1
1
1 G
G
GÜ
Ü
ÜÇ
Ç
Ç E
E
EL
L
LE
E
EK
K
KT
T
TR
R
RO
O
ON
N
Nø
ø
øö
ö
öø
ø
ø
1
11...111 GGGøøøRRRøøùøùù
Güç elektroni÷i terimi, çok geniú bir alanda elektronik devreleri içine alır ve buradaki amaç ise bir kaynaktan bir yüke giden elektrik gücünün kontrol edilmesidir. Bu kontrol çok de÷iúik biçimlerde; örne÷in, sadece kaynaktan yüke giden gücün miktarı olabilir. Bunun yanında, kaynaktaki gücün özelli÷iyle karúılaútırıldı÷ında yüke verilen gücün özelli÷inin de de÷iútirilmesi gerekebilir. Buna örnek ise, bir AC kaynak frekansının yükün gereksinimi olan baúka bir frekansa de÷iútirilmesidir.
Bütün bu de÷iúimlerde veya kaynaktan yüke aktarılan gücün kontrolünde, iúlemin verimlili÷i önemlidir. E÷er aktarılan güç büyük ve iúlem verimsiz yapılmıúsa, büyük kayıplar oluúur. Bu kayıpların ekonomik verimlilik üzerinde de÷erlendirilmesinin yapılması gerekir ve bu kayıpların, aúırı ısınma sonucu elemanın korunması için elemandan uzaklaútırılması gerekir.
Böyle bir kontrol, anahtarlama teknikleri kullanılarak yapılır: Bazı elektronik elemanlar açık veya kapalı durumlu bir anahtar olarak kullanılır. ødeal bir anahtar ile, kayıpları önleyecek bir kontrol yapılabilir. Gerçekte ise hiçbir eleman böyle bir ideal anahtar görevini yerine getiremez fakat ideal eleman olabilecek kullanıúlı elemanlar mevcuttur. Aúa÷ıda sıralanan elemanlar bunlara örnek olabilir:
• BJT (bipolar junction transistor = bipolar jonksiyon transistörü)
• MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor = metal oksit yarı-iletken alan etkili transistörü)
• SIT (static induction transistor = statik indüksiyon transistörü)
• IGBT (insulated gate bipolar transistor = yalıtılmıú kapılı bipolar transistör)
• SCR (silikon-controlled rectifier = silikon kontrollu do÷rultucu)
• TRIAK (bi-directional gate-controlled thyristors = çift yönlü kapı kontrollu tristörler)
• GTO (gate turnoff SCR = kapıdan kapanabilir SCR)
Yüksek verimlilik gereksinimleri için böyle elemanların güç katlarındaki elektronik elemanların do÷rusal operasyonu nadiren kullanılır.
Güç elektroni÷i dönemi, baúlangıcını 1957’de SCR’nin tanıtılması ile yapmıútır. Civalı ark do÷rultucular gibi di÷er kontrol edilebilen do÷rultucuların uzun yıllar boyunca endüstride var olmasına ra÷men, böyle elemanlar çok büyük ve yardımcı elemanlara gereksinim duymuúlar, düúük ve orta gerilimlerde verimli olmamıúlardır. SCR’nin tanıtılması ile böylece, güç kontrolunun büyük oranda döner makinalardan ve statik manyetik yükselticilerden elektronik elemanlara kaydırılması periyodunun baúlangıcı olmuútur. Bu periyodun baúlangıcında, güvenilirlik problemleri nedeniyle geliúim yavaú
olmuú fakat 1960’lı yılların baúında SCR bir çok uygulamalarda kullanılmaya baúlanmıútır. O zamandan sonra, yukarıda bahsedilen anahtarlama elemanları geliútirilmiútir, güç yarı-iletkenlerinin çeúitlerindeki bu artıú ile, verilen bir uygulama için en uygun güç yarı-iletkeninin seçilmesi gerekir.
1
11...222 KKOKOONNNTTTRRROOOLLL TTTøøøPPLPLLEEERRRøøø
Güç elektroni÷i uygulamalarının ço÷unlu÷unda kullanılan dönüútürme düzenlemeleri aúa÷ıda sıralanmıútır.
AC-DC: AC gerilim kayna÷ı, do÷rultularak tek yönlü bir kayna÷a dönüútürülür ve daha sonra bu kayna÷ın filtre edilmesiyle DC kayna÷ı elde edilir. DC çıkıú gerilimi kontrollu do÷rultucu kullanılmak suretiyle ayarlı úekle getirilebilir. Ayarlı bu çıkıú, DC motorunun hız kontrolünde bir kaynak olarak kullanılabilir.
DC-DC: Herhangi bir gerilimdeki DC, daha büyük veya küçük olarak, baúka bir DC kayna÷ına dönüútürülür. Bir sistemdeki böyle bir uygulama, anahtarlamalı güç dönüúümü olarak adlandırılır. Bir uzay aracının güneú pilleri çıkıúının, uzay aracındaki de÷iúik güç sistemlerinde kullanılmak üzere dönüúümü buna ait bir uygulamadır.
DC-AC: Bir DC kayna÷ı, bir yüke AC gerilim sa÷lamak için anahtarlanır. Sinüsoidal olmayıp kare biçimli veya adımlı dalga biçimli bu inverter çıkıúı, çıkıú frekansının de÷iútirilmesiyle AC motorunun hız ayarında kullanıúlıdır.
AC-AC: Ayarlı frekanslı AC çıkıú gerilimi, istenilen çıkıú dalga biçimini alabilmek için giriúin uygun dalga elemanları ile birleútirilir. Giriú genellikle 3 fazlı kaynak ve çıkıú
frekansı ise giriú frekansından daha azdır. Bu gibi sistemler, teorik olarak cazip olmasına ra÷men, ticari olarak geniú alanda kullanılmamaktadır. Çünkü bu sistemlerin düzgün bir úekilde fonksiyonunu yerine getirmesi için karmaúık kontrol sistemleri gerekmektedir.
AC-AC: AC çıkıú gerilimi, giriúteki temel dalga frekansıyla aynı olarak, faz kontrollu alternatif çıkıú gerilimi üretmek için, her yarım dalgada bir kere açılır ve kapanır. Çıkıú
gerilimi giriúe göre azalmaktadır. Böyle bir eleman kaynaktan yüke giden gücü kontrol etmektedir. Akkor flamanlı lambaların ıúık yo÷unlu÷unun kontrolu buna bir örnektir.
AC-DC-AC: Yukarıdaki metotların ikisinin birleútirilmesiyle daha baúka düzenlemeler yapılabilir. Normal olarak AC úebeke gerilimi, DC’ ye dönüútürülür. Bu DC gerilimden inverter ile ayarlı frekanslı bir AC çıkıúı elde edilir. Üretilen AC ise AC motorunun hız kontrolünde kullanılır.
1
11...333 VVEVEERRRøøøMM KMKKAAAVVVRRRAAAMMMIII
Bir anahtarlamalı kontrolun veriminin, do÷rusal bir kontrolla karúılaútırılması aúa÷ıdaki örnekte görülmektedir. 100 volt’luk bir DC kaynak, 20 Ω’luk bir yüke 100 watt vermektedir. Bu, úekil 1.1 ve 1.2 de oldu÷u gibi iki úekilde yapılabilir. ùekil 1.1 de do÷rusal kontrolda, R’nin de÷eri, 20 Ω’luk yüke 100 watt verecek 2,24 amperi sa÷lamak için 24,7 Ω olmalıdır. Yükün gücü 100 watt’tır, fakat yükün gücünün kontrolunda R direncinde 124 watt kaybolur. Kaynaktan yüke enerji aktarımındaki verim, iúlemdeki 124 watt’lık kayıpla %45 tir.
ùekil 1.1 ùekil 1.2
Yukarıdaki durumdan farklı olarak, úekil 1.2 deki ideal S anahtarı periyodik olarak açılacak ve kapatılacak úekilde düzenlenir. Anahtar kapalı iken, yük gücü 500 watt ve anahtar açık iken sıfırdır ve bunların hepsi úekil 1.3 de gösterilmiútir. ùayet anahtar zamanın %20 sinde kapalı ise, ortalama güç 500 watt’ın %20 si veya 100 watt’tır. Kayıplar yoktur, böylece kayna÷ın bütün enerjisi yüke aktarılır. Gerçekte ideal anahtarlar yoktur fakat bir ideal anahtar yaklaúık olarak bir BJT olabilir, sonuç ideal bir devre iúlemine oldukça yakındır.
Orta derecedeki anahtarlama frekanslarındaki kayıplar, transistörün kollektör-emiter doyma geriliminden kaynaklanmaktadır. ùayet bu gerilim 2 volt ise, bu durumda anahtarlama iletim kayıpları yaklaúık olarak 10 watt olacaktır. Bu, zamanın %20 sinde oluúmakta ve ortalama 2 watt’lık güç kaybına neden olmaktadır. Böylece, yüke 98 watt aktarılabilmesi için, kaynaktan 100 watt’lık bir besleme gerekecek ve kaynaktan yüke güç aktarımının kontrolunda %98 lik bir verim sa÷lanacaktır. Tabiki, bu bir ideal kabuldür, çünkü anahtarlama süresinin di÷er kısımlarında genelde küçük olan baúka kayıplar da vardır ve kontrol devrelerini besleyen bazı güç kaynaklarına da gerek vardır. Bununla birlikte, bu, alınabilecek yüksek verimi göstermektedir.
Bunların yanında, 0 ile 500 watt arasında de÷iúen bir yük gücünün sabit bir 100 watt’lık güç de÷erine uygun olup olmadı÷ı sorulabilir. Bu, yükün özelli÷ine ba÷lıdır ve ço÷u durumlarda, yük gücünün uygunlu÷u için bazı filtreleme iúlemleri gerekebilir. Bu filtrelemenin gereklili÷i, olabildi÷ince yüksek anahtarlama frekansının kullanılması gerekti÷ini söyleyebilir. Mevcut kıyıcı devrelerinde 20 kHz’in üzerindeki anahtarlama frekansları kullanılmaktadır ve 500 kHz ve üzeri için yeni tasarımlar geliútirilmeye çalıúılmaktadır.
Örne÷e baúka bir açıdan bakıú ise 100 watt’lık istenilen de÷eri sa÷lamak için 44,7 volt’luk DC gerilim de÷erinin yüke uygulanmasının gerekti÷ine dikkat etmek gerekir. Anahtar ile yük arasına düúük geçiren bir filtrenin yerleútirilmesi, yüke hemen hemen
sabit bir gerilim sa÷lar. Böyle bir düzenleme, 7. Bölümde de görülece÷i gibi bir DC-DC konvertörün basitleútirilmiú biçimidir ve úekil 1.4 de görülmektedir. S anahtarının periyodundaki kapalılık çarpanı úimdi % 44,7 olmalıdır.
ùekil 1.3 ùekil 1.4
1
11...444 AANANNAAAHHHTTTAAARRRLLLAAAMMMAAA EEELLLEEEMMMAAANNNLLLAAARRRIIINNNIIINNN AAANNNMMMAAA DDDEEEöööEERERRLLLEEERRRøøø
Güç yarı-iletkenleri ile belli miktardaki güçler kontrol edilebilir. Tablo 1.1, ticari olarak mevcut olan bazı elemanlar ile anahtarlanabilen akım ve gerilimlerin büyüklüklerini göstermektedir. Maksimum gerilim ve maksimum akım kapasitesinin ikisinin birden verilen bir eleman üzerinde aynı anda bulunması genelde mevcut olmamaktadır.
Tablo 1.1
Eleman Tipi Anma
Gerilimi (V) Anma Akımı (A) Üst Frekans (Hz) Anahtarlama zamanı (µµµµs) øletim Direnci (ΩΩΩΩ) Do÷rultucu Genel Amaçlı 5000 5000 1 k 100 0,16 m Yüksek Hızlı 3000 1000 10 k 2-5 1 m Schottky 40 60 20 k 0,23 10 m Kesime götürülen Tristörler Ters Tıkama 5000 5000 1 k 200 0,25 m Yüksek Hızlı 1200 1500 10 k 20 0,47 m Ters Tıkama 2500 400 5 k 40 2,16 m Ters øletim 2500 1000 5 k 40 2,1 m GATT 1200 400 20 k 8 2,24 m Iúık tetiklemeli 6000 1500 400 200-400 0,53 m Triyaklar 1200 300 400 200-400 3,57 m Kendili÷inden kesilen tristörler GTO 4500 3000 10 k 15 2,5 m SITH 4000 2200 20 k 6,5 5,75 m Güç transistörleri Tek 400 250 20 k 9 4 m 400 40 20 k 6 31 m 630 50 25 k 1,7 15 m Darlington 1200 400 10 k 30 10 m SIT 1200 300 100 k 0,55 1,2 Güç MOSFETleri Tek 500 8,6 100 k 0,7 0,6 1000 4,7 100 k 0,9 2 500 50 100 k 0,6 0,4 m IGBT Tek 1200 400 20 k 2,3 60 m MCT Tek 600 60 20 k 2,2 18 m 1 11...555 GGGÜÜÜÇÇÇ YYYAAARRRIII---øøøLLELEETTTKKKEEENNNLLLEEERRRøøøNNNøøøNN KNKKUUULLLLLLAAANNNIIIMMMIII
Aúa÷ıdaki bilgi güç elektroni÷inin büyüklü÷ü ve önemi hakkında bir fikir vermektedir. Temel olarak, bütün de÷iúken hızlı endüstriyel motor sürücüleri güç elektroni÷i sisteminin belli bir biçimini kullanmaktadır. Uzun yıllar boyunca SCR’ler kullanılmıútır; bunlar de÷iúken hız iúlemi sa÷lamak için bir DC motora ayarlı gerilim
verebilecek faz kontrollu do÷rultucular olmuútur. Son yıllarda, AC motorlara de÷iúken frekans sa÷layan AC-DC-AC inverterler bu endüstri pazarının büyük bir kısmını eline geçirmiútir. Tablo 1.2 güç elektroni÷inin bazı uygulamalarının listesini göstermektedir.
Tablo 1.2
Reklamcılık Makine tipi güç aygıtları RF yükselticiler
øklimlendirme Yüksek gerilimli DC Güvenlik sistemleri Isı kontrolörleri øndüksiyonla ısıtma Servo sistemler Alarm sistemleri Lazer güç kaynakları Dikiú makinaları El aletleri Kilitleme röleleri Televizyon devreleri
Ses yükselticiler Madencilik Yük taúıma
Pil ve akü úarjı Lokomotifler Katı hal röleleri Karıútırıcı, mikser Katı hal kontaktörleri Trenler
Manyetik kayıt Parçacık hızlandırıcılar Güç kaynakları
Boylerler Vakumlu süpürgeler Statik röleler
Hırsız Alarmları Statik devre kesiciler Çelik de÷irmenleri Çimento fırını Trafik sinyal kontrolleri Sıcaklık kontrolleri Kimyasal iúleme VAR kompanzasyonu Zamanlayıcılar
Elbise kurutucu Pompa ve kompresörler Petrol sondajları Bilgisayarlar Elektrikli battaniyeler Fırın kontrolleri Konveyörler Elektrikli kapı açıcılar Mıknatıslar
Vinçler Elektrikli kurutucular Yolcu taúıma Iúık ayarlayıcılar Elektromekanik elektrokaplama TV saptırıcıları
Displayler Nükleer reaktör kontrol çubu÷u Fırınlar Vantilatörler Lineer indüksiyon motor kontrolu Fonograflar Elektrikli taúıtlar Civa buharlı lamba balastları Forkliftler Elektromıknatıslar Güneú enerjili güç kaynakları Oyuncaklar
Flaúörler Radar ve sonar güç kaynakları Meúrubat makinaları Buzdolapları Senkron makina yol vericileri Gerilim regülatörleri Asansörlerde Yiyecek ısıtma tepsileri Çamaúır makinaları Aspiratörler Elektrostatik çökelticiler Kaynak makinaları Model trenler Ultrasonik generatörler Fotokopi makinaları Motor kontrolleri Kesintisiz güç kaynakları Yiyecek karıútırıcılar Motor sürücüleri Yüksek frekanslı aydınlatma TV oyunları Sinema projektörleri Hava taúıtı güç kaynakları Garaj kapı açıcıları Elektronik ateúleme Uzay aracı güç kaynakları Gaz türbini baúlatıcıları
Regülatörler Saç kurutma makinaları Generatör uyartıcıları Matbaa makinaları El tipi güç aygıtları Ö÷ütücüler
Genel elektronik elemanlarında kullanılan DC güç kaynaklarının ço÷u, AC kayna÷ının do÷rultulması ile DC anahtarlamalı güç kayna÷ı tipidir. Di÷er uygulamalar ise evlerde kullanılan ıúık ayarlama anahtarları ve taúınabilir güç aletlerinde kullanılan de÷iúken hız kontroludur. Çok büyük güçlerde, üretilen AC enerjisi DC olarak uzun mesafeli iletimi sa÷lamak için do÷rultulur; iletim hattının sonunda bir DC-AC konvertör AC sistemi enerjilemek için 50-60 Hz de çalıúır. Böyle bir düzenleme, bir elektrik da÷ıtım úirketine ekonomik ve iúlemsel avantajlar sa÷lar. Böyle güç elektroni÷i sistemleri tüketici ve endüstriyel elemanlarda çok geniú alanda bulunmaktadır.
1
11...666 AANANNAAALLLøøøZZ MZMMEEETTTOOOTTTLLLAAARRRIII
Kullanılan analiz metotları, parçalı do÷rusal modelli bir yarı-iletken elemanı modellemektedir. Baúka bir modelle temsil edilen, yeni bir bölgeyi geçen yarı-iletken iúleminde yeni bir model kullanılır. Modellerin en basit olanlarında, iki durum
bulunmaktadır: Yarı-iletken iletimde veya iletimde de÷ildir. Bu model üzerinde gerekli oldu÷u zaman hassasiyet artırılabilir. Örne÷in, yarı-iletkenin kayıplarını gösterebilmek için böyle ikinci dereceli modeller gerekebilir.
Güç elektroni÷indeki yarı-iletken uygulamaları bu birinci derece teknik ile iyi bir
úekilde modellenebilir. Ço÷u devrenin çalıúma modu, bir ideal anahtar elemanının çok basit bir modeli kullanılarak belirlenebilir. Gerekli oldu÷u yerde, analize gerçekte ideal olmayan eleman için hassasiyet eklenebilir. Örnek olarak bir rezonans devresinin analizinde, kayıpsız LC analiz kullanılır. Bir anahtarlama elemanındaki kayıplar veya bir indüktörün direnci, bariz bir etki varsa hesaba katılır. Amaç verimli bir güç dönüúüm iúleminin gerçekleútirilmesi oldu÷undan, kayıplar devre iúleminin büyük bir bileúeni olmamalıdır.
ølgili bölümlerde amaç, anahtar olarak kullanılan özel bir anahtardan ba÷ımsız olarak devre analizini yapmaktır. Bazı durumlarda anahtarlama elemanı olarak sadece SCR’nin kullanılabildi÷i AC-DC dönüúümlerinde bu mümkün olmayabilir. DC-DC dönüúümü gibi di÷er durumlarda bir tipten daha fazla tipte anahtarlama elemanı kullanılabilir. Bir SCR, bir BJT veya bir MOSFET arasında güç seviyesine, istenilen anahtarlama frekansına ve istenilen verimlili÷e ba÷lı olarak seçim yapılabilir.
2., 3. ve 4. bölümlerde, farklı yarı-iletken anahtarlar gözönüne alınmıú, modelleri yapılmıú ve bazı çalıúma úartları analiz edilmiútir. Di÷er bölümlerde, güç kontrolunun de÷iúik tipleri analiz edilmiú ve tasarım metotları gösterilmiútir. Güç elektronik aygıtlarının tasarımı, ilgili bölümde de görülece÷i gibi, dört kısma ayrılabilir:
1. Güç devrelerinin tasarımı 2. Güç aygıtlarının tasarımı
3. Kontrol stratejisinin belirlenmesi 4. Lojik ve kapı devrelerinin tasarımı
Bir prototip yapılmadan önce tasarımcının devrenin parametrelerini bulabilmesi ve devrede oluúabilecek ideal olmayan durumları gözönüne alıp gerekti÷i zaman bunları düzeltmesi gerekir. Prototip yapıldıktan ve denendikten sonra tasarımcı tasarımının geçerlili÷i hakkında emin olabilir ve devrenin bazı parametreleri (indüktanstaki bazı kayıplar gibi) hakkında daha do÷ru tahminlerde bulunabilir.
1
11...777 ÇÇAÇAALLLIIIùùùMMAMAA SSSOOORRRUUULLLAAARRRIII 1.1 Güç elektroni÷i nedir?
1.2 Tristörlerin de÷iúik tipleri nedir? 1.3 Bir konvertör nedir?
1.4 AC-DC dönüúümünün prensibi nedir? 1.5 AC-AC dönüúümünün prensibi nedir? 1.6 DC-DC dönüúümünün prensibi nedir?
2
2
2
G
GÜ
G
Ü
ÜÇ
Ç
Ç D
D
Dø
ø
ø
Y
YO
Y
O
OT
T
TL
L
LA
A
AR
R
RI
I
I
Bu bölümde güç do÷rultucu diyotlarının ana karakteristiklerinden bahsedilmektedir. Schottky engel diyotlarının da belli bazı kullanım yerlerinin olmasına ra÷men, çok kullanılan diyotlar daha çok PN jonksiyon elemanları olmaktadır. Dinamik davranıúına ek olarak büyük ilgi, diyotun temel modelleri üzerindedir ve ilerleyen kısımlarda bunlar üzerinde durulmaktadır.
2
22...111 PPPNNN---JJJOOONNNKKKSSSøøøYYOYOONNN DDDøøøYYOYOOTTTLLLAAARRRIII
En çok kullanılan güç-do÷rultma elemanı PN-jonksiyon diyotu’dur. Uygun bir akımın iletimi için, bir jonksiyon bir kılıfın içine yerleútirilmiútir. Bu elemanlarda, ileri iletim durumunda, jonksiyon elemanları arasında çok az bir gerilim düúümü vardır. Geri (ters) çalıúma durumunda ise çok az bir akım geçirirler.
PN-jonksiyonlu diyotlar, iletim ve tıkama durumlarında hızlı geçiú özelli÷ine sahiptirler. Birkaç mikro-saniyelik anahtarlama zamanlı diyotlar, 50 Hz gibi düúük frekanslı gerilimleri do÷rultmada uygundur. Nano saniyenin onda biri civarında (10-10) anahtarlama kapasiteli diyotlar, akım ve gerilimin hızlı de÷iúti÷i devreler için uygundur. Hızlı iletimli diyotların fiyatı yavaú diyotlara göre pahalı oldu÷undan, uygulama yerinin iyi seçilmesi gerekir.
2
22...111...111 SSSTTTAAATTTøøøKK DKDDEEEVVVRRREEE MMMOOODDDEEELLLLLLEEERRRøøø
ùekil 2.1(a) da görülen diyot devresi, ideal bir PN-jonksiyonlu diyotu temsil etmekte ve ço÷u durumlar için yeterli do÷rulu÷a sahiptir. Daha titiz ve karmaúık modellemelerde (b) ve (c) durumları da gerekebilir. ùekil 2.1’in (a), (b) ve (c) kısımları olabilecek, parçalı do÷rusal grafikleri gösterir ve dolayısiyle daha karmaúık modellemelerde kullanılabilir.
ùekil 2.1 de görülen karakteristiklerdeki devre modelleri, úekil 2.2 de verilmiútir.
ùekildeki her diyot sembolü ideal bir diyotu temsil eder; (b) ve (c) durumlarında devre ideal devre elemanları ile yeniden düzenlenmiútir. ùayet diyot úekil 2.1 de görülen üç durumdan herhangi biri ile gösteriliyorsa devrenin analizi, parçalı do÷rusal devre analizi kullanılarak yapılabilir.
(a) (b) (c)
ùekil 2.1
(a) (b) (c)
ùekil 2.2
PN-jonksiyonlu diyot’un akım ve gerilim karakteristikleri üzerinde biraz deneyim sahibi olmakla, ideal modeller gerçek karakteristiklere uydurulabilir. Devre gerilimi ve akımının sınırlamasına ba÷lı olarak, devrenin performansını en iyi tahmin edebilecek, en az elemanlı model kullanılır. Diyot sembolü ideal olmayan bir elemanı temsil eder.
ùayet VD ’nin sıfır oldu÷u, úekil 2.1(a) daki model kullanılırsa akım, aúa÷ıdaki gibi
bulunur.
R V
I= (2.1)
ùekil 2.3
ùekil 2.3 deki ideal diyot devresinde, V = 100 volt oldu÷unda, VD’nin yaklaúık 1
volt’luk de÷eri gözönüne alınmayabilir. Bununla beraber, V = 2 volt oldu÷unda, VD’nin
1 volt’luk de÷erini gözönüne almamak, kabul edilemez bir hata meydana getirir. Bu durumda úekil 2.1(b) veya (c) seçilmelidir. Yüksek akımlı durumlarda ise (c)’nin seçilmesi do÷ru sonuçlar almak için gerekebilir.
Genel olarak PN-jonksiyonlu diyotlarda ters akım ihmal edilir, fakat bazı özel durumlarda, özellikle yüksek sıcaklıkta ters akım ihmal edilmeyebilir. Bu problem, model’e paralel eklenen bir dirençden bu ters akımın akıtılmasıyla giderilebilir. Direnç seçiminde ters gerilimin maksimum de÷eri dikkate alınır.
ùimdiye kadar bahsedilen statik modellere ek olarak, bazı dinamik etkiler eklenebilir. Bunlardan biri de jonksiyon kapasitesidir. Bu kapasite do÷rusal olmayıp ters gerilime ba÷lıdır. Ço÷u durumlarda bu kapasitans, devrede mevcut baúka kapasitörlere kıyasla ihmal edilebilir.
ÖRNEK 2.1
ùekil 2.2 deki devrede 1N5402 diyotu kullanılmakta olup V = 100 volt ve R= 11 Ω
dur. Devreden geçen akımı bulunuz.
ÇÖZÜM
ùekil 2.1(a) daki model kullanıldı÷ında, I =100 =
11 9 1, A
ùekil 2.1(b) deki model kullanıldı÷ında, VD’nin de÷eri gerekir. Bu do÷rultucunun
bilgi-sayfası, 9,4 A ve 25 °C için, tipik ve maksimum olarak, 1 ve 1,2 V de÷erlerini verir. Tipik de÷er kullanıldı÷ında,
I =100 1− =
11 9 A
Maksimum de÷er kullanıldı÷ında,
I =100 1 2− =
11 8 98
,
, A
bulunur. Do÷rusal grafik koordinatları üzerinde, tipik 1N5402’nin bilgilerinin yeniden çizilmesi ile, E = 0,86 V ve RD = 0,0135 Ω olarak belirlenir.
I V E R RD = − + = − + = 100 0 86 11 0 0135 9 , , A
bulunur. Bu örnekte RD’nin eklenmesinin çok etkisi olmamıútır. ÖRNEK 2.2
Örnek 2.2 deki kaynak gerilimi -200 volt olarak de÷iútirilmiútir. Bu elemanın -200 volt ters gerilimde, ters akımın bilgi-sayfasındaki de÷eri 500 µA dir (TJ=150°C).
Aúa÷ıdakileri bulunuz:
b) Devre akımı c) VR’nin de÷eri
ÇÖZÜM
(a) 500 µA lik en kötü durum gözönüne alınırsa, ters akım, devrenin di÷er kısmı ile paralel 200/500 = 0,4 MΩ’luk bir dirençle temsil edilir. Devre, úekil 2.4 de görüldü÷ü gibi olur. ùekil 2.4 (b) Ters akım, I = − + × = − × − 200 10 0 4 106 500 10 6 , A olarak hesaplanır.
(c) VR’nin de÷eri I akımı kullanılarak hesaplanır: VR =10I = −0 005, V. -200 voltluk
kaynak gerilimine kıyasla VR ihmal edilebilir. Kaynak geriliminin hemen hemen hepsi
do÷rultucu uçlarında gözükür. Örnek 2.1 de hesaplanan ileri akıma kıyasla ters akım epeyce küçüktür ve ihmal edilebilir.
ÖRNEK 2.3
ùekil 2.3 deki devrede kaynak gerilimi 5 V, R=0,2 Ω ve diyot tipi 1N3879 dur. 1N3879 diyotunun karakteristik e÷risi (TJ=150 °C) úekil 2.5 de gösterilmiútir. ùekil 2.2 de
gösterilen her üç model için akımları bulunuz.
ÇÖZÜM
(a) Gerilim düúümü sıfır olan ideal diyot ile: I = 5 =
0 2, 25A (b) Gerilim düúümü 1 volt olan ideal diyot ile:
I = 5 1− =
0 2, 20A
(c) ùekil 2.5 deki diyot karakteristi÷inin e÷iminin tersi, RD=0,0263 Ω olarak belirlenir. 1
volt’luk iç gerilim düúümü, RD=0,0263 Ω’luk iç direnç ve ideal diyot ile:
I = −
+ =
5 1
0 2 0 0263, , 17 67, A
Örnekteki üç kısım, tahmin edilen akımın de÷iúik modellerdeki etkisini açıkça göstermektedir. Böyle düúük kaynak geriliminde, birinci model devre akımını bulmak için do÷ru de÷ildir. Devre akımını bulmak için, üçüncü modeli kullanmada sarfedilen çaba gerekli olmayabilir. Eklenmiú direnç elemanı ile bu model büyük diyot akımları için gerekebilir.
2
22...111...222 KKKEEESSSøøøMM DMDDÖÖÖNNNÜÜÜùùùÜÜMÜMMÜÜÜ
Ardıúık ters polarlama gerilimi ile diyotun kesimi, ters gerilimi karúılayabilecek bir de÷erde PN jonksiyonunun yüklenmesi için negatif eleman akımını gerektirir. Böyle bir yüklemeden sonra, ters akım bilgi-sayfasında belirtilen kararlı durum ters akım de÷erinin küçük bir de÷eri olur. Bu ters dönüúüm akımı, devrenin toplam performansı üzerinde bariz etkiler oluúturabilir.
Ters kesim aralı÷ı süresince diyot akımının zamanla de÷iúiminin bir grafi÷i úekil 2.6 da görülmektedir. Bu grafikte, devre aksiyonu ve eleman de÷erleri, eleman akımının orijinal de÷erinden sıfıra düútü÷ü oranı belirlemektedir. Akımın sıfır de÷erinden sonra, dıúarıdaki devre akımın de÷iúim oranını belirlemeyi sürdürür. Bu zaman süresince, diyot uçlarındaki gerilim temelde sıfırdır; bu de÷er devre davranıúının modellenmesinde kullanılabilir. Diyot ters gerilimi henüz karúılayabilecek durumda olmadı÷ından, akımla zaman de÷iúiminin e÷imi, akım sıfır olurken de÷iúmez. Sadece jonksiyon bölgesine yeterli yük sa÷landıktan sonra jonksiyon ters gerilime karúı gelmeye baúlar ve ters akım de÷erinin kararlı duruma azalmasına neden olur.
Ters akımın tepe de÷eri ve dönüúüm yükü (gölgeli kısımla gösterilmiú alan), baúlangıç akımı, sıcaklık ve kesim iúlemi süresindeki akımın de÷iúim oranı gibi de÷iúkenleri içeren çok sayıdaki de÷iúkenlerin fonksiyonlarıdır. PN elemanının dizaynına ba÷lı olarak, tepe de÷erinden sonra ters akımın de÷iúim oranı tamamen ani veya yavaú
olabilir. 50-60 Hz iúlemi için bu etki genel olarak ihmal edilebilir. Kaynak gerilimi yön de÷iútirirken, akımın azalma oranı çok küçüktür, do÷rultucu de÷iúimlerin oluúum hızına
ba÷lı olarak bunu hemen karúılar. Devreye ters gerilim uygulandı÷ında ters akımın jonksiyonu yüklemesi gerekir, fakat normal do÷rultucu akımı ile karúılaútırıldı÷ında bu de÷er genelde küçüktür. Düúük frekanslı iúlemler için kullanılan böyle elemanlar, genel olarak bu etki için karakterize edilmezler.
ùekil 2.6
Ters akım de÷eri ve tersine dönüúüm zaman de÷eri, bazı hızlı do÷rultucular için belirlenebilir. ùekil 2.6 daki grafikten aúa÷ıdaki eúitlikler yazılabilir:
Qrr =0 5, IRM trr (2.2) I di dt t RM D =§©¨ · ¹ ¸ 1 (2.3)
(
)( )
t Q di dt t rr rr D = 2 1 / (2.4)Eúitliklerde, Qrr , úekil 2.6 da gölgeli alanla gösterilen yük, IRM ters akımın tepe de÷eri,
trr tersine dönüúüm zamanı ve t1 ve t2 ise trr zamanının alt bölümleridir. Yukarıdaki
eúitlikler trr ve IRM de÷erlerini bulmak için kullanılabilir. Sınırlayıcı iki durumun
birincisinde, t2 trr ile karúılaútırıldı÷ında ihmal edilebilir ve ani dönüúüme karúılık gelir;
ikinci durumda, t2 trr’nin yarısıdır ve yumuúak dönüúüme karúılık gelir. Birinci
durumda, t2=0 ve t1 = trr , eúitlikler aúa÷ıdaki gibi olur:
(
)
t Q di dt rr rr D = § © ¨¨ · ¹ ¸¸ 2 0 5 / , (2.5) I Q di dt RM rr D =ª §©¨ ·¹¸ ¬ « º ¼ » 2 0 5, (2.6) økinci durumda, t1 t2 trr 2(
)
t Q di dt rr rr D = § © ¨¨ · ¹ ¸¸ 4 0 5 / , (2.7) I Q di dt RM rr D =ª §©¨ ·¹¸ ¬ « º ¼ » 0 5, (2.8) Bu iki çözüm, gerçek bir durumda sınırları verir ve problem iki durum arasındaki bir yerde bulunabilir. Qrr de÷eri tamamen devreye ba÷lıdır ve bazı hızlı do÷rultucularınbilgi-sayfalarında bulunabilir.
ÖRNEK 2.4
Bir 1N3879 diyotu 100°C lik jonksiyon sıcaklı÷ında 20 amperlik baúlangıç akımı ile çalıúmaktadır. Diyot, bir devrede akımın 20 amper/mikrosaniye (A/µs) oranında yön de÷iútirdi÷i tıkama kapasitesini karúılayabilmektedir. trr ve IRM de÷erlerini bulunuz. ÇÖZÜM
Bu elemanın bilgi-sayfasından, bu úartlar için tipik Qrr de÷eri 0,22 mikrokulondur (µC).
t2’nin ihmal edilebildi÷i durum için çözüm aúa÷ıdaki gibi olur:
trr = × × § © ¨ · ¹ ¸ = × − − 2 0 22 10 20 10 148 10 6 6 0 5 9 ( , ) , s
[
]
IRM = ( )( ,2 0 22 10× −6)(20 10× 6) 0 5, =2 97, Aøkinci gurup varsayımlar için hesaplar yeniden yapıldı÷ında çözüm aúa÷ıdaki gibi olur: trr =210 10× −9s
IRM =2 10, A
Ters akımın tepe de÷erindeki de÷iúme, özellikle t1 ile karúılaútırıldı÷ında t2 nin küçük
oldu÷u durumda, bariz bir devre etkisine sahiptir. Bu etkiyi temsil edebilen bir devre
úekil 2.7 de gösterilmektedir. Bu devrede, S anahtarı i1=0 ve i3=I baúlangıç úartları ile
kapanır. Anahtar kapandıktan sonra vx , i1 artarken ve i3 azalırken sıfır de÷erinde kalır.
i1=I iken i3=0 ve diyot ters dönüúüme baúlar. vx de÷eri sıfırda kalır ve i1, i3 ’ün ters tepe
ùekil 2.7
E÷er ters diyot akımı aniden sıfıra giderse, i3’ün de÷iúme oranı ve dolayısiyle i1 büyük
olur. vx de÷eri büyük olacak ve diyot bozulmaya baúlayacaktır. Örnek 2.5 deki
hesaplamalar, bu sayıların büyüklükleri konusunda bir bilgi vermektedir.
ÖRNEK 2.5
ùekil 2.7 deki devrede, dönüúümün t2 dilimi epeyce küçük fakat sıfır de÷ildir.
Dönüúümün oluúması sırasında diyot uçlarındaki ters gerilimi bulunuz. Jonksiyon kapasitesinden dolayı oluúan tüm etkiler ihmal edilecektir. E=200 volt, L=30 µH, IRM=3
A ve t2=50 ns. ÇÖZÜM
i1+i3 =i2 i2 sabit oldu÷undan;
di dt di dt 1 3 0 § © ¨ · ¹ ¸+§©¨ · ¹ ¸ = ve di dt I t RM 3 2 9 6 3 50 10 60 10 = = × − = × A/s Böylece, di dt I t RM 1 2 6 60 10 = = − × A/s
(
)(
)
v E L di dt x = − § © ¨ · ¹ ¸ = − × − − × = 1 200 30 10 6 60 106 2000 VBurada, diyotun ters gerilimindeki ani bir azalma ile uygun de÷erde bir ters gerilim oluúturulabilece÷i açıkça görülmektedir.
Aúa÷ıdakiler, örnek 2.5 de karúılaúılan problemlere bir çözüm olarak verilmektedir: (a) daha yavaú dönüúümlü bir diyot
(b) diyota paralel bir (snubber) koruyucu devre
(c) diyota paralel zener diyot gibi bir sıkıútırma elemanı (d) yukarıdakilerin bir kombinasyonu
Hızlı dönüúümlü diyot kullanmanın bir nedeni, anahtarın iletimde iletmesi gereken akımın tepe de÷erini sınırlamaktır. Bu akım, i2 de÷eri ve diyot ters dönüúüm akım
de÷erinin toplamıdır. ùayet ters akım büyükse, anahtar üzerine ek bir yük konulur. Hızlı dönüúümlü bir diyot, Örnek 2.5 de görülen bir probleme neden olmakla beraber bu problemi çözmeye yardımcı olur. Diyota paralel ba÷lanan bir koruyucu devre, anahtarın tepe akım de÷erini aúmadan, gerilim seviyesini bariz olarak azaltabilir. ùekil 2.8, devrenin koruyucu devre ile yeniden düzenlenmiú durumunu göstermektedir.
ùekil 2.8
ÖRNEK 2.6
ùekil 2.7 deki devrede, diyot üzerindeki ters gerilimi sınırlayacak bir koruyucu devre dizayn ediniz. Diyotun maksimum tersine dönüúüm akımı 5 amper; yük akımı, i2 20
amperdir. t2=0, L=25 µH ve E=200 V ile ani diyot dönüúümü yapıldı÷ını varsayınız.
Diyot ters gerilimini 250 volt ve maksimum anahtar akımını 26 amper ile sınırlayacak
úekilde R ve C de÷erlerini bulunuz. Yük akımının ilgili aralıkta de÷iúmedi÷ini varsayınız.
ÇÖZÜM
Problemde iki de÷iúken olup karúılaúılabilecek iki sınırlama vardır böylece R ve C de÷erleri tek olarak belirlenebilir. Dizayn eúitlikleri tek olmamakla beraber mantıklı bir tahmin yapılabilir ve uygun sonuçların elde edilip edilmedi÷ini belirlemek için bir analiz yapılabilir. øúlemin irdelenmesine mevcut bir çözüme ulaúıncaya kadar devam edilir.
Anahtar akımının bir denklemi (sönümsüz) aúa÷ıdaki gibi yazılabilir: t L C t i 20 5cosω 200 sinω 5 , 0 1 ¸ ¹ · ¨ © § + + =
de÷erinin seçimi, sinüs terimine keyfi bir de÷erin atanması ile yapılabilir. Di÷er terimlerle birlikte bu terimin kombinasyonu için 7 amperlik maksimum de÷er seçimi, i1=28,6 amperlik sönümlü olmayan bir tepe de÷eri üretir. Sönüm ile birlikte, tepe de÷er
28,6 amperden daha az olacaktır:
200 C 7
L = A
Yukarıdaki terimin, kosinüs terimi, DC terim ve mevcut gerçek sönüm ile birlikte kombinasyonu, akımın tepe de÷er gereksinimini karúılayabilir. Verilen indüktans de÷eri ile birlikte, mikrofarad cinsinden kapasitans bulunur:
C=0 03, µF
Bu de÷erler kullanılarak, zayıflama (attenuation) olmadan kapasitör gerilimi aúa÷ıdaki gibi verilir. t C L t vC 200(1 cosω ) 5 sinω 5 , 0 ¸ ¹ · ¨ © § + − = ) 624 , 0 cos( 246 200− + = t vC
ω
Direnç üzerindeki gerilimin geçici bir süre için ihmal edilmesiyle, 246 volt de÷eri, vC’nin 250 volttan daha büyük de÷erde olmaması için kosinüs teriminin tepe de÷erinde
50 volt’tan daha az düúmelidir.
ω = 1 =1155 10× 6
LC , rad/s
Tepe de÷er, (ωt+0,624)=π de÷erinde oluúur;
t =2 18 10, × −6s e−αt = 50 = 246 0 203, α =731000= 2 R L ve R=36 6, Ω
Böylece C=0,03µF ve R=37 Ω de÷erleri ile bir baúlangıç dizaynı kullanılması gerekir. Bu de÷erler kullanılarak tam bir çözüm
i e t t d 1 =20 7 043+ , cos( −0 7814, ) α ω vX e t t d =200 203 33− , α cos( +1 398, ) ω dür. Formülde, α =660000 /s ωd =947490 rad/s
Maksimum i1, 0,1826 µs de oluúur ve 25,12 amperdir.
Maksimum vX , 1,2 µs de oluúur ve 275,7 volt’tur.
Bu sonuçlar tepe gerilim gereksinimini karúılamamakta olup ikinci bir irdeleme gereklidir. Daha büyük bir kapasitör, devre sönümü kapasitör gerilimini azaltıncaya kadar gerilim birikimini geciktirebilirdi. 0,05 µF lık bir kapasitör de÷eri, 0,3 µs de i1=25,12 amper ve 1,5 µs de vX = 271,6 volt maksimum de÷erlerini verir. Bu sonuçlar
temelde gereksinimleri karúılar. 2
22...111...333øøøLLELEERRRøøøDDÖDÖÖNNNÜÜÜùùùÜÜMÜMM
PN jonksiyonlu diyotun iletiminde oluúan bir zaman de÷iúim etkisi vardır; bu ileri dönüúüm iúlemi olarak tanımlanabilir. PN jonksiyonun bütün alanı, diyot iletime geçti÷inde hemen iletimde de÷ildir ve akım baúlangıçta jonksiyonun sınırlı bir kısmından iletilir. ùekil 2.9 da açıkça gösterilmemiúse de, bir baúlangıç sıfır akım de÷erini zorlayan parazitik küçük bir devre indüktansının olması gerekir. øletim tüm alana yayılırken, akım yo÷unlu÷u azalır ve diyot terminalleri arasındaki gerilim azalır.
ùekil 2.9 tipik bir eleman için bu etkiyi göstermektedir.
ùekil 2.9 da gösterilen etki, birkaç mikrosaniyelik bir zaman diliminde oluúur. øletim periyodundan sonraki güç ile karúılaútırıldı÷ında, bu zaman aralı÷ında artan bir güç kaybı vardır. Bu etki, sadece kısa iletim aralıkları için önemli olup epeyce yüksek tekrarlama frekanslarında periyodiktir. 60 Hz’lik do÷rultucularda kullanılan diyotlarda, etki ihmal edilebilir. Devre indüktansının bir sonucu olarak diyot akımının yavaúca arttı÷ı devre düzenlemelerinde de bu etki ihmal edilebilir.
ÖRNEK 2.7
Bir 1N3879 do÷rultucu, 50 amperlik ileri akımın 25 µs’lik periyodun %5’inde periyodik oldu÷u bir devrede kullanılmaktadır. TJ = 25 °C dir.
(a) øleri dönüúüm zamanı nedir?
(b) Bu etkiden dolayı diyotta oluúan kaybı bulunuz. ÇÖZÜM
(a) 1N3879’un bilgi-sayfasından 1,1 volt için tipik dönüúüm zamanı 0,85 µs olarak okunabilir.
(b) Akımın yükselme zamanı üzerinde hiçbir bilgi olmadı÷ından ve dönüúümden önce do÷rultucu geriliminin büyüklü÷ü ile ilgili bilgi olmadı÷ından, bu soruya miktar olarak cevap verilemez. øleri dönüúüm zamanı 1,25 µs lik iletim zamanı ile karúılaútırıldı÷ında bariz olmaktadır ve iletim kayıpları kararlı durum kayıplarından daha büyük olacaktır.
2
22...222 SSSCCCHHHOOOTTTTTTKKKYYY EEENNNGGGEEELLL DDDøøøYYOYOOTTTLLLAAARRRIII
Schottky engel diyotları, bilinen PN jonksiyonları olmaksızın yapılmıúlardır ve azınlık yük taúıyıcıları ile ilgili etkileri göstermezler. PN jonksiyonlu diyotta oldu÷u gibi yük birikimi ve tersine dönüúüm zamanı yoktur. Ters yönde, sadece do÷rusal olmayan bir kapasitör, elemanın dinamik davranıúlarını temsil etmek için kullanılabilir.
Schottky diyotlarının kullanılmasının bir nedeni, ileri akım iletimi süresinde gerilim düúümünün oldukça düúük olmasıdır. Daha düúük ileri gerilim düúümü, bir PN jonksiyon diyotuna göre normalden daha büyük ters sızıntı akımı úeklinde dengelenebilir. Kullanılan özel bir engel metalinin, ilgili sızıntı akımında oldu÷u kadar ileri gerilim düúümüne de etkisi vardır. Kromdan yapılan engeller, düúük ileri gerilim düúümü ve yüksek ters akım sa÷larlar. Tungstenden yapılan elemanlar ise büyük ileri gerilim düúümü ve daha düúük ters akım meydana getirirler. Molibden ve platin orta derecede sonuçlar verir.
Schottky diyotları, do÷rultma iúleminin verimlili÷inin geliútirilmesi istenen düúük gerilimli do÷rultucu devrelerinde kullanılırlar. Epeyce düúük olan ters delinme gerilimleri, böyle düúük gerilim uygulamalarında kabul edilebilir.
2
22...222...111 SSSTTTAAATTTøøøKK DKDDEEEVVVRRREEE MMMOOODDDEEELLLLLLEEERRRøøø
Statik devre modelleri, PN jonksiyonlu diyotta bulunan biçimlere benzemektedir. Farklılık modeldeki elemanların de÷erlerindedir. øleri gerilim daha düúüktür ve bunun sonucunda da düúük iletim kayıpları olmaktadır. Ters sızıntı akımı ilgili PN jonksiyonlu diyota göre daha büyüktür.
ÖRNEK 2.8
Bir 1N5828 do÷rultucu, bir devrede 20 voltluk tepe de÷erli kare dalgalı alternatif kayna÷ını do÷rultmada kullanılmaktadır. ùekil 2.10 da karakteristik gösterilmiútir. Yük direnci 1 Ω ve TJ=100°C dir. Aúa÷ıdakileri bulunuz.
(a) do÷rultucu için uygun bir parçalı do÷rusal model (b) yük akımı
(c) düúük frekanslı iúlem varsayımında do÷rultucu kayıpları.
ÇÖZÜM
(a) ùekil 2.10 daki grafikte, parçalı do÷rusal grafi÷in e÷imi 0,008 Ω’a karúılık gelir. 1
Ω’luk yük direncinin de÷eri ile karúılaútırıldı÷ında bu epeyce küçük olmaktadır. 0,24 voltluk kaynakla seri ba÷lanmıú bir diyot’dan oluúan bir model, ileri iletim akımını tahmin edebilmek için iyidir. 100°C de 20 volt ters gerilim ile bu elemanın ters akımı 30 miliamperdir. Genel olarak sızıntı akımı çok do÷rusal olmadı÷ından, bu bir direnç de÷eri ile temsil edilemez. Bu durumda, ters gerilim sabit ve etki 20V/0,030A veya 667
Ω de÷erinde bir direnç ile temsil edilebilir. Model, úekil 2.11 deki devrede gösterilmektedir.
ùekil 2.10
ùekil 2.11 (b) Kaynak geriliminin pozitif kısmında,
iL = 20 0 24− =
1 19 76
,
, A
kayıplarında dikkate de÷er kayıplara öncülük eder. Örne÷in bu kısmı için, 0,008 Ω’luk direnç eklenmesiyle devre yeniden düzenlenir. øleri iletimde,
iL = − + = 20 0 24 1 0 008 19 60 , , , A vD =0 24, +( , )( ,19 60 0 008)=0 376, V P=(vD)( ) ( ,il = 0 376 19 60)( , )=7 78 W , Ters iúlem süresince,
iL = − + = − 20 667 1 0 030, A vD =(667)( )iL = −19 97 V , P=(vD)( ) (il = −19 97, )(−0 030, )=0 60 W ,
Yukarıdaki durumların her biri zamanın %50 sinde oluúur, böylece diyot gücü bu iki de÷erin ortalamasıdır:
Port = 1 + =
2( ,7 78 0 60, ) 4 19, W
2
22...222...222 DDDøøøNNANAAMMMøøøKK PKPPEEERRRFFFOOORRRMMMAAANNNSSS
Dinamik performansın temsilinde, statik modele paralel bir kondansatör eklenir. Bu kondansatörün de÷eri, ters gerilim de÷erinin do÷rusal olmayan bir fonksiyonudur. De÷iúimlerin ço÷u, çok küçük ters gerilimlerde oluúur. Bundan dolayı, ters gerilim çok büyükse, kabul edilebilir bir do÷rulukta sabit bir de÷er kullanılabilir. Aúa÷ıdaki örnek bu modelleme iúlemini göstermektedir.
ÖRNEK 2.9
Bir 1N5828 diyotu úekil 2.12 deki devrede kullanılmıútır. Bilgi-sayfasından, bir tek kapasitör de÷erinin, elemanın tam olarak ters ve ileri aralı÷ını temsil edemeyece÷i açıkça gözükmektedir. Bununla beraber, bir tek de÷er elemanın uygun olarak, yaklaúık bir modellemesini sa÷lar. Buna uygun olarak, C=800 pikofarad (pF); L1=10 µH, L2=10
ùekil 2.12
(a) Anahtar kapandıktan ne kadar süre sonra diyot akımı sıfır olur? Bu kısım için, diyot ileri geriliminin sıfır oldu÷u uygun bir de÷er.
(b) Diyot ters geriliminin tepe de÷erini bulunuz.
ÇÖZÜM
(a) Bu aralık süresince devrenin denklemleri
10 10 6 1 0 20 × §©¨ · ¹ ¸+ = − di dt i1( )0 =0, i3( )0 =i2( )0 =20A ve di dt 1 2 106 = × A/s
Baúlangıç aralı÷ı süresince, L2’nin büyük de÷erinden dolayı i2 bariz bir de÷iúim
göstermez. i1 +i3 =i2 =20A di dt di dt 3 1 2 106 = − = − × A/s Böylece i3 =20 2 10− × 6t
ve i3 t =10 10× −6s de sıfır olur. Daha sonra, diyot kısmı ile ilgili olarak, i3 = 0. 800 pF
de÷erindeki kapasitans ile (b) kısmı için eleman modellenir.
(b) L2 çok büyük oldu÷undan, devre úekil 2.13 deki gibi modellenebilir.
Bu tam çözümlü bir temel LC rezonans devresidir. i2 akımı gerçekte akım kayna÷ı ile
t i1 =20+0,179sin
ω
vx =20 1( −cosωt) formülde 6 10 18 , 11 × =ω
rad/sve yeni bir zaman orijini seçilmiútir; (a) úıkkındaki periyodun bitti÷i yerde baúlar.
ùekil 2.13
Modelleme sonucu, gerçek devrede biraz olmasına ra÷men, mevcut olan bir sönüm yoktur. Azalma oranı, vx in 40 volta yakın tepe de÷erinde yeteri kadar düúük olacaktır.
Ters iletimdeki diyot bir kapasitör ile temsil edilir böylece kaynak geriliminin hemen hemen iki katı kadar bir ters gerilime maruz kalır. ùekil 2.10 da gösterilen bir koruyucu devre bu ters gerilimi azaltabilir.
ÖRNEK 2.10
Örnek 2.9 daki devreye, úekil 2.14 de gösterildi÷i gibi 30 Ω’luk dirençle seri 0,01 µF lık bir kapasitörden oluúan bir koruyucu devre eklenmiútir. Bundan önceki örnekteki çözümü tekrar ediniz.
ÇÖZÜM
(a) øleri iletimdeki bir diyot sıfır gerilimle temsil edildi÷inden, çözümün bu kısmında bir de÷iúme yoktur. Bununla birlikte, bu durum kapasitör baúlangıç gerilimini sıfır de÷erinde tutar.
ùekil 2.14
(b) 800 pF’lık diyot kapasitansı koruyucu kapasitansına göre karúılaútırıldı÷ında çok küçüktür ve ihmal edilebilir. ùekil 2.14 çözülecek devreyi temsil etmektedir. Bu devrenin standart bir çözümü aúa÷ıdaki sonucu verir.
) 494 , 0 cos( 72 , 22 20− + = − t e vx αt ωd ) 494 , 0 sin( 718 , 0 20 1 = + + − t e i αt ωd burada 6 10 5 , 1 × =
α
Np/s 6 10 784 , 2 × = dω
rad/svx in tepe de÷eri, t =7 75, nanosaniyede 26,27 volt’tur. Bu de÷er, diyotun uçlarındaki
ters gerilimde belirgin bir azalmayı gösterir. Koruyucu bileúenlerinin di÷er de÷erleri ters gerilimin daha da az bir de÷erde kalmasını sa÷lar.
2
22...333 DDDøøøYYOYOOTTT UUUYYYGGGUUULLLAAAMMMAAALLLAAARRRIII
2
22...333...111 SSSEEERRRøøøBBABAAöööLLALAANNNTTTIII
Çok yüksek gerilim uygulamalarında bir diyotun ters gerilim kapasitesi yeterli olmayabilir. Bazen iki veya daha fazla elemanın seri ba÷lantısı gerekir. Böyle bir durumda, seri ba÷lanmıú elemanlar arasında ters gerilim eúit olarak paylaúılamayabilir ve bir eleman üzerine aúırı gerilim alabilir. ùekil 2.15 deki grafik iki farklı diyotun statik ters akım-gerilim karakteristiklerini göstermektedir. Elemanlar seri oldu÷undan, açıkça ters gerilimin iki farklı de÷erine sahip olmalarına ra÷men, aynı ters sızıntı akımına geçirmelidirler. Bu, diyot 1 in ters gerilim kapasitesini aúmasına neden olur.
ùekil 2.15
Bu problem, her bir diyota paralel gerilim bölücü dirençlerin ba÷lanması ile çözülebilir. Bu dirençlerin etkili olabilmesi için, dirençlerin diyotların sızıntı akımından birkaç misli daha büyük akımı iletmesi gerekir. Bu çözümün bir sakıncası, ters çalıúma süresince iki dirençte boúa harcanan güçtür. Aúa÷ıdaki örnek, rakamlarla bunun daha iyi anlaúılmasını sa÷layabilir.
ÖRNEK 2.11
ùekil 2.16 da gösterildi÷i gibi, gerilim bölücü dirençlerle iki diyot seri ba÷lanmıútır. Diyotlar úekil 2.15 de gösterilen karakteristiklere sahiptir. Aúa÷ıdakileri bulunuz:
(a) Diyotun ters geriliminin, toplam 1600 volt’un %55 inden daha büyük olmayacak
úekilde, R nin de÷eri,
(b) Toplam ters akım ve güç,
(c) Gerilim bölücü dirençlerin kullanılmadı÷ı durumda, her diyottaki ters gerilim.
ùekil 2.16
ÇÖZÜM
(a) ùekil 2.16 daki devre diyagramı, ters gerilimi paylaúmayı zorlayan iki eúit dirençli düzenlemeyi göstermektedir. Bir diyot %55×1600=880 volt gerilimi tutarken, ikincisi 1600 880− =720 volt gerilimi tutmaktadır.
ùekil 2.15 deki grafikten, iki ters akım de÷eri, V1=880 volt ve V2=720 volt de÷erlerinde
bulunur:
I ’nin devre denklemleri aúa÷ıdaki sonucu verir: I V R I V R I =§©¨ · ¹ ¸+ =§©¨ · ¹ ¸ + 1 1 2 2 R nin çözümü ile R=533000 Ω bulunur.
(b) Toplam güç, P=1600I =4 56, W. Toplam akım ve ters güç kayıpları bu teknik ile artmıútır.
(c) ùekil 2.15 deki grafikten, bir irdeleme tekni÷i cevabı verebilir. I=1,25 mA için, V1
=-1300 volt ve V2=-400 volt de÷erleri grafikten okunabilir. Bu toplam, 1700 volt’luk ters
gerilime karúılık gelir ve gerçek de÷erden daha büyüktür. Grafi÷in çözünürlü÷ü ek irdelemelere izin vermemektedir fakat Diyot 1 in ters gerilimi, Diyot 2 nin de÷erinden yaklaúık olarak 3 misli daha büyük olmalıdır.
Buna benzer bir problem gerilimin dinamik paylaúımında da vardır. Ters gerilim aniden de÷iúirken, de÷iúim baúlangıç olarak, iki elemanın ters yöndeki jonksiyon kapasitesine ters bir iliúkiyle da÷ıtılır. ùayet bunlar eúit de÷ilse, dinamik paylaúma eúit olmayacaktır.
ùekil 2.17 de görüldü÷ü gibi her diyota paralel ek kapasiteler, dengesizli÷i kabul edilebilir uygun bir de÷ere düúürebilir.
Etkili bir çözüm için gerekli kapasite, ters yöndeki jonksiyon kapasitesinden birkaç kez daha büyük bir de÷erdir. Çünkü gerilim paylaúımı sadece yüksek gerilimde önemli oldu÷undan, böyle bir dizayna uygun jonksiyon kapasitesi, büyük ters gerilime uygun olanıdır.
ùekil 2.17
ÖRNEK 2.12
Önceki örnekte, iki diyotun 200 V/µs lik artıú oranında bir ters gerilimi desteklemesi gerekmektedir. Diyot 1 in jonksiyon kapasitesi 200 pF ve Diyot 2 nin jonksiyon kapasitesi 250 pF dır. Diyotlara paralel yerleútirmek için, ters gerilimin dinamik paylaúımını zorlayan, herbirinin %10 luk sınırı içerisinde uygun kapasiteleri seçiniz.
Diyot 1 in kapasitesi küçük oldu÷undan Diyot 2 den daha büyük gerilim altındadır.
ùekil 2.17 de jonksiyon kapasitörleri C de÷erindeki kapasitelerle paralel ba÷lanmıútır. Her kısım, aúa÷ıdaki eúitlikte gösterildi÷i gibi aynı toplam akımlara sahip olmalıdır:
i C C dv dt C C dv dt =( 1+ )§©¨ 1¹¸· =( + )§¨© ·¹¸ 2 2
Dinamik paylaúmanın belirlenen gereksinimini karúılamak için, dv dt dv dt 1 11 2 = ,
øki eúitli÷in çözümü aúa÷ıdaki sonucu verir. C=300 pF Not:
(a) Toplam gerilim 1600 volt oldu÷unda, v1 de÷eri 838 volt ve v2 de÷eri 762 volt olur.
(b) ùayet örnek 2.11 de oldu÷u gibi, statik gerilim bölücü dirençler olsaydı, dinamik etkiyi zorlamadaki etkileri az olacaktı. Bu problemde i’nin de÷eri, örnek 2.11 deki 3 mA’e kıyasla 52 mA dir.
Bundan önceki kısımlarda tanımlanan ek direnç ve kapasitörler’in kullanılması istenilmez çünkü bunlar devrenin hem fiyatını ve hemde kayıpları artırırlar. Baúka bir yaklaúım, ters karakteristiklerinde diyotları eúleyerek bu elemanları kullanma ihtiyacını azaltmaktır. Bu, oda sıcaklı÷ında oldu÷u kadar çalıúma sıcaklı÷ında da yapılabilir.
Ö
ÖÖRRRNNNEEEKKK SSSPPPIIICCCEEE SSSøøøMMÜMÜÜLLLAAASSSYYYOOONNNUUU::: SSSEEERRRøøøBBABAAöööLLILII DDDøøøYYOYOOTTTLLLAAARRR
Aúa÷ıdaki úekilde görüldü÷ü gibi, seri ba÷lı diyotlar toplam 5000 V’u paylaúmaktadır.
øki diyotun ters sızıntı akımları IS1=30 mA ve IS2=35 mA dir. Aúa÷ıdakileri bulunuz:
(a) ùayet gerilim bölücü dirençler eúit ise, R1 = R2 =R=100 kΩ, diyot gerilimlerini bulunuz.
R1 R2 R 1 3 2 0 0,01 Ω 100 kΩ 100 kΩ D1 D2 5000 V
Seri ba÷lı diyotlar Pspice modeli devresi ÇÖZÜM
(a) Örnek 2.11 deki çözüm metodu ile V1=2750 V ve V2 =2250 V bulunur.
(b) Pspice simülasyonu sonuçları aúa÷ıdaki gibidir:
*Seri ba÷lı diyotlar Pspice devre modeli
VS 1 0 DC 5KV R 1 2 0.01 R1 2 3 100K R2 3 0 100K D1 3 2 MOD1 D2 0 3 MOD2
.MODEL MOD1 D (IS=30MA BV=3KV) .MODEL MOD2 D (IS=35MA BV=3KV) .OP
.END
Pspice simülasyonu sonucu
NAME D1 D2
MODEL MOD1 MOD2
ID -3.00E-02 IS1=-30 mA -3.50E-02 IS2=-35 mA
VD -2.75E+03 V1=-2750 V -2.25E+03 V2=-2250 V
REQ 1.00E+12 1.00E+12
CAP 0.00E+00 0.00E+00
2
22...333...222 PPPAAARRRAAALLLEEELLL BBBAAAöööLLALAANNNTTTIII
Çok büyük akım gereksinimleri için, bazen iki veya daha fazla diyot paralel olarak kullanılır. Buradaki problem ileri iletim karakteristiklerindeki farklılı÷ın bir sonucu olarak akım paylaúımındaki eúitsizliktir. ùekil 2.18 de görülen devre ve grafik, problemi örnekle açıklamaya yardımcı olabilir. øki diyota uygulanan verilen bir gerilim için, her eleman üzerinde iki farklı akım de÷eri vardır. Her diyota seri ba÷lanmıúR direnç de÷eri I1 ve I2 de÷erlerini yaklaúık olarak eúit de÷erde tutmaya yardım edebilir. Aúa÷ıdaki
ÖRNEK 2.13
ùekil 2.18 gösterilen iki diyot, toplam 100 A iletmektedir. Diyotun 55 A den daha fazla akım iletmemesi gerekir. Aúa÷ıdakileri bulunuz:
(a) bu durumu sa÷lamak için her bir diyota seri yerleútirilecek eúit iki direncin de÷eri, (b) direnç kayıpları,
(c) düzenlemenin uçlarındaki gerilim.
ùekil 2.18
ÇÖZÜM
(a) ùekil 2.18 deki grafikten, I1=55 A ve I2=45 A de÷erleri kullanılabilir ve VD1 ve VD2
de÷erleri bulunabilir:
VD1 =1,5 V ve VD2= 1,8 V
V = RI1+VD1 = RI2 +VD2
R( )55 +1 5, = R(45)+1 8, R=0 03, Ω
(b) Bu dirençlerin herbirindeki güç hesaplanabilir:
PR1 =(552)( , )0 03 =90 75, W PR2 =(452)( , )0 03 =60 75, W (c) Düzenlemenin uçlarındaki gerilim
V = RI1+VD1 =1 65 1 5, + , = RI2 +VD2 =1 35 1 8 315, + , = , V
Akım bölücü dirençleri kullanmanın bir sakıncası düzenlemenin uçlarında artan gerilim ve iki dirençteki 151,5 W’lık kayıptır. Paralel düzenleme kullanmak kesinlikle gerekmiyorsa, uygun akım oranı ile tek eleman kullanmak daha iyidir.
Dinamik bir akım bölücü, úekil 2.19 daki gibi 1:1 oranlı bir transformatör ba÷lantısı ile yapılabilir. ùayet transformatör ideal varsayılıyorsa, i1 ve i2 akımlarının eúit de÷erde
olması gerekir. Pratikte transformatör ideal de÷ildir ve mıknatıslama akımı gereklidir. i1
ve i2 de÷erleri diyotlar benzer olmadı÷ı sürece eúit de÷ildir. Transformatör, mevcut
dengesizlik durumları altında doyuma gitmeyecek úekilde dizayn edilmelidir. Bu metot sadece pals tipi operasyon durumlarında elveriúlidir fakat böyle bir uygulama ile seri ba÷lı dirençlerle ilgili kayıplar ortadan kaldırılabilir. Ek fiyat artıúı ve manyetik yapının a÷ırlı÷ı ile akım paylaúımını zorlayan seri ba÷lı dirençlerin kayıpları arasında bir tercih yapılabilir.
ùekil 2.19
ùekil 2.19 daki düzenlemenin bir modeli, ideal olmayan bir transformatör için úekil 2.20 deki devrede gösterilmiútir. øki sarım sıkı kuplaj halinde olup kaçak indüktans ihmal edilebilecek úekilde varsayılmıútır. Sargı direnci de ihmal edilmiútir. Transformatör eúde÷er devresi, úekil 2.19 da gösterilen ba÷lantıda gerekli oldu÷u gibi, 1:1 oranlı ideal transformatöre ek olarak mıknatıslama indüktansını azaltır. ùekil 2.20 deki devre, iki diyotun toplam akımı paylaúmasını da içerir.
ùekil 2.20
Transformatör tek yönlü manyetik akı ile çalıúır. Manyetik nüve, her akım palsinden sonra mıknatıslı÷ını gidermek için, yapısında bulunan bir hava aralı÷ına sahip olmalıdır.
Aúa÷ıdaki denklemler bu devre için yazılabilir: 2 2 1 1 v v v vD + = D − (2.9) v1 =v2 (2.10) 2 1 i i im = − (2.11) ¸ ¹ · ¨ © § = dt di L v m m 1 (2.12)
eúitliklerin çözümü aúa÷ıdaki sonucu verir:
) ( 5 , 0 2 1 1 v v v = D − (2.13) ) ( ) )( ( 5 , 0 2 1 1 2 i i t v v L D D m − ∆ ∆ − = (2.14)
formülde, ∆t diyotun iletim aralı÷ı ve ∆(i1−i2) iletim aralı÷ının sonunda, i1 ve i2
arasındaki izin verilen farklılıktır.
ÖRNEK 2.14
ùekil 2.19 daki devrede iki diyot paralel ba÷lanmıútır. 4 ms lik iletim aralı÷ı ile toplam akım 200 A dir. øki diyotun iletim geriliminde 0,2 voltluk farklılık vardır. øletim aralı÷ının sonunda iki diyot arasındaki akım farkı 8 A’i geçmemelidir. Aúa÷ıdakileri bulunuz.
(a) kuplajlı iki indüktörün mıknatıslama indüktansı, Lm
(b) operasyon süresince transformatörün terminal uçlarındaki gerilim.
ÇÖZÜM
(a) 2.14 eúitli÷inden,
Lm =( , )( , )( ,0 5 0 2 0 004)= , 8 0 000050 H (b) 2.13 eúitli÷inden, v1 =( , )( , )0 5 0 2 =0 1, V 2 22...444 ÇÇÇAAALLLIIIùùùMMAMAA SSSOOORRRUUULLLAAARRRIII 2.1 Güç diyotlarının tipleri nedir? 2.2 Diyotun (ters) sızıntı akımı nedir? 2.3 Diyotun tersine dönüúüm zamanı nedir? 2.4 Diyotun ters dönüúüm akımı nedir? 2.5 Diyotun yumuúaklık faktörü nedir?
2.6 Diyotlarda dönüúüm tipleri nedir?
2.7 Bir PN jonksiyon diyotunda ters dönüúüm zamanının nedeni nedir? 2.8 Ters dönüúüm zamanının etkisi nedir?
2.9 Yüksek anahtarlama hızları için niçin hızlı dönüúümlü diyot kullanılmalıdır? 2.10 øleri dönüúüm zamanı nedir?
2.11 Bir PN jonksiyon diyotu ve Schottky diyotu arasındaki esas fark nedir? 2.12 Schottky diyotlarındaki sınırlamalar nedir?
2.13 Bir genel amaçlı diyotun tipik bir ters dönüúüm zamanı nedir? 2.14 Bir hızlı dönüúümlü diyotun tipik bir ters dönüúüm zamanı nedir? 2.15 Paralel ba÷lı diyotların problemleri nedir ve olabilecek çözümler nedir? 2.16 Seri ba÷lı diyotların problemleri nedir ve olabilecek çözümler nedir?
2.17 ùayet iki diyot eúit gerilim paylaúımı ile seri ba÷lanmıúsa sızıntı akımları niçin farklılık gösterir?
2
22...555 PPPRRROOOBBBLLLEEEMMMLLLEEERRR
2.1 0 ile 5 A aralı÷ında geçerli olmak üzere bir 1N5402 diyotu için parçalı do÷rusal modelleri bulunuz. Bunu úekil 2.2 deki her üç durum için yapınız.
2.2 Problem 2.1’i 0-20 A akım aralı÷ı için tekrarlayınız. Problem 2.1 de bulunan de÷erlerle karúılaútırınız.
2.3 E=1,0 V ve R=0,05 Ω ile parçalı do÷rusal model ile bir diyot úekil 2.3 deki devrede V=100 V ve RL=10 Ω olan devrede kullanılmaktadır. ùekil 2.2 deki her üç modeli
kullanarak sonuç akımı bulunuz. 2.4 Problem 2.3’ü V=4 V ile tekrarlayınız.
2.5 ùekil 2.3 deki devrede, diyot bir 1N3879 ve kaynak 1000 Hz frekansta 40 V tepe de÷erinde sinüsoidal gerilimdir. 2,4 Ω’luk bir yük direnci için aúa÷ıdakileri bulunuz:
(a) øleri tepe yük akımı (b) Ters tepe akım
(c) Akımın zamanla de÷iúim grafi÷i
2.6 Problem 2.5’i V=4 V tepe de÷erli bir kaynak için tekrar ediniz.
2.7 1N3883 tipinde bir diyot úekil 2.3 deki devrede TJ=125 °C de kullanılmaktadır. V
=-400 V ve RL=75 Ω. VR ’nin hem tipik ve hem de en kötü durumlar için de÷erlerini
bulunuz.
2.8 Bir 1N3879 do÷rultucu diyotu úekil 2.3 deki devrede RL=10 Ω ile kullanılmaktadır.
Kaynak gerilimi 100 Hz frekansta 45 V tepe de÷erinde alternatif kare dalga
úeklindedir. Diyotta kaybolan ortalama güç kaybını bulunuz.
2.9 Bir 1N3883 do÷rultucu diyotu úekil 2.7 deki devrede kullanılmıútır. E=300 V ve L=20 µH ile baúlangıç akımı 10 A dir. Anahtar t=0 da kapanmıútır. t2=0 varsayarak
aúa÷ıdakileri bulunuz: (a) do÷rultucu ters tepe akımı
(b) tepe anahtar akımı 2.10 Problem 2.9’u 2 2 rr t t = varsayarak tekrarlayınız.
2.11 Bir 1N3883 diyotu úekil 2.7 deki devrede kullanılmıútır. t2’ nin 0,1 µs’lik sıfır
olmayan bir de÷erde küçük oldu÷unu varsayınız. E=200 V ve I=15 A. Ek B de diyot için 100 °C deki veriyi kullanarak;
(a) IRM’yi bulunuz.
(b) i3’ün geri dönüúümün baúlangıcında tepe de÷erinden sıfır de÷erine zamanla do÷rusal
olarak de÷iúti÷ini varsayarak, geri dönüúüm esnasında ters diyot gerilimini bulunuz. Diyot kapasitansını ihmal ediniz.
(c) R=50 Ω ve C=0,04 µF’lık bir koruyucu (snubber) devre eklenmiútir. Ters tepe gerilimini bulunuz.
2.12 ùekil 2.8 deki gibi bir devrede, E=300 V, L1=200 µH, i2=30 A ve diyot bir 1N3883
tür. 40 A lik anahtar tepe akımı ile diyot tepe geri dönüúüm gerilimini 400 V ile sınırlayan bir koruyucu devre tasarımlayınız.
2.13 Problem 2.11’i, E=150 V, I=20 A ve L1=10 µH ile tekrar ediniz. (c) úıkkı için,
C=0,05 µF ve R=75 Ω kullanınız.
2.14 ùekil 2.9 daki devrede, anahtar periyodik olarak 10 µs kapalı ve 15 µs açıktır.
ùayet diyot bir 1N3883, R=7,5 Ω ve E=300 V ise diyotun ileri geri dönüúüm zamanını bulunuz. Bu zaman, diyotun ileri iletim zamanı ile karúılaútırıldı÷ında önemli midir?
2.15 35 V tepe de÷erinde kare dalgalı düúük frekanslı altenatif bir gerilim 3,5 Ω
de÷erinde bir yük direncinde bir 1N5828 diyotu ile do÷rultuluyor. TJ=100 °C.
Do÷rultucunun güç kaybını bulunuz.
2.16 Bir Schottky diyotu (1N5828) úekil 2.12 deki devrede kullanılmıútır. L1=30 µH,
L2=100 mH, E=25 V ve i2=15 A. S anahtarı t=0 da kapatılmıútır. Diyotun ters tepe
gerilimini bulunuz.
2.17 Problem 2.16 için diyot ters tepe gerilimini 40 V ile sınırlayan bir koruyucu devre tasarlayınız.
2.18 ùekil 2.15 deki karakteristiklere sahip iki diyot seri olarak ba÷lanmıútır. Toplam ters gerilim 2000 V’tur. Aúa÷ıdakileri bulunuz.
(a) Her diyotun ters gerilimi,
(b) Her diyotta ters gerilimi 1100 V ile sınırlayan, diyotlara paralel ba÷lanmıú direnç de÷eri,
(c) Gerilim bölücü dirençlerdeki güç kaybı.
2.19 Seri ba÷lanmıú iki diyot 100 V/µs oranı ile artan bir ters gerilime maruz bırakılmıútır. Diyotların jonksiyon kapasitansları 500 pF ve 700 pF dir. Diyot 1’in ters geriliminin Diyot 2’nin ters geriliminden %10’dan daha büyük olmaması için, diyotlara paralel ba÷lanacak eúit iki kapasitörün de÷erini bulunuz.
2.20 ùekil 2.18 deki karakteristiklere sahip iki diyot paralel ba÷lanmıú ve 100 A’lik bir ileri akımı iletmektedirler. Aúa÷ıdakileri bulunuz:
(a) Her diyottaki akım,
(b) Düzenlemenin uçlarındaki gerilim.
2.21 (a) Problem 2.20 de, bir diyotun toplam akımın %60’ından fazlasını iletmemesi için akım bölücü dirençleri bulunuz. (b) Problem 2.20 de bulunan güç kaybına kıyasla ek güç kaybı nedir?
2.22 ùekil 2.19 da görülen iki diyot, her diyotta 100 A ile 0,15 V ’luk gerilim farkı göstermektedir. 200 A’lik bir toplam akım için, iki akımın 3 A den daha fazla farklılık göstermemesi için, úekil 2.19 daki gibi kuplajlı indüktör tasarlayınız.
2
22...666 SSSEEEÇÇÇøøøLLMLMMøøùøùùSSISIINNNAAAVVVSSSOORORRUUULLLAAARRRIII
2.1 V=220 V DC, úekil 2.21.a karakteristi÷ine göre omik yükün gücü 2kW ve diyot sızıntı akımı 550 µA’dir. úekil 2.21 deki karakteristiklere göre devreden geçen akımları ve diyot ters çalıúma direncini bulunuz.
0 5 10 0.0 0.5 1.0 1.5 V, volt I, a m pe r 0 5 10 0.0 0.5 1.0 1.5 V, volt I, a m pe r 0 5 10 0.0 0.5 1.0 1.5 V, volt I, a m pe r (a) (b) (c) 0 5 10 0.0 0.5 1.0 1.5 V, volt I, a m pe r 0 5 10 0.0 0.5 1.0 1.5 V, volt I, a m pe r 0 5 10 0.0 0.5 1.0 1.5 V, volt I, a m pe r (d) (e) (f) 0 5 10 0 1 2 3 V, volt I, a m pe r 0 5 10 0 1 2 3 V, volt I, a m pe r 0 5 10 0 1 2 3 V, volt I, a m pe r (g) (h) (ı)
0 5 10 0.0 0.5 1.0 1.5 V, volt I, a m pe r 0 5 10 0.0 0.5 1.0 1.5 V, volt I, a m pe r 0 5 10 0.0 0.5 1.0 1.5 V, volt I, a m pe r (i) (j) (k)
ùekil 2.21 Çeúitli diyot karakteristikleri.
2.2 ùekil 2.22 deki devre, bir Schottky Engel diyotunun ileri ve ters çalıúmasını modellemektedir. Kaynak gerilimi 10 volt tepe de÷erli kare dalgalı alternatif akımdır.
ùekil üzerindeki verilen de÷erlerden yararlanarak diyot üzerinde kaybolan ortalama gücü bulunuz.
ùekil 2.22
2.3 2.2. sorudaki devrede, diyotun ileri çalıúma yönünde 0,5 Ω’luk dirençten geçen akım %50 artırıldı÷ında, kaynak geriliminin de÷eri kaç volt olur?
2.4 ùekil 2.23 deki devre bir PN Jonksiyon diyotunun ileri ve ters çalıúmasını modellemektedir. Kaynak gerilimi 11 volt tepe de÷erli kare dalgalı alternatif akımdır.
ùekil üzerindeki verilen de÷erlerden yararlanarak diyot üzerinde kaybolan ortalama gücü bulunuz.
ùekil 2.23
2.5 2.4. sorudaki devrede, diyotun ileri çalıúma yönünde 1 Ω’luk dirençten geçen akım %50 artırıldı÷ında, kaynak geriliminin de÷eri kaç volt olur?
2.6 ùekil 2.24 deki karakteristiklere sahip iki diyot, paralel ba÷lı dirençlerle seri ba÷lanmıútır. R’nin de÷eri, diyot 1 üzerinde, toplam ters gerilimin %55’ini aúmayacak úekilde seçilmiútir. Diyot 2’nin ters sızıntı akımı 1,8 mA oldu÷una göre, R dirençlerindeki toplam kayıp kaç watt’tır?
ùekil 2.24
2.7 2.6. sorudaki devrede diyotlara paralel R dirençleri kullanılmasaydı, toplam ters gerilim yaklaúık kaç mA’lik sızıntı akımında karúılanabilirdi?
2.8 ùekil 2.25 deki karakteristiklere sahip iki diyot, seri ba÷lı dirençlerle paralel ba÷lanmıútır. R’nin de÷eri, diyot 1’ den, toplam akımın %52’sini aúmayacak
úekilde seçilmiútir. Diyot 2’nin ileri gerilim düúümü 2,6 volt oldu÷una göre, R dirençlerindeki toplam kayıp kaç Watt’tır?
ùekil 2.25
2.9 2.8. sorudaki devrede diyotlara seri ba÷lı R dirençleri kullanılmadı÷ında, úayet diyot 1 den, devrenin toplam akımının, I %50’sinin geçti÷i varsayımı ile, diyot 2’den geçen akım yaklaúık kaç amperdir?
