiconductor Circuits, John Wiley, 1984.

7. Bose, B.K. Power Electronics and AC Drives, Prentice-Hall, 1986.

8. Thorbourg, K. Power Electronics, Prentice-Hall, 1988.

9. Joseph Vithayathil. Power Electronics, McGraw-Hill, 1995.

10. Siemens TCA 785 katalogları

deney no:1 - selcuk.edu.tr¼ç_elektroniği_lab... · daha sonra ototrafo üzerinden gerilim...

Documents