Deney Föyü23

DENEY 23 Sıfır Gerilim Anahtarı
DENEYİN AMACI
1. Sıfır gerilim anahtarlamasının çalışma mantığını öğrenmek.
2. Sıfır gerilim anahtarı kullanılan AC güç kontrol devrelerini incelemek.
3. IC sıfır gerilim anahtarları uygulamalarını ve çalışmalarını incelemek.
GİRİŞ
Bir güç devresi açılıp kapatıldığında, girişim problemlerine neden olabilecek yüksek
frekanslı bileşenler oluşur. Güç başlangıçta uygulandığında, gerilimin bir adım
fonksiyonu devreye uygulanır, bu adım fonksiyonu devrede bir şok uyarma oluşturur.
Rasgele anahtarın açılması akımı keser, ancak yine yüksek frekanslı bileşenler
oluşturur. Bunlara ek olarak, endüktif bir devrede ters akımın kesilmesi, geçici bir
yüksek gerilim endüklenmesine neden olabilir. Tristörlerin tutucu karakteristikleri,
girişim problemlerini ortadan kaldırmak için idealdir. Çünkü bu elemanlar yükün güç
faktöründen bağımsız olarak, yalnızca ON durumu akımları sıfıra çok yakın iken
kesime gidebilirler.
Diğer yandan, tristörler ile girişimsiz bir iletime geçme sağlanması için özel tetikleme
devrelerine ihtiyaç vardır. Sıfır gerilimde enerjilendirildiklerinde genel amaçlı AC
devrelerin minimum EMI (ElectroMagnetic Interference) ürettikleri deneysel olarak
ispatlanmıştır. Bundan dolayı bir ac devre anahtarında; uçlarındaki gerilim sıfır iken
kapanan ve üzerinden geçen akım sıfır iken açılan bir kontağı vardır. Bu
anahtarlamaya sıfır gerilim anahtarlaması denir.
Elektromanyetik Girişim (EMI: ElectroMagnetic Interference)
Bir devrenin enerjilendiği yada enerjisinin kesildiği her seferde elektriksel dağılıma
dikkat edilmelidir. Bir tristörün bir ohmik yükü enerjilendirdiği her seferde, yük akımı
birkaç mikrosaniye içinde sıfırdan yükün çektiği akım değerine ulaşır.
Bu tip dalga şekillerinin frekans analizi, sonsuz enerji spektrumunda genlik ile
frekansın ters orantılı olduğunu gösterir. Faz kontrolünün kullanıldığı uygulamalarda,
AM yayın bandı birçok girişimden etkilenir. Örneğin, Şekil 23-1’de gösterildiği gibi TV
ve FM yayınları daha az etkilenir. Bu eğri, girişimin yarı-tepe değerlerini gösterir. Bu,
radyo frekansı girişiminin iki temel tipinden biridir. Buna ek olarak, güç hatları
radyasyon sorununu ortaya çıkarırlar. Tristörler ve EMI filtreleri kullanılarak akım
döngülerinin fiziksel boyutlarının minimuma indirilmesi ile bu problemin etkisi en aza
indirilebilir. Bu iki radyasyon tipine ek olarak, telefon girişimi ve akustik gürültüden
kaynaklanan çeşitli sorunlar da vardır. Şekil 23-1’deki eğrinin en üst kısmı, anahtar
23-1
olarak tristör kullanılan bir filtrelenmemiş 600Watt lamba parlaklığı kontrol devresi
içindir. Tipik bir mikser ve gürültülü bir fluoresan lamba girişim verileri de eğride
verilmiştir. FM ve TV bandlarında tristörler diğer elemanlara göre ihmal edilebilir
girişim değerlerine sahip olsa dahi, AM bandında girişim üretiminde tristör kontrolün
yalnız olmadığı görülür.
Şekil 23-1 Solid State Güç Anahtarlama Devreleri Girişim Eğrisi
Filtreli dimmer devrelerinde, akımın yükselme hızını göstermek ve daha yüksek
frekansları absorbe etmek için bir LC filtre bulunmaktadır. Büyük yükler için, bu filtreler
sadece çok büyük ve pahalı olmakla kalmaz, aynı zamanda çok yüksek güç harcarlar,
böylece sıfır gerilim anahtarlaması çok çekici bir alternatif haline gelir. Şekil 23-2, LC
filtreli faz kontrolü ile iki adet senkron anahtarlanan devrenin davranışlarını karşılaştırır.
1MHz’de, senkron anahtarlanan devrelerin gürültüsü filtreli faz kontrol devresinden
daha küçüktür.
Sürekli kapı işareti uygulanan triyak devrelerinin düşük frekanslarda daha üstün bir
performans göstermesi dikkat çekicidir. DC kapı işareti triyak (yada SCR)’nin sürekli
iletimde kalmasını garanti eder, yani tutma akımı yetersiz olsa dahi iletimi kesmez.
Anot gerilimi 5V’den daha büyük iken darbe uygulansaydı, DC kapı işaretinin ürettiği
girişim darbeli kapı işaretinden daha düşük olacaktı. Şekil 23-2, NEMA WD-2 girişim
sınırı, hat gerilimi 5 volt civarına yükselmeden önce triyak yada SCR’nin iletime
geçmesi olarak belirlenmiştir.
23-2
Şekil 23-2 Filtreli Faz Kontrolü İle Sıfır Gerilim Anahtarlaması Gürültü
Karşılaştırması
Yarım-dalga Sıfır Gerilim Anahtarı
Sıfır gerilim anahtarlaması tekniği, sıradan güç anahtarlama tekniklerinin
dezavantajlarını en aza indirmek için kullanılmıştır. Şekil 23-3’te faz kontrolü ile sıfır
gerilim anahtarlamasının bir karşılaştırması gösterilmiştir. Yukarıda da bahsedildiği
gibi, ideal bir AC devre anahtarı, uçlarındaki gerilim sıfır iken kapanan, ve üzerinden
geçen akım sıfır iken açılan bir kontaktan oluşur. Diğer bir deyişle, bir tristör bir AC
devre anahtarı olarak kullanıldığında,
iletim akımı yükselme hızının çok
yükselmemesi için her bir yarım dalganın başında tristör iletime geçirilmelidir. AC
gerilimin 5V’yi geçtiği noktalar Tablo 23-1’de açı ve zaman cinsinden verilmiştir.
(a) Faz Kontrol
(b) Sıfır Gerilim Anahtarlaması
Şekil 23-3 AC güç kontrol tipleri
23-3
Tablo 23-1
Voltage (RMS)
24V
115V
220V
Frequency (Hz)
θ(°)
T(µS)
θ
T
θ
T
50
8.47
471
1.76
97.9
0.92
51.2
60
8.47
392
1.76
81.6
0.92
42.6
400
8.47
58.8
1.76
12.2
0.92
6.4
Yarım-dalga Sıfır Gerilim Anahtarlaması Devresi
Şekil 23-4, yarım-dalga sıfır gerilim anahtarlaması devresidir. Q1 transistörü kesimde
iken, SCR1’deki pozitif anot gerilimi D3 ve R4 üzerinden bir kapı akımı akmasına
neden olur ve SCR1’i tetikler. Q1 transistörü iletim yönünde kutuplanınca, R4’ten
geçen akım SCR1’in kapısı yerine Q1’in kollektöründen akar.
(a) İdeal yarım-dalga anahtarlama devresi
(b) Gerilim dalga şekilleri
Şekil 23-4 Yarım-dalga Sıfır Gerilim Anahtarlaması Devresi
S1 anahtarının kontakları, Q1’i kontrol ederler. Kontaklar açık iken, güç kaynağının
negatif yarım dalgası, R1 ve D1 üzerinden C1 kapasitörünü güç kaynağının tepe
noktasına şarj eder. Ac güç kaynağı negatif tepe değerinden aşağı doğru inerken, C1
kapasitörü D2 ve R2 üzerinden deşarj olur, ve böylece Q1’e kesme yönünde
kutuplama sağlar. Bu durum, ac güç kaynağı gerilimi negatiften pozitife geçerken
SCR’nin tetiklenmesine neden olur, böylece bir senkron kapama gerçekleşir. SCR’nin
tutma (latching) karakteristikleri, pozitif yarım-dalganın kalan kısmı boyunca SCR’yi
iletimde tutar ve yük akımı sıfıra ulaşınca devreyi senkron bir şekilde açmayı sağlar.
Şekil 23-4(b)’de gösterildiği gibi, rasgele bir A zaman aralığı süresince S1 anahtarının
kontaklarının açık olmasına rağmen, SCR sadece tam yarım dalgalar için iletimde
olur.
23-4
Kontrol kontakları kapatıldığında, negatif yarım dalga boyunca C1 kapasitörü şarj
olmaz. Böylece SCR1 tetiklenmeden önce pozitif yarım dalganın başlangıcında Q1
doymaya geçer, ve pozitif yarım dalga süresince kontrol kontaklarının sıralı
anahtarlamasından bağımsız olarak, o periyodun kalan kısmı için SCR1’e kapı akımı
gitmez.
Şekil 23-4(b)’den, SCR iletimde iken yük geriliminin düzgün olarak yükseldiğini
görebiliriz. Şekil 23-4(a)’daki devrenin tasarımında altta belirtilen tasarım kriterleri göz
önünde bulundurulmalıdır.
(1) R4 direnci; anahtarlamanın oluşacağı yük geriliminin (tipik olarak 3~5V), SCR’yi
tetikleyecek maksimum kapı akımına bölümünden küçük olmalıdır. Bu gereksinim,
SCR kapı tetikleme duyarlılığı karakteristiklerini ön plana çıkarır.
3V
3V
R4 =
=
≅ 15 KΩ
I gt 200µA
Minimum R4 değeri, Q1’in kollektör akım sınırına göre belirlenir.
(2) R3 direnç değeri, C1 deşarj olmuş iken Q1’i doymada tutabilecek yeterli baz
akımını sağlayabilecek değerde olmalıdır. 2N5172 elemanının akım kazancı 15
olarak kabul edildiğinde,
R3 = 15 xR4 ≅ 220 KΩ
(3) R2 değeri R3’ten daha düşük olmalıdır. R2=47KΩ kullanınız.
(4) R2C1 zaman sabiti, pozitif yarım dalgada da Q1’e kutuplama akımı sağlayacak
kadar uzun olmalıdır, ve dolayısıyla yaklaşık olarak ½ f olmalıdır. 60Hz için,
R2 C1 = 8.3mS
C1 =
8.3mS
≅ 0.2µF
47 K
(5) S1 kapatıldığından kontaklarından geçen deşarj akımını sınırlayan R5 direnci
R1’e göre daha düşük olmalıdır. Böylece, kontrol kontakları kapalı iken C1’in şarj
olması engellenir. R5=10KΩ kullanınız.
23-5
İki Transistörlü Anahtarlama Devresi
Şekil 23-5, Şekil 23-4’ün değiştirilerek yeniden düzenlenmiş halidir. Bu devrede, Q2
transistörü sıfır gerilim geçişini algılar, Q1 transistörü ise bazı ile kollektörü arasına
bağlanan S anahtarı ile SCR’ye kapı işareti sağlar. S anahtarı, Q1’in bazı ile emetörü
arasına bağlanarak ters lojik sağlanabilir, örneğin S anahtarı kapalı iken SCR1’in
kesimde olması gibi.
D1 ve D2 diyotları, Şekil 23-4’teki D2 ve D3 diyotlar ile aynı işlevi görürler, yani negatif
yarım dalga boyunca düşük gerilim elemanlarını korurlar. D2’nin iletim jonksiyonu
gerilim düşümü, Q1 yada Q2 iletimde iken SCR1’in tetiklenmesini engeller.
Şekil 23-5 İki Transistörlü Sıfır Gerilim Anahtarlaması Devresi
R1 değerinin belirlenmesinde üstte adım (2)’de açıklanan kurallar geçerlidir. Burada
da R1’in alt sınırı, Q2 transistörünün müsaade edilen baz akımı ile belirlenir. Q1 ve Q2
için darlington transistörler kullanılması daha büyük R1 ve R4 değerlerinin
kullanılmasına imkan sağlar, ancak bu durumda bu tip transistörlerin yüksek doyma
gerilimlerini kompanze edebilmek için kapı devresine bir diyot eklenmesi gerekecektir.
Şekil 23-5’te kesik çizgilerle bağlanan devre integral çevrim kontrolü amacıyla
yerleştirilmiştir. R2, R3 ve C ile SCR2, SCR1’e bağlanmıştır.
Şekil 23-6’daki devre, arka arkaya bağlamada bir SCR’nin diğer SCR’nin uydusu
olarak bir negatif yarım dalga başlangıcında tetiklemeye nasıl bağlanacağını gösterir.
SCR1 tetiklendiğinde, C1 kapasitörü CR1 diyotu ve R1 direnci üzerinden şarj olur.
Sonra R2 ve SCR2’nin kapısı üzerinden deşarj olur, ve böylece negatif yarım dalganın
başlangıcında SCR2’ye iletim için gerekli kapı akımını sağlar.
23-6
Şekil 23-6 Negatif Yarım Dalga SCR Uydu Devresi
PUT Sıfır Gerilim Anahtarlaması
Şekil 23-7’de gösterildiği gibi bir PUT kullanılarak kolayca kullanışlı bir sıfır gerilim
anahtarı yapılabilir. S anahtarı kapatılınca R1, R2, ve D1 üzerinden akan kapı akımı
ile PUT iletime geçebilir. Öte yandan, hat gerilimi 5V’yi geçer geçmez D1 diyotu ters
kutuplanma durumuna geçer ve PUT daha fazla iletimde kalamaz. Dolayısıyla pozitif
yarım dalganın sonunda SCR kesime gider. R3 direnci, D1’den geçen kaçak akım
PUT’un kapısına zarar vermeyecek şekilde seçilmelidir.
R3 <
VGRM + 5V
............................................................................................(23-1)
IR
Burada,
VGRM = C13Y kapı çığ gerilimi, tipik olarak 5V.
IR = D1 ters kaçak akımı
Şekil 23-7 PUT Sıfır Gerilim Anahtarı
23-7
Triyak Sıfır Gerilim Anahtarı
Şekil 23-8’deki devrede, C103B SCR kesimde olduğu sürece 3µF kapasitörden akan
akım ile pozitif yarım dalganın başlangıcında triyak tetiklenecektir. Bunun ardından
yük gerilimi 1µF kapasitörü şarj eder, böylece sıradaki negatif yarım dalga boyunca
triyak yine enerjilenecektir. III+ tetikleme moduna uygun bir triyak kapısı seçilmesine
dikkat edilmelidir.
Sıfır noktası anahtarlaması SCR ile garanti altına alınır. Pozitif yarım dalga boyunca
C103B SCR’nin “on” durumdan “off” duruma geçmesi triyakı etkilemez, çünkü triyak
daha önce iletime sabitlenmişti. Buna ek olarak, eğer yarım dalganın başında C103B
iletime geçirilirse, ters kutuplanana kadar C103B iletimde kalacağı için periyot
boyunca triyak hiçbir zaman tetiklenemez.
Şekil 23-8 Triyak Sıfır Gerilim Anahtarı
Bu devrelerde karşılaşılan en büyük zorluk, pozitif yarım dalga süresince triyakın
ateşlenmesidir. Triyakın yüksek kapı akımı gereksinimi sebebiyle, triyak
ateşlenmeden önce hat gerilimi 10~15V’ye ulaşabilmektedir. Daha büyük kapasite
değerleri ile daha küçük direnç değerleri bu ateşleme açısını istenen değerlere
getirebilir, ancak bu durum aynı zamanda kapı güç harcamasını ve C103B ve diğer
elemanlarda harcanan gücü de arttıracaktır.
Çevrim içinde triyakın erken tetiklenmesi problemi yalnızca pozitif yarım çevrimde
gerçekleştiğinden, (bir sonraki sıfır gerilim geçişi sırasında 1µF kapasitör triyak
kapısına dc gerilim sağladığından triyak kesime gidemez), kapı duyarlılığı yüksek bir
SCR kullanılarak pilot tetikleme gerçekleştirmek bu sorunu çözebilir.
23-8
(a) Geliştirilmiş Devre
(b) I- ve III- tetikleme
Şekil 23-9 Triyak Sıfır Gerilim Anahtarlaması Devreleri
Şekil 23-9(a)’da, R1 ucundaki gerilim yükselmeye başladıktan çok kısa bir süre sonra
pilot C103B SCR iletime geçer, ve triyak dolaylı olarak tetiklenir. Negatif yarım dalga
tetiklemesi daha önce anlatıldığı gibi gerçekleşir. C106B’nin maksimum tetiklenme
gerilimi:
VM = IGT(maks) x R1 + 4 x VF ............................................................................(23-2)
Burada VF PN jonksiyonu gerilim düşümüdür.
VM = (200µA)(10K) + 4 x (0.6) = 4.4V
Gerilim 10~15V’den daha düşük olduğundan, tetikleme açısı birkaç derece düşebilir.
Triyak iletimde iken negatif yarım dalga boyunca 1µF kapasitörün negatif şarj
olmasını engellemek için D1 diyotu kullanılmalıdır. Eğer bu durum gerçekleşirse,
C103B hala iletimde iken pilot SCR tetiklenebilir. Kapı modları I- ve III- olduğundan
Şekil 23-9(b) standart tiplerin kullanımına imkan verir, örneğin negatif kapı tetiklemesi.
Transistörlü Sıfır Gerilim Anahtarı
Şekil 23-10, bünyesinde kendi regüleli güç kaynağını da barındıran bir sıfır gerilim
anahtarlaması devresini gösterir. Devrenin çalışması altta açıklanmıştır.
23-9
(1) Güç kaynağı kapasitörü C1, D5 ve R2 üzerinden D6 zener gerilimine şarj olur, bu
değer tipik olarak 6-7V’dir.
(2) Q3 transistörü kapasitör ile R5’ten triyak tetikleme akımı (negatif kapı sürümü)
sağlar. Triyakı tetikleyecek komut işaretleri Q4’ün bazına uygulanabilir.
(3) Transistör Q1, yön diyotları D1~D4 ve R1-R2 dirençleri sıfır gerilim algılayıcıyı
oluştururlar. Hat gerilimi +3~5V’ye ulaştığında, D2, D3, R2 ve R3’ten akan akım
Q1’i iletime geçirir, böylece Q2’yi doymaya götürür ve kapının tekrar
tetiklenmesini engeller. Negatif yarım dalga boyunca, D1 ve D4 diyotları iletimde
olacaktır.
Şekil 23-10 Transistörlü Sıfır Gerilim Anahtarı
115V, 60Hz için triyak tetiklemesi 100µS civarında olacaktır ve sıfır gerilim geçiş
noktası civarında merkezlenecektir. Bu darbenin sonunda varolabilen tutma akımı,
başarıyla kontrol edilebilecek minimum yük akımını belirler. Bu devrelerin tümünün (ve
bundan sonrakilerin de) 50~400Hz’de çalışması sorunsuzdur, ancak 400Hz kaynaklar
için özel seçilmiş bir triyak gereklidir.
23-10
Sıfır Gerilim Anahtarı IC GEL300
Ohmik yüklerin triyaklar yada SCR’ler gibi tristörlerle kullanılması durumunda, sıfır
gerilim anahtarlaması kontrolü sağlamak için bir eşik algılayıcısı ile bir tetikleme
devresinin bir kombinasyonundan oluşan GEL300 devresi kullanılır. Bu devre, bir
diferansiyel giriş katı, algılayıcı direnç köprüleri, ve birçok çeşitli bağlantıların
yapılabilmesine imkan sağlayan terminallerden oluşur. Bu devrenin çıkışı minimum
RFI sıcaklık kontrolü sağlamak için yada küçük röleler yada lambalar sürmek için
kullanılabilir.
Şekil 23-11, GEL300 şematik diyagramını gösterir. Bu devre ile Şekil 23-10’daki devre
arasındaki farklar açıktır. Bunlar, bir diferansiyel kuvvetlendirici yapısında bağlanan
Q1 ve Q2 transistörlerinden oluşan bir giriş katı ile bir direnç köprüsünün bir tarafı
olarak kullanılabilecek dengelenmiş bir direnç çiftinin eklenmesidir.
Bu devre, Q1 iletimde iken Q1 kollektör akımı devrenin bütün çıkışlarını (Q5 ve Q6)
kesecek şekilde düzenlenmiştir.
Şekil 23-11 GEL300 Blok Diyagramı
23-11
GEL300 için birçok giriş ve çıkış bağlantısı çeşidi mevcuttur. Bir triyak tetiklemek için
yapılabilecek temel bir ac bağlantı Şekil 23-12’de gösterilmiştir. Bu devrenin
açıklanması Şekil 23-11’e bakarak şöyle açıklanabilir:
(1) Sıcaklık ayarlanan değerin altında ise, termistör direnci RA’daki artış Q1’in kesime
gitmesine ve Q2’nin iletime geçmesine neden olur, ve Q5-Q6 darlington çifti sıfır
gerilim noktasında iletime geçer. Dolayısıyla kapı tetikleme akımı triyakı iletime
geçirir ve ac güç yüke aktarılır. Böylece sıcaklık kademeli olarak artar.
(2) Sıcaklık ayarlanan değere ulaşınca, RA’nın düşük değeri Q1’in iletime ve doymaya
gitmesine nedene olur. Sıfır gerilim noktasında, Q3 transistörü Q4’ü doymaya
geçirir, dolayısıyla Q5-Q6 darlington çifti kesime gider ve triyak kesime gider.
Şekil 23-12 Temel GEL300 Triyak Güç Kontrolü
Sıfır Gerilim Anahtarı IC CA3059
CA3059, çeşitli ac güç anahtarlama uygulamalarında tristör kontrolü için tasarlanmış
bir sıfır gerilim anahtarı entegresidir. Bu entegre, triyaklar için I+ ve III+ tetikleme
modlarında pozitif kapı akımı sağlar. CA3059, 120V ve 240V – 60Hz ac hat
gerilimlerinde doğrudan çalıştırılabilir.
Şekil 23-13, sıfır gerilim anahtarı CA3059’un fonksiyonel bloklarını gösterir. Sınırlayıcı
güç kaynağı, entegrenin doğrudan bir AC hattan çalıştırılabilmesini sağlar. Sınırlayıcı
(Limiter), giriş hat gerilimini ±8V’ye sınırlar. Bu gerilim sıfır geçişi algılayıcısının
girişine ve güç kaynağı devresine uygulanır.
Sıfır geçişi algılayıcı devresi (“0” crossing detector), AC gerilim sıfır gerilim noktasında
iken devrenin çıkış darbelerini senkronlar. Harici filtre kapasitörlü DC güç kaynağı
devresi devre çalışması için 6V gerilim sağlar. Diferansiyel ON/OFF algılayıcı
kuvvetlendirici (ON/OFF sensing AMP) harici sensörleri yada komut işaretlerini algılar.
Triyak kapılama devresi (TRIAC Gating Circuit), tristör güç kontrolü için yüksek akım
darbeleri sağlar. Kapı tetikleme darbeleri yalnızca triyak kapılama devresinin tüm
23-12
girişleri yüksek seviye iken üretilir. Diğer bir deyişle, ON/OFF algılayıcı
kuvvetlendiricisinin çıkışları, sıfır geçişi algılayıcısı ve hata-güvenlik koruma devresi
yüksek seviye iken ve inhibit girişi yüksek seviye iken triyak kapılama çıkışından gelen
darbelerle triyak tetiklenir.
Şekil 23-13 CA3059 Blok Diyagramı
Şekil 23-14, CA3059 entegresinin iç devresini gösterir. D3~D6 diyotları ve Q1
transistörü sıfır geçişi algılayıcı devresini oluştururlar. Q2-Q4 ve Q3-Q5 darlington
çiftleri diferansiyel ON/OFF algılayıcı kuvvetlendiricisini oluştururlar. Q1, Q6, Q7, ve
Q8 transistörleri triyak kapılama devresini oluştururlar. D12 diyotu, D15 zener diyotu,
ve Q10 transistörü hata-güvenlik koruma devresini meydana getirirler. DC güç
kaynağı devresi D7 ve D13 diyotları ile 5 nolu pine dışardan bağlanan bir direnç ve 2
nolu pine dışardan bağlanan bir kapasitörden oluşur. Pin 7 toprak girişidir. Q2-Q4
darlington çifti ve Q1 transistörü OFF durumda iken,kapı tetikleme darbesi 4 nolu
pinde oluşur.
Tetikleme darbeleri üretmek için sağlanması gereken iki koşul vardır. Bunlar: giriş hat
gerilimi ±2.1V aralığında olmalı ve pin 13’e uygulanan algılama gerilim seviyesi pin
9’daki referans gerilimden yüksek olmalıdır.
23-13
Şekil 23-14 CA3059 Şematik Diyagramı
13 ve 14 nolu pinler kısa devre edilerek hata-güvenlik koruma devresi aktifleştirilebilir.
Sensör kısa yada açık devre olduğunda, devre yüke güç aktarmaz. Normal çalışmada,
sensör direncinin pot direncine (RP) oranı tipik olarak 4’ten küçük olmalıdır. Bu koşul
sağlanmazsa, triyak kapılama devresi çıkış darbesi yok olur. Koruma çalışmasını
canlandırmak için, bir 100KΩ’luk termistör kullanılarak ve potansiyometre 1KΩ’a
ayarlanarak sensörün açık devre durumu simüle edilmiştir. Termistör direncinin pot
direncine oranı 4’ten büyük olduğundan (100K/1K) termistör üzerindeki gerilim
düşümü D15 zener diyotunu iletime geçirir ve CA3059 yüke güç aktarmayı keser.
Bunlara ek olarak, hata-güvenlik koruması inhibit girişine (pin 1) bir komut işareti
uygulanarak gerçekleştirilebilir. 10µA akım ve en azından +1,2V2luk bir işaretin
uygulanması tristörün sürücü akımını keser. Şekil 23-15’te, dışarıdan bağlanan Q1 ve
D1 elemanları bu işlevi gerçekleştirirler. Termistörden geçen akım, normal çalışmada
Q1’i doymaya geçirir. Inhibit girişine uygulanacak çok düşük bir gerilim, yaklaşık 0.2V,
hata-güvenlik korumasını devre dışı bırakacaktır. Termistör açık devre olursa, Q1’de
baz akımı yoktur ve kesime gider, inhibit girişine yeterli bir akım akar ve tristöre sürme
akımı gitmez. Eğer termistör kısa devre olursa, D1 diyotu ileri kutuplanır ve tristör
kesime gider. Q1 transistörünün VBE değişimini kompanze etmek için D2 diyotu
kullanılmıştır.
23-14
Şekil 23-15 Harici Hata-Güvenlik Devreli On/Off Kontrolörü
Şekil 23-16 giriş hat gerilimi ile CA3059 çıkış kapı tetikleme darbeleri arasındaki ilişkiyi
gösterir. Kapı darbesinin konumu ve genişliği incelendiğinde, CA3059 entegresinin
tristörlerin çoğunu her sıfır gerilim noktasında tetikleyebilecek yeterli kapı akımı
sağladığı görülür.
Şekil 23-16 CA3059 Çıkış Darbeleri İle Hat Gerilimi Arasındaki İlişki
23-15
Şekil 23-17 ON/OFF Sıcaklık Kontrolünde CA3059 Kullanımı
Şekil 23-17’deki devre triyak kontrollü bir ON/OFF sıcaklık kontrol devresidir. Algılama
gerilimi (Sensing Voltage: VS) referans gerilimi (VR) aşınca ve hat gerilimi sıfır gerilim
noktasında iken, CA3059 entegresi triyakı iletime geçirir. VS<VR ise, entegre çıkışında
triyak kapı tetikleme işareti olmaz dolayısıyla triyak kesime gider.
Çıkış ve Güç Bağlantıları
GEL300 için bir çok giriş ve çıkış bağlantı çeşidi vardır. Bir triyak sürmek için temel ac
bağlantı Şekil 23-12’de gösterilmişti. Eğer bir çift SCR kontrol etmek gerekiyorsa,
Şekil 23-18(a)’daki devre kullanılabilir.
Bu bağlantıda, SCR’ler darbe transformatörü aracılığıyla sürülürler. GEL300 çıkış
darbesi oldukça uzun olduğundan, darbe transformatörünün çıkışı tetikleme için
uygun zamanda üretilecek şekilde darbeyi kaydırmak gerekir. Bu durum, aynı şekilde
gösterildiği gibi, GEL300 çıkışındaki darbeler bir devre ile ilerletilerek
gerçekleştirilebilir. SCR’ye giden çıkış darbesi, primerdeki darbe durmuş iken
önceden depolanmış enerji kullanılarak sağlanır. Bu devre şeması, hat ile ateşleme
devresi arasında elektriksel izolasyon gereken uygulamalarda da kullanılabilir.
Tamamen izole bir düşük gerilim kontrol devresi gerçekleştirmek için T2 izolasyon
transformatörü eklenebilir. T2 güç ihtiyacı sadece 24V ac gerilimde 15mA’dir.
23-16
(a) SCR’lerin Bir Darbe Transformatörü İle Sürülmesi
(b) Düşük Akımlı bir SCR ile SCR’lerin Sürülmesi
Şekil 23-18 SCR tetikleme bağlantıları
Şekil 23-18(b)’de, diğer SCR’leri tetiklemek için simetrik bazlı transistör olarak bir SCR
(Q1) kullanılmıştır. Q1 yarıiletken elemanı, C5 yada C106 gibi gerilim değeri çalışılan
hat gerilimi değerlerinde olan düşük akımlı bir SCR’dir. GEL300 çıkış akımı, Q1 için
gerekli negatif baz sürüşünü iki yarım çevrimde de sağlar. Her bir SCR’nin kapı akımı
D2 yada D3, R1 ve Q1 üzerinden akar. Bir geçici durum sırasında normal bir SCR gibi
Q1’in tetiklenmesinden GEL300’ü korumak için D1 diyotu kullanılmıştır. Entegre çıkışı
sınırlı olduğundan ve simetrik transistör akım kazancı çok düşük olduğundan yüksek
değerli SCR’leri tetiklemek için başka elemanlar kullanılmalıdır.
GEL300’ün Yüksek Akımlı SCR ile Kullanımı
Şekil 23-19’da gösterilen devreler, birçok yüksek akımlı SCR’nin pozitif iletime
geçirilmesini garanti edecek bir seviyeye entegre çıkışını kuvvetlendirmenin çeşitli
yollarını göstermektedir. GEL300 devresi özellikle triyakları tetiklemeye göre
tasarlandığından, Şekil 23-19’da gösterildiği gibi devre geriliminin izin verdiği
ölçülerde bir pilot SCR şeklinde bir triyak kullanılması gereklidir. Şekil 23-19(a),
23-17
GEL300 çıkışında mümkün olduğu gibi bir negatif akım kaynağından bir pilot SCR’nin
ateşlenmesi için kullanışlı bir tekniği göstermektedir. SCR1 ve SCR2’nin başlangıçta
iletime geçirilmesi sırasında oluşabilecek aşırı gerilimlerden korunmak için D1 ve D2
diyotları kullanılmıştır. Şekil 23-19(b), bir PUT aracılığıyla SCR1’in pozitif uydu (slave)
ateşlemesini gösterir. C1 kapasitöründe depolanmış yükü, SCR2 akımı kesildikten
hemen sonra, kesildiği sırada yada kesilmeden hemen önce SCR1 kapısına
boşalmasını sağlamak üzere R5 ve C’ değerleri ayarlanabilir. Bu devre, yalnızca pasif
elemanlardan oluşan uydu (slave) ateşleme devrelerinin dezavantajlarının çoğunu
ortadan kaldırır.
(a)
(b)
(c )
Şekil 23-19 GEL300’den Tetiklenen Yüksek Akımlı SCR Kapı Devreleri
Giriş Katı Bağlantıları
Giriş katının temel bağlantısı, Şekil 23-20’de gösterildiği gibi dahili dirençlerin
köprünün bir tarafı olarak kullanıldığı bir direnç köprüsü karşılaştırmasıdır. Entegre
içinde üretilen kaynağın kullanımında hatalı yüklemelerden korunmak için RA ve RB
değerleri 5KΩ’dan küçük olmamalıdır. RA ve RB‘nin maksimum değeri inhibit akımı
(5µA maksimum) ve uygulamada izin verilen hata ile belirlenebilir. Bir sonraki adımın,
entegre içindeki köprünün diferansiyel katının iki tarafının kullanılması yada harici iki
DC seviyenin karşılaştırılması olabileceği açıktır. Sıcaklık kontrol uygulamaları için, RA
genellikle bir negatif sıcaklık katsayılı (NTC) termistördür.
23-18
Şekil 23-20 Diferansiyel Giriş Katı için Temel Köprü Bağlantısı
Q2 kollektörü (pin 8), giriş katının durumunu gösteren bir işaret üretmek için
kullanılabilir. Q2 iletimde ise, ve kollektörden akım geliyorsa, Q1 kesime gider ve
devre çıkış verir. Bu kollektör akımı bir gerilim işareti verecek şekilde bir direnç
(2~10KΩ) ile örneklenebilir.
Yüksek Frekanslarda Sıfır Gerilim Anahtarlaması
50/60Hz’de gerçekleştirilen sıfır gerilim anahtarlaması tekniğinin dezavantajlarının
çoğu güç frekansı yükseldiğinde ortaya çıkar. Bu dezavantajlar:
(1) Küçük Güçlü Isıtma Sistemlerinde Sıcaklık Dalgalanmaları
Uygulanabilecek en küçük enerji artışı bir yada yarım çevrim olduğundan, küçük
termal kütleli ısıtıcı yükler için sıcaklık dalgalanmaları aşırı olabilir. Termal kütle
frekansla ters orantılı olarak azalabilir, çünkü absorbe edilen enerji zamanla
doğru orantılıdır.
(2) Lamba Parlaklığı Ayarı
Lamba parlaklığının sıfır gerilim anahtarlaması kontrolü mümkün değildir, bunun
sebebi düşük parlaklık seviyelerindeki aşırı titreşimlerdir. Gözlerin saniyede 16
kereden daha az meydana gelen olayları görebildiği kabul edilirse, 60 Hz
frekansta lamba parlaklığı en fazla ¼’e indirilebilir (her dört darbe yerine bir
darbe). 400Hz’de ise, lamba parlaklığı kolaylıkla 1/20’sine ayarlanabilir (her yirmi
darbe yerine 1 darbe). Dolayısıyla katı hal (solid state) yüksek frekanslı lamba
dimmer devreleri çok düşük EMI’li katı halin bütün avantajlarını içerir.
(3) Motor Hız Kontrolü
Motorlarda sıfır gerilim anahtarlaması (1)’de anlatılan dezavantajların aynısına
sahiptir, düşük eylemsizlikli yükler için aşırı yüksek hızlar buna örnektir.
Dolayısıyla, (1)’de anlatılan frekans yöntemi burada da geçerlidir.
23-19
Üç Fazlı Sıfır Gerilim Anahtarlamalı Güç Kontrolü
Şekil 23-21, üç fazlı üçgen bağlanmış yükün GEL300 ile kontrol edilmesini gösterir.
Bu devre, Şekil 23-18’de gösterilen tek fazlı devrenin geliştirilmiş bir modelidir.
Gösterilen değişiklikler yapılarak ohmik yada reaktif yüklere uygulanabilir hale
getirilmiştir. Kontrol iki farklı yoldan sağlanabilir. İlk yol; her biri yükün üçte birini
kontrol eden üç ayrı termistör kullanımıdır. Farklı bir kontrol yöntemi Şekil 23-23’te
gösterildiği gibi bir merkezi kontrol tekniğinin kullanımıdır. Bu yöntemde yükün her
üçte birlik bölümü de bir merkezi sensör tarafından senkronlanacaktır.
Şekil 23-21 Yıldız Bağlanmış Yüklerin Faz Akımlarını Kontrol Eden Üç
Fazlı Sıfır Gerilim Anahtarlaması Devresi
Şekil 23-22’deki güç kontrol devresi, yıldız yada üçgen bağlanmış yüklerin akımlarını
GEL300 ile kontrol edebilmeyi sağlar. R5 direnci C2 kapasitörü ile birlikte bir yapay
sıfır oluşturur, C2 kapasitörü 240V hatta 4Vp-p değerinin altındaki değerleri sıfır
gerilime çekerek sıfır noktası kararlılığını sağlar. Aynı zamanda C2 kapasitörü küçük
bir faz gecikmesi oluşturarak çıkış darbesinin SCR1’i doğru şekilde tetiklemesini
sağlar.
23-20
Şekil 23-22 Üç Fazlı Sıfır Gerilim Anahtarlamalı Hat Akımı Kontrolü
Eğer yük endüktif yada dengesiz ohmik yük ise, endüktif yükler için gösterilen
değişiklikler yapılmalıdır. Dört hatlı bir sistemde üç yükün ortak noktası nötre
bağlanabilir, ancak bunun için devredeki D1’in bir SCR ile değiştirilmesi ve kapılama
devresinin Şekil 23-18(b)’deki gibi uygun şekilde modifiye edilmesi gereklidir. Üç adet
izole GEL230 için merkezi bir kontrol Şekil 23-23’te gösterildiği gibi L14 foto
darlingtonlar aracılığıyla gerçekleştirilebilir. Işık kaynağı aracılığıyla GEL300’ü inhibit
aralıklarının dışına yada tamamen içine sürebilmek için yüksek kazançlı diferansiyel
kuvvetlendirici olarak GL230 kullanılmıştır. GEL300’ün tek uygulamasında olduğu gibi
oranlı kontrol sağlamak için devre düzenlenebilir. Bu durum, GEL230 girişine testere
dişli gerilim uygulanması ile gerçekleştirilir.
23-21
Şekil 23-23 Ana Kontrol Devresi Üç Fazlı Sıfır Gerilim Anahtarı
Deney Devresinin Açıklaması
Bu deneyde kullanılan üç devre vardır: (1) ideal yarım-dalga anahtarlama devresi, (2)
triyak sıfır gerilim anahtarlaması devresi ve (3) CA3059 sıfır gerilim anahtarlaması
devresidir. İlk devre ,Şekil 23-24’te gösterildiği gibi, bir ideal yarım-dalga
anahtarlaması devresidir. S1’in kontakları açık iken, kaynağın negatif yarım
dalgasında, C1 kapasitörü R1 ve D1 üzerinden kaynak geriliminin tepe noktasına şarj
olur.
Ac kaynak gerilimi negatif tepe değerinden uzaklaşırken, C1 kapasitörü C2 ve D2
üzerinden deşarj olur, böylece Q1’e kesim yönünde kutuplama uygular. Bu durum, ac
kaynak geriliminin sıfırdan pozitife geçişi ile SCR1’in tetiklenmesini sağlar, böylece
senkron bir kapama gerçekleştirilir. SCR1’in tutucu karakteristikleri pozitif
yarım-dalganın geri kalan kısmında da SCR1’in iletimde kalmasını sağlar ve yük
akımının sıfıra ulaştığı noktada devrenin senkron bir şekilde açılmasını sağlar. S1
kontakları kapalı iken, C1 kapasitörü R5 üzerinden hızla sıfır gerilime deşarj olur,
böylece Q1’e iletim yönünde kutuplama sağlar. Q1’in iletime geçmesi SCR1’i kesime
götürür.
23-22
Şekil 23-24 İdeal Yarım Dalga Anahtarlaması Devresi
İkinci devre, Şekil 23-25’te gösterildiği gibi triyak sıfır gerilim anahtarlaması devresidir.
S2 kontakları açık iken, SCR kesimdedir ve pozitif yarım dalganın başlangıcında
3µF’lık kapasitörden gelen akım nedeniyle triyak iletime geçer. Yük gerilimi C3
kapasitörünü şarj eder, hat geriliminin sonraki negatif yarım dalgasında triyak
enerjilenir. Sıfır gerilim anahtarlaması SCR ile sağlanır. Triyak tutma karakteristiğinde
olduğundan pozitif yarım dalga boyunca S2 anahtarı kapatılarak SCR2’nin OFF
durumdan ON duruma geçirilmesi triyakı etkilemez. Buna ek olarak, periyodun
başlangıcında SCR2 iletime geçirilirse, ters kutuplanana kadar SCR iletimde kalacağı
için periyot boyunca triyak tetiklenemez.
Şekil 23-25 Triyak Sıfır Gerilim Anahtarlaması Devresi
Şekil 23-29’daki devre, CA3059 sıfır gerilim anahtarlaması, bu deneyde kullanılan
üçüncü devredir. Çalışma prensibi daha önce anlatılmıştı. Bu devre sıfır gerilim
anahtarlaması ile kontrol noktasında yarım çevrim fenomeni ile sonuçlanan ac
gerilimin sıfır gerilim geçişini algılar. Şekil 23-26 bu fenomeni gösterir. Kalan 8.3ms
boyunca, sıfır gerilim anahtarındaki diferansiyel kuvvetlendirici durum değiştirebilir ve
daha fazla darbe çıkışını engeller. Diferansiyel kuvvetlendiricinin kararsız bölgesi ac
hat geriliminin negatif yarım dalgası boyunca 5 nolu darbenin triyakı tetiklemesini
engeller.
23-23
Şekil 23-26 Sıfır Gerilim Anahtarında Yarım-Çevrim Fenomeni
KULLANILACAK ELEMANLAR
KL-53011 Modülü
KL-53012 Modülü
Dual Trace Osiloskop
Multimetre
DENEYİN YAPILIŞI
1. Şekil 23-27’de gösterildiği gibi ideal yarım-dalga anahtarı devresini KL-53011
modülüne yerleştirin.
Şekil 23-27 Deney Devresi (1)
23-24
2. S1’i OFF duruma getirin. Tablo 23-1’de istenen dalga şekillerini ölçün ve
kaydedin.
Tablo 23-1
VC1
V Q1C
V Q1B
SCR A
3. SCR____________(iletime yada kesime) geçti.
4. SCR iletim açısı yaklaşık olarak _________ derece.
5. S1’i ON duruma getirin. Tablo 23-2’de istenen dalga şekillerini ölçün ve kaydedin.
Tablo 23-2
VC1
V Q1C
V Q1B
SCR A
6. SCR____________(iletime yada kesime) geçti.
7. 7. S1’i tekrar OFF duruma getirin.
SCR__________(iletime yada kesime) geçti.
8. Şekil 23-28’de gösterilen triyak sıfır gerilim anahtarlaması devresini KL-53012
modülüne yerleştirin. Bu devreye 110VAC uygulayın ve LP soketine 110V lamba
yerleştirin.
23-25
Şekil 23-28 Deney Devresi (2)
9. S1’i OFF duruma getirin. Osiloskopu kullanarak, Tablo 23-3’te istenen dalga
şekillerini ölçün ve kaydedin.
Tablo 23-3
SCR G
SCR A
TRIAC G
TRIAC T1
10. Triyak____________(iletime yada kesime) geçti.
11. Triyak iletim açısı yaklaşık olarak _________ derece.
12. S1’i ON duruma getirin. Tablo 23-2’de istenen dalga şekillerini ölçün ve kaydedin.
23-26
Tablo 23-4
SCR G
SCR A
TRIAC G
TRIAC T1
13. Triyak _____________ (iletime yada kesime) geçti.
14. Neden devre triyak sıfır gerilim anahtarı olarak adlandırılmıştır?
______________________________________________________________
______________________________________________________________
15. 9. adımdan 13. adıma kadar bütün adımları tekrar edin. Devre normal çalışıyor
mu?
______________________________________________________________
______________________________________________________________
16. CA3059 sıfır gerilim anahtarlaması devresini, Şekil 23-29’da gösterildiği gibi,
KL-53012 modülüne yerleştirin. Bu devreye 110V ac gerilim uygulayın ve LP
soketine 110V lamba yerleştirin. S1’i OFF duruma getirin. Osiloskopu kullanarak,
Tablo 23-5’te istenen dalga şekillerini ölçün ve kaydedin. Lamba parlaklığını
sonuna kadar arttırmak üzere VR1’i çevirin.
Şekil 23-29 Deney Devresi (3)
23-27
Tablo 23-5
VG（pin 4）
VT2
VL
17. VR1’i çevirerek dalga şeklinde ve lamba parlaklığındaki değişimleri kaydedin.
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
18. Maksimum parlaklık elde edecek şekilde VR1’i çevirin. Multimetreyi kullanarak,
CA3059’un 13 nolu pinindeki gerilimi ölçün ve kaydedin. ___________________
Minimum parlaklık elde edecek şekilde VR1’i çevirin. Multimetreyi kullanarak,
CA3059’un 13 nolu pinindeki gerilimi ölçün ve kaydedin. ___________________
Bu iki sonucu karşılaştırın ve farkı yorumlayın.
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
19. CA3059’un 13 nolu pinindeki minimum tetikleme gerilimi nedir?
______________________________________________________________
______________________________________________________________
20. Termistöre sıcak bir havya yaklaştırın. Anahtarlamadaki değişimleri gözlemleyin
ve kaydedin.
______________________________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
23-28
SONUÇ
Sıfır gerilim anahtarlarının ana fonksiyonu ac güç devrelerinde minimum
elektromanyetik girişim üretmektir. Şekil 23-28’deki deney devresi, bir yarım dalga
anahtar olarak çalışır. Tam dalga güç kontrolü yapabilmek için bazı değişiklikler
yapılmalıdır.
Şekil 23-29’daki devrede düşük duyarlılıklı bir sensör kullanıldığında, sıfır gerilim
anahtarı lineer modda çalışmaya çok yaklaşır. Bu modda, pozitif yarım dalgadaki çıkış
tetikleme akımı triyak tetiklemek için yeterli olabilir, ancak bu tetikleme negatif yarım
dalga için yeterli değildir. Bu durum yarım çevrim fenomenini ortaya çıkarır, örneğin
triyak pozitif yarım dalgada iletimde negatif yarım dalgada kesimde olabilir.
23-29