-
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