10-1

DENEY 10 UJT-SCR Faz Kontrol DENEYİN AMACI

1. Faz kontrol ilkesini öğrenmek. 2. RC faz kontrol devresinin çalışmasını öğrenmek. 3. SCR faz kontrol devresindeki UJT gevşemeli osilatör uygulamasını incelemek.

GİRİŞ

Endüstriyel elektronik kontrollerinin temel amacı kaynaktan yüke enerji transferini regüle etmektir. Bu kontrol, elektrik enerjisinin ısı enerjisine dönüştürüldüğü kaynak makinesi kontrolü olabilir; elektrik enerjisinin mekanik enerjiye dönüştürüldüğü motor kontrolü olabilir; yada elektrik enerjisinin sese dönüştürüldüğü bir alarm devresi olabilir. Eğer enerji transferi sabit bir hızda ise, kontrol bir ON-OFF anahtar kadar basit olabilir. Genellikle çıkışı kontrol etmek için enerji transfer hızını ayarlamak gerekir, bir motor hızı, alarmın ses seviyesi, yada lambanın parlaklığı gibi. Ac kaynaktan enerji transfer hızını kontrol etmenin en uygun yolu her çevrimde yüke sağlanan akımı kontrol etmektir. Bu durum, SCS ve triyak devrelerinde, ac gerilimin her çevriminde tristörün faz açısını kontrol ederek gerçekleştirilir. Bu teknik faz kaydırmalı kontrol olarak adlandırılır. Temel Faz Kontrol Devreleri

Şekil 10-1’de gösterildiği gibi tristörle gerçekleştirilen çeşitli faz kontrol devreleri vardır. Faz kontrolün en basit şekli, Şekil 10-1(a)’da gösterilen sadece bir yönde iletilen akımı kontrol etmek için bir SCR kullanılan yarım-dalga kontroldür. Bu devre, sıfırdan tam dalganın yarısına kadar güç kontrolü ve aynı zamanda doğru akım gerektiren yükler için kullanılır. Bir doğrultucu diyot D eklenerek, Şekil 10-1(b), bir yarım dalga sabit olmak üzere güç kontrol aralığı yarı güç ile tam güç arasına kaydırılır, ancak buradaki dc bileşen güçlüdür. İki SCR kullanımı, Şekil 10-1(c), sıfırdan tam güçe kadar kontrol yapılabilmesini sağlar ve izole edilmiş iki kapı işareti gerektirir; bu iki kapı işareti, iki kontrol devresi yada bir tek kontrolden çıkarılan darbe-transformatörü ile gerçekleştirilir. İki SCR’nin eşit açılarla tetiklenmesi dc bileşeni olmayan bir simetrik çıkış dalgası üretir. Tetikleme açısının simetrisini kontrol ederek tersine çevrilebilir yarım dalga dc çıkış elde edilir.

10-2

Tam dalga kontrolün bir diğer yöntemi Şekil 10-1(d)’de gösterilmiştir. Bu devre, iki SCR’nin katot ve kapı uçlarının ortak bağlanabilmesi avantajına sahiptir. İki doğrultucu diyot, SCR’lerin ters gerilime maruz kalmasını engellerken, iletimleri sırasında harcadıkları güç dolayısıyla devrenin verimini azaltırlar.

(a) Yarım dalga kontrol (b) Yarım dalgası sabit yarım dalga kontrol

(c) Tam dalga kontrol (d) Tam dalga kontrol (e) Tam dalga kontrol (f) Tam dalga kontrol

Şekil 10-1 Temel AC faz kontrol yöntemleri

10-3

Şekil 10-2 RC Faz Kaydırmalı Devre ile SCR Güç Kontrolü

En esnek devre, Şekil 10-1(e), köprü doğrultucuda bir SCR kullanan ve ac yada tam dalga doğrultulmuş dc kontrolünde kullanılabilen devredir. Bir ac yük kullanılacaksa, yük ac gerilim ile köprü doğrultucu arasına bağlanmalıdır. Eğer bir DC yük kullanılacaksa, yük Şekil 10-1(e)’de gösterilen kesik çizgili yere yerleştirilmelidir. Ancak, doğrultucu kayıpları bu devreyi en az verimli hale getirir, ve bu devrelerde komutasyon sorunları görülür. Ac güç kontrolünün en basit, verimli, ve güvenilir yöntemi, Şekil 10-1(f)’de gösterildiği gibi çift yönlü triyot tristör (triyak) kullanmaktır. Deney devresinin açıklaması bölümünde bu devrenin çalışmasını inceleyeceğiz.

Faz kaydırmalı Kontrol Analizi

1. Yarım dalga kontrol

Şekil 10-1(a)’da gösterilen SCR yarım dalga kontrol devresindeki ohmik yükteki gerilim Şekil 10-3’te gösterilmiştir. Ortalama yük gerilimi, EAVG, SCR’nin ateşleme açısı kontrol edilerek belirlenir.

Şekil 10-3 Şekil 10-1(a)’daki Devrenin Yük Gerilimi Dalga Şekli

10-4

EAVG ile α arasındaki ilişki şöyle ifade edilebilir:

∫π

α

ωωπ

= ttdEE PAVG sin21

[ ]παω−π= tEP cos2

[ ]α+π

= cos12PE ………………………………………………………………………(1

0-1) Burada EP yükteki tepe çıkış gerilimidir. RMS değeri şöyle hesaplanır:

∫π

α

ωωπ

= ttdEE PRMS sin21

π

α⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ ω−ω

π= ttEP 2sin

21)(

21

2

2

21

2sin21

2⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ α+α−π

π= PE …...………………………………………………(10-2)

Denklem 10-1 ve 10-2’yi tekrar düzenleyerek, şu denklemleri elde ederiz:

πα+

=2cos1

P

AVG

EE ……………………………………………………..……….………(10-3)

21

2sin21

21

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ α+α−π

π=

P

RMS

EE …………………………………………….………(10-4)

(10-3) ve (10-4) denklemleri, SCR yarım dalga faz kontrolünde α, EAVG, ve ERMS arasındaki ilişkiyi gösterir. Bu denklemler faz kaydırmalı kontrol devreleri tasarımında çok yararlı denklemlerdir. α, EAVG, ve ERMS arasındaki ilişki, Şekil 10-4’teki grafikte gösterilmiştir.

10-5

Şekil 10-4 Yarım Dalga Faz Kontrolü Analiz Grafiği

Şekil 10-4’teki P/PMAX eğrisi, ac kaynaktan ohmik yüke aktarılan tam güç oranlarını gösterir. Örneğin, SCR’nin iletim açısı 180o, ve tetikleme açısı 180o-180o=0o, dolayısıyla P/PMAX = 0.5’tir.

2. Tam dalga kontrol

Şekil 10-5 Şekil 10-1(e)’nin yük gerilimi

Şekil 10-1(e)’deki SCR tam dalga kontrol devresindeki ohmik yükteki gerilim Şekil 10-5’te gösterilmiştir. EAVG, ortalama yük gerilimi şöyle ifade edilebilir:

∫π

α

ωωπ

= ttdEE PAVG sin1

[ ]παω−π= tEP cos

[ ]α+π

= cos1PE ………………………………………………………………(10-5)

10-6

yada

πα+

=cos1

P

AVG

EE ……………………………………………………………..……(10-6)

Yük geriliminin efektif değeri şöyle ifade edilebilir:

∫π

α

ωωπ

= ttdEE PRMS22 sin1

π

α⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ ω−ω

π= ttEP 2

2

sin21)(

21

2

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ α+α−π

π= 2sin

21

2

2PE …...………………………………………………(10-7)

yada

21

2sin21

21

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ α+α−π

π=

P

RMS

EE …………………………………………………(10-8)

(10-6) ve (10-8) denklemleri, Şekil 10-6’daki grafikte ifade edilmiştir.

Şekil 10-6 Tam Dalga Kontrol Analiz Grafiği

10-7

Şekil 10-1(c)’deki simetrik tam dalga kontrol devresindeki ohmik yükteki gerilim Şekil 10-7’de gösterilmiştir. EAVG, ortalama yük gerilimi sıfırdır. ERMS, efektif yük gerilimi, Denklem (10-7) ve (10-8) ile hesaplanabilir.

Şekil 10-7 Şekil 10-1(c)’deki Devrenin Yük Gerilimi

Şekil 10-1(e)’deki köprü SCR devresinde, Şekil 10-6’dan 113o’de ortalama yük gerilimi EAVG = 0.194 x 340 = 66V ve ortalama yük akımı 66 / 12 = 5.5A bulunur. Her bir doğrultucu diyottaki ortalama akım 5.5 / 2 = 2.75 A’dır. Eğer bir triyak kullanılsaydı, Şekil 10-1(f), ve her bir yarım dalganın iletim açısı 67o olduğu durumda rms akım 10A’dır.

AC Faz Kontrol Devreleri Tasarımı

Darbe üreteci ve RC faz kaydırması içeren birçok ac faz kaydırmalı kontrol devresi uygulaması inceledik. Ac faz kaydırmalı kontrol devresi tasarımı basitçe üç adımda açıklanabilir: (1) Yük ve kaynak gerilimi güç gereksinimlerine göre ateşleme ve iletim açılarının

belirlenmesi (2) Uygun faz kaydırmalı kontrol devresinin belirlenmesi (3) Faz kaydırmalı kontrol devresinin, tristörün tetiklenme koşullarına eşlenmesi Tabii ki, bir tasarımın son aşaması, bir model yapmak ve istenenleri karşılayacak ayarların yapılmasıdır. Şimdi, faz kaydırmalı kontrol tasarımındaki adımlara tek tek bakalım. A. Ateşleme ve iletim açılarının belirlenmesi Kontrol değerleri genellikle ortalama güç yada yükün rms gerilim ihtiyacına göre oluşturulur. Ortalama yük gücü alttaki formülle hesaplanabilir PAV = E2RMS / RL ………………………………………………………………(10-9) Burada,

10-8

PAV : Belirlenen tetikleme açısında yük aktarılan ortalama güç ERMS : Belirlenen tetikleme açısında yükün rms gerilimi RL : Saf ohmik yük.

B. Uygun kayma devresinin belirlenmesi

Yukarıda anlatıldığı gibi, tetikleme devresi olarak kullanılan temel kayma devresi, genellikle RC yada RL devrelerinden oluşur. Bununla birlikte pratik uygulamalarda RC devreler en çok kullanılan devrelerdir. Kullanılan faz kaydırmalı kontrol devresinin tipi α’nın maksimum değerine göre değişir. Eğer αmax 90o’den küçükse, Şekil 10-8’de gösterildiği gibi bir RC yada RL devresi yeterli olacaktır. αmax 90o civarında yada daha büyükse, Şekil 10-9’daki devreye benzer bir köprü RC devresi kullanılmalıdır.

Şekil 10-8 Basit Faz Kaydırma Devreleri

Şekil 10-9 Köprü Faz Kaydırma Devreleri

C. Faz kaydırma devresinin tristör tetiklenme gereksinimlerine eşlenmesi Faz kaydırmalı devre ile güç tristörü arasında bir tetikleme elemanı olacak şekilde Şekil 10-9’daki temel RC faz kaydırmalı kontrol devreleri yeniden düzenlenmelidir. Tetikleme elemanı, her bir tristörün kendine has özelliklerine göre bir ayarlama

yapılmaksızın, tristörlerin çoğunun tetiklenme gereksinimlerine karşılık verebilecek RC faz kaydırmalı devrelere imkan sağlar. Genellikle kullanılan yöntem,

10-9

kapasitörde enerji depolamak ve istenen zamanda kapasitörü tetikleme elemanına boşaltmaktır. Çıkış darbesi, genellikle bir tristörün kapısını sürmek için yeterlidir.

Şekil 10-10 AC Faz Kontrol Devrelerinde Kullanılan Tetikleme Elemanları

Negatif direnç karakteristiğine sahip herhangi bir yarı iletken eleman, tetikleme elemanı olarak kullanılabilir. Şekil 10-10, SCR yada triyak için kullanılan tetikleme elemanlarının bazı temel uygulamalarını gösterir.

UJT Gevşemeli Osilatör ile SCR Kapı Tetiklemesi

Faz kontrolünde karşılaşabileceğiniz en olası faz kaydırma devresi, UJT gevşemeli osilatördür. Şekil 10-11, bir SCR faz kontrolünde UJT gevşemeli osilatörü gösterir. UJT gevşemeli osilatör devresi tasarımını incelemiştik. Osilasyon frekansının, RT veCT elemanlarının değerleri ile belirlendiğini ve f ≅ 1/RTCT olduğunu hatırlayalım. Şekil 10-11(b)’de gösterildiği gibi emetördeki gerilim dalga şekli, VE, bir testere dişli dalgadır, ve baz 1’deki gerilim dalga şekli, VB1, bir pozitif darbe katarıdır. Darbe katarı, yüke aktarılan gücü kontrol etmek için SCR’nin kapısına uygulanır.

10-10

(a) Temel devre (b) VE ve VB1 dalga şekilleri

Şekil 10-11 SCR Faz Kontrolünde UJT Gevşemeli Osilatör

(1) RTCT zaman sabiti, SCR’nin iletim açısını belirler. RTCT zaman sabiti SCR’nin

iletim açısı ile doğru orantılıdır, ve yük gücü ile ters orantılıdır. (2) UJT OFF durumunda iken, R1 üzerinden akan küçük IBB akımı, IBB x R1 ‘lik bir

gerilim düşümü oluşturur. (3) UJT OFF durumunda iken SCR’nin tetiklenmesinden sakınmak için, R1 değeri

uygun bir aralıkla sınırlandırılmalıdır. (4) R2 sıcaklık kompanzasyonu için kullanılır.

R1’in maksimum değeri, SCR’nin minimum kapı tetiklenme gerilimini ve IBB değerine göre belirlenmelidir. Şekil 10-11(a)’da, matematiksel bağıntı şöyledir: R1(max) ≤ VGK(min) / IBB……………………………………………………(10-10) Uygulamada, R1 ve R2 tipik olarak 100Ω’dur. RBB >> R1 + R2 ; IBB ≈ VBB / rBB Bu değeri denklem (10-10)’da yerine koyarsak, R1(max) ≈ (VGK(min) rBB) / VBB………………………………………………..(10-11) Şekil 10-10(a)’daki devrenin ana dezavantajı iki farklı güç kaynağı kullanılmasıdır. Şekil 10-12 ve 10-13‘teki devreler, faz kontrolünde farklı güç kaynakları kullanımı sorununu gideren devrelerdir.

10-11

Şekil 10-12 UJT-SCR Yarım Dalga Faz Kontrolü

Şekil 10-12(a) bir UJT-SCR yarım dalga faz kontrolü devresi gösterir. RD direnci ve D1 zener diyotu ac gerilimi regüle ederek UJT gevşemeli osilatör için sabit VZ gerilimi sağlarlar. Devrenin dalga şekilleri Şekil 10-12(b)’de gösterilmiştir. Bu devrenin çalışması Şekil 10-1’deki devreye benzerdir. Devre çalışmasını şöyle özetleyebiliriz: (1) D1 zener diyotu, UJT gevşemeli osilatör için sabit bir dc gerilim sağlar ve UJT’yi

korur. (2) Emetör gerilimi bir testere dişli dalga, ve B1’deki gerilim bir darbe katarıdır, bkz.

Şekil 10-12(b). (3) VE, VB1, ve VLOAD dalga şekillerini karşılaştırırsak, R1 değiştiğinde, gevşemeli

osilatörün osilasyon periyodunun ve tetikleme faz açısının değişeceği görülür. (4) Bir pozitif yarım dalga boyunca SCR bir kez iletime tetiklenince, UJT devresine

sağlanan gerilim çok küçük bir potansiyele düşecektir. Bundan dolayı yarım çevrimin kalan kısmında tetikleme darbesi görülmez.

(5) SCR OFF durumunda iken, zener akımı hala yük ve RD’den akar. Uygun bir RD direnci kullanılarak zener akımı en aza indirilmelidir., tipik olarak RD >> RLOAD. Şekil 10-12’deki devre, motorlar, lambalar, ve elektrikli ısıtıcılar gibi çok çeşitli yüklerde kullanılabilir. Güç verimini incelersek, dc yada ac yüklerde Şekil 10-13’te gösterilen tam-dalga faz kontrol devrelerinin uygun olduğu görülür.

10-12

(a) DC yük faz kontrolü (b) AC yük faz kontrolü

Şekil 10-13 AC ve DC faz kontrol devreleri

10-13

Deney Devresinin Açıklaması

Şekil 10-14 Deney Devresi

Bu deneyde kullanılan UJT-SCR faz kontrol devresi Şekil 10-14’te gösterilmiştir. Köprü doğrultucu, D1~D4, 18V ac gerilimi dalgalı dc gerilime dönüştürür. Zener diyot ZD1, bu dalgalı dc gerilimi gevşemeli osilatör için 12V’ye sabitler. R1 direnci zeneri aşırı akımdan korur. SCR kapısına bir tetikleme işareti uygulanmadığında, SCR kesimdedir ve lamba sönüktür. UJT gevşemeli osilatör çalışmaya başlayınca, baz 1’deki darbeler SCR’yi her bir yarım dalgada tetikleyecektir, ve akım lamba üzerinden akacak; lamba yanacaktır. Yük gücü, SCR’nin iletim açısı ile kontrol edilir. Kısaca, yük gücü ile tetikleme darbesinin periyodu ters orantılıdır.

KULLANILACAK ELEMANLAR

KL-51001 Güç Kaynağı Ünitesi KL-53005 Modülü Osiloskop

10-14

DENEYİN YAPILIŞI

1. UJT tetiklemeli SCR kaymalı kontrol devresini, Şekil 10-14’te gösterildiği gibi, KL-53005 modülüne yerleştirin.

2. Short-jumper’ları 1, 2, ve 5 numaralara takın. Minimum direnç elde etmek için VR1’i saat yönünün tersi yönde sonuna kadar çevirin.

3. Osiloskopu kullanarak, zener diyot ZD uçlarındaki gerilim dalga şeklini gözlemleyin ve şekli Tablo 10-1’e çizin.

Tablo 10-1

ZD V

0 T

4. Osiloskopu kullanarak, UJT’nin B1’indeki ve SCR’nin anot-katot uçlarındaki

gerilim dalga şekillerini gözlemleyin ve Tablo 10-2’ye çizin. Lambanın parlaklığını gözlemleyin ve kaydedin._________________.

Tablo 10-2

A B1 V

V

0 T

0 T

5. VR1’i orta noktasına getirin. 4. Adımı tekrarlayın ve sonucu Tablo 10-3’e kaydedin. Lambanın parlaklığını gözlemleyin ve kaydedin.

10-15

Tablo 10-3 A B1

V

V

0 T

0 T

6. VR1’i istediğiniz bir miktar çevirin ve VAK gerilim dalga şeklini ve lambanın parlaklığını gözlemleyin. Lamba parlaklığı ve tetikleme açısındaki değişimleri kaydedin. ____________________________________________________________________________________________________________________________

7. Short-jumper’i 2 numaradan çıkarın ve 3 numaraya takın. 4. ve 5. Adımları tekrarlayın.

8. VR1’i istediğiniz bir miktar çevirin ve VAK gerilim dalga şeklini ve lambanın parlaklığını gözlemleyin. Lamba parlaklığı ve tetikleme açısındaki değişimleri kaydedin. ____________________________________________________________________________________________________________________________ Elde ettiğiniz sonucu 6. Adımdaki sonuçla karşılaştırın ve farkları yorumlayın. ____________________________________________________________________________________________________________________________

9. Short-jumper’i 3 numaradan çıkarın ve 4 numaraya takın. 4. Ve 5. Adımları tekrar edin.

10-16

10. VR1’i istediğiniz bir miktar çevirin ve VAK gerilim dalga şeklini ve lambanın parlaklığını gözlemleyin. Lamba parlaklığı ve tetikleme açısındaki değişimleri kaydedin. ____________________________________________________________________________________________________________________________ Elde ettiğiniz sonucu 8. Adımdaki sonuçla karşılaştırın ve farkları yorumlayın. ____________________________________________________________________________________________________________________________

SONUÇ

Bu deneyde, VR1’in değişimi ile UJT gevşemeli osilatör osilasyon periyodunun değiştiğini, dolayısıyla SCR iletim açısının değiştiğini gördük. UJT emetör gerilimi bir testere dişli dalga ve B1 gerilimi SCR tetikleme darbesidir.

/ColorImageDict > /JPEG2000ColorACSImageDict > /JPEG2000ColorImageDict > /AntiAliasGrayImages false /DownsampleGrayImages true /GrayImageDownsampleType /Bicubic /GrayImageResolution 1800 /GrayImageDepth -1 /GrayImageDownsampleThreshold 1.00000 /EncodeGrayImages true /GrayImageFilter /DCTEncode /AutoFilterGrayImages true /GrayImageAutoFilterStrategy /JPEG /GrayACSImageDict > /GrayImageDict > /JPEG2000GrayACSImageDict > /JPEG2000GrayImageDict > /AntiAliasMonoImages false /DownsampleMonoImages true /MonoImageDownsampleType /Bicubic /MonoImageResolution 1800 /MonoImageDepth -1 /MonoImageDownsampleThreshold 1.00000 /EncodeMonoImages true /MonoImageFilter /CCITTFaxEncode /MonoImageDict > /AllowPSXObjects true /PDFX1aCheck false /PDFX3Check false /PDFXCompliantPDFOnly false /PDFXNoTrimBoxError true /PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXSetBleedBoxToMediaBox true /PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXOutputIntentProfile () /PDFXOutputCondition () /PDFXRegistryName (http://www.color.org) /PDFXTrapped /Unknown

/Description >>> setdistillerparams> setpagedevice