Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>ÖZEL</strong> <strong>TRİSTÖRLER</strong><br />
Tristör tanımının dışında kalan bazı tristörler bulunmaktadır.Bunların bazı özellikleri normal<br />
tristörlerdekine benzemekle beraber yeni yetenekler eklenmiştir. Bunlar iki yönlü iletebilme<br />
veya tıkama , ters kapı akımıyla tıkamaya sokulabilme , ışıkla iletime geçirilebilme gibi<br />
özelliklerdir.<br />
TRİYAK<br />
TANIM VE <strong>ÖZEL</strong>LİKLERİ:<br />
Tristörün sadece bir yönde akım iletimini gerçekleştirmesi özellikle AC güç kontrol<br />
devrelerinde çoğunlukla dezavantajdır.Her iki yönde de iletime geçirilebilen bir eleman<br />
mevcuttur.Bu eleman triyaktır.<br />
Triyak (TRIAC),”Triode (three electrode) AC” [üç elektrotlu] yarı iletken anahtar olarak<br />
anılabilir fakat genel kullanımı bu kelimelerin baş harflerinin kullanılmasıyla kısaltılmıştır.<br />
AC devrelerinde, tristörler gibi bir kapı sinyali kontrolüyle akım anahtarlamalarında<br />
kullanılırlar.<br />
Akımı her iki polariteyi de geçirebilme ya da tıkama özelliği bulunur ki bu özelliğinden<br />
dolayı , triyak -genel olarak– iki yönlü triyot tristör olarak adlandırılır. İki tek yönlü<br />
tristörün ters paralel bağlanmış şekli gibi davranırlar. Böylece , uygulanmış olan gerilimin<br />
her iki polaritesini de iletme ya da tıkama yeteneğine sahiptir. Bir pozitif veya negatif kapı<br />
akımı kullanarak her iki yönde akım geçişi sağlanabilir. Özellikle şebeke frekanslı AC<br />
kontrolü için kullanılırlar. Triyağın kullanışlılığı ve güç tutabilme özelliğinin artması<br />
nedeniyle AC , DC motor hız kontrolü (ve çalıştırılması) ; ışık ayarı (dimmer) ;AC statik<br />
anahtarlama ve ısıtıcı kontrolü gibi tam dalga kontrol uygulamaları için aranan ve çok<br />
elverişli bir elemandır. Bir kristal yapı içinde iki ters paralel p-n-p-n zincirini sağlamak zor<br />
olduğun için trisrörler kadar büyük akım ve gerilim değerleri için üretilmezler.Triyağın<br />
kullanımı , normal bir tristöre göre,bir soğutucu ve bir tetikleme devresi yeterli olduğundan<br />
daha ekonomiktir.<br />
Anot gerilimi UA ve kapı gerilimi UG ‘nin yönüne bağlı olarak triyağın 4 tetikleme bölgesi<br />
vardır(1.,2.,3.,4. Bölgeler).<br />
Triyaklar , 200 A akım değeri ve 1000 V gerilim değerlerine kadar kullanılabilir. 400 Hz’e<br />
kadar ve özellikle 50-60 Hz’de kullanılabilir.Tipik tetikleme seviyeleri ve büyüklükleri<br />
tristörünkilere benzerdir.Mesela , 10 -2 mertebesindeki akımlar ve 1 veya 2 voltluk kapı<br />
tetikleme sinyali ; 1 ve 2 V iletimdeki gerilimini kapsayan bir sahadadır.<br />
Triyak ve normal tristör arasındaki yön kavramından kaynaklanan farklılığı görmezlikten<br />
gelirsek, aralarında birçok benzerliğin olduğunu görebiliriz.Bunlar , ilgili kullanılan terimler<br />
(terminoloji) ; tetikleme metotları , uygulamaları ; 1. Bölge karakteristikleri ve üretim<br />
teknikleridir. Triyaklarda kapı akımına hassasiyet normal tristörlere nazaran daha azdır ,<br />
serbest kalma süreleri daha uzundur.Kritik gerilim yükselme hızları da daha küçüktür.Bu<br />
nedenle endüktif yüklü uygulamalarda kullanımları zordur çünkü kapı kontrolleri tekrar elde<br />
edilemez<br />
Şekil 1.1‘de bir tipik düşük akımlı triyağın değerleri verilmiştir.Birçok triyak açıklaması ,<br />
sembolü , ve büyüklükleri tristördekilerle aynıdır.Bu tablodaki veriler genellikle en kötü haldir,<br />
bu nedenle ana uç ve kapı polaritesi durumlarından en zorlusunu yansıtır.Triyak kapı<br />
nicelikleri tepe değerleri ile en düşük kapı tetikleme seviyeleri değerleri<br />
karıştırılmamalıdır.Kapı nicelikleri tepe değeri , maksimum izin verilen kapı kaybı ve düşük<br />
kapı tetikleme seviyeleri değerleri de , tetiklenme için gerekli olan minimum seviyeyle<br />
1
ilgilidir.Şekil 1.1.(a) ve (b). Tipik triyak verileri , geçirme akımı ve maksimum sıcaklık ile<br />
ilgili olan grafikleri içerir.<br />
Kapama Durumunda Periyodik<br />
Gerilimin Tepe Değeri ,VDROM<br />
Kapı Tetikleme Akımı Tepe Değeri ,<br />
IGTM , (Max.1μs için)<br />
Kapı Güç Kaybı, PGM (tepe) (Max 1μs<br />
ve IGTM ≤ 4 A (tepe) için)<br />
40485 40486<br />
200 V 400<br />
V<br />
4 A 4 A<br />
16 W 16 W<br />
Ortalama PGAV 0,2 W 0,2 W<br />
Geçirme Akımı RMS Değeri, It(RMS) ,<br />
TC =+75°C ve 360°’lik iletme açısı<br />
için<br />
Karakteristik<br />
Kapamadaki Akım Tepe Değeri ,<br />
TJ=+100°C için<br />
Maksimum İletim Gerilimi,<br />
İT = 30 A(tepe) ve TC =+25°C için<br />
6A 6A<br />
Şekil 1.1.(a) MT ve Kapı Geriliminin Her İki<br />
Polaritesine Ait Bazı Büyüklükler<br />
Sınırlar<br />
Sembol 40485 40486<br />
Birim<br />
Min Tİpik Max Min Tipik Max<br />
IDROM -- 0,1 4 -- 0,2 44 mA<br />
vT -- 1,6 4 -- 1,6 2,25 V<br />
DC Tutma Akımı , TC =+25°C için IH0 -- 15 2,25 -- 15 30 mA<br />
Komutasyon Gerilimi Kritik<br />
YükselmeHızı, VDROM=VD, It(RMS)=6A,<br />
di/dt=3,2A/ms ,TC =+75°C için<br />
Kapama Gerilimi Kritik Yükselme Hızı<br />
, TC =+100°C<br />
DC Kapı Tetikleme<br />
Akımı,VD=12V(dc),RL=12Ω,TC=+25°<br />
C için<br />
I.Bölge<br />
III.Bölge<br />
IV.Bölge<br />
II.Bölge<br />
DC Kapı Tetikleme Gerilimi , RL=12Ω<br />
VD=12V(dc), TC=+25°C için ve<br />
VDROM=VD, RL=125Ω , TJ=+100°C için<br />
Kapı Kontrollü İletime Geçme Zamanı<br />
(Gecikme Zamanı + Yükselme<br />
Zamanı)<br />
3 10 30 3 10 -- V/μs<br />
dv/dt 30 150 -- 20 100 --<br />
IGT mA<br />
-- 15 25 -- 15 25<br />
-- 15 25 -- 15 25<br />
-- 25 40 -- 25 40<br />
-- 25 40 -- 25 40<br />
VGT -- 1 2,2 -- 1 2,2 V<br />
0,2 -- -- 0,2 -- --<br />
tGT -- 2,2 -- -- 2,2 -- μs<br />
Termik Direnç (Jonksiyon-Gövde) -- -- 4 -- -- 4 °C/W<br />
Şekil 1.1.(b).Karakteristikler.<br />
2
ANA UÇ KARAKTERİSTİKLERİ:<br />
Şekil 1. 2.Ana Triyak Yapısı ve Devre Sembolü<br />
Ana triyak yapısı şekil 2‘de gösterilmiştir.Triyakda iki yönlü akım geçişi olabildiğinden<br />
dolayı ana uçlar , anot ve katot yerine MT1 ve MT2 olarak adlandırılır.MT1 ucu , kapı<br />
ucundaki ve MT2 ucundaki akım gerilim ölçümündeki referans noktasıdır.Her iki ana ucun da<br />
,hem n –tipi hem de p- tipi emiter ile omik kontakları vardır.MT2’deki n-tipi emiter ,MT1<br />
‘deki p- tipi emiterin direk olarak tersindedir ve MT2’deki p-tipi emiter , MT1’deki n-tipi<br />
emiterin direk olarak tersindedir.Bu da, MT1 ve MT2 uçları arasındaki bölgenin p-n-p-n ve np-n-p<br />
zincirlerinin paralel bağlantısından oluştuğunu gösterir.Kapı bölgesi daha karmaşık bir<br />
yapıdadır.<br />
Bu eleman bir kısa devre emiter yapısına sahiptir.n emiterleri ,komşu p bölgelerine kısa<br />
devre edilmiştir.Bu nedenle ,bu jonksiyonların gerilimleri sıfırdır.Eğer kapıya bir darbe<br />
uygulanırsa , elektronlar n3 ‘den p2 ‘ye doğru hareket eder.Elektronlar n2 ‘ye birikir ve iletime<br />
geçme oluşur.Eğer kapıya negatif bir darbe uygulanırsa ,elektronlar n4 ‘den p2 ‘ye hareket eder<br />
ve sonuçta yine tetiklenme gerçekleşmiş olur.<br />
Anot gerilimi UA ve kapı gerilimi UG ‘nin yönüne bağlı olarak triyağın 4 tetiklenme bölgesi<br />
bulunmaktadır(Şekil 1.3.).Triyak 1 ve 3. bölgelerde en hassastır ,tetiklenmesi en kolaydır.Daha<br />
sonraki hassasiyet sırası 4 ve 2 .bölgelerdir .Modern triyaklar bu 4 bölgede de tetiklenebilecek<br />
yapıdadır.<br />
Şekil 1. 3. (a) Anot Akım-Gerilim Karakteristiği , (b)Tetiklenme Bölgeleri<br />
3
Şekil 1.3.(a)‘da AC akım-gerilim karakteristiği gösterilmiştir. Referans noktası olarak MT1<br />
alınmıştır . 4 tetiklenme bölgesini inceleyecek olursak , 1. bölge MT2’ nin MT1‘e göre pozitif<br />
olduğu bölge ve 3. bölge de MT2 ’nin MT1 ‘e göre negatif olduğu bölgedir.Normal tristördeki<br />
gibi triyak da kapamadan iletime devrilme gerilimi V B0 ‘da geçer.İletimde, ana akım, IH tutma<br />
akımı altına düşene kadar kapı kontrolünü kaybetmiştir. Devrilme noktasına kapı ucuna pozitif<br />
veya negatif bir darbe uygulanarak daha düşük bir ana uç geriliminde ulaşılabilir . Devrilme<br />
geriliminin (VB0 ‘ın) ,her iki bölgede de , kapı kontrolünü yitirmemek için , uygulanan normal<br />
AC dalga şeklinden büyük olması gerekir . Böylece her iki polaritede, belirtilmiş genlikteki bir<br />
kapı akımı , her iki bölgede triyağı iletime sokacaktır . Eğer VB0 aşılırsa (kısa süreli de olsa) ,<br />
triyak iletime geçer ve akımı ,tutma akımı IH‘ın altına düşene kadar iletimde kalır . Bu hareket<br />
triyakta aşırı süreksiz gerilimler için doğal bir bağışıklık sağlar ve genelde yardımcı koruyucu<br />
elemanlar için duyulan ihtiyacı yok eder . Bazı uygulamalarda ,triyağı süreksiz sinyalle iletime<br />
sokmak , kontrol edilen devrede bazı istenmeyen ve tehlikeli sonuçlar doğurabilir . Triyağın<br />
kendisi bu geçici sinyallerden zarar görmese bile , iletime geçmesini önlemek için geçici sinyal<br />
bastırması gereklidir.<br />
Şekil 1.4. Triyak Kesit Görünüşü ve Farklı Çalışma Durumlarında Akım Geçişi<br />
Şekil 1.4 ‘de MT2 ve kapının durumuna göre jonksiyonlar arası akım geçişi gösterilmiştir.<br />
Şeklin üst yarısı , MT2 pozitifken (MT1 referans alınmıştır) negatif ve pozitif kapı tetiklemesi<br />
olasılığını gösterir.Pozitif kapı gerilimi ile , kapı akımı , gösterilmiş iletimdeki (forward biased)<br />
p-n jonksiyonundan geçerek kapıdan MT1’e akar.<br />
Negatif kapı sinyalleri de triyağı tetikleyebilir.Tek fark , asimetri ve ana akım etkilerinden<br />
dolayı ihtiyaç duyulan IG akımı seviyesindeki bazı farklılıklar ve kapı akım yoludur.<br />
4
Tristörlerin kapamaya geçmesi için tam bir negatif yarım periyodu vardır fakat triyak , her iki<br />
yarım periyotta da iletir ve bu nedenle ana gerilim sıfırdan geçerken triyak kısa bir sürede<br />
kapamaya geçmelidir.<br />
Tristörlerdekine benzer olarak , triyak akım büyüklükleri maksimum jonksiyon sıcaklığına<br />
bağlıdır . Akım büyüklüğü –uygun soğutma şartlarında -, güç kaybı , (RThJC ) (iç termik direnç)<br />
jonksiyon gövde termik direnci ile belirlenir . Eğer gövde sıcaklığının belirlenmiş değerinin<br />
üstüne çıkmasına izin verilirse,triyağın belirlenmiş gerilimini tıkaması ya da ana uç akımı sıfır<br />
değerine düştüğünde emniyetli (güvenilir) bir iletimden çıkma olayı garanti edilemez.<br />
Endüktif yükler için , hat akımı ve hat gerilimi arasındaki faz kayması triyağın iletimden<br />
çıkması anlamına gelir ve daha sonra triyak uçlarında oluşması gereken belirli bir hat gerilimi<br />
meydana gelir. Eğer bu gerilim çok hızlı bir şekilde oluşursa , yük taşıyıcılarında çığ oluşabilir<br />
ve bu çığ sonucu triyak hemen tekrar iletime girer . Belirli endüktif yüklerle uygun bir<br />
komutasyon elde etmek için dv/dt değeri , triyağa paralel bağlı RC devresiyle ya da akım<br />
– gerilim faz kayması veya jonksiyon sıcaklığının azaltılmasıyla sınırlandırılmalıdır.<br />
KAPI TETİKLEME KARAKTERİSTİKLERİ:<br />
Triyak , 1. ve 3. bölgelerde , düşük enerjili pozitif veya negatif kapı akımlarıyla<br />
tetiklenebileceği için devre tasarımcısı kontrol elemanlarını seçebilmesi için geniş bir alana<br />
sahiptir.Tetikleme , DC ,doğrultulmuş AC, AC , veya UJT , neon lamba ,anahtarlama diyotları<br />
[(ST2)diyak,SBS, asimetrik tetikleme anahtarı(ST-4)] gibi darbe kaynaklarından elde edilebilir<br />
.Burada önemli olan , iki yönlü karakteristik sergileyen tetikleme elemanları kullanmaktır . Bu<br />
olay , tetikleme elemanı sinyali , AC hattan elde edildiğinde önem kazanır ve bazı belirli pozitif<br />
ve negatif gerilimlerde tetikleme elemanının devrilmesi veya iletmesi istenilir bir olaydır.<br />
TRİYAK TETİKLEME DURUMLARI<br />
MT1’e göre MT1’e göre Çalışma<br />
MT2 GERİLİMİ<br />
Pozitif<br />
Pozitif<br />
Negatif<br />
Negatif<br />
KAPI GERİLİMİ<br />
Pozitif<br />
Negatif<br />
Pozitif<br />
Negatif<br />
Bölgesi<br />
I (+) I<br />
I (-) IV<br />
III (+) II<br />
III (-)III<br />
Not:(+) ve (-) işaretleri kapı tetikleme akımı veya<br />
geriliminin polaritesini gösterir. MT1 ucu referans noktasıdır.<br />
Şekil 1.5. Triyak Tetikleme Durumları<br />
Triyağın hassasiyeti II. ve IV. bölgelerde biraz daha düşük olduğundan özel durumlar<br />
oluşmadıkça bu bölgelerde (özellikle II. bölgede) kullanılmaz.Böyle bir durumda, bu uygulama<br />
için özel olarak seçilmiş triyaklar kullanılabilir.<br />
Triyağın V-I karakteristiğini incelenirse , kapı ve MT1 uçları arasında düşük non-lineer<br />
empedansın bulunduğu görülür . Karakteristik , bir çift diyodun ters paralel biçimde<br />
bağlanmasıyla oluşan karakteristikle benzerdir.<br />
Triyak çalışma teorisi hakkında temel sağlayan 4 ana tristör kavramı vardır:<br />
a)Temel Geri Tıkamalı Triyot Tristör(The Basic Reverse Blocking Triode Thyristor or SCR)<br />
b)Kısa Devre Emiterli Tristör(The Shorted Emitter Thyristor)<br />
c)Jonksiyon Kapı Tristörü(Junction Gate Thyristor)<br />
d)Uzak Kapı Tristörü(Remote Gate Thyristor)<br />
5
c)Jonksiyon Kapı Tristörü şekil 1.6‘da gösterilmiştir.<br />
Şekil 1.6. Jonksiyon Kapı Tristörü<br />
Başlangıçta , IG kapı akımı , yardımcı p1–n1–p2–n3 yapısının p2–n3 kapı jonksiyonunu iletime<br />
sokar ve p1–n1–p2–n3 yapısının iletime geçmesiyle bu yapıdaki gerilim düşümü azalır . p2<br />
bölgesinin sağ tarafı anot potansiyeline erişmeye başlar . p2 ‘den yanal bir akım geçer . p2-n2<br />
‘nin sağ köşesi iletime geçtiğinde elektronlar bu noktaya gelir ve ana yapı iletime geçer.<br />
d)Uzak Kapı Tristörü şekil 1.7 ‘de gösterilmiştir.<br />
Şekil 1.7. Uzak Kapı Tristörü<br />
Dış kapı akımı , IG , p1-n3 ‘ ün iletime girmesine neden olur ve şekilde gösterildiği gibi<br />
elektronlar hareket eder . Bu elektronlar , p1 bölgesinde yayılır ve p1–n1 jonksiyonu tarafından<br />
toplanır . p1–n1 iletime geçse bile hala bir kollektör gibi hareket eder . n3 ‘deki elektronlar , p1–<br />
n1 tarafından toplanır ve p1–n1 ‘de bir akım artışı meydana gelir.Eleman tekrar iletime geçer.<br />
Yukarıdaki 4 elemanın belirgin özellikleri tek bir elemanda birleştirilebilir.Bu eleman<br />
triyaktır.<br />
Aşağıda tipik bir triyağın yapısı gösterilmiştir (Şekil 1.8).Çalışma şekli şu şekildedir:<br />
a)Ana uç 2 (MT2) pozitif , pozitif kapı akımı ;<br />
Bu durumda ,triyak ,tam olarak sıradan bir tristör gibi davranır.Aktif bölümler p1–n1–p2–n2<br />
‘dir.<br />
b) Ana uç 2 (MT2) pozitif , negatif kapı akımı;<br />
Çalışma , jonksiyon kapı tristörününkine benzedir. p1–n1–p2–n2 ana yapıdır. n3 de jonksiyon<br />
kapı bölgesi olarak davranır.<br />
c) Ana uç 2 (MT2) negatif , negatif kapı akımı;<br />
Uzak kapı durumudur. p2–n1–p1–n4 ana yapıdır.<br />
d) Ana uç 2 (MT2) negatif , pozitif kapı akımı;<br />
6
p2-n2 iletimdedir ve p2–n1 tarafından toplanan elektronları enjekte eder . p2–n1 daha çok ileri<br />
ön gerilime sahip olur. p2–n1–p1–n4 ‘den geçen akım oranı artar ve bu bölüm iletime geçer.Bu<br />
durum da , uzak kapı çalışmasına benzerdir.<br />
TRİYAĞIN KULLANIMI:<br />
Şekil 1.8. Tipik Triyak Yapısı<br />
Triyağın basitliği ve çok yönlü olması , AC güç kontrolünü içeren uygulamalarda geniş bir<br />
çeşitlilik sağlayarak onu ideal yapar.<br />
Triyağın kapısına tetikleme darbesinin sağlanmasında iki yönlü tetikleme gereksinimleri için<br />
ideal olarak uygun olan 3 eleman vardır. Bunlar , neon lamba , diyak , ve silisyumlu iki yönlü<br />
anahtar tristördür (SBS).<br />
a)STATİK ANAHTARLAMA:<br />
AC devrelerde triyağın bir statik anahtar olarak kullanılması , mekanik anahtarlama hakkında<br />
belirli avantajlar verir . Denk bir röleyle karşılaştırırsak çok düşük bir güç kontrol kaynağıyla<br />
oldukça büyük akımların kontrol edilmesine izin verir.Triyak her yarım dalgada kilitlendiğinde<br />
(latching) , bir kontak sıçraması olmaz . Triyak , daima sıfır akımda açıldığından , herhangi bir<br />
ark veya güç ya da yük hattında depolanmış endüktif enerjiden dolayı güçlenen geçici gerilim<br />
oluşmaz . Ayrıca , bileşen sayısında – diğer yarı iletken statik anahtarlarla karşılaştırıldığında-<br />
etkileyici bir azalma vardır . Bunun nedeni , kapı tetikleme sinyali ve ana gerilimin her iki<br />
polaritesini de iletme yeteneğindendir . Devre basitliğinin en dikkat çeken örneği şekil 1.9’da<br />
gösterilen temel statik anahtardır.<br />
Triyağın tetiklenmesi için gerekli olan sadece birkaç mikrosaniye süresince kontaklar akım<br />
tuttuğu için , şekildeki (şekil 1.9.(a)) anahtar yerine (reed switch) , röleler , termostatlar , basınç<br />
anahtarları , program / timer anahtarları gibi geniş çeşitlilikteki küçük anahtarlama elemanları<br />
kullanılabilir. Bu devre , [MT2+ ,kapı+] ve [MT2- , kapı-] , kapı tetikleme durumlarını<br />
kullanır. Şekil 1.9(b), basit 3 pozisyonlu güç kontrolü elde etmek için , dalgalanma sınırlayıcı<br />
direnci ile seri olan düşük akım diyodu ve bir 3 pozisyonlu anahtarın kullanımını gösterir .<br />
1.pozisyonda herhangi bir kapı bağlantısı yoktur ve güç verilmez . 2.pozisyonda , kapı akımına<br />
sadece bir yarım periyotta izin verilir ve yükteki güç yarım dalgadır.<br />
7
Şekil 1.9.Triyağın Statik AC Anahtarlama Uygulamaları<br />
3.pozisyonda , her iki yarım periyotta da kapı akımı vardır ve güç tam olarak bulunur.Şekil 1.9<br />
(c)’de gösterildiği gibi , bu anahtar yerine trafo da kullanılabilir.Burada, R direnci , primerden<br />
toprağa mıknatıslanma akımını şönt etmek için seçilir . Bu devre , yalıtılmış düşük gerilim<br />
kontaklarıyla kontrolü sağlar.<br />
Çok kanallı çalışmalardaki işitsel (audio) kodlanmış giriş sinyallerinde tam frekans<br />
seçilebilirlik anahtarlamaları sağlamak için şekil 1.9(a) ’ daki gibi devredeki triyakla birlikte<br />
rezonant-reed röleler kullanılır.Daha düşük frekanslarda , bazı tetikleme noktası modulasyonu<br />
hat frekansı darbesinden meydana gelir.<br />
Şekil 1.10. (a)DC Kontrol (b) AC Kontrol<br />
Diğer yararlı anahtarlama devreleri , şekil 1.10 ’ da gösterilmiştir ve triyak AC ve DC<br />
tetiklemesini gösterir . S1 anahtarı , termistör , fotosel veya şekil 1.11 ’ de gösterildiği gibi<br />
elektriksel sinyal ile kontrol edilen bir transistör ile yer değiştirebilir. 600 Hz’in üstündeki daha<br />
yüksek frekanslar da etkilidir . Kumanda kontrol çalışması veya bir sistemin teyp kayıt<br />
programlanması için diğer statik veya dinamik filtre devreleri kullanımıyla frekans seçiciliği<br />
elde edilebilir . Ne olursa olsun , triyak tetikleme hassasiyetinin her iki polaritede veya her<br />
bölgede (I,II,III,IV) tümüyle aynı olmadığı,bu nedenle bir eşik dedektörü olarak kullanılmadığı<br />
için tetikleme sinyali ON ya da OFF biçiminde olmalıdır.<br />
Düşük seviye DC lojik kaynağı gözönünde tutulursa, şekil 1.11’deki transistör bağlantıları<br />
bir triyak veya bir dizi triyağın sürülmesi için idealdir . Bunun bir örneği şekil 1.12 ’ de<br />
gösterilmiştir ve burada bir AC güç flaşör düzenlemesinde bir transistör flip-flop devresiyle iki<br />
triyağın tetiklenmesi gösterilmiştir.<br />
8
Şekil 1.11 Transistörlü Kapı Kontrolü<br />
Şekil 1.12. AC Güç Flaşörü.(R2’nin ayarlanmasıyla, belirtilen frekansta triyak 1 ve 2 birbirini takip ederek<br />
ardarda iletime girer.)<br />
Triyak 1-2: GE SCI51B (1kw yük için) / GE SCI46B (600 kw yük için)<br />
CR1-CR 4 : GE AI4F<br />
Q1: GE 2N26 46 / Q2-Q3: GE2N3416<br />
C1 :500μF 25 V Elektrolitik / C2 :0,2 μF / C3 ,C 4: 0,05 μF<br />
R1:56Ω 2W<br />
R2:2 MEG TRİMMER / R3:1 MEG / R4 :100 Ω / R7-R8-R9 : 680 Ω / R10 R11 R12 R13:10 kΩ<br />
b)TETİKLEYİCİ DİYOT İLE ATEŞLEME:<br />
Şekil 1.13 ’ te gösterildiği gibi , temel tam dalga triyak faz kontrol devresi oluşturmak için<br />
sadece 4 bileşene ihtiyaç duyulur . Bunlar , ayarlanabilir R1 direnci ve C1 kapasitesi , diyak ve<br />
triyaktır . Diyak karakteristiği , ileri veya geri yönde olmak üzere benzer simetride yaklaşık<br />
olarak ±32 V’ta diyağın devrilmesini gösterir.Ayrıca ,bir negatif direnç karakteristiği ve düşük<br />
tetikleme - akım gereksinimlerini sergiler . C1 üzerindeki gerilim diyağın (iki yönlü tetikleyici<br />
diyot) VBO devrilme gerilimine ulaştığında , C1 , diyak üzerinden triyağın kapısına kısmen<br />
boşalır . Şekilde diyak , C1 kapasitesi yaklaşık olarak ±32 V’ a kadar şarj olduğunda devrilir ve<br />
bu değer de 115 veya 230 V ’ luk hat için uygun bir seviyedir. Bu yarım periyodun kalanında ,<br />
bu darbe triyağı iletim durumuna tetikler . Dalga şeklinde gösterildiği gibi yarım periyodun geri<br />
kalanında hat gerilimi yüke taşınır. R1 direnci oldukça düşük bir direnç değerine ayarlandığında<br />
,tetikleme her alternansta erken gerçekleşir ve yük gücü artar . R1 direnci arttırıldığında , C1 ‘in<br />
diyak devrilme gerilimine ulaşması için gerekli olan zaman da büyüyecek ve hat geriliminin<br />
küçük bir yüzdesi yüke uygulanacaktır.<br />
9
Şekil 1.13.Temel Diyak-Triyak Faz Kontrolü<br />
Şekildeki kapasite-gerilim dalga şekli , kapasite gerilimindeki istenmeyen etkileri gösterir. İlk<br />
diyak tetiklenmesinde kapasite gerilimi, diyak ileri gerilimi seviyesine kadar azalır.Böylece, C1<br />
gerilimi öncekinden daha düşük bir gerilimden şarj olmaya başlar ve devrilme gerilimi bir<br />
sonraki periyotta daha sonra oluşur . VC1 ‘ deki bu azalma istenmeyen bir histeresis etkisine<br />
neden olur .Yükü başlatma ve durdurma ayarı aynı olmayacaktır.Bu ,bir lamba ayarlayıcısında<br />
(lamp dimmer) ,lambanın geçirmeye geçmesi ve ayarların %40 kadar aynı zamana rastlamadığı<br />
anlamına gelir.Böylece potansiyometre kontrol sahası %60 ‘a sınırlandırılmış olur.Bunun için<br />
şekilde kesikli çizgiyle gösterilmiş olan ikinci bir R-C faz kayma ağının eklenmesiyle<br />
histeresis azaltılır ve saha da arttırılır .İkinci R-C zaman sabiti ilkinden daha büyük yapılır.<br />
Böylece ikinci kapasite C1 ‘i tekrar doldurur ve onun tetiklemeden sonraki normal şarjını<br />
korumasına yardımcı olur . Bu tek veya çift R-C ‘ li devre , akkor lambaların parlaklık<br />
kontrolünde kullanılabilir.Burada yük bir lamba veya lamba grubu şeklindedir.Akkor lambanın<br />
ışık şiddeti , uygulanmış gücün lineer fonksiyonu değildir . Bu nedenle , ışıklandırma , R1’in<br />
ayarlanmasıyla oldukça hızlı bir şekilde değişir . Lamba kontrolüne özgü problemlerden biri ,<br />
oldukça düşük soğuk flaman direnci nedeniyle oluşan yüksek başlama akımıdır . Bu direnç ,<br />
normal çalışma sıcaklığındaki flaman dirençten birkaç kat daha düşüktür . Bununla beraber ,<br />
genelde birkaç yüz milisaniye içinde normal dirence ulaşılır.Yüksek akım sadece bir çift devir<br />
için akacaktır. Bu devrede , tetikleme I ve III bölgelerindedir . Bu devrenin sınırlı bir kontrol<br />
sahası olmasına rağmen ve bu sahanın sonunda düşük-çıkışta büyük histeresis etkileri olmasına<br />
rağmen , lamba , ısıtıcı , fan hız kontrolleri gibi küçük uygulamaların birçoğunda devrenin<br />
basitliğinden dolayı çok uygun bir devredir.Bu basit devredeki bazı problemleri yok etmek için<br />
, tam bir kontrol sahasının gerektiği yerlerde , çok daha karmaşık devreler (dv/dt bastırma , RFI<br />
bastırma , endüktif yükler için bir paralel R-C devresi , bir mekanik ana güç anahtarı vb.)<br />
genelde kullanılır. Asimetrik tetikleyici anahtar (ST-4) gibi iki yönlü tetikleyici diyotların diğer<br />
tipleri de kullanılabilir.<br />
10
Şekil 1.14.Resistif Bir Yükün Gerilimi<br />
(a) R değeri düşükken,<br />
(b) R değeri makul bir değerde,<br />
(c) R değeri yüksekken . Şekil 1.15.Triyak Faz Kontrol Devresinde Dalga Şekilleri<br />
Şekil 1.14‘de gösterildiği gibi ,triyak yük gücünü kontrol ederken her alternansta tetiklenir.<br />
Bu nedenle ,kapı ,her alternans sonunda kontrolü elde edemez.Anot akımı IA sıfırdan geçerken,<br />
triyak iletimden çıkma eğilimindedir ve kontrolü kapıya verir.Şekil 1.15 (a)’daki dalga şekilleri<br />
,yük endüktifken triyak akımı ve kaynak gerilimi E arasındaki faz ilişkisini gösterir . IA akımı<br />
sıfıra yaklaştığı ve triyağın iletimden çıkması için elektron delik çiftleri birleştiği zaman aralığı<br />
Δt ‘dir(çizimde abartılmıştır).<br />
Şekil (b)’de triyak kapamaya geçmeye meylettiğindeki triyak gerilimi değişimi gösterilmiştir.<br />
Şekil (c) ’de ise de/dt etkisinin triyağı periyodik olarak tekrar tetiklediğindeki yük gerilim<br />
değişimini gösterir.<br />
Bu devrede gösterilmemesine rağmen , neon lamba ve SBS de iki yönlü karakteristiğe sahip<br />
olduğu için triyak tetiklenmesi için kullanılabilir . Neon lambalar , 50 V ’ tan 100 V ’ a kadar<br />
olan devrilme gerilimleriyle kullanılabilir ve SBS anahtarlama gerilimi yaklaşık olarak 8 V’tur.<br />
SBS , düşük gerilim anahtarlaması istendiğinde tercih edilir.<br />
DİĞER TRİYAK DEVRELERİ :<br />
Şekil 1.16 ,birkaç triyak motor kontrol devresini gösterir.Endüksiyon motor hız kontrolünün<br />
basitleştirilmiş bir şeması (a) ’ da gösterilmiştir . Bu devre , çamaşır makinesi gibi 3 hızlı<br />
motorlarda kullanılabilir ve 2/1 oranında sürekli hız kontrolüne ek bir avantaj sunar.Bu devrede<br />
, triyak , sürme sarımı ile seridir ve bu nedenle , motor hızını ve bu bobinin gücünü kontrol<br />
eder . Böyle bir motorun kontrolü ve regülasyonu , küçük bir takometreden elde edilen UJT<br />
kaynağı ile bir UJT darbe devresi ile sağlanır . Takometre bobini motorun ucuna ( sonuna )<br />
yerleştirilmiştir. Bunun AC çıkışı , motor hızı ile orantılıdır ve motorun hızını istenen ayarda<br />
korumak için geri beslenmiştir.<br />
11
Şekil 1.16.Triyak Motor Kontrol Devreleri<br />
(a)Endüksiyon Motoru Hız Kontrolü,<br />
(b)Santrifüj Anahtar Yerine Triyağın Bağlanması,<br />
(c)Triyak Ters Yön Motor Kontrolü.<br />
Endüksiyon motorlarının diğer bir gereksinimi,motora hız kazandırmak için başlama sarımını<br />
enerjilendirmek ve onun bağlantısını kesmek gibi yollardır . Bu görev genelde röle veya<br />
santrifüj anahtar gibi elektromekanik elemanlarla yerine getirilir.Diğer bir durumda,ilk geçirme<br />
süresince gücün başlama sarımı üzerinden akmasına izin verilir ve daha sonra elektromekanik<br />
birim ,motorun sarımını açmasına neden olur.Şekil 1.16 (c)’ de gösterildiği gibi , bir triyak , bu<br />
elektromekanik elemanın yerine kullanılabilir.Güç uygulandığında,ilk akım baskını (yığılması)<br />
süresince ,trafo kapı tetikleme gerilimini üretir ve akım kesilince gerilimi VGT altına düşer. Bu<br />
noktada , triyak iletimi durdurur ve başlama sarımı açılır.<br />
Diğer bir triyak uygulaması , şekil 1.16 (c) ’deki basitleştirilmiş şemada gösterilen ters yönde<br />
çalışan motorların kontrolüdür.Bu gibi uygulamalarda,triyaklar ,hem ileri hem de geri bobinleri<br />
enerjilendiren statik anahtarlar gibi davranır.Kontrol anahtarları , radyo frekansı veya ışık bağı<br />
yolu ile uzaktan veya normal olarak tetiklenen solid-state ya da mekanik anahtarlar olabilir.<br />
Motoru ,istenilen limitlerde durdurmak için genelde bir limit anahtarı birleştirilir. Komutasyon<br />
kapasitesi, triyak ana uç gerilimlerini tersine çevirir . Bir triyağın hala iletimde , diğerinin ise<br />
tetiklenmiş olduğu gibi bir durumda,R1 direnci, kapasite akımını sınırlandırmak için gereklidir.<br />
Eğer kapı devresi dirençlerinden biri termistörse veya buna benzer ısıya duyarlı bir bileşense ,<br />
şekil 1.13 (a) ’ daki devre, rezistans ısıtıcıya uygulanmış gücü kontrol edecektir . Bununla<br />
birlikte , ısıtıcıların genelde çok yüksek güçte olmasından , RFI aşırı olacaktır ve elverişli bir<br />
bastırma ağı büyük ve pahalı olacaktır . Bu nedenle , bir sıfır – gerilim anahtarlama devresi ,<br />
ısıtıcı uygulamalarında en sık kullanılan devredir . Bu devreler , sıfır gerilim geçişleri<br />
yakınlarında meydana gelen bir anahtarlama ile yüke , yarım veya tam dalga periyotlarını<br />
uygular. Tristörde olduğu gibi, tetiklemenin sıfır bölgesinde meydana gelmesini sağlamak için<br />
en basit ve en etkili araçlardan biri , ana gerilimle 90 ° faz farkı (önde) olan bir kapı akımını<br />
sağlamak için kapı devresinde bir kapasite kullanmaktır . Ana gerilim minimumdayken , kapı<br />
tetikleme sinyali maksimumdur , ve tetikleme , ana gerilim birkaç volta ulaşınca oluşur.<br />
12
TRİYAKLARIN KOMUTASYONU:<br />
AC devrelerinde , triyağın kullanımı ve bir çift tristörün kullanımı arasında bir önemli fark<br />
vardır .Tristörlerden her biri kapamaya geçmek için tam bir yarım dalgaya sahiptir.Oysa ki<br />
yük akımı sıfırdan geçerken triyağın komutasyonu oldukça kısa bir an içinde gerçekleşmelidir .<br />
Bu problem , 3 ve 10 V/�s değerleri arasında ortadadır (şekil 1.1 (b)’de belirtilmiş olan “kritik<br />
komutasyon gerilim hızı). Endüktif yükler ile triyağın komutasyonu zorlaşır.<br />
Triyağın kapamaya sokulmasındaki problem , elemanın her iki yönde de iletmesinden<br />
kaynaklanır . Bu nedenle , uygulanan gerilimin tersi , ters yöndeki iletime geçme olayını<br />
başlatabilecek bir algılama akımına neden olur. Bu problemi ortadan kaldırmak için , triyak ana<br />
akımı , IH ( tutma akımı ) değerinin altına düşürülmelidir . Akımın sıfırdan geçişinde var olan<br />
gerilim değişme hızına yaklaşık olarak denk olan bir zaman aralığı için ana gerilim tekrar<br />
uygulanmamalıdır . Bu zaman aralığı depolanmış taşıyıcıların tekrar birleşmesi için yeterli bir<br />
süredir.Böylece triyak tekrar iletime geçmeye hazır duruma gelmiş olacaktır.<br />
Şekil 1.17. Endüktif Yük Dalga Şekilleri<br />
Şekil 1.17 , tipik endüktif yük devresi için triyak akım ve gerilim dalga şekillerini gösterir.<br />
Endüktif yük ile , endüktans üzerindeki gerilim hemen değişebilir ve triyak gerilimi , akımının<br />
sıfıra düşmesinden sonra bir anda yükselir . Eğer sıfır akımdaki ( kapama noktasındaki ) dalga<br />
şekillerini incelersek , şekil 1.18’deki gibi bir dalga şekli bulunur . Burada da , algılama akımı<br />
fiili bir kapı akımı gibi davranır ve elemanı tekrar iletime sokmaya çalışır . Bundan başka,<br />
jonksiyon kapasitesi ve tekrar uygulanan dv/dt ‘ den dolayı geri akıma bir bileşen vardır .<br />
Bu bileşen direk olarak algılama akımına eklenir fakat triyak,ters polariteyi tıkamaya başlayana<br />
kadar bu bileşen ortaya çıkmaz . Akım değişme hızı (-di/dt ) azalınca , algılama akımı da<br />
azalır.Bu da ,verilen bir komutasyon yeteneği için düşük di/dt değerleri için ,tekrar uygulanmış<br />
yüksek dv/dt ‘lerin izin verilebilir olduğunu gösterir.<br />
Yükselme hızı dv /dt , endüktif yükteki akım sıfır olduğundan sadece triyak kapasitesi ile<br />
sınırlandırılır . Eğer dv/dt belirli bir değeri aşarsa , yeni ek koruma devreleri eklenmelidir.<br />
Standart metot , şekil 1.17’deki R1C1 gibi bir R-C bastırma devresi kullanılarak gerçekleştirilir.<br />
R1 ve C1 değerleri , kullanılan triyak , hat gerilimi ve yükün bir fonksiyonudur.<br />
13
TRİYAK TERMİK DİRENÇLERİ:<br />
Şekil 1.18. Komutasyonda Triyak Akım ve Gerilimi<br />
Bütün yarı iletken elemanlarında olduğu gibi , sıcaklık , izin verilen çalışma gücünü etkiler.<br />
Yüksek sıcaklıklarda ( genelde 125° ) sızıntı akımlar yüksektir ve istenmeyen tetiklenme<br />
tehlikesi olasılığı yüksektir .Yüksek çevre sıcaklıkları ve akımlarda düşük seviyeli triyakların<br />
çalışması için bazı soğutma şekilleri gereklidir(triyağın soğutucu plaka üzerine monte edilmesi)<br />
. Özel bir uygulama için triyağın seçiminde elverişli emniyet sınırı sağlanmalıdır . Böylece<br />
eleman aşırı değerdeki TJMAX , PGM vs. gibi değerlerle karşı karşıya bırakılmamış olur.<br />
Şekil 1.19. İki Farklı Triyak Termik Direnci<br />
GE triyak kataloglarında , aynı eleman için 2 farklı termik direnç belirtilmiştir.<br />
1)JEDEC Termik Direnci:<br />
Elemanların , birbirinin yerine geçebilme yeteneğine kanıtlamak amacıyla JEDEC tarafından<br />
belirtilmiş bir termal karakteristiktir.Bir tek yönlü DC gücünün elemanda kaybı sonucu oluşan,<br />
gövde referans noktasındaki jonksiyon sıcaklık artışının ölçülmesiyle elde edilmiş bir değerdir.<br />
Termik karakteristik her iki iletim yönü için tamamıyla aynı değildir.<br />
2)Görünür Termik Direnç:<br />
Triyak genelde AC uygulamalarda kullanılır ve sonuç olarak , JEDEC tek yönlü termik direnç<br />
değeri,maksimum gövde sıcaklığında akım büyüklüğü hesaplamalarında kullanılırken AC akım<br />
büyüklüklerinde çok az koruyucu eleman sağlar.Bunu yenmek için ,GE , görünür termik direnç<br />
değeri yerleştirmiştir ki bu da ,belirtilen bir frekanstaki akımının tam sinüs dalgası tarafından<br />
üretilen bir ortalama güç tarafından arttırıldığında , akım iletiminin her yarım dalgasının<br />
onlarında bir anlık oluşan bir jonksiyon sıcaklığı sağlar. Akım büyüklüğü , bu anlık jonksiyon<br />
sıcaklığı değerinin eleman için maksimum değer olmasıyla saptanır. Bu da herhangi bir yarım<br />
14
dalga akım iletim zaman aralıklarını takip eden kapama gerilimlerini ( dv/dt sınırlamaları ile<br />
birlikte) elemanın tıkamasına hazır hale gelmesini temin eder.<br />
Şekil 1.19 (b)’de gösterildiği gibi ,triyağın görünür termik direnci “Y” modeli ile gösterilir .<br />
”Y”nin kollarından herbiri (R���,R����) , silisyum elemanın yaklaşık olarak yarısının<br />
termik direncini gösterir (bir polaritedeki devre akımı için çalışma) . ”Y” nin ana ayağı ise<br />
silisyum eleman bağlantı noktasından referans noktasına (TC ) kadar kılıfın termik<br />
direncidir.Ayrıca GE , fazla yüklenmiş AC akım hesaplamalarında kullanılmak üzere bir<br />
görünür süreksiz termik empedans eğrisi belirtmiştir.<br />
GTO TRİSTÖR<br />
TANIM VE <strong>ÖZEL</strong>LİKLERİ:<br />
Normal tristörler güç elektroniği uygulamalarında hemen hemen ideal şalterler olarak<br />
kullanılır . Kapama yönünde birkaç bin volt değerindeki gerilimleri ve iletim yönünde ise<br />
birkaç bin ampere kadar çıkan akım değerlerini birkaç voltluk gerilim düşümü ile iletirler . En<br />
çok kullanımları , tristörün kapısına bir kontrol sinyali uygulayarak istenildiği anda iletime<br />
geçirilmeleridir . Bununla birlikte tristörlerin anahtarlama uygulamalarındaki kullanımlarını<br />
önleyen ciddi bir eksikliği vardır.Bir kontrol sinyali uygulayarak tıkamaya geçirilemezler . Bu<br />
tıkamaya geçirilme özelliğinin kazandırılması için eleman yapısında bazı değişiklikler<br />
yapılmalıdır.<br />
GTO tristör (Gate Turn-Off thyristor) , normal bir tristörde olduğu gibi p-n-p-n yapıya<br />
sahiptir fakat katot bölgesi , kapıya uygulanan pozitif bir akımın elemanı iletime sokacak ve<br />
kapıya uygulanan negatif bir akımın elemanı iletimden çıkaracak şekilde tasarlanmıştır. Sonuç<br />
olarak , sıradan bir tristörle karşılaştırırsak , GTO tristör iki yolla iletimden çıkarılabilir:<br />
a) Sıradan bir tristördeki gibi , ileri akımını tutma akımı IH0 ’ dan düşük bir değere<br />
azaltılmasıyla ,<br />
b)Kapıya negatif kapama akımının uygulanmasıyla .<br />
Geriye kalan işlevler, özellikler , karakteristiği ,normal tristör ile aynıdır.<br />
Şekil 2.1.GTO Tristörün Çalışması.<br />
15
Şekil 2.1 (a)’da tetikleme için , pozitif akım uygulanışı ; (b)’de GTO’dan geçen ileri akım IA<br />
ve J3 jonksiyon bölgesinde IA ‘den çıkarılan negatif kapama akımı – IG ; c’ de ise sonuç olarak ,<br />
IA–IG sonucunda I 0 ise , taşıyıcı sayısı artar ve bu da iletime neden olur. αnpn+α pnp , IL akımına<br />
bağlıdır.<br />
16
Eğer C < 0 olduğunda , taşıyıcılar taşınır fakat ikinci jonksiyonundaki boşaltma tabakasının<br />
artması , bu taşınma oranına karşı koyar .Bu da bir potansiyel tepe oluşturur ki bu da iletime<br />
karşı koyar . Bu durum , kapıdan akımı geri çekme ile oluşturulabilir . Böylece yeni oran:<br />
C = IG.αnpn +IL( αnpn + α pnp-1 ) olur.<br />
Kapı akımı negatiftir ve böylece , taşıyıcı oranı “C” nin negatif olmasına neden olabilir.<br />
( �npn<br />
� �pnp<br />
�1)<br />
IG��IL<br />
�npn<br />
Uygun bir geri devrilme gerilimine uygun olarak αnpn ve α pnp ‘ nin seçimiyle , iletimden<br />
çıkma oranı IL/IG , 2–10 oranındaki değerlere sahip olabilir.<br />
Maksimum periyodik frekans yaklaşık olarak 100 kc/s ‘ dir ve yüksek frekanslar büyük<br />
anahtarlama kayıpları anlamına gelir.<br />
Şekil 2.2.GTO ‘nun Düşey Kesit Perspektif Görünüşü ve GTO ‘nun Devre Sembolü<br />
Şekil 2.2 (a) ’ da , kapı katot yapısının birbiriyle çoğalan bölmeleriyle GTO ’ nun dikey<br />
kesiti gösterilmiştir . GTO ‘ da p2 baz tabakasının kalınlığı , sıradan bir tristöre oranla<br />
biraz daha küçüktür . GTO ve sıradan bir tristör yapıları arasında üç önemli fark vardır . İlk<br />
fark , kapı ve katot yapılarının , karmaşık kıvrımlı yapıları içeren çeşitli tipteki geometrik<br />
formlarla birçok bölmelere ayrılmış olmasıdır . Temel amaç , katot çevresini büyütmek ve<br />
kapıdan katot bölgesi merkezine olan uzaklığın azaltılmasıdır.<br />
İkinci fark , katodu çevreleyen silisyumun asitle aşındırılarak uzaklaştırılması ile katot<br />
bölgelerinin oluşturulmasıdır. Böylece ,katot bölgeleri , şekilde de gösterildiği gibi adalar veya<br />
yükseltiler olarak görünür. Bu katot adaları , direk olarak metal soğutucu plakasına bağlıdır ve<br />
bu da katot bağlantısının dışarıya verilmesini sağlar.<br />
Üçüncü daha önemli fark ise ,GTO’nun anot bölgesiyle ilgilidir.Düzenli aralıklarda , n1 baz<br />
tabakasını biçimlendiren n - bölgesiyle teması sağlamak için n + bölgesi , p tipi anoda (p1<br />
tabakası) sızar. n + bölgeleri ,aynı maden kaplama üzerindedir ve p tipi anotla temas halindedir<br />
ve kısa devre anot oluşur.Kısa devre anot yapısı GTO’ nun kapamaya geçmesini hızlandırmak<br />
için kullanılır.Eleman geri gerilimleri tıkasın diye,bazı GTO ‘lar kısa devre anotsuz yapılırlar.<br />
GTO ‘nun ileri yöndeki I-V karakteristiği sıradan bir tristörünkiyle aynıdır . Bununla beraber<br />
17
,geri yönde ,kısa devre anot yapısından dolayı GTO aslında tıkama yeteneğine sahip değildir.<br />
Geri yönde tıkama yapan tek jonksiyon J3 ’tür ve oldukça düşük bir devrilme gerilimine (tipik<br />
olarak 20-30 V) sahiptir.GTO ‘nun devre sembolü şekil 2.2 (b)‘de gösterilmiştir.<br />
KAPAMA ÇALIŞMASI FİZİĞİ:<br />
a)KAPAMA KAZANCI:<br />
Şekil 2.3. Bir Tristörün Basitleştirilmiş Modeli<br />
GTO ‘nun temel işleyişi , sıradan bir tristörle aynıdır. İki eleman arasındaki başlıca farklar ,<br />
kapıdan kapamaya sokulabilme özelliğinin kazandırılması için ana tristör yapısında yapılan<br />
değişikliklere dayanır . GTO yapısının sıradan bir tristörle neden farklılıklar taşıdığı ve hangi<br />
uzlaşmaların yapılması gerektiğinin anlaşılması iki transistör eşdeğer devresinde kapama<br />
durumlarının incelenmesiyle mümkün olur (şekil 2.3) . Kapı devresine gelen pozitif bir darbe<br />
ile Q1 transistörü ve ardından Q2 iletime geçer . Devre kilitlenir ve kapıdaki darbe kesildiği<br />
halde transistörler hala iletimde kalır.GTO ‘nun iletimden çıkabilmesi için uygulanacak negatif<br />
bir akımın Q2 transistörünün IC2 akımını kesmesi gerekir. Eşdeğer devredeki Q1 , Q2 tristör<br />
geçirmedeyken doymuştur.Bununla beraber ,eğer Q2 ‘ ye doğru baz akımı , doymayı korumak<br />
için (Iβ2< I C2 /β2) , gerekli olan değerden az yapılmalıdır.Daha sonra , Q2 aktif olur ve bir veya<br />
her iki transistör aktif olunca , devrede mevcut olan yenileyici hareketten dolayı tristör<br />
kapamaya geçer.<br />
Şekil 2.3 (b)’deki eşdeğer devreyi kullanarak ,tristör uç akımlarına göre Iβ2 ‘yi yazabiliriz:<br />
Iβ2= α1 . IA -IG'<br />
Burada IG' ,normal kapı akımının negatifidir.Eşdeğer devreden, Q2 ‘yi doymadan çıkarmanın<br />
tek yolunun bir negatif kapı akımı IG' olduğu görülebilir.Kollektör akımı IC2 şu şekildedir:<br />
IC2 = (1-α1).IA<br />
Iβ2< I C2 /β2 eşitsizliğini , β2= α2 / (1-α2) ve yukarıdaki iki denklemi kullanarak düzenlersek:<br />
I<br />
IG'<br />
�<br />
�<br />
�<br />
OFF<br />
βOFF parametresi ,kapama kazancıdır ve şu şekilde verilir:<br />
�<br />
OFF<br />
�2<br />
�<br />
�1<br />
� �2<br />
�1<br />
18
)GEREKLİ YAPISAL DEĞİŞİKLİKLER :<br />
Normal bir tristörü GTO ‘ya değiştirmek için ilk adım , kapama kazancını uygulanabilir kadar<br />
büyük yapmaktır.Böylece negatif kapı akımının çok yüksek değerlerinin önüne geçilmiş olur.<br />
Bu durumda α1 küçüktür ve α2 de bir yakınındadır . α2 ‘ yi bu durumda yapmak , n-p-n<br />
transistörü Q2 için dar bir p2 tabakasının kullanımını ister . Bu adımlar , bir BJT ‘de büyük bir<br />
beta değeri elde etmek için gerekli olan ve sıradan bir tristörün fabrikasyonunda kullanılan<br />
normal adımlardır.<br />
α1 ‘i küçük yapmak için , n1 tristör tabakası (Q1 transistörünün bazı) mümkün olduğunca kalın<br />
olmalıdır ve taşıyıcı ömrü bu katmanda kısa olacaktır . Kalın bir n1 tabakası , bir tristör<br />
fabrikasyonunda standarttır çünkü bu katman , ileri tıkama durumundaki eleman çalışması<br />
sırasında J2 jonksiyonunun boşaltma tabakasını barındırmalıdır . Bununla birlikte , kısa ömürlü<br />
taşıyıcılara duyulan ihtiyaçla , bu bölgede geçirmedeki güç kayıplarını en aza indirmek için<br />
uzun ömürlü taşıyıcılara duyulan ihtiyaç arasında uyuşmazlık vardır . Kapıdan tıkamaya<br />
sokulabilme özelliğinin elde edilmesi için taşıyıcı ömürlerindeki bazı azalmalar kabul<br />
edilmelidir ve sonuç olarak GTO’nun sıradan bir tristöre göre,verilen bir akım değerinde,daha<br />
yüksek bir geçirme gerilim düşümü vardır.<br />
Yukarıda anlatılan , taşıyıcı ömürlerdeki uyuşmazlık ihtiyaçları ,şekil 2.2’de gösterildiği gibi<br />
kısa devre anot yapısıyla büyük ölçüde ortadan kaldırılmıştır . GTO’nun kapamaya sokulması<br />
için,aşırı miktardaki taşıyıcıların özellikle deliklerin n1 tabakasından taşınması (kaldırılması)<br />
gerekir.Kısa devre anot yapısından dolayı,hiç geri anot katot gerilimi olamaz ve böylece aşırı<br />
miktardaki taşıyıcıların temizlenmesi (taşınması) için gereken geri anot akımları da olamaz .<br />
Aşırı miktardaki bu taşıyıcıların taşınması için tek yol , difüzyon ve iç tekrar birleşmelidir.<br />
Bununla beraber,GTO’daki n + bölgeleri ,delik difuzyonu duvarını (engelini) kaldırır . Bu<br />
, delik difüzyonunun büyük bir oranda olmasına izin verir . Böylece n1 tabakasındaki aşırı<br />
miktardaki delikler en azından difüzyonla olduğu kadar iç tekrar birleşme ile de taşınır . Net<br />
sonuç , elemanın kapanması sırasında toplam depolanmış yükün daha hızlı taşınmasıdır ve<br />
böylece iletimdeki kayıplar dışında sıradan bir tristörle karşılaştırıldığında GTO’nun istenilir<br />
her iki daha kısa serbest kalma (turn off) ve ileri algılama zamanları vardır. Bu kısa devre anot<br />
yapısı , serbest kalma ve algılama zamanlarının azaltılmasında çok etkilidir ve bazen RCT<br />
denilen özel tristör yapılarında da kullanılır.RCT’lerin GTO’da olduğu gibi kısa serbest kalma<br />
ve algılama zamanları vardır fakat bir negatif kapı akımıyla tıkamaya geçirilemez çünkü<br />
gerekli bazı yapısal değişiklikleri içermez.<br />
Kapıdan tıkamaya sokulma yeteneği için gerekli çoğalan bölmeli bir yapıya sahip olan<br />
kapı ve katot yapısının kullanımıdır.Bu , (çoğalan bölmeli kapı ve katot yapısının kullanımı)<br />
da geçirme ve kapama sırasında p2 tabakasındaki yanal gerilim düşümlerini en aza indirir.<br />
Bu yanal gerilim düşümleri , özellikle sıradan tristörlerde göze çarpar . Bu gibi yanal gerilim<br />
düşümleri , akım yığılması problemleri ve di/dt sınırlamalarına neden olur. Bununla birlikte ,<br />
çoğalan bölmeli kapı - katot yapısının kullanımı - ki bu yapılar , kapı kontakları ve katot<br />
bölgesi ortası arasında oldukça kısa mesafelere sahiptir - bu problemleri en az indirir. Büyük<br />
kapı kapama akımları ile kapı metal kaplamasında önemli gerilim düşümlerinin önüne<br />
geçmek için kapı metaline gelen kontaklar , ince yüzeyde aralıklı dizilmiştir.<br />
GTO ANAHTARLAMA KARAKTERİSTİKLERİ :<br />
a)BASTIRMA VE SÜRME DEVRELERİNİN DAHİL EDİLMESİ:<br />
GTO ’ lar , normalde bastırma devreleriyle birlikte kullanılmalıdır . GTO anahtarlama<br />
davranışının gerçekçi bir açıklaması bastırma devrelerinin etkilerini de içermelidir.<br />
19
Şekil 2.4. Kapama ve Geçirme Bastırmalarıyla Birlikte GTO’nun Kullanıldığı Bir Konverter Devresi<br />
Şekil 2.4 ’ de gösterilen gerilim azaltıcı konverter devresi (bu devre anahtarlama elemanı<br />
olarak GTO’yu kullanır.) anahtarlama dalga şekillerinin açıklanmasında kullanacaktır. GTO<br />
sadece akım gerilim seviyelerinin büyük olduğu yerlerde değil, ayrıca GTO ile birleştirilen<br />
diğer yarı iletken bileşenlerin yavaş olduğu , sadece orta-yüksek güç uygulamalarında<br />
kullanılır. Bu nedenle , şekil 2.4’deki Df diyodu , çok hızlı bir algılama diyodu olmayacaktır.<br />
Diğer taraftan , -GTO ’ nun çoğalan bölmeli kapı katot yapısından dolayı – diyodun geri<br />
algılama zamanıyla karşılaştırıldığında GTO’nun daha hızlı akım yükselme zamanı vardır.<br />
Bunun sonucu , koruyucu devreler olmadan ,diyodun oldukça yavaş geri algılaması nedeniyle<br />
çok büyük aşırı akımlar hem GTO hem de diyottan geçebilecektir.Bastırma devresi ,GTO’nun<br />
uçlarına uygulanabilecek gerilim yükselme hızını arttırır ve iletimden çıkma kabiliyetini<br />
iyileştirir .Bir pozitif kapı akımı darbesiyle GTO iletime sokulur . İletime geçmeden önce CS<br />
bastırma devresi kondansatörü , UD kaynak gerilimi ile şarjlıdır . İletime geçerken CS , RS ve<br />
GTO üzerinden boşalır . Enerjisinin büyük bir bölümü RS ‘ de harcanır . Negatif kapı akımı<br />
darbesi ile GTO kesime geçirildiğinde CS , DS diyodu üzerinden salınarak dolar.Seri bağlı olan<br />
kaçak endüktanslar ,GTO ‘nun uçlarındaki gerilim yükselme hızını sınırlar.Bastırma devresinin<br />
güç kaybı yaklaşık olarak :<br />
PS = (½).CS.UD 2 .f ‘dir.Burada f işletme (darbe) frekansıdır.<br />
Şekil 2.4’deki bastırma indüktörü , devrede bir geçirme bastırması olarak davranması için<br />
devrede bulunmaktadır.<br />
GTO ‘nun iletime geçmedeki davranışı normal tristörünkine benzerdir fakat iletimden çıkma<br />
karakteristikleri farklıdır (şekil 2.7).Negatif kapı akımı oluştuğunda , anot akımı (IA) belirli bir<br />
gecikmeden sonra düşmeye başlar . Bu süre çok kısadır (yaklaşık olarak
GTO , kapamaya sokulduğunda , anot-katot gerilim büyüme oranı ,dv/dt belirli seviyelere<br />
sınırlandırılmalıdır . Yoksa , GTO’nun tekrar geçirmeye tetiklenmesi meydana gelir .<br />
Bu sebepten , şekil 2.4’de gösterildiği gibi , anahtarlama devresinin bir parçası olan kapama<br />
bastırması bulunmaktadır . Tavsiye edilen kapı durumlarını karşılayan bir kapı sürme devresi –<br />
şekil 2.5’de gösterildiği gibi-GTO tristör üreticileri tarafından önerilmiştir.<br />
b)İLETİME GEÇMEDEKİ GEÇİCİ REJİM:<br />
Şekil 2. 5. Bir GTO İçin Kapı Sürme Devresi<br />
Şekil 2.4‘deki konverter devresinde,GTO kapamadayken,akım Df diyodu serbest döngüdedir.<br />
Şekil 2.6’da gösterildiği gibi bir kapı akımı darbesi iletime geçmeyi başlatır .<br />
Geçirmeye girme süresince , hem kapı akımı artış oranı , diG/dt, ve hem de kapı akımı tepe<br />
değeri , IGM , bütün katot adalarının iletime geçmesini ve anot akımının uygun dinamik bir<br />
paylaşımı olmasını sağlamak için büyük olmalıdır . Yoksa , çok az bir miktarda olan adalar<br />
toplam akımı taşıyacak ve yerel termik kaçış olayı meydana gelecek ve GTO da zarar<br />
görecektir . İletime geçme işleminin tamamlanmasını sağlamak için yeterli bir zaman için<br />
,mesela 10μs , büyük bir IGM değeri sağlanır . İletime girmenin tamamlanmasının ardından ,<br />
istenmeyen kapamayı önlemek için bütün bir geçirme periyodu süresince bir minimum sürekli<br />
kapı akımı IGT‘nin akması gereklidir. Kapı akımı sıfırsa ve anot akımı çok düşük bir değere<br />
inerse , bazı katot adaları iletimi kesebilirler . Eğer anot akımı sonradan artarsa , geri kalan<br />
iletimdeki adalar akımı tutamayabileceklerdir ve sonuç olarak ortaya çıkan bir termik kaçış<br />
sonucu GTO tahrip olabilecektir.<br />
21
Şekil 2.6.Geçirme ve Kapama Bastırma Devreli bir Konverterdeki GTO ‘nun Geçirme Dalga Şekilleri<br />
TG1 ve TG2 transistörlerinin her ikisinin de iletime geçmesiyle ,ilk kapı akımı büyük darbesi<br />
şekil 2.5’deki kapı sürme devresi tarafından sağlanır. Pozitif kapı sürme devresindeki kaçak<br />
endüktans , iletimde büyük bir diG/dt değeri elde etmek için minimum değerde tutulmalıdır.<br />
Bir süre sonra (tw1) , TG1 ‘ in kapamaya geçmesiyle kapı akımı IGM değerinden IGT ’ ye<br />
azaltılacaktır.<br />
Anot akımının büyümesi süresince , giriş gerilimi , GTO ve geçirme bastırma endüktansı<br />
arasında paylaşılır . Eğer anot akımının di/dt ‘ si , büyük değerinden dolayı bu endüktans<br />
tarafından sınırlandırılırsa , daha sonra (şekil 2.6) GTO üzerindeki gerilim aniden oldukça<br />
düşük bir değere düşecektir.Anot akımındaki darbe, DF diyodunun geri algılamasından gelir.<br />
c)KESİME GEÇMEDEKİ GEÇİCİ REJİM:<br />
Şekil 2.7. Geçirme ve Kapama Bastırma Devreli bir Konverterdeki GTO ‘nun Kapama Dalga Şekilleri<br />
Şekil 2.7 ’de gösterildiği gibi , GTO , büyük bir negatif kapı akımının uygulanmasıyla<br />
kapamaya sokulur.Meydana gelen akım ve gerilim dalga şekilleri şekil 2.4 ’ deki devredeki<br />
22
GTO için yukarıda gösterilmiştir.Kapama sırasında birkaç farklı zaman aralığı vardır.Şekil 2.5<br />
kapı sürme devresi , TG3 transistörünün iletime geçmesiyle negatif kapı akımı sağlar . Kapı<br />
akımı (iletimden çıkma kazancı 3-5 değerine karşılık olarak ) anot akımının 1/5 –1/3 ‘ ü gibi<br />
çok büyük bir değerde olmalıdır.Bu büyük negatif akım sadece oldukça kısa bir zaman için<br />
istenir . Düşük gerilimli MOSFET ’ ler , TG3 için hemen hemen ideal bir seçimdir . Kısa bir<br />
depolama (storage time) zamanı ve kısa bir anot akımı düşüş zamanına sahip olmak için ve<br />
kapı güç kaybını azaltmak için , negatif diG/dt büyük bir değerde olmalıdır . Bununla birlikte ,<br />
çok büyük değerdeki negatif diG/dt , anot kuyruk akımının daha kısa tanımlanması sonucunu<br />
doğurur.Bu nedenle, diG/dt , eleman üreticisi tarafından belirtilmiş sınırda tutulmalıdır.<br />
Negatif diG/dt , kapı sürme devresinin negatif kapı sürme parçasındaki LG ve VGG- ile kontrol<br />
edilir.Burada VGG- , kapı-katot jonksiyon devrilme geriliminden daha küçük seçilmelidir. VGG-<br />
‘nin bilinmesiyle , belirtilmiş diG/dt ‘ yi verecek şekilde LG seçilir . Büyük GTO için negatif<br />
kapı sürme devresindeki kaçak endüktans , gereken LG değerine eşit olabilir.<br />
İlk zaman aralığı süresince , depolama zamanı tS süresince , büyüyen negatif kapı akımı (şekil<br />
2.8) katot adalarının çevresindeki p2 ve n2 tabakalarındaki depolanmış yükleri taşır.<br />
Depolanmış yük , çevreden taşınmaya devam ederken , boş plazma bölgesi büyüklüğü ( katot<br />
adalarının ortalarına doğru yanal bir yönde yayılma hızı denilen bir hızla genişleyerek) artar.<br />
Depolanmış yükün yeterli bir miktarı taşınmışsa ,GTO ‘daki yenileyici hareket durdurulmuştur<br />
ve anot akımı düşmeye başlar.Bu da, depolanma zamanının sonunu belirtir.<br />
GTO’nun yenileyici hareketi durdurulduğunda , anot akımı hızla düşmeye başlar. IO - iA akımı ,<br />
GTO uygulamalarında oldukça büyük olan kapama bastırma kapasitesi CS’i söndürür. Kapama<br />
bastırma devresi çevrimindeki kaçak endüktanstan dolayı , GTO üzerindeki gerilimde<br />
eşzamanlı hızlı bir yükselme vardır. Anot akımı düşüş zaman aralığı süresince gerilim tepesi<br />
tepe değerini belirtilmiş bir değerde tutmak için , bu kaçak endüktans (şekil 2.4 ‘de Lσ )<br />
minimumda tutulmalıdır . Kapı katot jonksiyonundaki aşırı miktardaki taşıyıcılar dışarı<br />
taşındığında ve jonksiyon geri tıkama yeteneğini tekrar elde ettiğinde , anot akım düşüş zamanı<br />
(t f i ) sona erer.<br />
Kapı katot jonksiyonunun geri tıkama yeteneğini tekrar elde etmesiyle birlikte , kapı- katot<br />
gerilimi negatif değerlere artmaya başlar ve böylece negatif kapı akımı hızla azalmaya başlar<br />
(şekil 2.7). LG endüktansında endüklenen gerilim kapı akımının azalmasına izin vermez (akımı<br />
akmaya zorlar) ve kapı katot jonksiyonu primer devrilmeye (çığ olayı sonucu meydana gelen<br />
devrilme ) girer.Daha sonra , kapı-katot jonksiyonu bir zener diyot gibi çalışmaktadır.Bu süre<br />
içinde , diG/dt şöyle verilir:<br />
diG VGK<br />
, Devrilme � VGG<br />
�<br />
dt<br />
�<br />
L<br />
G<br />
Bu primer devrilme kısa bir süre için düşünüldüğünde istenilir bir olaydır.Bu süre, tw2 , kapıkatot<br />
jonksiyonu primer devrilme zamanıdır . Bu olayın istenmesinin nedeni , mümkün<br />
olduğunca çok depolanmış yükün kapı ve p2 tabakasından sürüklenmesini sağlamaktır. Bu süre<br />
LG ve VGG- ‘nin seçimiyle kontrol edilebilen diG/dt ‘ ye bağlıdır . tw2 süresi , kapı-katot<br />
jonksiyonunun tahribatını engellemek için belirtilen maksimum değerin altında tutulmalıdır.<br />
tw2 süresinin sonunda , GTO ’nun iki baz bölgesinde ( n1 ve p2 tabakaları ) hala bazı aşırı<br />
depolanmış yük bulunacaktır.Bu kalan yüklerin hareketi sonucu , anot ve negatif gerilimli kapı<br />
arasında anot kuyruk akımı olarak adlandırılan küçük bir anot akımı akmaya devam eder . Bu<br />
akım , anot ve kapı gerilim farkının büyümesiyle sürülür . Kuyruk akımının aktığı süre anot<br />
kuyruk akım zamanı ( tkuyruk ) olarak adlandırılır . tkuyruk zamanının büyük bölümü süresince<br />
23
kapı gerilimi VGG- değerindedir. Bu değer bütün bir kapama süresi boyunca kapı geriliminin<br />
sahip olacağı bir değerdir.<br />
Kuyruk akımı zaman aralığı süresince , GTO gerilimi –aşağıdaki bağıntıyla bulunan- sabit bir<br />
değere doğru büyür:<br />
dVAK �<br />
dt<br />
I0<br />
C<br />
S<br />
Bu aralık (tkuyruk) , kapama kayıplarının büyük bir bölümünü oluşturur çünkü bu süre oldukça<br />
uzundur ve GTO gerilimi de büyük değerdedir.<br />
Kapamadaki aşırı gerilim (şekil 2.7) , güç devresindeki kaçak endüktanstan dolayıdır .<br />
Anot-katot aşırı gerilimi , aşırı gerilim bastırma devreleriyle azaltılabilir.<br />
MİNİMUM KAPAMA VE GEÇİRME SÜRELERİ:<br />
GTO,belirli bir süre geçmeden , belli bir süre için kaldığı kapamadan iletime geçirilmemelidir<br />
. Bunun nedeni , çeşitli katot adaları arasında zayıf akım paylaşımı olasılığındandır . Azınlık<br />
taşıyıcılar , uzun ömürlü olduklarından dolayı uzun süre GTO ‘ da kalırlar ve bu geriye kalan<br />
taşıyıcılar , taşıyıcıların çevresinde bazı katot adalarına neden olurlar ki bu adaların diğerlerine<br />
göre daha iyi bir iletme karakteristiği vardır.Buradan, eğer taşıyıcılar tekrar birleşmeden veya<br />
sürüklenmeden önce GTO iletime sokulmaya çalışılırsa , akımın büyük miktarı bu az sayıdaki<br />
adalar (zayıf akım paylaşımı ) tarafından taşınır ve eleman tahribi meydana gelebilir.<br />
Benzer olarak , kapama başlatılmadan önce , belli bir zaman periyodu için GTO geçirmede<br />
tutulmalıdır.Tekrar , neden olarak , çeşitli katot adaları arasında zayıf akım paylaşımı olasılığı<br />
gösterilir.<br />
Devre tasarımcısının , uygun bir çalışma için , iletim ve kapama bastırmalarının (anılan sıraya<br />
göre ) bir minimum kapama durumu ve bir minimum geçirme durumu süresine ihtiyacı<br />
olduğunu bilmesi gerekir.<br />
MAKSİMUM KONTROL EDİLEBİLİR ANOT AKIMI:<br />
Maksimum kontrol edilebilir akım , kapısından kontrol edilerek kesilebilen en büyük akımdır.<br />
Negatif kapı akımının yükselme hızı artırılarak daha büyük anot akımları kontrol edilebilir . p2<br />
tabakasındaki aşırı taşıyıcılar , negatif kapı akımı için taşıyıcıların kaynağıdı r. Negatif kapı<br />
akımı ve boş plazma bölgesi büyüdükçe (şekil 2.8) , kapı-katot jonksiyonundaki gerilimde bir<br />
artma vardır (p2 katmanındaki kapı akımının yanal geçişinden dolayı olduğu belirtilmiştir .<br />
Katot çevresinde kapı kontağına yakın noktalarda jonksiyon gerilimi en yüksektir . Eğer bu<br />
gerilim jonksiyon devrilme gerilimini aşarsa negatif kapı akımı sadece devrilmenin olduğu<br />
katot çevresinde akar . Geriye kalan d epolanmış yüklerin hiçbiri taşınmayacaktır , ve GTO<br />
kapamaya geçirilmeyecektir . Bu nedenle, VGG- gerilimi , kapı - katot jonksiyon devrilme<br />
geriliminden daha az tutulmalıdır.<br />
Negatif kapı-katot gerilimindeki sınırlama , GTO ’dan çıkarılabilecek bir maksimum kapı<br />
akımının olduğu anlamına gelir.Depolanmış yükün taşınması son evresine girdiğinde , aşırı<br />
taşıyıcıların bölgesi , katot adası merkezi yakınlarındaki küçük bir alana daralmıştır ve kapı<br />
bağlantı noktasından en uzak noktadadır . Bu durumlar altında , geri gerilim en yüksek<br />
değerindedir . Yanal omik direnci (şekil 2.8(b)) eleman geometrisinin bir fonksiyonu olup ,<br />
24
maksimum negatif kapı akımının ne kadar olacağının belirlenmesinde kullanılır.Bu da ayrıca ,<br />
iletimden çıkarılabilecek bir maksimum anot akımının olduğu anlamına gelir.<br />
I<br />
I �<br />
�<br />
G'� �<br />
OFF<br />
� IA�<br />
OFF . IG<br />
, max .<br />
Kontrol edilebilir maksimum anot akımı eleman üreticisi tarafından verilen kataloglarda<br />
gösterilmiştir.<br />
Şekil 2.8. Bir Negatif Kapı Akımıyla Kesilebilen Maksimum Anot Akımını Belirleyen Mekanizma.<br />
(a) Yoğun-Taşıyıcı Plazmayı Katot Adasının Merkezinde Küçük Bir Hacme Sıkıştıran Negatif Kapı<br />
Akımı.<br />
(b) Maksimum Kapı Akımını Sınırlandıran , P2 Tabakasındaki Yanal Omik Direnç.<br />
25
GTO’LARDA AŞIRI AKIM KORUMASI:<br />
MOSFET ve BJT ‘de olağan dışı bir olay sonucu oluşan aşırı akım , elemanın doymadan<br />
çıkıp aktif bölgeye girmesine neden olur.Eleman , maksimum akımı kendisi sınırlar ama<br />
eleman üzerindeki gerilim çok büyük değerlere ulaşır.Böylece , aşırı akım durumu , elemanın<br />
iletimdeki geriliminin ölçülmesiyle kolaylıkla bulunabilir.Aşırı akım , akım sensörü vasıtasıyla<br />
veya MOSFET için bir SENSEFET kullanarak bulunabilir.Bu aşırı akım bulunduğunda , BJT<br />
veya MOSFET’ler birkaç mikrosaniyede kesime geçirilerek koruma gerçekleştirilir.<br />
Şekil 2.9. GTO İçin Aşırı Akım Koruma Yöntemleri :<br />
(a) Aşırı Akımların Tanımı ,<br />
(b) Çoğalma Metodu İle Aşırı Akım Koruması ,<br />
(c) Sigortanın Açmasına Kadar Köprüdeki Bütün GTO’ların Akımı Paylaşmak İçin İletime<br />
Geçirilmeleriyle Gerçekleşen Aşırı Akım Koruma Metodu.<br />
Bu koruma işlemi , GTO’larda çok daha karmaşıktır.Şekil 2.9 (a)’da gösterildiği gibi ,<br />
müsaade edilen akım tepe değeri , güvenlik faktörü tarafından , maksimum kontrol edilebilir<br />
akımdan küçük seçilmelidir.GTO’da aşırı akım , akım algılanmasıyla bulunmalıdır.Eğer<br />
saptanan akım , maksimum kontrol edilebilir akımdan küçükse , örneğin şekilde A<br />
noktasındaysa , GTO bir negatif kapı akımıyla iletimden çıkarılabilir.<br />
Bununla birlikte , eğer aşırı akım maksimum kontrol edilebilir akımdan büyükse , örneğin<br />
şekilde B noktasındaysa ,GTO bir negatif kapı akımıyla iletimden çıkarılmaya çalışılırsa GTO<br />
bozulur.Bu nedenle , GTO “çoğalma tekniği” (crowbarring) denilen yöntemle korunur.Böyle<br />
bir devrede , bir tristör GTO’ya paralel bağlıdır (şekil 2.9(b)) ve tristörün aniden iletime<br />
geçmesiyle sigorta atar.Çoğalma tekniği olmadan şekil 2.9 (b) ‘deki devrede GTO’yu<br />
korumanın tek yolu ,daha büyük akım değerlerindeki bir GTO kullanmaktır fakat bu da<br />
pahalıdır.<br />
26
Şekil 2.9 (c)’de gösterildiği gibi bir üç faz konfigürasyonunda ,altı adet GTO’nun da aynı<br />
anda iletime geçmesiyle çoğalma tekniği elde edilebilir.Üç koldaki GTO’ların hepsinin aynı<br />
anda iletime geçmesiyle sigortadan geçen akım 3 kola ayrılır ve GTO da sigorta atıncaya<br />
kadar bu akımı taşıyabilecek kapasitededir.<br />
GTO UYGULAMALARI:<br />
Şekil 2.10. GTO DC Amfi.<br />
Yukarıdaki devre (Şekil 2.10) GTO DC amfidir.Giriş uçlarına pozitif gerilim uygulandığında<br />
, C1 kapasitesi , R1 direnci ve uygulanan gerilime bağlı olarak belirli bir değere kadar şarj<br />
olur.Eğer uygulanan gerilim (4 katmanlı D) diyodu devrilme geriliminden yüksekse , belirli bir<br />
zaman sonra ( t1) diyot iletime geçer.<br />
t1 = R1.C1.loge[Vgiriş/(Vgiriş – VB0 )] saniye<br />
GTO’da meydana gelen akım geçişi , onun iletime geçmesini sağlar ve akım yük direnci RL<br />
‘den akar.<br />
Aynı zamanda , C3 kapasitesi yük gerilimi +E değerine kadar şarj olur ve C2 kapasitesi R2<br />
direnci üzerinden şarj olur. C2 üzerindeki gerilim , zener diyot devrilme gerilimini aştığında TH<br />
tristörünün kapısından bir akım geçecektir . Yükte gerilimin görüldüğü noktaya kadar olan<br />
zaman gecikmesi t2’dir:<br />
t2 = R2.C2.loge[E/(E – V2)] saniye<br />
Tristör iletime geçer ve yük akımı bir anlık GTO kapısından geçer ve GTO iletimden<br />
çıkar.Tam bir iletimden çıkmayı gerçekleştirmek için C3 kapasitesi sayesinde GTO kapı-katot<br />
geri gerilimi sürdürülür (korunur).C1 kapasitesinde yeterli yük depolanmışsa TH tristörü 4<br />
katmanlı D diyodunun iletime geçmesine neden olacaktır.Böylece devre resetlenir ve işlemler<br />
tekrarlanır.<br />
Ortalama çıkış gerilimi , giriş gerilimi Vgiriş ‘nin bir fonksiyonu olduğu için devre bir DC<br />
amfi gibi davranır.Ortalama çıkış gücü { Vçıkış = [t2/( t1+t2)].E } volttur ve bu da :<br />
27
V<br />
ÇIKIŞ<br />
�<br />
R1.<br />
C1.<br />
log e[<br />
V<br />
giriş<br />
Şekil 2.11 . Giriş Gerilimi (Vin) ile Çıkış Geriliminin Değişimi.<br />
Bu ilişki şekil 2.11‘de grafiksel olarak gösterilmiştir.Daha lineer bir ilişki istenirse , bir geri<br />
besleme sistemi kullanılmalıdır.Şekil 2.12’de bir yüksek güç solenoid sürücüsü<br />
gösterilmiştir.Giriş uçlarına pozitif bir gerilim darbesi uygulandığında , GTO iletime geçer ve<br />
solenoid üzerindeki gerilim (E) ,kaynak gerilimine doğru üstel bir şekilde artar .Bununla<br />
birlikte , bu seviyeye ulaşılmadan önce , 4 katmanlı diyot (D) devrilme gerilimine ulaşır ve bir<br />
anlık olarak GTO kapısına gelen akım GTO’yu iletimden çıkartır.<br />
Darbe uzunluğu:<br />
T � R.<br />
C.<br />
log e[ E /( E � VB0)]<br />
saniyedir<br />
R 2.<br />
C2.<br />
log e[<br />
E /( E � V2)]<br />
/( Vgiriş<br />
� VB0)]<br />
� R 2.<br />
C2.<br />
log<br />
[ E /( E<br />
� V<br />
Volttur.<br />
)]<br />
Şekil 2.12.Yüksek Güçlü Solenoid Sürücü ve Devre Dalga Şekilleri<br />
e<br />
2<br />
28
Şekil 2.13. Sabit Gerilim Motor Sürme Devresi<br />
Bir başka uygulama ise şekil 2.13’ de gösterilmiştir.Bu düzenleme ,bir DC motor armatür<br />
(rotor) geriliminin sabit tutulması için tasarlanmıştır.Güç uygulandığında ,C1 kapasitesi<br />
gerilimi , zener diyot ZD ‘nin zener gerilimini aşmasına kadar GTO kapamada kalır .Bu olay<br />
olursa GTO kapısından akım geçer ve böylece GTO iletime geçer.C2 kapasitesi şarj olur ve- 4<br />
katmanlı D diyodu devrildiğinde- GTO iletimden çıkar.Daha sonra C1 şarj olur ve GTO’ nun<br />
tekrar iletime geçmesine neden olur.Böylece motor üzerindeki gerilim istenen değer üzerinde<br />
salınır.<br />
FOTOTRİSTÖR (LASCR)<br />
TANIM VE <strong>ÖZEL</strong>LİKLERİ:<br />
Fototristör (LASCR, Light Activated SCR ) , normal bir tristör gibi bir kapı elektrodu<br />
bulunan 4 katmanlı p-n-p-n yapısına sahip bir elemandır . Tristörle arasındaki fark ,<br />
tetiklemenin sadece kapı akımı veya bir devrilme gerilimi UB0 ile sağlanmaması altında yatar<br />
.Ayrıca fototristörde , tetikleme etkili yoğunluktaki ışık şiddeti φefT ile gerçekleştirilebilir<br />
(silisyumun doğrudan ışıkla radyasyonu vasıtasıyla ).Bu değer genellikle (W.m -2 ) cinsinden<br />
verilir.<br />
Fototristörler , diyot şeklinde 2 uçlu veya 3, 4 uçlu da olabilir.3 ve uçlu olanlar ayrıca bir<br />
elektriksel akım darbesiyle de iletime geçirilebilirler . 4 uçlu olanlar ise bu 4. ucu sayesinde<br />
iletimden çıkarılabilir.<br />
Işık fototristöre uygulandığında akım taşıyıcılar aktif olur.Bu oluşan akım eğer tutma<br />
akımından (IH) büyükse fototristör iletime geçer.<br />
29
Fototristör bir bistabil elemandır ve duyarlı bir röle ile birlikte ya foto voltaik ya da foto<br />
rezistif tipteki sıradan bir fotosel yerini alır.Bir DC kaynakda çalışırken , eleman , bir kilitleme<br />
rölesi olarak davranır ve kapamayı sağlamak için devrede ekstra elemanlara ihtiyaç duyulur.<br />
Elemanı geçirmeye sokan ışık seviyesi kapı kontrolüne ön gerilim uygulanmasıyla<br />
değiştirilebilir.Bir küçük pozitif kapı akımı , geçirme ışık seviyesini değiştirecek ve<br />
fototristörün daha düşük bir ışık yoğunluğunda iletime geçmesine neden olur.Zıt olarak ,<br />
elemanı daha yüksek bir ışık yoğunluğunda iletime sokmak için küçük bir negatif kapı akımı<br />
kullanılır.<br />
Genelde, bu ışık duyarlı tristörler , çok yüksek kazançlı elemanlardır.Küçük bir kapı akımı<br />
iletime geçmeye neden olur.Emniyetli bir çalışma için , kapı açık devre bırakılmamalıdır , ve<br />
şönt bir direnç kapı katot arasına bağlanmalıdır.Yoksa , anottaki yerel manyetik alanlar veya<br />
geçici sinyallerden endüksiyon istenmeyen bir geçirmeye neden olabilir.Buradan da<br />
anlaşılacağı üzere , geçirme ışık seviyesi kesin değildir.Böylece eleman bir tam ışık referansı<br />
olarak kullanılamaz.<br />
Fototristörler , lojik devrelerde , sinyal verme ve güvenlik sistemleri , yüksek gerilim elde<br />
etmek için seri bağlanmış güç tristörleri anahtarlamalarında , yüksek gerilimli DC taşıma<br />
sistemlerinde , statik reaktif güç (VAR) kompanzasyonunda , ve bu gibi benzer durumlarda<br />
uygulama bulurlar.Burada , devreler ve optik olarak birbiriyle bağlantılı donanımlar arasında<br />
bir galvanik bölme oluşturulmalıdır.Bir kontrol devresinde elde edilen ışık darbesi özel bir<br />
iletkenle taşınarak fototristör gövdesindeki pencereden geçirilerek uygulanabilir. Böylece<br />
parazitler sebebiyle oluşabilecek istenmeyen tetiklenmelerin de önüne geçilmiş olur ve kontrol<br />
devresi ile yüksek gerilim ana akım devresi arasında tam bir elektriksel izolasyon sağlanmış<br />
olur . LED gibi pratik ışık kaynaklarından yararlanarak tetiklemeyi gerçekleştirmek için kapı<br />
yapısı , yeterli hassasiyet sağlanacak şekilde planlanmalıdır.Burada da di/dt ve du/dt<br />
kabiliyetlerinin korunmasına çalışılmalıdır.<br />
TEMEL YAPI VE KARAKTERİSTİKLERİ:<br />
Fototristör için farklı tetikleme faktörlerini birleştirmek mümkündür.Kendine özgü kullanımı<br />
, tetiklemeyi gerçekleştirmek için kapı akımı IG ve etkili yoğunluktaki ışık şiddeti φef φef1 > φef2 > 0<br />
Şekil 3.1. IG ve φef Birleştirilmiş Etkisi<br />
Temel olarak , radyasyon etkisiyle oluşan elektron-delik çiftleri , elektriksel alanın etkisi<br />
altında tetikleme akımını üretir ve tetiklenme gerçekleşir.<br />
Şekil 3.2‘de , fototristörün yapısı ve temel çalışması gösterilmiştir.Uygulanan ileri gerilimle<br />
birlikte , J1 ve J3 jonksiyonları ileri gerilimlidir ve yeterli serbest yük mevcutsa iletebilirler.J2<br />
jonksiyon geri gerilimlidir ve akımı tıkar.Silisyuma gelen ışık ,-daha sonra J2’ye süpürülecek<br />
(atılacak ) olan– J2 boşaltma bölgesi çevresinde serbest delik-elektron çiftleri oluşturur.Işığın<br />
arttırılmasıyla , şekil 3.2 (c)’deki geri gerilimli diyottaki akım artacaktır.Yapıdaki n-p-n ve p-n-<br />
30
p transistörlerinin akım kazançları da akımla artar.Bazı noktalarda net akım kazancı (α1+α2)<br />
biri aşar ve tristör iletime geçer.<br />
I<br />
A<br />
Şekil 3.2. LASCR, Fototristör.<br />
(a) – (b) Fototristörün Basitleştirilmiş Fiziksel Tertipi,<br />
(c) Fototristör Transistör Eşdeğeri.<br />
�2.(<br />
IP<br />
� IG)<br />
� I<br />
�<br />
1�<br />
�2<br />
�<br />
�<br />
CB0(<br />
1)<br />
IP = Foton akımı (Düşen ışık tarafından üretilen akım)<br />
IG = Kapı akımı<br />
ICB(1) + ICB0(2) = Sızıntı akımı<br />
α = Akım kazancı<br />
α1 , IA + ( IP ) ile değişir;<br />
α2 , IA + ( IP ± IG ) ile değişir;<br />
α1 + α2 → 1 , IA → ∞ .<br />
1<br />
� I<br />
CB0(<br />
2)<br />
Fototristör karakteristikleri , şekil 3.3’de gösterilmiştir.<br />
Şekil 3.3. Fototristörün karakteristiği<br />
31
Işığa karşı makul bir hassasiyet sağlamak için tristör çok düşük bir akım yoğunluğu ile<br />
tetiklenebilecek şekilde yapılmalıdır.Bu da , küçük boyutlardaki oldukça ince bir silisyum çipin<br />
kullanımını gerektirir.Böylece , yüksek akım elemanları , ışık tetiklenmesi için kullanışlı<br />
görülmez . Fototristörün yüksek duyarlılığı, ayrıca , iç akımlara neden olan diğer etkilere<br />
karşılık vermesine neden olur.Sonuç olarak , LASCR ,ısıya ,uygulanan gerilime , bu gerilimin<br />
değişme hızına karşı yüksek bir hassasiyete sahiptir ve normal bir tristörden daha uzun bir<br />
serbest kalma zamanı (tq) vardır. Tetikleme seviyesi , en düşük jonksiyon sıcaklığında en<br />
yüksek olduğundan , verilen bir sistemde sağlanmış ışık miktarı , (çalışmanın umulduğu ) en<br />
düşük jonksiyon sıcaklığını göz önüne almalıdır.Zıt olarak , maksimum hassasiyet , maksimum<br />
jonksiyon sıcaklığında elde edilir.Bununla birlikte , fototristörün tetiklenemeyeceği durumlar<br />
altında , sistem tarafından sağlanan maksimum ışık yoğunluğu en yüksek çalışma jonksiyon<br />
sıcaklığı için verilen bir değerin altında olmalıdır.<br />
Direk ışınım , J2 bölgesine ulaşmak için silisyumun önemli bir kalınlığına sızmalıdır.<br />
Silisyumun emmesi , görülebilir bir spektrumda (0,4-0,7 mikron ) oldukça yüksek olduğundan<br />
bu bantta ışık dağılımına ait cevap oldukça düşüktür. Yerleşimden dağılan ışık çipin kenarına<br />
yakın J2 çevresine ulaşır , ve buradan ,daha kısa dalga boyunun daha azı jonksiyona ulaşmadan<br />
emilir.<br />
Yüksek gerilimlerde , eşdeğer transistör devresinin kazancında gerilim etkisinin bir sonucu<br />
olarak , tetikleme için gereken ışık yoğunluğu önemli derecede azalır. 6 V’luk bir anot gerilimi<br />
ile HET normal olarak belirlendiğinden daha yüksek veya daha düşük gerilimlerdeki çalışma bu<br />
değeri değiştirecektir.Eğer uygulanmış gerilim sinüsoidal ve ışıklandırma düşük bir seviyeden<br />
yavaşça arttırılırsa , tetikleme ilk olarak uygulanmış dalga şeklinin tepesinde meydana gelir<br />
.Işıklandırmadaki daha fazla artış , tetikleme noktasını ,uygulanmış dalganın başlangıcına<br />
doğru getirecektir.<br />
Tipik ışık hassasiyeti , kapıdan katota direnç ile ters orantılıdır. Kapı katot direncinin amacı J1<br />
çevresindeki akımı bypass etmek içindir . Böylece elemanın hassasiyetini azaltmak için n-p-n<br />
transistör bölgesinin kazancı da azalmış olur.Isıya duyarlı dirençlerin (termistörlerin) , kapı<br />
katot arasında kullanımı veya bir ileri gerilimli silisyum diyodu + direnç ağının kullanımı ,<br />
hassasiyetteki değişimlere karşı bazı derecede sıcaklık kompanzasyonu sağlayabilir. Bununla<br />
birlikte , hassasiyet üzerindeki sıcaklık etkisi , bir elemandan diğerine farklılık gösterebilir.Bu<br />
nedenle ,çalışma sıcaklık sahası üzerinde ışık hassasiyet sabitini koruyan sıcaklık<br />
kompanzasyonu sağlamak için genel bir kural elverişli değildir.<br />
BAZI FOTOTRİSTÖR UYGULAMALARI:<br />
Şekil 3.4. Fototristör Işık Anahtarı<br />
32
Yukarıdaki devre (şekil 3.4 (a)), fototristörün üzerine ışığın düşmesi yolu ile bir lambanın<br />
yakılmasıyla fototristörün bir ışık dedektörü ve güç rölesi olarak kullanımını gösterir.Kaynağın<br />
her pozitif yarım dalgasında , fototristör ışıklandırıldığında iletime geçer ve lamba veya yük<br />
güçlenir.Işıklandırma biterse , lamba söner . Kapı direnci RS ,fototristörün çalışmasını<br />
dengelemek ( stabilize etmek ) için gereklidir.Bunun nedeni , eleman yüksek kazançlı bir<br />
eleman olması ve bir açık devre kapı ile kaynaktaki gerilim dalgalanmalarında istenmeyen<br />
tetiklemenin meydana gelebilmesidir. Kapı direnci , elemanın hassasiyetini azaltıcı olarak<br />
görev yapar emniyetli ateşleme karakteristiklerinin elde edilmesini sağlar.<br />
Eğer ışıkla büyük bir yük kontrol edilecekse , aşağıdaki devre kullanılır(şekil 3.4 (b)).<br />
Burada, ana yük akımını geçiren iki yüksek güç tristörü için fototristör kapı akımını kontrol<br />
eder.<br />
ASİMETRİK TRİSTÖR (ASCR)<br />
Bazı uygulamalarda , özellikle bazı kıyıcı ve inverter devrelerinde tristörün kapama<br />
yönündeki gerilimleri tutması istenmez ve tristöre ters paralel bir diyot bağlanır.<br />
Asimetrik tristörlerin , temel belirgin karakteristiklerinden biri , önemli geri gerilimleri<br />
tıkamamasıdır .Bu gerilim değeri sınırlı , küçük bir değerde tutulmuştur. Böylece iletime<br />
geçme zamanı , iletimden çıkma zamanı ve iletimdeki gerilim düşümü azaltılmıştır.. 400-2000<br />
V arası geçirme yönünde tutma yeteneğine sahip olacak şekilde tipik olarak tasarlanırlar.Geri<br />
gerilimi 20 V’ un altında tutan ters paralel geri besleme doğrultucularına ihtiyaç duyan birçok<br />
gerilim beslemeli inverter devresinde uygulama bulur.1500 V’ luk bir asimetrik tristörün<br />
iletimden çıkma zamanının tipik değeri 10-15μs’ dir . Halbuki bu değer normal bir tristörde 20-<br />
30μs mertebesindedir.<br />
Şekil 4.1.Simetrik ve Asimetrik Tristör Yapıları<br />
Şekil 4.1 , ASCR’ nin ana yapısını ,sıradan bir<br />
tristörle karşılaştırır. Ana fark , n bazı ve p +<br />
anodu arasında bir n tampon tabakasının ilave<br />
edilmiş olmasıdır. Tampon n tabakası bir “ alan<br />
durdurucusu “ gibi davranır ve n baz bölgesinin<br />
sıradan bir tristörün genişliğinin yarısına<br />
indirilmesine izin verir. Tristör üzerindeki<br />
gerilim ( d 2 /Dτ ) ‘ye bağlı olduğu için –burada d<br />
, n bazı genişliği ; D , difüzyon katsayısı ; τ ,<br />
azınlık taşıyıcı ömrüdür ki – aynı ileri düşümü<br />
sürerken d ‘yi yarıya indirmek ömrün 4 kat<br />
azalmasına izin verir . Şekil 4.2 ‘de bir 1200 V<br />
simetrik ve asimetrik tristör için serbest kalma<br />
zamanı tq’ya karşı tipik ileri gerilim düşümü<br />
karşılaştırılmıştır.Buna göre , yukarıda<br />
anlatılanlar , şekil 4.2’de gösterilen kapama<br />
süresindeki %50’lik veya daha fazla bir<br />
gelişmeyi açıklar. Daha ince n bazı genişliği<br />
geçirme süresince di/dt yeteneğini düzeltir<br />
çünkü yayılma hızı , n bazı genişliği ile ters<br />
orantılıdır.<br />
33
Şekil 4.2. 1200 V Asimetrik ve Simetrik Tristör İçin Tipik İleri İletme Geriliminin Serbest Kalma<br />
Zamanına Oranı.<br />
Normal tristörler tıkama yönünde zorlanmazlar fakat ASCR’lerin diğer özellikleri daha iyidir.<br />
Asimetrik tristörlerin özel bir tipi RCT ‘dir.RCT , bir p-n-p-n yapısına sahiptir (şekil 4.3).<br />
Şekil 4.3.Ters Paralel Diyot ile Bir RCT Yapısı.<br />
Eleman genelde aynı yarı iletken yapı içindeki ters paralel bağlı n1p2 diyodu ile tasarlanır.<br />
Böylece normal tristörün ters tutma özelliği kaybettirilmiştir , soğutucu elemanları miktarı<br />
azalmıştır ve bulunduğu devre daha az elemandan oluşmuş olacaktır.Ayrıca bu şekilde bir<br />
kullanımla ,tristörle diyodun oluşturduğu kapalı devrenin kaçak endüktansının istenmeyen<br />
etkisi ortadan kaldırılmıştır.<br />
J1 ve J3 jonksiyonlarının her ikisinin de geri tutma yeteneği yoktur.<br />
STATİK ENDÜKSİYON TRİSTÖRÜ (SİTH)<br />
Statik endüksiyon tristörü , güç alan tristörü (Field Controlled Thyristor) olarak da anılır.GTO<br />
gibi kontrol edilerek iletime sokulup çıkarılabilir.Bu elemanın yapısı şekil 5.1’de<br />
gösterilmiştir.Bu elemanın tasarımı, fabrikasyonu ve karakteristiği , onu yüksek akımların<br />
yüksek hızdaki anahtarlanmasında kullanılması maksadıyla yapılmıştır. (Normalde kapalı tip<br />
statik endüksiyon tristörü için)Eleman çipinin büyüklüğü 7 ve 10 mm 2 ‘ dir ; 9000 kanal içerir<br />
ve bu kanalların her biri 1,5μm genişliğinde ve 250μm uzunluğundadır . Bu tip elemanın<br />
fabrikasyonunda çift LOCOS tekniği kullanılmıştır.100 A gibi bir değerde 1,2 V değerinde bir<br />
34
düşük ileri gerilim düşümü meydana gelir . Düşük kayıplar ,yüksek anahtarlama hızı gereken<br />
ve yüksek güçlü uygulamalarda tercih edilebilir.<br />
Şekil 5.1. Statik Endüksiyon Tristörünün Yapısı ve Gerilim Kontrollü Triyoda Benzeyen Elektriki Çıkış<br />
Karakteristikleri.<br />
SİT ’in kapı katot arası gerilimi sıfır olduğu için SİT , normalde iletimde olan bir elemandır .<br />
Bu durumda çoğunluktaki taşıyıcılar , katot ve anot arasında akar ve kanal direnci elemanın<br />
uçları arasında bir gerilim düşümüne neden olur.Eğer kapı katot arası gerilim negatif yapılırsa<br />
büyük bir ön gerilim oluşur ve kanal tamamen akımı keser .SİT normalde iletimde olduğundan<br />
anot gerilimi pozitif yapılır ve kapı ucu da açık bırakılırsa SİT diyot gibi davranır.<br />
SİT ‘in yüksek hızda çalışabilmesi için negatif anot gerilimlerini tutma özelliği verilmemiştir<br />
. Ayrıca yüksek anahtarlama hızları elde etmek için kuyruk akımı süresi azaltılabilir.Eğer bu<br />
işlem gerçekleştirilirse iletimdeki gerilim düşümü artacaktır.<br />
İletimden çıkma karakteristiği GTO ‘ya benzer . Negatif kapı akımı büyüktür ve anot<br />
devresinden bir kuyruk akımı geçer.GTO ‘ya göre iletimdeki gerilim düşümü daha fazladır.<br />
di/dt ve du/dt değerleri daha yüksektir.Anahtarlama frekansı daha yüksektir.Güvenli çalışma<br />
bölgesi daha elverişlidir.<br />
Bu elemanların fabrikasyonu , n tipi silisyum ince tabakadan yola çıkılarak yapılır ve bu<br />
tabakanın bir tarafında p + anot bölgesi düzenlenir . n + katodu ve p + bölgeleri zıt yüzeyde<br />
oluşturulur .Güç JFET ’ lerinde olduğu gibi , p + kapı bölgeleri ,n + katot bölgelerini tümüyle<br />
çevirmelidir çünkü SİT’in ileri tıkama yeteneği JFET’ te olduğu gibi elde edilir (anot akım<br />
geçişini önlemek için n + katodu altında bir potansiyel bariyer oluşturmak için , uygulanan bir<br />
negatif kapı gerilimi kullanılır).Bununla birlikte , geçirmede , p + anot bölgesinin varlığından<br />
dolayı , SİT’in çalışması JFET’ten önemli derecede farklıdır . Elemanın akım iletme süresince ,<br />
bu p + bölgesi , çok yüksek bir konsantrasyondaki azınlık taşıyıcılarını n birikme tabakasına<br />
enjekte eder . Bu , n birikme tabakası direncini ciddi bir şekilde azaltır ve SİT ‘in GTO ‘dakine<br />
benzer yüksek akım yoğunluklarında çalışmasına izin verir . SİT ‘deki p + anot jonksiyonu J2 ,<br />
bu elemanlarda bu elemanlarda geri tıkama yeteneğini de sağlar.Bu elemanların n birikme<br />
tabakası ,GTO ‘nun kullanımına benzer bir şekilde dizayn edilmelidir (kapı ve anot bölgeleri<br />
arasında oluşmuş olan açık baz p-n-p transistöründen dolayı).<br />
İlk SİT elemanlarının çok düşük tıkama kazançları vardı ( 5’ten küçük ) .Kapı yapısındaki<br />
gelişmeler , elemanların 50 ‘nin üstünde kapama kazancına sahip olmalarına neden olmuştur.<br />
35
Bu elemanların avantajları , yüksek bir ileri iletme akım yoğunluğu (GTO ‘dakine benzer<br />
olarak) ve bir yenileyici 4 tabakalı yapının bulunmayışıdır.Bu yapının bulunmayışı , SİT ‘in<br />
GTO ‘nun dv/dt ‘sinden daha fazla (yaklaşık 10 kat ) dv/dt ‘de çalışmasına izin verir.Bu<br />
elemanlar , daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilirler ve daha iyi bir radyasyon toleransı<br />
sergilerler.Bunların güç anahtarlama uygulamalarındaki kullanımı , onların normal geçirme<br />
karakteristikleri tarafından azaltılmıştır.<br />
SİT , endüksiyonla ısıtma , yüksek frekans ara devreli DC-DC konverterler , aktif güç şebeke<br />
düzenleyicileri , statik VAR kompanzatörleri ve gürültüsüz PWM inverterli tahrik sistemleri<br />
gibi uygulamalarda kullanılır.<br />
FET KONTROLLÜ TRİSTÖR<br />
FET kontrollü tristör , normal bir tristörün anot ve kapı uçları arasına bir MOSFET ‘in paralel<br />
bağlanmasından meydana gelir .MOSFET ’in kapısına bir gerilim uygulanmasıyla FET-CTH<br />
iletime geçirilir.MOSFET’in kapısına tipik değeri 3 V olan bir gerilim uygulandığında , anot ve<br />
katot arasındaki gerilim tristörün kapı devresinden akım geçmesine neden olur ve FET CTH<br />
tetiklenir .GTO ‘daki gibi kapıdan kesime sokulma yeteneği yoktur .Anahtarlama hızı,kritik<br />
akım ve gerilim yükselme hızları yüksek değerdedir.Giriş empedansı bakımından bir MOSFET<br />
, iletimdeki gerilim düşümü bakımından da bir tristör gibi davranır . Bu eleman , bir entegre<br />
devre vasıtasıyla optik olarak da tetiklenebilir.Böylece kontrol devresi ve yüksek gerilimli an<br />
akım devresi arasında tam bir elektriksel izolasyon sağlanmış olur.<br />
Şekil 6.1. FET Kontrollü Tristörün Eşdeğer Devresi .<br />
MOS KONTROLLÜ TRİSTÖR (MCT)<br />
MCT , güç elemanlarını yeni bir sınıfıdır . MOS ve tristör elemanlarının optimal bir şekilde<br />
birleştirilmesine dayanır .Birbirinin aynı binlerce mikro hücrenin aynı çip üzerinde paralel<br />
bağlanmasıyla oluşturulur. Davranışı bakımından GTO ‘ya benzer . Bu sınıftaki elemanlar<br />
,yapılarındaki tristör nedeniyle kilitlenme özelliğine sahiptir ve tristörden ayırt edilemez bir<br />
36
içimde geçirme ve tıkama durumlarında çalışır . MOS kapısına bir gerilim uygulanmasıyla<br />
tıkamadan geçirmeye ve geçirmeden tıkamaya sokularak anahtarlanabilir .Uygulama da büyük<br />
du/dt değerlerinden dolayı istenmeyen iletime veya kesime geçme olaylarını engellemek için<br />
kapılarına sinyal uygulanmaya devam edilir. Böylece , eleman , son derece düşük ileri gerilim<br />
düşümü (yapılarındaki tristörden dolayı) , yüksek darbe akımı yeteneği sergiler .<br />
Anahtarlama hızı , GTO ‘larla karşılaştırılırsa benzerdir ve diğer bipolar elemanlarda olduğu<br />
gibi , başlıca , taşıyıcı tekrar birleşme zamanı , eleman kalınlığı ve kapama di/dt değerine<br />
bağlıdır. Anahtarlama süreleri tipik olarak 1μs mertebesindedir.<br />
Bir yapı içinde iki MOSFET , bir tristörden oluşur. Bu MOSFET ‘lerden bir ON-FET , diğeri<br />
de OFF-FET ‘tir. ON-FET , MCT ‘yi iletime sokmaya ,OFF-FET de iletimden çıkarmaya<br />
yarar.<br />
İki tip MCT vardır.Bunlar P-MCT ve N-MCT’dir.Her iki tipin de statik akım gerilim<br />
karakteristikleri prensip olarak GTO ‘ya benzer.<br />
MCT’yi iletime geçirmek için , ON-FET iletime geçirilir.Bu anda , OFF-FET kesimde<br />
tutulur.Bir P-MCT’de ON-FET’İ iletime geçirmek için yani MCT’yi iletime geçirmek için<br />
kapısına , anoduna göre negatif bir gerilim uygulanır.Anoduna göre pozitif bir gerilim<br />
uygulanırsa kesime geçer.Bu gerilim yaklaşık olarak –7 V olursa yeterlidir.Bu gerilimin üst<br />
sınırı –20 V ‘ tur . Anoda göre pozitif gerilim kapıya uygulandığında eşdeğer devredeki n-p-n<br />
transistörün tabanından akım geçer ve bu transistör iletime geçer.N-p-n transistörün kollektör<br />
akımı p-n-p transistörün tabanından geçer ve böylece p-n-p transistör de iletime geçerek MCT<br />
kilitlenir.MCT iletimde iken kapısına aynı gerilimin uygulanmasıyla istenmeyen kesime geçme<br />
engellenir.<br />
Şekil 7.1. (a) P-MCT ‘nin Eşdeğer Devresi , Şekil 7.2. (a) N-MCT’nin Eşdeğer Devresi<br />
(b) Sembolü. (b) Sembolü.<br />
Güvenli bir kesim için kapıya uygulanacak pozitif gerilimin en az +10 V olması gerekir.Bu<br />
gerilimin yükselme hızının yeteri kadar hızlı olmalıdır . Bu değer 200 ns ‘den küçük olmalıdır.<br />
Böylece iletimden çıkma sırasındaki istenmeyen akım yığılmaları engellenmiş olur.<br />
Bu olay N-MCT’de tam tersi şekildedir.Yani anoduna katota göre pozitif bir gerilim<br />
uygulanırsa iletime;negatif bir gerilim uygulanırsa kesime geçer.<br />
P-MCT’ nin maksimum kontrol edilebilir anot akımı N-MCT ‘nin değerinin yaklaşık 3 katıdır<br />
(Maksimum kontrol edilebilir anot akımı OFF-FET ‘in karakteristiğine bağlıdır).Anot katot<br />
gerilimi büyük değerler aldığında bu akım değeri azalır.<br />
N-MCT’yi kesime geçirmek için , MCT kapısına pozitif gerilim uygulanır ve böylece p<br />
kanallı OFF-FET iletime geçer.Eşdeğer devredeki n-p-n transistörün taban emiter arası kısa<br />
devre olmuştur.Sonuçta bu transistör taban akımı OFF-FET’ten geçmeye başlar.Transistör<br />
37
iletimden çıkmaya meyleder.N-p-n transistörün akım kazancı çok düşük değerlere inince<br />
kilitlenme olayı gerçekleşmez ve tristör iletimden çıkar.<br />
KAYNAKLAR:<br />
� Modern Power Electronics , Evolution , Technology , and Applications, Edited by B.K.Bose.<br />
� Solid State Electronics , George B.Rutkowski , 3rd Edition .<br />
� SCR Manual , İncluding Triacs and Other Thyristors , 6.Edition , General Electric ,Prepared by<br />
Application Engineering Centers , Auburn .<br />
� Electronic Devices , 3rd Edition,Conventional Flow Version ,Ronald J. Tocci,Monroe<br />
Community College ,Charles E . Merril Publishing Company.<br />
� Modern Power Electronics , Converters ,Applications , and Designing ,Ned Mohan ,Torc<br />
M.Undeland,William P.Robbins.<br />
� Power Transistors=Device Design and Applications Edited by B.Joyant Baliga,Dan Y.Chen.<br />
� Semiconductors and Electronic Devices , 3rd Edition , Adir Bar.Lev , Technion-Israel<br />
Institution of Technology , Prentice Hall.<br />
� IEEE Transactions On Electron Devices , VOL. ED-33,NO=10,OCTOBER 1986.,”MOS<br />
Controlled Thyristors-A New Class Of Power Devices”.<br />
� IEEE Transactions On Electron Devices , VOL.36,NO=6,JUNE 1989,”Design Considerations<br />
For Large Current GTO’s”.<br />
� Power Semiconductor , Milan Kubát ,Springer –Verlas , New York ,1984.<br />
� Integrated Circuits and Semiconductor Devices ,Theory and Application ,Gordon J.<br />
Debou,Clifford N. Burrovs.<br />
� IEEE Transactions On Electron Devices , VOL. ED31,NO=11,NOVEMBER,1984.,”Evolution<br />
Of Power Device Technology”(Bipolar Power Devices,ASCR,GTO).<br />
� Thyristors ,Theory and Applications ,R. K.Sugandhi.<br />
� Semiconductor Devices and Circuits , Charles L. Alley & Kenneth W. Atwood,Electrical<br />
Engineering Department ,University of Utah ,Salt Lake City ,Utah.<br />
� Semiconductors,Hannoy N.B.,Reinhold Publishing Corporation , New York;<br />
� Principles Of Semiconductor Device Operation , John Wiley&Sans , Janscher , New York .<br />
<strong>ÖZEL</strong> <strong>TRİSTÖRLER</strong> ......................................................................................................................................... 1<br />
38
TRİYAK ......................................................................................................................................................... 1<br />
Sembol ............................................................................................................................................................... 2<br />
GTO TRİSTÖR ............................................................................................................................................ 15<br />
FOTOTRİSTÖR (LASCR) ............................................................................................................................... 29<br />
STATİK ENDÜKSİYON TRİSTÖRÜ (SİTH) .................................................................................................. 34<br />
FET KONTROLLÜ TRİSTÖR ......................................................................................................................... 36<br />
MOS KONTROLLÜ TRİSTÖR (MCT) ............................................................................................................ 36<br />
39