Endüstriyel Elektronik ELET 315 Endüstriyel Elektronik

1.1 Giriş Transistör, FET, diyot gibi yarı iletken elemanlar elektroniğin her dalında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunların dışında, daha çok endüstriyel elektronikte kullanılan bir yük üzerindeki gücü kontrol eden tristör (SCR), triak, diak gibi elektronik yarı iletken elemanlar da bulunmaktadır. Tristörlerin büyük değerli akımların kontrolünde kullanılan tiplerine SCR (Silicon Controlled Rectifier) denir. SCR küçük değerli akımlarla, akımı tek yönlü iletme yeteneğine sahip bir yarı iletkendir. Triyaklar ise küçük değerli akımlarla akımı iki yönlü (alternatif) ileten başka bir endüstriyel yarı iletken elemanıdır. Başka bir deyişle, büyük AC akımlarının çeşitli dalga şekillerinde, çok küçük akımlarla kontrolünü sağlamaktadır. SCR ve triak yüksek akım kapasiteli ve hızlı anahtarlama istenen devrelerde kullanılır. Bu kısımda yine endüstriyel elektronik de yaygın olarak kullanılan, çalışması ve uygulaması farklı olan diak yarı iletken elemanını da yakından inceleyeceğiz.

1.2 Tristör (SCR:Silicon Control Rectifier) Tristör yapı olarak dört katmanlı, kontrol terminali olan (Gate terminal) bir diyoda yada biri PNP ve diğeri NPN olan iki transistöre benzer. Özetle SCR, dört katmanlı, tek yönlü akım geçiren, küçük kontrol terminal akımları ile (Gate current) büyük değerli akımları kontrol eden yarı iletken bir anahtarlama elemanıdır.

Tristörler, yüksek akım kapasiteli ve hızlı anahtarlama istenen devrelerde kullanılır. Elektronik kontaktör, alternatif akımda gerilim ayarı, zaman röleleri, DA. ve AA. motorlarında hız ayarı, motorların devir yönlerinin değiştirlimesi ve konvertörler başlıca kullanım alanlarıdır.

(c) SCR transistör eşdeğeri 1.2.1 Tristör (SCR)Yapısı P ve N tipi silisyum yarı iletkenlerinin PNPN sırası ile yerleştirilmesi ile elde edilmiştir Şekil 1.1 (a) SCR sembolü (b) SCR yapısı (c) SCR transistör eşdeğeri

1.2.2 Tristörün Çalışması ve Akım-Gerilim Eğrisi Tristör devrede kullanılırken Anoduna pozitif, katoduna ise negatif gerilim uygulanır. Fakat bu durumda Tristör, iletim durumunda değildir. Tristörün iletime girebilmesi için Gate terminaline, pozitif bir gerilimin uyarlanması gerekmektedir.

İletim`den yalıtıma geçme koşulu. İletim durumunda iken eğer Anod akımı (IA) tutma akımından (IH) düşük bir değere düşerse, başka bir deyişle IA< IH olursa SCR yeniden yalıtıma geçer. Bu kural diğer dört katmanlı yarı iletken elemanlar için de geçerlidir.

Şekil 1.5 Tristör akım-gerilim eğrisi VBO V1 V2 VF IH0 IH1 IH2 IA VAK Şekil 1.5 Tristör akım-gerilim eğrisi VBO ; IG = 0A iken VAK üzerine düşen gerilim, başka bir deyişle kırılma gerilimi (BreakoverVoltage) IH ; İletim halinde bulunan bir tristörün yalıtım haline geçebilmesi için Anot terminalinden akması gereken en az akım değeri, başka bir deyişle tutma akımı (Holding current) V1 ; IG1 akımındaki anod gerilim değeri V2 ; IG2 akımındaki anod gerilim değeri VF ; İletime giren SCR`nin A-K terminalleri arasındaki doğru polarma gerilimi. Bu değer yaklaşık olarak 1V civarındadır.

t1 t2 t3 t4 [Vin] [VC] [VAK] [Vyük] (a) (b)

Tristörler DC uygulamalarda çalışırken birkere Gate terminalinden tetiklendikten sonar devamlı iletken durumunda kalmaktadır. Devre akımını kesmek için Tristörü durdurma yöntemlerinden birisinin kullanılması gerekmektedir. AC uygulamalarda tristörlerde durdurma yöntemleri aranmaz. Neden?

1.2.3 Tristörün İletimi ve DC Koşullarda Yalıtımı Daha once de açıkladığımız gibi tristör iletimde iken eğer IA > IH koşulu sağlanırsa tristör iletimde kalır. Tam ters olarak düşünürsek eğer IA < IH koşulu gerçeklenirse, tristör yalıtıma girecektir. Tristörlerdeki tutma akımı ( IH ) tristörün tipine göre değişmekle beraber, 2mA ile 200 mA arasında değişmektedir.

Tristörler iletime geçirilirken çeşitli yöntemler bulunmaktadır Tristörler iletime geçirilirken çeşitli yöntemler bulunmaktadır. En çok kullanılan yöntemlerin başında bulunanlar sırası ile Gate terminalinin ayrı bir kaynaktan tetiklenmesi. Gate terminalinin Anod terminali üzerinden tetiklenmesidir.

Şekil 1.6 Gate terminalinin ayrı bir kaynaktan tetiklenmesi. + VAK - VGT IGT Şekil 1.6 Gate terminalinin ayrı bir kaynaktan tetiklenmesi. t1 t2 t3 t4 [Vin] [VC] [VAK] [Vyük] =

Şekil 1.7 Gate terminalinin Anod terminali üzerinden tetiklenmesi Devrede kullanılan D diyodu AC kaynak uygulamalarında gerekli olup, Gate terminalini negatif alternanslarda aşırı ters polarizasyon altında kalarak bozulmasını önlemek için kullanılmıştır.

DC koşullar altında çalışan bir tristörün iletim halinde iken, yalıtım durumuna geçebilmesi için gerekli koşul IA< IH olmasıdır. Bu durumda iletimde olan bir tristörü, yalıtıma geçirmek için belli başlı yöntemleri vardır. Bunlardan en çok kullanılanları şunlardır: a) Seri anahtar kullanarak b) Paralel anahtar kullanarak c) Ters gerilim uyguluyarak (kapasitif) durdurmadır.

Seri anahtar kullanarak tristörü DC koşullarda yalıtılması

Tristörün paralel anahtarla DC koşullar altında yalıtılmasısı

Tristörün kapasitif olarak DC koşullar altında yalıtılması

Örnek 1.1 Şekil 1.11 de verilen devrenin çalışmasını açıklayınız.

Örnek 1.2 Şekil 1.12 de gösterilen tristörlü devrede, tristörün iletimde kalabilmesi için R2 ayarlı direnç hangi direnç değerleri arasında olmalıdır? VAK = 1V, IH = 10 mA, VGT = 1V ve IGT = 10mA. Çözüm 1.2 = = 3.9 k Bu değerden daha büyük bir değere getirilmesi durumunda SCR yalıtımda kalacaktır.