YARI ĐLETKEN DOĞRULTUCU ELEMANLAR
Yarı iletken doğrultucularda ana elemanlar olarak; diyot, konvansiyonel tristör, triac, kapıdan
tıkanabilen tristör (GTO), bipolar güç transistörü, güç MOSFET’i ve yalıtılmış kapılı bipolar transistör (IGBT)
sayılabilir. Diyot haricindekiler ileri yönde potansiyele dayanabilir ve dolayısıyla kontrol edilebilirler.
DĐYOT : P N Yapı Anot Katod Sembol Kaçak Akım ~ mA
Đleri yönde (gerilim düşümü) ~ 0.6V - 0.7V Đleri iletim Ters Tıkama I V Karakteristik
N tipi ; negatif yüklü P tipi ; pozitif yüklü
Zener diyodu ; Farkı, p-n ekleminin zener yıkılmasına olanak verecek şekilde çok dar tutulmuş olmasıdır. Gerilim referansı veya gerilim düzenleyici olarak kullanılırlar.
TRĐSTÖR : P N Yapı Anot Katod Sembol P N Kapı 2000 V , 300 A için 30 mm çap ; 0.7 mm kalınlık Tutma akımı
Đleri yönde (gerilim düşümü) ~ 0.6V - 0.7V Kilitleme akımı I V Karakteristik Đleri kaçak akım Đleri yönde delinme Ters delinme Geri kaçak akım
Kapı akımı uygulanmadığı durum için tristör, iki yönde de iletime izin vermeyen üç tane seri bağlı diyot gibidir. Ters yönde kutuplanma durumunda diyotla aynı davranışı sergiler. Đleri yönde kutuplamada yani anot pozitif iken, merkezdeki kontrol jonksiyonunun delinme gerilimi aşılmadıkça sadece kaçak akım akar. Delinme gerilimleri iki yön için de aynıdır. Ters kutuplama durumunda katod P-N jonksiyonu 10Vda delindiğinden tüm voltaj anottaki P-N jonksiyonunda görülür.
Đleri yönde kutuplamada gerilim oluşursa tristör, iki jonksiyonlu diyot gibi çalışır ve diyotun iki katı gerilim düşümü olur. Tristör’ün iletimde kalabilmesi için anot akımının kilitleme akımı (latching) seviyesini aşması ve tutma akımı (holding) seviyesinin altına düşmemesi gerekir.
LOAD FULL
h
L
I
I
I
≅
2
<
%
1
−Şekilde görüldüğü gibi ileri yönde kutuplanmış tristöre Ig kapı akımı uygulanırsa tristör iletime geçer. Anot akımı kilitleme akımı seviyesini geçer ve tutma akımının altına düşmezse tristör iletimde kalır ve bu andan itibaren de kapı akımı kaldırılabilir.
Tristörü söndürmek için (kesim) anot akımı seviyesinin altına düşürülmeli ve tristör kontrol jonksiyonunun tıkama durumuna geçmesine kadar geçen bir sürede ileri yönde gerilim uygulanmamalıdır. Bu amaçla tristöre şekilde görüldüğü gibi harici bir devre tarafından ters yönde akım geçmesi sağlanır. Akımın süresi genelde 10 ila 100 µs arasındadır. Ters iletimli tristör : Bir silikon katmanında tristör ile, ters yönde ileten diyot
kombinasyonu oluşturulan yarı iletken eleman
Tristör Kapı Ucu ve Gerektirdikleri :
Tristörün kapı-katot uçları karakteristiği zayıf P-N jonksiyonununkine benzer. Üründen - ürüne değişmekle birlikte şekildeki karakterlerden birine uyan bir davranış sergiler.
Tristörlere uygulanacak minimum akım ve gerilim seviyesi jonksiyon sıcaklığının bir
fonksiyonudur.
Kapı akım ve geriliminin min. ve max. değerleri vardır.
Bu değerler ayrıca belli bir minimum seviyenin üstünde olmalıdır.
Kapı akımının ve geriliminin çarpımı olan gücün de bir maksimumu vardır.
Đleri iletim Ig'ye bağlı gerilim değerleri I V Ters Tıkama V I Ig
Ters yönde akım
Ters kaçak akım
Ianot 30 C 60 C VG Yüksek direnç sınırı Minimum tetikleme limitleri Kapı Akımı IG
Belirli bir tip tristörlere ait karakteristikler
IG VG
Yandaki şekilde tristörün iletime geçmesi için tetikleme akımı ve geriliminin alması gerekli değerleri gösteren bölge taranarak işaretlenmiştir. Uygun şartlardaki tetikleme darbesi bir izolasyon trafosu aracılığıyla tristör kapısına uygulanır. Trafonun kapı tarafında kapı akımını sınırlamak için bir R1direnci bulunur. Tristör sönümdeyken kapı gerilimini sınırlamak için de R2direnci bağlanmıştır.
Devrenin Thevenin eşdeğeri de yukarıdadır. Eşdeğer devredeki gerilim ve akım miktarını belirlemek amacıyla tristörün karakteristiği ile Thevenin eşdeğerinin oluşturduğu yük hattının kesişim noktası belirlenir.
VG ile IG arasındaki ilişki ; E ve RG’nin oluşturduğu yük hattı tarafından belirlenir. Tetikleme sinyali uygulandığında kapı akımı karakteristik boyunca ilerleyerek P noktasına ulaşır. Ancak P noktasına ulaşılmadan (tahminen A noktasında) tristör iletime geçmiş olur. Đletimin kesin olabilmesi için tetikleme devresinin elemanları öyle seçilmelidir ki çalışma noktası olan P, maksimum güç sınırı ile A noktası arasında kalsın. Genellikle bu şartları sağlayan E = 5 ila 10 V ; IG=0,5 ila 1 A arasındadır.
Tetikleme Devrelerinin Sağlaması Gerekli Şartlar :
Bir tristörü iletime geçirmek için kapı akımının çok hızlı yükselme zamanına sahip olması gerekir. Bu ; anot akımının kilitleme seviyesine ulaşabileceği uzunlukta hızlı yükselme zamanına sahip darbe üretebilen tetikleme devreleriyle elde edilir. Darbe kullanılmasının nedeni kapıda daha az güç harcanmasına ve tetiklenme anının daha iyi belirlenmesine imkan vermesindendir.
Tetikleme Bölgesi
Karakteristik üst sınır
Max. Gerilim
Max. Güç (VG IG)
Max. Kapı Akımı
Karakteristik alt sınır
Min. kapı gerilimi Min. kapı akımı VG IG R1 R2 RG E VG IG E VG E/RG IG A P Maksimum güç sınırı Tristör karakteristiği Yük Hattı
µ 1 Zaman 50µ Darbe Şekli 10V 1A VG IG Yük Hattı Yük hattı Tetikleme Derbeleri AC Besleme Gecikme
Yukarıdaki şekillerde görüldüğü gibi; özellikle AC besleme uygulamalarında tetikleme devresinin üreteceği darbe beslemenin fazına göre belirlenebilmeli ve yeri değiştirilebilmelidir. Tipik örnek ; 1µs’de 10V’luk kaynaktan 1A akıma ulaşabilecek bir darbedir. Ancak çoğu uygulamada 10µs uzunlukta, 1µs’de 2V’a ulaşan darbe yeterlidir.
Tetikleme devresi art arda darbeler üretebilmelidir. Bazı uygulamalarda katodları farklı potansiyele sahip iki tristör aynı anda tetiklenmelidir. Bu durumda devre iki veya daha çok izole çıkışı olan trafo içermelidir. Ters yönde darbe uygulamasından kaçınılmalıdır, yoksa daha çok güç harcanır. Ayrıca tristör ters kutupluyken kapı akımı uygulanırsa bu kaçak akımı artırır.
Tipik Tetikleme Devreleri :
Yukarıdaki devrede yük gerilimi kontrol edilmektedir. ig ≅ Vbesleme/ R kapı akımının değeri R’ye bağlı olduğundan ∝her periyot değişebilir, tristörün sıcaklığına ve diğer değişimlere bağlı olarak. Ayrıca tam sıfır ve tam 90o’de tetikleme yapılamaz. Dolayısıyla bu devre pratikte kullanılmaz.
Basit ama pratikte kullanılabilecek tetikleme devresi aşağıda görülmektedir. Devre AC kaynaktan beslenir. R1’e bağlı olarak C1 exponansiyel şekilde dolar. C1 belli bir değere ulaşınca unijonksiyon transistör iletime geçer ve C1transistör üzerinden boşalarak tristör kapısına darbe üretir.
Vbesleme Vyük ig R t VL R2 Z C1 R1
R1’in ayarlanmasıyla 180o’ye kadar gecikme elde edilebilir. Bu tür bir devre ile omik yükler kontrol edilebilir. R1’e eklenecek ek devrelerle de uzaktan otomatik kontrol sağlanabilir. Đhtiyaca uygun olarak daha çok elektronik devre içeren veya osilatör içeren tetikleme devreleri de vardır.
Tetikleme Devrelerinin Kontrol Özellikleri :
Güç kontrol elemanı olarak tristör içeren daha karmaşık sistemler ; kapalı çevrim linkler, çok fazlı besleme, motor tork seviyesi ya da akımının otomatik kontrolü, farklı grupların aynı anda tetiklenmesi sonucu yanlış çalışmayı önleyici döngüler v.s. içerirler. Kontrol karakteristiği, tetikleme gecikme açısı ile giriş gerilimi arasında tanımlanan ilişkiyi verecek şekilde olmalıdır. Aşağıda böyle bir kontrol ve tetikleme devresi diyagram olarak gösterilmiştir.
Kontrol ve Tetikleme Devresi
Đstenilen çıkışı sağlayıcı kontrol sinyali (Tetikleme açısının kontrolü)
Tristör kapılarına Geri besleme sinyalleri (Yük gerilimi, akımı, devir) Diğer Kontrolcülerden
Senkronizasyon Sinyali Geç Darbe üretimi
Darbe Katarı Limiti
Tetikleme için AC besleme referansı
TRĐYAK :
Triyak beş katmanlı, her iki yönde de P-N-P-N yoluna sahip ve dolayısıyla iki yönde de iletebilen elemandır. Triyak pozitif ya da negatif kapı akımıyla iletime geçebilir. T2 pozitifken pozitif, T1pozitifken negatif uygulamak daha iyidir, ancak pratikte her ikisi için de negatif darbe uygulanır.
GTO (Gate Turn Off - Kapıdan Tıkanabilen Tristör) :
Tristörün bulunmasından sonra iki yeni ürün daha icat edildi. Bunlardan birisi ters yönde daima iletimde olan ancak daha ince silikon kullanılmasıyla daha kısa sürede tıkamaya geçebilen asimetrik tristördür. Bu tristör inverter devrelerde kullanılır. Birkaç µs içinde devreye alınıp çıkarılabilir. Diğer bir eleman kapı akımını uygulayıp kesmekle iletime sokup çıkarılabilen GTO tristörlerdir.
Şekilde görüldüğü gibi GTO, klasik tristöre göre daha karmaşık bir yapıya sahiptir. Yüksek oranda katkı içeren “+” işaretli katmanlar vardır. Kapı ve katod birbirine yakın ve dar kanallardan oluşmaktadır. Đleri kutuplamada merkezi N-P jonksiyonu gerilimi tutar ancak ters kutuplamada bloke yapılamaz. Ama ters bloke yapabilen GTO’lar da yapılmıştır. GTO’lar karmaşık yapıları sebebiyle daha yüksek kilitleme akımına sahiptir. GTO’yu iletime sokmak için kapısına akım enjekte edilir. Söndürmek için ise katod - kapı yönünde 10V seviyesinde gerilim uygulanır. Sönüm için geçecek akım anot akımının 1/5’i veya 1/3’ü kadar olmalıdır. Bu akım 1µs’den daha az bir zamanda sağlanacağından Anot geriliminin artışını sınırlamak için kondansatör bağlanır. P Kapı G Terminal T1 Terminal T2 N P N N N
Yapı Sembol Tristör Eşdeğeri
Ig = 0 Ig = 0 I T2 T1 V Ig I Triyak Karakteristiği P+ P+ P+ P+ N+ N+ N+ N P N+ N+ N+ G C A A C G Yapı Sembol C On Off Gerilim Kaynağı Akım Kaynağı
Yandaki devrede basit kapı kontrol devresi görülmektedir. Kontrol sinyalinin konumuna göre T1ve T2iletime geçerek C1doldurulup boşaltılarak tristör iletime veya kesime geçirilir. C2 ise anot – katod geriliminin dV/dt artışını sınırlar.
Güç Transistorü :
Bipolar transistör 3 katmanlı NPN veya PNP yapıda güç transistörüdür. Çalışma aralığında IC, IB’nin
fonksiyonudur. Belirli bir VCE için baz akımındaki değişme kollektör akımında katlanmış olarak görülür. Bu oran 15 – 100 kat arasındadır. Ters gerilim uygulanan bir transistörün baz – emiter jonksiyonu 10V civarında delinir. Bu modda çalışılacaksa transistöre seri diyot bağlanmalıdır.
Transistörde kayıplar VCE ile IC’nin çarpımının bir fonksiyonudur. Yandaki
şekilde baz akımı IC akımının 10A geçmesini sağlıyorsa, kayıp güç 1kW, gerilim düşümü 100V ve verim %50 olacaktır. Bu kabul edilemez bir kayıptır. Bu nedenle güç uygulamalarında transistör anahtar gibi kullanılır. IB= 0 iken transistör kesimde. Đletim için transistör karakteristiğinin doyma bölgesi kullanılır. Doyma gerilimi 1,1V civarındadır. Kayıplar sadece anahtarlama sırasında olur. +15V Kontrol 0V T1 T2 R1 C1 D1 (12 Volt) C2 On Off On Off P N P Collector Emitter Base B C E IC IB VCE IC Doyma Gerilimi Ters Delinme VCE Kaçak Akım IB = 0 Delinme Gerilimi Belirli IB değerleri IB artıyor
Yapı Sembol NPN transistör karakteristiği
Yük 10
IC
IB
Tristör ile Güç Transistörü karşılaştırılırsa ;
• 30A tristör 0,1A kapı akımı, 30A transistör 2A baz akımı
• Güç transistörünün aşırı yük kapasitesi tristörden düşük
• Transistörün anahtarlama hızı çok yüksek (1µs)
• Transistörle yük akımı kontrol edilebilirken, tristörde iletimden sonra kontrol yoktur.
Transistörlerin akım kazancını artırmak için yandaki şekilde görüldüğü gibi darlington bağlantısı kullanılır. Bu şekilde akım kazancı 250’ye çıkarılabilir.
Güç Mosfeti ; 200 100 50 10 1 0.1 5 10 50 100 500 Güvenli Đşletme Bölgesi VCE (ani) IC VCE Kısa devre IB => yüksek IC => devreye bağlı Açık devre IB = 0 VCE IB IC B C E N+ N+ N+ N+ P P Diyot Akımı Drain Metal Kontak Transistör Akımı N+ N Gate Source Metal Kontak
Silikon Dioksit (SiO2)
Gate Source Drain G S D VDS VGS ID ID ID VDS VGS 9V 7.5V 6V 4.5V 3V
Güç Mosfeti (metal oksit yarı iletken alan etkili transistör) bipolar transistörden farklı olarak gerilimle kontrol edilir. VGS sıfır iken MOSFET kesimdedir. Yaklaşık 3V uygulanınca iletime geçer. Düşük VDS
değerleri için MOSFET sabit direnç özelliği gösterir. Güç kayıplarının az olması için güç mosfeti bu bölgede çalışır. Kapı gerilimi Drain akım sınırının yük akımından daha büyük olmasını sağlayacak büyüklükte tutulmalı ancak 20V’u geçmemelidir. MOSFET’in açma kapama zamanı 1µs’nin altındadır. Đletim esnasındaki direnci 100V’luk MOSFET için 0,1Ω ; 500V’luk MOSFET için 0,5Ω’dur. Güç MOSFET’leri doğrudan mikro elektronik devrelerce kontrol edilebilir. Tristörden daha az gerilim seviyelerine sahip olmasına rağmen daha hızlıdır. 100V’daki iletim kayıpları tristör ve transistörden daha fazladır, ancak anahtarlama kayıpları çok daha azdır.
IGBT ( Yalıtılmış Kapılı Bipolar Transistör ) ;
IGBT transistör MOSFET ile bipolar transistörün özelliklerinden yararlanarak yapılmıştır. Güç transistöründe daha çok N – P – N kullanılırken IGBT’de P – N – P yapısı kullanılır. Kollektör – Emiter karakteristiği bipolar transistöre benzerken kontrol özellikleri MOSFET gibidir. Tipik iletime geçme zamanı bipolar transistörden daha azdır ( 0,15µs ) ve MOSFET’e benzer. Đletimden çıkış zamanı 1µs’dir. ( P – N – P’ye benzer). IGBT’lerin anahtarlanması yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi yapılır. Yüke bağlı olarak söndürme esnasında ters gerilim uygulanması gerekebilir.
DĐĞER ELEMANLAR MCT ( Mos Kontrollü Tristör ) ;
Tristörün yük karakteristiği ile MOSFET’in kontrol karakteristiği birleştirilmiştir. MCT , GTO’da olduğu gibi ters kutuplanmada tıkama yapamaz.
SIT ( Statik Endüksiyon Transistörü ) ;
Normalde iletimde olan bu eleman, (baz sinyali yokken iletimde) ters kutuplandığı zaman kesime gider. Çok hızlı anahtarlama yapabildiğinden mikrodalga frekansları seviyesinde kullanılır. Normalde kesimde olan SIT’de imal aşamasındadır.
N+ N+ N+ N+ P P G E N-N+ P+ C G C E G C E +15V -15V On Off G E C
SITH ( Statik Endüksiyon Tristörü ) ;
GTO’ya benzer, ancak normalde iletimdedir. Katod – kapı’ya ters gerilim uygulanırsa kesime gider. Diğer tristörlere göre daha az kayıpları vardır ve daha hızlı çalışırlar. Normalde kesimde olan SITH’larda imal aşamasındadır.
YARI ĐLETKEN ELEMAN KATALOG DEĞERLERĐ
Buraya kadar elemanları ve karakteristiklerini inceledik. Ancak bir güç yarı iletken elemanının etiket değerleri oluşturulurken çok değişik boyutların göz önüne alınması gerekir.
Yandaki şekilde bir tristörden If akımı akarken tristör
di/dt eğimiyle sönüme götürülüyor. Tristör, jonksiyonda yeterli şarj miktarı olan Qrr yükü birikene kadar ters
yönde Irr akımı geçirecektir. Belirli bir tristör için
verilen If ve di/dt değerlerine karşılık o tristörde buna
bağlı olarak Qrrtoparlanma yükü ; ters toparlanma yükü
ters toparlanma zamanı trrve ters toparlanma akımı Irr olacaktır. Tristörün iletime geçmesi kapı akımıyla sağlanıyordu. Ancak ileri yönde gerilim artış hızı belirli bir değeri aşarsa trisörün iletime geçmesi mümkündür. Tristör jonksiyonunu kapasitör gibi düşünecek olursak, sızıntı akımına karşılık gelen deplasman akımı
dt dv C
i = olacaktır. Yeterince yüksek bir dv/dt oranıyla ( örneğin 100V/µs ) bu akım tristörü tetikleyerek iletime geçirebilir. Dolayısıyla belirli bir tristör için aşılmaması gereken bir dv/dt değeri vardır.
Tristörün iletime geçmesi öncelikle kapı elektrodu civarında olur. Toplam anot akımı aniden geçecek olursa aşırı ısınma nedeniyle tristör yanabilir. Đletime geçme esnasında akımın tüm yüzeye yayılabilmesi için belirli bir zamana ihtiyaç vardır ( tipik olarak 10µs ) Bu sebeple bir tristör için akım artış hızı belli bir dI/dt değerini aşmamalıdır.
Jonksiyon sıcaklığı diyot için 150oC; tristör için 125oC ve güç transistörü için 150oC - 200oC değerini aşmamalıdır. Bu nedenle jonksiyondan tabana olan termal direncin belirli bir değeri vardır.
Bir elemanın nominal akım değerini, oluşturacağı jonksiyon sıcaklığı belirler yani kayıp gücün bir fonksiyonudur. Taşınan akımın tipi kayıp gücü etkileyecektir. Eğer sinüsoidal bir dalga söz konusu ise referans değer kullanılabilir. Özel bir dalga şekli için ise 180o’lik iletimde ortalama dalga değeri etiket değeri olarak verilir.
Kısa süreli aşırı yük durumu için her elemanın bir toleransı vardır. Aşırı yük için ısı artışına sebep olacağından cihaz yanabilir. Güç kaybı ısı artışının göstergesi olup akımın karesiyle orantılıdır. Bu sebeple belirli bir eleman için
∫
i2dt belirli olmalıdır.Bir elemanın ileri ve ters yönde uygulanabileceği maksimum gerilim sınırı vardır. Bunlar repetitive peak reverse and peak forward voltages olarak tanımlanır. Ayrıca periyodik olmayan aşırı gerilimler de söz konusu olabilir. Dolayısıyla bir elemanın delinmeden dayanabileceği bu tür gerilimlere ait değeri de vardır.
trr di dt IF Irr Alan = Qrr Zaman Tipik Sönüm Durumu
Đletimdeki bir elemanın geçirdiği akım miktarına bağlı olarak belirli bir gerilim düşümü değeri vardır. Bir güç transistörü için etiket değerlerinde, kollektör – baz akım kazancı, frekans ve anahtarlama zamanı bellidir.
Bir tristör için kapı devresiyle alakalı olarak akım, gerilim güç sınırlamaları vardır.
Belirli bir eleman için geçici ve kararlı hallerde sahip olunan etiket değerleri çok değişkendir. Belirleyici unsurlar ; gerilim, akım, anahtarlama zamanları, kontrol parametreleri, kayıplar, sıcaklık değerleri vs.. Bunlar kataloglarda verilmiştir.
KAYIPLAR VE SOĞUTMA
Bir güç yarı iletkeninde kayıp kaynakları şu şekilde sıralanabilir ;
1 – Đletim kayıpları ; Đletim akımının ve gerilim düşümünün fonksiyonudur. Düşük frekanslarda ana kayıp
kaynağıdır.
2 – Tıkama yönünde kaçak akımla ilgili kayıp 3 – Kapı devresinde tetikleme sinyali sebebiyle kayıp
4 – Anahtarlama kayıpları ; Đletime ve sönüme geçme esnasındaki kayıp enerji. Yüksek frekans
uygulamalarında önemli.
Đletim kayıpları gerilim düşümü ve taşınan akımın çarpımının bir periyottaki ortalamasından hesaplanabilir. Anahtarlama kayıpları ise aşağıdaki şekillerden tespit edilebilir.
Akım ile gerilimin çarpımı bize ani güç ifadesini verir. Isı enerjisi ise güç * zaman yani P eğrisi altında kalan alandır. Anahtarlama sebebiyle meydana gelen ortalama güç kaybı ; iletim ve kesim kayıplarının toplamının frekansla çarpımından bulunur. Tetikleme ve kaçak akım güç kayıpları ihmal edilirse elemanın tüketeceği güç iletim kayıplarıyla anahtarlama kayıplarının toplamına eşittir. Bu kayıp cihazda ısı üretimine neden olarak sıcaklık artışı oluşturur. Jonksiyonda üretilen ısı önce cihaz tabanına oradan da soğutuculara transfer olur. Bu transfer ısı seviyesinin düşük olmasıyla radyasyonla değil konveksiyonla olur. Isı seviyesine bağlı olarak hava veya suyla soğutma tercih edilebilir.
Isı transferi yüksek sıcaklıklı bölgeden düşük sıcaklıklı bölgeye doğru olur ve sıcaklık farkının termal rezistansa oranıyla hesaplanır. P =(T1−T2)/R Termal direncin birimi oC/W ’dır.
Isı akışı jonksiyondan tabana oradan soğutucuya ve daha sonra da çevreye doğrudur. Toplam termal direnç ; Rja =Rjb +Rbh+Rha’dır.
Sanal jonksiyon sıcaklığı ise ; Tvj =Ta +PRja’dır. Tüm bu hesaplamalar kalıcı hal ve daimi akım şartlarındadır. Kısa süreli geçici haller için (aşırı yük,
kısa devre) jonksiyondaki sıcaklık artışı elemanın
termal depolama kapasitesi dikkate alınarak
V i i V
P = V i P
iletime geçiş zamanı kesime geçiş zamanı
t Alan = Güç x Zaman Hava Rjb Rbh Rha Jonksiyon ısı gücü girişi
hesaplanmalıdır. Üretilen ısının bir kısmı elemanda depolanırken bir kısmı da transfer edilir. Bu durumda enerji dengesini yazacak olursak ;
Kayıp enerji = Depolanan termal enerji artışı + Çevreye enerji transferi t
B A t
Pδ = δθ+ θδ P = Kayıp güç , A = 1oC artışa karşılık gelen enerji depolanma miktarı (ısıl depolama kapasitesi jul olarak) , B = 1oC başına yayılan güç.
Denklemin limiti alınırsa ;
θ
θ dt B
d A
P= ( / )+ olur. t = 0 için sıcaklık θ =0 kabulü ile diferansiyel denklemin çözümü ;
) 1 ( / max T t e− − =θ
θ θmax =P/B (Sonuç kalıcı sıcaklık artışı) B
A
T = / (Termal zaman sabiti) şeklinde olur. Bu denklem homojen malzeme için geçerlidir. Tristörde ise jonksiyon bölgesinde güç kaybı dağılımı uniform değildir. Ayrıca silikon ısı için iyi bir iletken değildir. Bu sebeple sıcaklık artış miktarları kalıcı hal ve geçici hal için aynı olmayacaktır.
Yandaki eğriler matematiksel olarak çizilmiştir. Bir eleman ancak imalat değerine kadar kullanılabilir. (θmax1) Aksi takdirde cihaz yanar. Bu sebeple aşırı yük ancak t1 kadar bir süre uygulanabilir. Aşırı yük şartları çok karmaşık olduğu için θ formülü yerine transient termal empedans değeri kullanılır ;
= th
Z Sıcaklık farkı (artış) / Belirli bir zaman diliminde cihazdaki güç kaybı
Böylece aşırı yük durumları için hesaplama basitleşmiş olur. R yerine Zth kullanılır.
YARI ĐLETKEN GÜÇ ELEMANLARININ KARŞILAŞTIRILMASI
Güç elektroniği devrelerinde elemanlar anahtar olarak kullanılır. Đdealde bir anahtar ;
• Sınırsız gerilim ve akım değerleri
• Ani açma – kapama zamanları
• Sıfır kaçak akım
• Sıfır iletim ve anahtarlama kayıpları
• Sıfır kapı tetikleme gücü şartı
• Aşırı akım ve gerilimlere dayanabilme kabiliyeti
• Kısa devrelere karşı koruma kolaylığı
• Düşük maliyet ve montaj kolaylığı
t1 T Zaman (t) max 1 max 2 Aşırı yük Normal Şartlarda
Pratikte uygun eleman seçimi uygulamadan uygulamaya değişir. Uygulamada kriterler ; cihaz etiket değerlerine, iletim kayıplarına, anahtarlama kayıplarına, anahtarlama zamanlarına, kontrol stratejilerine ve maliyete bağlı olarak belirlenir.
Tristör elemanlar içinde en yüksek akım ve gerilim seviyesine sahiptir, dayanıklıdır, düşük iletim kayıpları vardır ve ucuzdur. Ancak iletime geçişi yavaştır, sönümü yüke bağlıdır. Yüksek güç ve gerilimlerin olduğu 50, 60 Hz uygulamaları için idealdir.
AC’den DC eldesinde ya da switch mode güç kaynaklarında hızlı anahtarlama değeri aranır ve ters kutuplamada tıkamaya ihtiyaç yoktur. Buralarda bipolar güç transistörü IGBT, MOSFET, GTO, MCT kullanılabilir. 100kHz’in üzerinde ancak MOSFET kullanılabilir. 100kHz’e kadar bipolar transistörle IGBT düşük maliyeti, düşük iletim kayıpları sebebiyle MOSFET’e karşı tercih edilirken anahtarlama kayıpları MOSFET’den fazladır. 15 kHz’e kadar tristör ; GTO yada asimetrik tristör kullanılır.
Đşletme sıcaklıkları düşünüldüğünde transistör ailesi 150 oC’ye kadar işletilebilirken tristörler 125 oC ile sınırlıdır. Kayıplar ve soğutma maliyetleri eleman seçiminde önemlidir.
Kısa devreye karşı koruma tristör ailesiyle çok kolaydır. Bu, transistörlerin yüksek akım ve gerilimlerde imalini engelleyici olmuştur.
1kV 2kV 3kV 4kV 5kV
500A 1000A 1500A 2000A 3000A
Tristör
GTO
IGBT
Frekans 1Mhz 100kHz 10kHz 1kHz AkımBÖLÜM 2 : DOĞRULTUCU DEVRELERĐ
Bir doğrultucu devresi AC beslemesini DC yüke bağlayan devredir. Elde edilen DC gerilim aküde olduğu gibi sabit olmayıp ortalama gerilim seviyesine süper impoze edilmiş alternatif akım dalgalanma bileşeni içerir. Aşağıda bahsedilen devrelerin tamamı DC gerilim vermesine rağmen ; çıkıştaki AC dalgalanması, ortalama gerilim seviyesi, verimi ve AC beslemedeki yükleme tesirleri açısından farklılık arz ederler.
2.1 Devre Tanımları ve Gruplandırma :
Doğrultucu devreleri yarım dalga ve tam dalga bağlantıları olmak üzere iki grupta tanımlanabilir.
Yarım Dalga Devreleri : Bu devrelerde AC beslemenin her hattına bir doğrultucu eleman
bağlanır ; elemanların katodları DC yüke ve yükün diğer ucu da AC beslemenin nötr ucuna bağlanır. Akım akışı her hatta “tek yönlü”’dür. “Tek yollu” devre de denilir.
Tam Dalga Devreleri : Biri yükü besleyen, diğeri de yük akımını AC hatta döndüren iki adet
yarım dalga devresinin seri bağlanmasından oluştuğundan, nötr hattına gerek yoktur. “Köprü devreleri” ya da “çift yollu devreler” olarak da adlandırılır.
Devrelere ait kontrol karakteristikleri üç kategoride toplanabilir.
Kontrolsüz Doğrultucu Devreleri : Sadece diyot içerirler, AC besleme gerilimiyle orantılı
sabit DC gerilim sağlarlar.
Tam Kontrollü Doğrultucu Devreleri : Tristör (ya da güç transistörü) kullanılır. Tristörlerin
iletime geçtiği faz açısının kontrolüyle DC yük geriliminin ortalama değeri ayarlanabilir, yönü değiştirilebilir. Tam kontrollü devreler yük ve besleme arasında iki yönde de güç transferine imkan tanıdığından “çift yönlü konverter” olarak da adlandırılırlar.
Yarım Kontrollü Devreler : Tristör ve diyot karışımı içerirler. Gerilimin yönü değiştirilemez
ancak ortalama değeri ayarlanabilir. Bu sebeple yarı kontorllü ve kontrolsüz devreler “tek yönlü konverter” olarak adlandırılırlar.
“Darbe Sayısı” : AC beslemenin bir periyodunda DC gerilim dalga şeklinin tekrar
sayısını ifadede kullanılan bir terimdir. Örneğin “6-darbeli devre”nin çıkış dalgalanması giriş frekansının 6 katı frekansa sahiptir. Giriş 50 Hz ise, DC dalgalanma 300 Hz’dir.
2.2 Komütasyon Diyodu :
Çoğu devreler (özellikle
kontrolsüz ya da yarı kontrollü) yandaki şekilde olduğu gibi komütasyon diyodu içerirler. By-Pass diyodu da denilir. Đki fonksiyonu vardır : 1-Yük geriliminin yönünün değişmesini önlemek 2- Yük akımının ana doğrultucudan akışını önleyerek doğrultucunun bloke durumuna geçmesini sağlamak.
2.3 Tek Faz Yarım Dalga (Tek Yollu) Devre :
Şekil 2.2 (a)’da kontrolsüz tek fazlı yarım dalga bağlantısı görülmektedir. Dalga şekilleri çizilirken diyodun ideal anahtar gibi davrandığı kabul
edilmiştir. Şekil 2.2 (b)’de yük, saf omik iken (c)’de ise
endüktans içermektedir. Omik yük için diyot gerilimi düşümü ihmal edilirse :
Yük akımı : iL =VS /R (Pozitif yarı periyot) olur. Ortalama gerilim :
∫
= = π θ θ π π 0 max max sin 2 1 / V d V VortÇoğu DC yükler (DC motorlar) gerilimin ortalama değerine tepki gösterirler, dolayısıyla RMS değerle pek ilgilenmez.
Yük Doğrultucu A.C besleme Komütasyon diyodu Yük ννννS ννννD iL ννννL (a) ννννS ννννL iL ννννD (b) (c) 0 ππππ 2π2π2π2π ππππ 2π2π2π2π φφφφ θ = ω θ = ω θ = ω θ = ωt Vmax Vmax Vort V ort
Ancak DC dalgalanmaları istemeyen kayıplara yol açar. Devredeki diyodun seçimi için hem akım hem de gerilim dikkate alınmalıdır. Yüklerin neredeyse tamamı ; endüktans içerir. Bu durumda şekil 2.2(c) dalga şekilleri elde edilir.
Yük Gerilimi : dt di L Ri V L L
L = + ‘dir. Buradan akım dalga şekli elde edilebilir. Gerilimin
ortalama değeri ise :
∫
= = φ θ θ θ π 0 maxsin 2 1 d V
Vort olup, daha düşüktür.
Tek faz yarım dalga devresi tristör kullanılarak kontrol edilebilir. Şekil 2.4 (a)’da devre yapısı (b) ve (c)’de ise dalga şekilleri görülmektedir. α tetikleme açısına bağlı olarak yük akımı ve gerilimi
değişmektedir. Akım seviyesi diyot tutma seviyesinin altına düşerse yük akımı kesintili olur. (Şekil 2.4 (c)) Yük geriliminin ortalama değeri ;
∫
= π α θ θ π V d Vort sin 2 1 max(
α)
π 1 cos 2 max + =V Vort olur.α arttıkça gerilimin ortalama değeri düşer ve 180 ’de sıfır 0 olur. Tetikleme Devresi Yük ννννL iL R+jXL iD iT ννννT ννννS Komütasyon Diyodu (a) ννννS ig ig ννννL iL iT iD ννννT Vmax Vmax Vort V ort Vmax Vmax Vmax α αα α αααα ππππ 2π2π2π2π (b) (c)
2.4 Đki Faz Yarım Dalga (Tek Yollu) Devresi :
Şekil 2.5(a)’daki devrede iki faz bağlantısı görülmektedir. Yüke her besleme hattında bulunan tristörler aracılığıyla besleme yapılmaktadır. Herhangi bir anda sadece bir tristör devrededir. Şekildeki trsitörlere anto geriliminin pozitif kaldığı herhangi bir anda tetikleme uygulanabilir. Tristör yerine diyot kullanılırsa α=0 olmuş olur. Herhangi bir α değerinde T tristörü iletime 1
geçirildiğinde yük akımı T üzerinde 1 akar, V gerilimi negatife geçtiğinde 1
2
V pozitif olacağından yine α derece sonra T tetiklenir ve 2 T akımı 1
komütasyonla T ’ye aktarılmış olur. 2
1
T sönüme gittiği anda uçlarında
max
2V (yani tüm sekonder sargı gerilimi) kadar gerilim bulunur. Ortalama Gerilim : α π θ θ π α π α cos 2 sin 1 max max V d V Vort =
∫
= +şeklinde olur. Bu hesaplama yapılırken yük endüktansının ; yük akımının sürekli kalmasını
sağlayacak değerde olduğu kabul edilmiştir.α = 0 için ortalama gerilim en yüksek değerindedir. (diyot durumu), α =900 için ise Vort =0’dır. Gerilim dalga şekli bir periyotta iki kez tekrarlandığında bu devre iki darbelidir. Gerilimin ortalama değeri düştükçe yük akımı dalgalanması artar ve kesintili hal alır. AC besleme akımı da non-sinüsoidaldir ve gerilime göre geridir. (endüktif)
Yük iS i2 i1 T1 T2 ννννT1 ννννL νννν1 νννν2 Ν Ν Ν Ν ig1 ig2 iL R+jXL νννν2 θ = ω θ = ωθ = ω θ = ωt Vmax ννννL Vort Yük Gerilimi α αα α αααα ig1 ig2 iL i1 i2 iS ννννT1 Tetikleme Darbeleri Yük Akımı Tristör Akımları AC besleme akımı iS =(i1 - i2)xN Tristör Gerilimi ννννT1 = νννν1 - ννννL Vmax = PRV (a) (b)
2.5 Tek Faz Köprü (Çift Yollu) Devreleri : 2.5.1 Kontrolsüz :
Yukarıdaki şekillerde tek-faz köprü devrelerinin değişik gösterimleri yer almaktadır. Güç uygulamalarında şekil 2.7(c) gösterimi kullanılır. Tek-Faz köprü bağlantısı iki tane yarım dalga bağlantısının seri bağlanmasından elde edilmiştir. (şekil 2.7 (b)) Şekil 2.7 (e)’de dalga şekilleri görülmektedir. Yük akımı süreklidir. Bir periyot içerisinde iki tekrar söz konusu olduğundan bu bağlantı şekli de iki darbelidir.Diyot ve besleme devresinin akım dalga şekilleri yarım dalga bağlantısıyla (şekil 2.5) aynıdır.
Yük Yük ννννx ννννy νννν L Yük νννν1 νννν2 ννννL Yük Ν ΝΝ Ν iS ννννD1 i1 i3 i4 i2 D4 D2 D1 D3 iL Vmax νννν x ννννy νννν1 νννν2 1/2 Vmax ννννL ννννL ννννL ννννL Vmax Vort ννννL iL i1,i2 i3,i4 iS ννννD1 Vmax θ = ω θ = ω θ = ω θ = ωt Yükün tepesinden nötre olan gerilim
Yükün altından nötre olan gerilim
Yük gerilimi Yük akımı Diyot akımları Besleme akımı iS = i1 - i4 Diyot gerilimi (a) (b) (c) (d) (e)
2.5.2 Tam Kontrollü :
Şekil 2.7’deki devrede diyotlar yerine tristör kullanılırsa tam kontrollü köprü devresi elde edilir. Tristörler tetiklenene kadar iletim söz konusu olmaz. Akımın geçebilmesi için şekil 2.8’deki devrede T ve1 T , 2 T ve 3 T grup halinde her yarı periyotta aynı anda 4 tetiklenmelidir. Bunu sağlamak için de T ve1 T aynı devreyle tetiklenir. 2
Tetikleme darbeleri şekil 2.9’da görüldüğü gibi izolasyon trafosu aracılığıyla yapılır. Yük gerilimi iki fazlı yarım dalga bağlantıyla aynıdır. Ortalama değeri ;
α
π cos
2Vmax
Vort = ‘dır.
Ancak devredeki iki tristörün gerilim düşümleri dahil edilmemiştir ve yük akımının sürekli olduğu kabul edilmiştir. νννν1 νννν2 ννννL Yük Ν ΝΝ Ν iS ννννT1 i 1 i3 i4 i2 T4 T2 T1 T3 iL ννννx ννννy ig4 ig2 ig1 ig3 R+jXL 1/2 Vmax ig1,ig2 ig3,ig4 Vmax ννννL Vort iL i1,i2 i3,i4 iS ννννT1 Vmax = PRV Tristör gerilimi Vmax = PFV Besleme akımı iS = i1 - i4 Tristör akımları Yük akımı θ = ω θ = ω θ = ω θ = ωt Yük gerilimi Tetikleme Darbeleri Yükün tepesinin N'e göre gerilimi
Yükün tabanın N'e göre gerilimi
Şekil 2.8 Tam kontrollü köprü devresi
νννν1 νννν2 ννννx ννννy α αα α αααα Tetikleme Devresi Kapı Kapı Katod Katod T1 T2 Şekil 2.9 Tetiklemeler
2.5.3 Yarı Kontrollü :
Şekil 2.10 (a)’daki yarı kontrollü bağlantıda görüldüğü gibi, iki tristör ve iki diyot kullanarak ortalama DC gerilimi kontrol etmek mümkündür. Şekildeki tam dalga bağlantısı aslında iki yarım dalga devresinin eklenmesinden oluşmuştur. Yüke giren akım tristörlerden geçerken dönüş yolu da diyotlarla sağlanmaktadır. Önceki konuda olduğu gibi bir N (besleme nötrü) noktası tanımlayarak ve yük uçlarının bu noktaya olan potansiyel değişimlerini
inceleyerek dalga şekillerini elde edebiliriz.
Dalga şekillerinden de görüldüğü gibi yük gerilimi asla negatif olmaz. Gecikme açısı α =1800 olunca ortalama gerilim sıfıra düşer. Komütasyon diyodu hem yük geriliminin negatif olmasını önler, hem de endüktif olma durumu için yük akımını üzerine alır. Şebeke geriliminin sıfırdan geçtiği ve T1 iletimde olduğu bir
durumda dönüş akımı D2
üzerinden şebekeye dönmektedir.
3
T tristörü α kadar
tetiklenmeyeceğinden bu süre zarfında yükün endüktif akımı T1
ve D4üzerinden akmak isteyecek ve D2akımını D4’e devredecektir
Aynı zamanda komütasyon
diyodu da yük akımını üzerine alacağından T1 tristörü sönecektir.
νννν1 νννν2 ννννL Yük Ν ΝΝ Ν iS ννννT1 i 1 i3 i4 i2 D4 D2 T1 T3 iL ννννx ννννy ig4 ig2 ig1 ig3 R+jXL Komütasyon Diyodu iD 1/2 Vmax ig1,ig2 ig3,ig4 Vmax ννννL Vort iL i1,i2 i3,i4 iD Yük akımı θ = ω θ = ω θ = ω θ = ωt Yük gerilimi Tetikleme Darbeleri
Yük tepesinin N'e göre potansiyeli
Yük tabanının N'e göre potansiyeli νννν1 νννν2 ννννx ννννy α αα α αααα ννννL iS A.C. Besleme akımı Komütasyon Diyodu Akımı (a) (b)
Şekil 2.10 Yarı kontrollü tek fazlı köprü
Tam kontrollünün aksine yarı kontrollü bağlantısında komütasyon diyodu sebebiyle AC akımda sıfır seviyeye düşme gözlenecektir. Yük geriliminin ortalama değeri ;
∫
= + = π α α π θ θ π sin (1 cos ) 1 max max V d V Vort olur.Yarı kontrollü devre, tam kontrollüye göre daha ucuzdur, ancak AC besleme akımı daha çok harmonik içerir. Ayrıca yarı kontrollüde ortalama gerilim negatif değer alamaz.
2.6 Üç Faz Yarım Dalga (Tek Yollu) Devre :
Üç faz yarım dalga bağlantısı çok fazlı doğrultucu devrelerinin temel elemanıdır. Ancak, besleme trafosunun sekonderinin zig-zag bağlanmasını gerektirdiğinden kullanım alanı sınırlıdır. Anlatım kolaylığı bakımından burada yıldız bağlı olduğu kabul edilecektir.
Çok fazlı bağlantılarıyla DC dalga şeklindeki dalgalanmalar daha azdır. Ayrıca endüktansı büyük güçlü yükler beslenebilir. Yük akımı dalgalanmanın azlığı nedeniyle sürekli ve sabit değerli kabul edilebilir.
Şekil 2.12’de her faz bir diyot aracılığıyla yüke bağlanmıştır. Yük çıkışı ise sekonder sargının nört ucuyla irtibatlandırılmıştır. Herhangi bir anda sadece bir diyot iletimdedir. Şekil 2.12 (b)’deki dalga şekillerinden de anlaşılabileceği gibi, V 1 gerilimi diğer sargı gerilimlerine göre daha büyük iken D iletimdedir. 1 V gerilimi 2 V ’den büyük olur 1 olmaz D diyodu akımını 1 D ’ye devreder. DC 2
gerilimin ani değeri Vmaxile 1/2 Vmax arasında
değişirken 1 periyotta 3 dalgalanma görülür. Yani bu devre üç darbeli karaktere sahiptir.
Ortalama Gerilim : max 6 / 5 6 / max 2 3 3 sin 3 / 2 1 V d V Vort π θ θ π π π = =
∫
’dır.Yük akımı sabit kabul edilirse, her bir diyot bir periyodun üçte birinde iletimde olacağından RMS değeri IRMS =IL/ 3 olur. Diyotların maruz kalacağı gerilim 3Vmax’dır.
Yük V1 V3 V2 D1 D2 D3 i1 i2 i3 IL VL (a) ννννD1 Yıldız Bağlı Sekonder Vmax Vort νννν1 νννν2 νννν3 Yük gerilimi θ = ω θ = ω θ = ω θ = ωt Yük akımı Diyot Akımları Diyot Gerilimi ννννD1 = ν = ν = ν = ν1 − ν − ν − ν − νL Vmax 3 ννννD1 i3 i2 i1 iL iL ννννL
Şekil 2.12 3~lı Yarım Dalga Devresi (b)
Yani fazlar arası gerilim kadardır. Aynı devrede diyot yerine tristör kullanılarak tam kontrollü bağlantı elde edebiliriz. α tetikleme açısı 0
120 farkla her faz tristörüne uygulanarak Vort ayarlanabilir. α =0 için Vort en yüksek değerindedir.(diyot durumu) α’nın başlangıcı iki faz
geriliminin kesiştiği noktadadır. (faz geriliminin 0’dan geçişi değil) Bu bağlantı sebebiyle gerilim dalgalanması artmıştır (yine de 3 darbelidir) Ancak akım şekilleri aynı kalmıştır, sadece α kadar ötelenmişlerdir. Şekil 2.14 (c) ve (d)’deki dalga şekilleri incelenirse ;
0
30 >
α ’den itibaren negatif ani
değerler aldığı görülür. Gerilim ortalama değeri :
α π θ θ π α π α π cos 2 3 3 sin 3 / 2 1 max ) 6 / 5 ( ) 6 / ( max d V V Vort =
∫
= + +olup tetikleme açısı α’nın cosinüsüne bağlıdır. α =900’de ortalama değer sıfır olur. Sıfıra yaklaştıkça DC gerilim dalgalanması artacağından yük akımının sürekliliği kabulü azalacaktır.
2.7 Altı Fazlı Yarım Dalga (Tek Yollu) Devre :
Bu devre 3~lı yarım dalga bağlantısının bir uzantısıdır. Her bir tristör bir periyodun altıda biri iletimdedir. Diyot durumunda dalga şekli faz gerilimlerinin tepesi olup 6 darbelidir. Tristör bağlanırsa α gecikme açısına bağlı olarak ortalama gerilim :
α π θ θ π α π α π cos 3 sin 6 / 2 1 max ) 3 / 2 ( ) 3 / ( max d V V Vort =
∫
= + + ’dır. Yük V1 V3 V2 T1 T2 T3 i1 i2 i3 iL VL (a) ννννT1 N ig1 ig2 ig3 Vmax Vort νννν1 νννν2 νννν3 θ = ω θ = ω θ = ω θ = ωt ννννL α αα α αααα ig1 ig2 ig3 iL i1 i2 i3 ννννT1 Vmax 3 iL α αα α Vort α αα α ννννL ννννL Vort (b) (c) (d)Tristör geriliminin dalga şeklinden
PRV
V , VPPV’nin 2Vmaxolduğu görülür. Yarı iletken eleman sadece 1/6 periyot iletimde olabileceğinden verimsiz kullanılmış olur ve
6 / L
RMS I
I = ’dır. (I sabit) Şekil L 2.15’deki basit yıldız bağlantı AC primer sargıda büyük 3. harmonik oluşturacağından bunun yerine şekil 2.16’daki “fark bağlantısı” ya da şekil 2.17’deki “çift-yıldız bağlantısı” kullanılır. T1 T2 T3 T4 T5 T6 Yük ννννL iL νννν1 νννν2 νννν3 νννν4 νννν5 νννν6 N i1 ννννT1 (a) Vmax ννννL νννν6 νννν5 νννν4 νννν3 νννν2 νννν1 α αα α Vort Yük gerilimi θ = ω θ = ωθ = ω θ = ωt i1 ννννT1 iL Tristör akımı Tristör gerilimi ννννT1 = ν = ν = ν = ν1 − ν − ν − ν − νL 2Vmax
Şekil 2.15 6 Faz Yarım Dalga Devresi
(b) 6 5 1 2 3 4 N
Şekil 2.16 6 Faz Fork Bağlantısı
Trafo Primeri ia ib iy Yük
νννν
L iL νννν1 νννν5 νννν3 νννν2 νννν6 νννν4 ννννR iL / 2 iL / 2 Đnterfaz trafosu (Reaktör) D2 D4 D6 D5 D1 D3 i2 i4 i6 i5 i1 i3 (a)Şekil 2.17 Çift - Yıldız 6 Faz Yarım Dalga Devresi
Çift yıldız bağlantısı : Đki bağımsız 3 fazlı yarım dalga devresinin 6 darbeli çıkış vermek üzere paralel çalışmasından ibarettir. Her bir yıldız grubu birbirine 180 faz farkıyla beslenir. E0 ğer yıldız noktalı interfaz trafosu yerine doğrudan irtibatlandırılsaydı, basit 6~ yıldız bağlantı yapılmış olurdu. Đnterfaz trafosu aslında bir reaktördür ve yük akımının dönüşü reaktörün orta ucuna yapılmaktadır.
Şekil 2.17(b)’deki dalga şekilleri incelendiğinde her bir yıldız grubuna ait 2 adet 3-darbeli dalga şekli görülür. Reaktör ; bu iki yıldız grubun, yıldız noktaları arasındaki gerilim farkı nedeniyle aynı anda iletimde olmasını sağlar ve yük geriliminin değişimi bu iki grup dalga şekillerinin orta yollarını takip eder. Böylece yük geriliminin ulaşabileceği max ani değer sekonder sargı max değerinden küçük olur : ) max
2 3
( V
Diyot kullanılma durumu için ortalama gerilim sadece bir yıldız grubun dalga şeklinden veya doğrudan yük gerilimi dalga şeklinden elde edilebilir :
max 2 3 3 V Vort π = Đki grupta birbirinden
bağımsız olduğundan her bir diyot 1/3 periyot iletimde kalır ve 1/2 yük akımı taşır. Bu devrenin AC besleme akımı sinüsoidale daha yakındır. Şekil 2.17 (b)’deki reaktör gerilimi VR, iki yıldız grubu gerilimleri arasındaki farktır. Yaklaşık üçgen şekli vardır ve max değeri, faz gerilimi max değerinin yarısına eşittir. Reaktör uçlarında gerilim indüklenebilmesi için bir mıknatıslama akımına ihtiyaç vardır. Bu da yük akımıdır. Yük akımı değeri bu mıknatıslama akımı değerinden az ise aralarında gerilim indüklenmeyeceğinden reaktör yok gibidir, yani iki yıldız noktası birleşmiş gibidir. Devre
νννν1 νννν2 νννν3 νννν4 νννν5 νννν6 Vmax ννννL Sağ el yıldız 3~ çıkış Sol el yıldız 3~ çıkış Yük Gerilimi iL i1 i2 i3 i4 i5 i6 ia ib iy ννννR Reaktör Gerilimi Vmax/2 AC Besleme Akımı iy = ia - ib ib = (i3 - i6) * Dönüştürme Oranı ia = (i1 - i4) * Dönüştürme Oranı Diyot Akımları Yük Akımı iL /2 iL /2
yıldız bağlı 6~lı devreye dönüşmüş olur. Bunu önlemek için doğrultucu uçlarına küçük değerli daimi bir yük bağlı bulundurulur. Reaktörün görevini yerine getirmediği durumda devre 6~lı devre gibi davrandığından diyotlar 2Vmax’a dayanacak şekilde seçilir.
Diyot yerine tristör kullanılırsa tam kontrollü çift-yıldız devresi elde edilir. Şekil 2.19(a)’da α açısının küçük olması hali için dalga şekilleri görülmektedir. Yük gerilimi yine iki yıldız grup gerilimleri arasında orta yolu takip ederken, gerilim ortalama değeri yük akımının sürekli olması durumu için cosα ile orantılı olacaktır. α =900 olduğunda
0 = ort
V ’dır ve yük gerilimi dalga şekli 2.19 (b)’deki gibidir. Bu durumda interfaz trafosunun gerilim değişimi kareye benzer. Reaktördeki akı değişimi bu gerilim değişiminin altında kalan alanla orantılıdır. Bu alan diyot devresindeki üçgene göre 3 kat fazla olduğundan akı değişimi 3 kat fazla olacaktır. Bu nedenle tam kontrollü devrede kullanılacak interfaz trafosu fiziksel olarak 3 kat büyük olacaktır.
2.8 3 Faz Köprü (Çift-Yollu) Devresi :
3 faz köprü (tam dalga) devresi şekil 2.20’de görülmektedir. Yük bir adet 3~lı yarım dalga bağlantısıyla beslenirken dönüş yine diğer bir 3~lı yarım dalga bağlantısıyla sağlanmaktadır. Nötr bağlantısına gerek yoktur. Aslında şekil 2.21’deki bağlantı daha uygundur.
α αα α = 90
νννν
Lνννν
R Vmax time Vmaxνννν
L Yük gerilimi α αα α αααα Yük gerilimi 3~lı çıkış 3~lı çıkış (Diğer Yıldız)Şekil 2.19 Kontrollü Çift Yıldız Devre (a) (b) (c) Yük 3~lı Besleme
Şekil 2.21 (b)’deki dalga şekilleri incelenirse; yük geriliminin, yükün üst noktası ile alt noktasının yıldız noktasına potansiyelleri arasındaki fark olduğu görülür. Maksimum değeri, fazlar arası (hat) geriliminin max değerine eşittir. Devre 6 darbelidir. VHAT = 3VFAZ
Şekil 2.21 (a)’daki trafonun sekonderi yıldız bağlıdır, ancak üçgen bağlama da yapılabilir. Yıldız-Üçgen trafo kullanmanın sebebi 3. harmoniği azaltmaktır. Yük geriliminin ortalama değeri : (max) (max) 3 2 3 3 2 FAZ HAT ort V V V π π = =
Aynı anda iki diyot iletimdedir, ancak bunların gerilim düşümü ihmal edilmiştir. Diyotlar 1/3 periyot (1200) boyunca yük akımının tamamını iletirler. AC besleme akımı simetrik olmasına rağmen basamaklı yapıdadır. Ancak, dalga şekli 1~lı köprü devresine göre daha sinüsoidaldir.
Diyot yerine 6 adet tristör kullanılarak 3~lı köprü devresi tam kontrollü yapılabilir. Dolayısıyla ortalama gerilim α’ya bağlı olarak
Şekil 2.21 Üç Faz Köprü Devresi ayarlanabilir. Bu devre şekil 2.22’de görülmektedir. Dalga şekilleri küçük bir α değeri için çizilmiştir.
Trafo Primeri i'a i'b iy ννννa ννννc ννννb N Yük νννν iL ic ia ib i1 i3 i5 i4 i6 i2 D1 D3 D5 D4 D6 D2 VD1 ννννa ννννb ννννc Vfaz (max) Vhat (max) ννννL iL i1 i2 i3 i4 i5 i6 ia ib ic iy ννννD1
Yük tepesinin N'ye göre potansiyeli Yük tabanının N'ye göre potansiyeli Vort θ = ω θ = ω θ = ω θ = ωt ννννL θ = ω θ = ωθ = ω θ = ωt Yük Gerilimi Yük Akımı Diyot Akımları ia = i1 - i4 ib = i3 - i6 ic = i5 - i2 AC Besleme Akımları (Sekonder) iy = (ia - ib)* Dönüştürme Oranı
ννννD1 = ννννa - Yük tepesinin N'ye
potansiyeli Vhat (max)
iL
(a)
Şekil 2.22’de küçük bir α gecikme açısının uygulandığı tam kontrollü 3~lı köprü devresi görülmektedir. 6 darbeli yük gerilimi dalga şeklini oluşturmak için iki 3 darbeli bağlantı bir araya getirilmiştir. Akım dalga şekilleri diyot çalışma durumuna benzer; ancak, α açısı kadar geciktirilmişlerdir. Bu köprü devresinde diğer devrelerde rastlanmayan bir problem söz
konusudur. Devrenin ilk
çalıştırılması sırasında iki tane tristör aynı anda iletimde olması gerekeceğinden iki tetikleme bir tristöre yapıldıktan bir müddet sonra şekil 2.22 (b)’de görüldüğü gibi diğer tristör iletime alınırken bu tristöre yine tetikleme uygulanması zorunluluğu vardır. Bu sebeple başlangıçta her bir tristöre iki kez (fakat belirli aralıklarla) tetikleme uygulanır. Çalışma düzene kavuşunca bu uygulamaya gerek kalmaz, ancak devam edilmesi de sakınca oluşturmaz.
Tetikleme gecikmesi artarsa (şekil 2.22 (c)) 3 darbeli iki dalga şekli çizerek yük geriliminin dalga şekli değişimini anlamak güçleşir. Bu sebeple faz geriliminin farkından oluşan 6 hat gerilimleri ile dalga şekli elde edilebilir. Yük geriliminin ortalama değeri :
α π cos 3 (max) HAT ort V
V = ’dır. (Đki adet seri tristör gerilim düşümü ihmal edilirse) 6 tristör yerine 3 tristör ve 3 diyot kullanılarak ve 3~lı yarım dalga bağlantısı yaparak yük gerilimi kontrol edilebilir. 1~lı yarım dalga bağlantısında olduğu gibi komütasyon diyodu kullanılarak şekil 2.23 (a)’daki devre edilir. Gerilim dalga şekilleri incelendiğinde; iki adet 3 darbeli dalganın üstte olanı küçük tetikleme darbesi gecikmeli olduğu, diğerinin ise diyot durumu dalga şekli olduğu gözlenir. Aradaki fark yük gerilimi V2’yi verir. Bu durumda dalga şekli 3 darbeli olup tam kontrollüye göre daha fazla harmonik içerir.
ννννa ννννc ννννb Yük ννννL iL ia i1 i3 i5 i4 i6 i2 T1 T3 T5 T4 T6 T2 (a) ig1 ig3 ig5 ig4 ig6 ig2 ννννa ννννb ννννc Vfaz (max) Vhat (max) ννννL ig1 Vort θ = ω θ = ω θ = ω θ = ωt ννννL ig2 ig3 i1 i4 ia Vort θ = ω θ = ω θ = ω θ = ωt ννννa ννννb ννννc α αα α ννννL α αα α ννννa - ννννb ννννb - ννννc ννννc - ννννa ννννa - ννννc ννννb - ννννa ννννc - ννννb Vhat (max) ννννL (b) (c)
Akım dalga şekilleri incelendiğinde ise T tristörü 1 akımının gerilimine göre geciktirilmiş, ancak devreyi tamamlayan D 4 diyodunun akımının ise gerilimi ile aynı fazda olduğu görülür. Bu nedenle i şebeke akımında a simetrisizlik oluşacaktır. Bu da çift harmoniklerin oluşması demektir. Tetikleme açısını 90 0 den büyük olduğu durumlarda üst dalga formu alt dalga formuna göre daha negatif olur. Bu durumda yük gerilimi dalga şekli değeri sıfır olan bölgeler içerir. Sıfır bölgelerde yük
akımı komütasyon diyodu
üzerine alır.
0
180 =
α için yük gerilimi ortalama değeri sıfırdır. Yük geriliminin ortalama değeri: ) (cos 2 3 ) cos 1 ( 2 3 3 (max) (max) α π α π FAZ HAT ort V V
V = + = ’dır. Tam kontrollü devreyle
karşılaştırıldığında ; Yarı kontrollü devresi daha ucuz, başlangıç çalıştırma problemleri olmayan, fakat yük gerilimi ve besleme akımında daha çok harmonik oluşturan bir devredir.
ννννa ννννc ννννb Yük ννννL iL ia i1 T1 T3 T5 D4 D6 D2 (a) Komütasyon Diyodu iD iL i1 i4 ia ννννa ννννb ννννc θ = ω θ = ωθ = ω θ = ωt ννννL Vfaz (max) Vort Vhat (max) ννννL α αα α i1 i4 ia Vort ννννL α αα α ννννL iD iL α αα α (b) (c)
Şekil 2.23 3~ lı yarı kontrollü köprü devresi
2.9 12 Darbe Devreleri :
Şekil 2.24’de görüldüğü gibi darbe sayısı arttıkça DC gerilimi ideal sabit değere yaklaşmakta, şebeke akımı da sinüsoidale yaklaşmaktadır. Şekil 2.25’de 3 yaygın 12-darbeli bağlantı görülmektedir. Şekil 2.25 (a)’da çift-yıldız yarım dalga bağlantısı vardır. Yıldız grupları 30 faz 0 farkına sahiptir. Dört diyot aynı anda iletimdedir. Şekil 2.25 (b) ve (c)’de tam dalga bağlantıları 2 adet 3~lı köprü devresinin çıkışlarının seri veya paralel balanmasından elde edilmiştir. Bu iki bağlantıda da trafo biri üçgen diğeri yıldız bağlı olmak üzere iki adet sekonder sargısına sahiptir. Bu sebeple iki köprü devresini besleyen gerilimler arasında 30 faz farkı vardır. 0 Şekil 2.25(b)’deki bağlantı yüksek gerilim eldesi için kullanılır. Diyot seçimi bulunduğu köprü devresinin değeri dikkate alınarak yapılır. Yüksek akım gerektiren uygulamalarda şekil 2.25(c) tercih edilebilir. Bu 12 darbeli bağlantıda olduğu gibi 3 faz blokları kullanılarak daha yüksek darbeli bağlantılar yapılabilir. Şekil 2.25’deki devrelerde tristör veya tristör-diyot kombinasyonları kullanılarak tam veya kısmi kontrollü devreler oluşturulabilir.
Zaman
Şekil 2.24 12 darbeli dalga şekilleri
(b) (a) Sekonderler Yük 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 11 7 3 12 8 4 1 9 5 10 6 2
Đnterfaz Trafoları (reaktörler) Primer Primer Yük Yük Đnterfaz Trafosu iL / 2 iL iL / 2 (a) (b) (c)
Şekil 2.25 Tipik 12 darbe bağlantıları
2.10 Besleme Trafosunun Boyutlandırılması :
Doğrultucu devrelerinin besleme trafoları nonsinüsoidal akım taşırlar ve sekonder sargıları trafo çekirdeğinin farklı ayarlarına bağlanabilir. Bu nedenle trafo boyutlandırılmasında bu faktörler dikkate alınmalıdır. Trafo sargılarının boyutlandırılması : Sargı sayısı, RMS gerilim değeri ve RMS akım değerinin çarpımıyla belirlenir. Primer sayısının boyutları sekonder sargıdan farklı olabilir ; Özellikle yarım dalga devrelerinde, akım dalga şeklinin daha iyi olması ve farklı ayaklarla irtibatlı sargılardan oluşmuş fazların olması sebebiyle böyledir. Fork bağlantısında sekonder sargı primer sargıdan daha büyük boyutludur.
Đki faz, interkonnekte yıldız veya çift-yıldız sekonder sargılarında olduğu gibi ; Đki veya daha fazla sekonder sargının bir tek primer sargıyla irtibatlı olduğu trafolarda; sargı dizaynında, sargılar arası ortalama mesafenin aynı olması sağlanmalıdır. Sekonderler bu sebeple bölümlendirilir ve aynı boşluğu verecek şekilde karşılıklı irtibatlandırılırlar. Böylece primer ve sekonder sargılar arasında kaçak akı aynı olur. Her bir sekonder sayısı primerle aynı uzunlukta olmalıdır, böylece magneto motor kuvvet dengesi sağlanır. Aksi takdirde aşırı mekanik zorlamalar söz konusu olur.
2.11 ÖZET :
Bu bölümde birkaç doğrultucu devresi anlatılmıştır. Böylelikle verilen bir uygulamada doğru seçimi yapabilmek için değişik devreler üzerine karşılaştırma yapma imkanı sağlanmıştır.
Bir düşük gerilimli yük için (mesela 100V), gerilim değerleri diyot ve tristör etiket değeri açısından önemli bir gerilim stresi oluşturmayacaktır. Ancak bu gerilim seviyesinde; yarım dalga bağlantısındaki bir diyot gerilim düşümü ile tam dalga bağlantısındaki iki diyot gerilim düşümü önemli olacaktır. Ayrıca yarım dalga bağlantısında daha az güç kaybı söz konusudur.
Bir yüksek gerilimli yük için (mesela 2kV) köprü devresi tercih edilmelidir. Çünkü yarım dalga devresinde diyot ya da tristör etiket değeri daha büyük seçilecektir. Yüksek gerilim seviyesinde köprü devresinin iki diyot gerilim düşümü önemsiz kalacaktır.
Orta gerilim seviyesinde karmaşık trafo dizaynları kullanarak maliyet düşüncesiyle yarım dalga bağlantısı düşünülebilir.
1~lı devreler için düşük güç uygulamaları söz konusudur. (15kW) Çünkü beslemeden çekilecek akımın gürültü oranı sınırlandırılır. Ek olarak daha büyük yüklerin üç fazda beslenmesi için sebepler vardır.
Ortalama gerilimin ters çevrilmesi istenen yerlerde tam kontrollü bağlantısı kullanılmalıdır. Bu gerekmiyorsa yarı kontrollü kullanmak daha ucuzdur, ancak akım ve
gerilim dalga şekillerindeki büyük gürültüler sebebiyle kullanımlarında teknik sınırlamalar getirilmiştir.
