Özel TrİstÖrler

[KoJiRo]

ÖZEL TRİSTÖRLER


Tristör tanımının dışında kalan bazı tristörler bulunmaktadır.Bunların bazı özellikleri normal tristörlerdekine benzemekle beraber yeni yetenekler eklenmiştir. Bunlar iki yönlü iletebilme veya tıkama , ters kapı akımıyla tıkamaya sokulabilme , ışıkla iletime geçirilebilme gibi özelliklerdir.

TRİYAK


TANIM VE ÖZELLİKLERİ:


Tristörün sadece bir yönde akım iletimini gerçekleştirmesi özellikle AC güç kontrol devrelerinde çoğunlukla dezavantajdır.Her iki yönde de iletime geçirilebilen bir eleman mevcuttur.Bu eleman triyaktır.

Triyak (TRIAC),”Triode (three electrode) AC” [üç elektrotlu] yarı iletken anahtar olarak anılabilir fakat genel kullanımı bu kelimelerin baş harflerinin kullanılmasıyla kısaltılmıştır. AC devrelerinde, tristörler gibi bir kapı sinyali kontrolüyle akım anahtarlamalarında kullanılırlar.
Akımı her iki polariteyi de geçirebilme ya da tıkama özelliği bulunur ki bu özelliğinden dolayı , triyak -genel olarak– iki yönlü triyot tristör olarak adlandırılır. İki tek yönlü tristörün ters paralel bağlanmış şekli gibi davranırlar. Böylece , uygulanmış olan gerilimin her iki polaritesini de iletme ya da tıkama yeteneğine sahiptir. Bir pozitif veya negatif kapı akımı kullanarak her iki yönde akım geçişi sağlanabilir. Özellikle şebeke frekanslı AC kontrolü için kullanılırlar. Triyağın kullanışlılığı ve güç tutabilme özelliğinin artması nedeniyle AC , DC motor hız kontrolü (ve çalıştırılması) ; ışık ayarı (dimmer) ;AC statik anahtarlama ve ısıtıcı kontrolü gibi tam dalga kontrol uygulamaları için aranan ve çok elverişli bir elemandır. Bir kristal yapı içinde iki ters paralel p-n-p-n zincirini sağlamak zor olduğun için trisrörler kadar büyük akım ve gerilim değerleri için üretilmezler.Triyağın kullanımı , normal bir tristöre göre,bir soğutucu ve bir tetikleme devresi yeterli olduğundan daha ekonomiktir.
Anot gerilimi UA ve kapı gerilimi UG ‘nin yönüne bağlı olarak triyağın 4 tetikleme bölgesi vardır(1.,2.,3.,4. Bölgeler).
Triyaklar , 200 A akım değeri ve 1000 V gerilim değerlerine kadar kullanılabilir. 400 Hz’e kadar ve özellikle 50-60 Hz’de kullanılabilir.Tipik tetikleme seviyeleri ve büyüklükleri tristörünkilere benzerdir.Mesela , 10-2 mertebesindeki akımlar ve 1 veya 2 voltluk kapı tetikleme sinyali ; 1 ve 2 V iletimdeki gerilimini kapsayan bir sahadadır.
Triyak ve normal tristör arasındaki yön kavramından kaynaklanan farklılığı görmezlikten gelirsek, aralarında birçok benzerliğin olduğunu görebiliriz.Bunlar , ilgili kullanılan terimler (terminoloji) ; tetikleme metotları , uygulamaları ; 1. Bölge karakteristikleri ve üretim teknikleridir. Triyaklarda kapı akımına hassasiyet normal tristörlere nazaran daha azdır , serbest kalma süreleri daha uzundur.Kritik gerilim yükselme hızları da daha küçüktür.Bu nedenle endüktif yüklü uygulamalarda kullanımları zordur çünkü kapı kontrolleri tekrar elde edilemez
Şekil 1.1‘de bir tipik düşük akımlı triyağın değerleri verilmiştir.Birçok triyak açıklaması , sembolü , ve büyüklükleri tristördekilerle aynıdır.Bu tablodaki veriler genellikle en kötü haldir, bu nedenle ana uç ve kapı polaritesi durumlarından en zorlusunu yansıtır.Triyak kapı nicelikleri tepe değerleri ile en düşük kapı tetikleme seviyeleri değerleri karıştırılmamalıdır.Kapı nicelikleri tepe değeri , maksimum izin verilen kapı kaybı ve düşük kapı tetikleme seviyeleri değerleri de , tetiklenme için gerekli olan minimum seviyeyle ilgilidir.Şekil 1.1.(a) ve (b). Tipik triyak verileri , geçirme akımı ve maksimum sıcaklık ile ilgili olan grafikleri içerir.


40485
40486
Kapama Durumunda Periyodik Gerilimin Tepe Değeri ,VDROM
200 V
400 V
Kapı Tetikleme Akımı Tepe Değeri , IGTM , (Max.1μs için)

4 A
4 A
Kapı Güç Kaybı, PGM (tepe) (Max 1μs ve IGTM ≤ 4 A (tepe) için)
16 W
16 W
Ortalama PGAV
0,2 W
0,2 W
Geçirme Akımı RMS Değeri, It(RMS) ,
TC =+75°C ve 360°’lik iletme açısı için
6A
6A

Şekil 1.1.(a) MT ve Kapı Geriliminin Her İki Polaritesine Ait Bazı Büyüklükler












Karakteristik
Sembol

Sınırlar

Birim
40485
40486
Min
Tİpik
Max
Min
Tipik
Max
Kapamadaki Akım Tepe Değeri ,
TJ=+100°C için
IDROM
--
0,1
4
--
0,2
44
mA
Maksimum İletim Gerilimi,
İT = 30 A(tepe) ve TC =+25°C için
vT
--
1,6
4
--
1,6
2,25
V
DC Tutma Akımı , TC =+25°C için
IH0
--
15
2,25
--
15
30
mA
Komutasyon Gerilimi Kritik YükselmeHızı, VDROM=VD, It(RMS)=6A,
di/dt=3,2A/ms ,TC =+75°C için

3
10
30
3
10
--
V/μs

Kapama Gerilimi Kritik Yükselme Hızı , TC =+100°C
dv/dt
30
150
--
20
100
--
DC Kapı Tetikleme Akımı,VD=12V(dc),RL=12Ω,TC=+25°C için
I.Bölge
III.Bölge
IV.Bölge
II.Bölge

IGT






mA
--
15
25
--
15
25

--
15
25
--
15
25

--
25
40
--
25
40

--
25
40
--
25
40

DC Kapı Tetikleme Gerilimi , RL=12Ω VD=12V(dc), TC=+25°C için ve VDROM=VD, RL=125Ω , TJ=+100°C için
VGT
--
1
2,2
--
1
2,2
V
0,2
--
--
0,2
--
--
Kapı Kontrollü İletime Geçme Zamanı
(Gecikme Zamanı + Yükselme Zamanı)
tGT
--
2,2
--
--
2,2
--
μs
Termik Direnç (Jonksiyon-Gövde)

--
--
4
--
--
4
°C/W

Şekil 1.1.(b).Karakteristikler.







ANA UÇ KARAKTERİSTİKLERİ:


Şekil 1. 2.Ana Triyak Yapısı ve Devre Sembolü

Ana triyak yapısı şekil 2‘de gösterilmiştir.Triyakda iki yönlü akım geçişi olabildiğinden dolayı ana uçlar , anot ve katot yerine MT1 ve MT2 olarak adlandırılır.MT1 ucu , kapı ucundaki ve MT2 ucundaki akım gerilim ölçümündeki referans noktasıdır.Her iki ana ucun da ,hem n –tipi hem de p- tipi emiter ile omik kontakları vardır.MT2’deki n-tipi emiter ,MT1 ‘deki p- tipi emiterin direk olarak tersindedir ve MT2’deki p-tipi emiter , MT1’deki n-tipi emiterin direk olarak tersindedir.Bu da, MT1 ve MT2 uçları arasındaki bölgenin p-n-p-n ve n-p-n-p zincirlerinin paralel bağlantısından oluştuğunu gösterir.Kapı bölgesi daha karmaşık bir yapıdadır.
Bu eleman bir kısa devre emiter yapısına sahiptir.n emiterleri ,komşu p bölgelerine kısa devre edilmiştir.Bu nedenle ,bu jonksiyonların gerilimleri sıfırdır.Eğer kapıya bir darbe uygulanırsa , elektronlar n3 ‘den p2 ‘ye doğru hareket eder.Elektronlar n2 ‘ye birikir ve iletime geçme oluşur.Eğer kapıya negatif bir darbe uygulanırsa ,elektronlar n4 ‘den p2 ‘ye hareket eder ve sonuçta yine tetiklenme gerçekleşmiş olur.

Anot gerilimi UA ve kapı gerilimi UG ‘nin yönüne bağlı olarak triyağın 4 tetiklenme bölgesi bulunmaktadır(Şekil 1.3.).Triyak 1 ve 3. bölgelerde en hassastır ,tetiklenmesi en kolaydır.Daha sonraki hassasiyet sırası 4 ve 2 .bölgelerdir .Modern triyaklar bu 4 bölgede de tetiklenebilecek yapıdadır.


Şekil 1. 3. (a) Anot Akım-Gerilim Karakteristiği , (b)Tetiklenme Bölgeleri




Şekil 1.3.(a)‘da AC akım-gerilim karakteristiği gösterilmiştir. Referans noktası olarak MT1 alınmıştır . 4 tetiklenme bölgesini inceleyecek olursak , 1. bölge MT2’ nin MT1‘e göre pozitif olduğu bölge ve 3. bölge de MT2 ’nin MT1 ‘e göre negatif olduğu bölgedir.Normal tristördeki gibi triyak da kapamadan iletime devrilme gerilimi V B0 ‘da geçer.İletimde, ana akım, IH tutma akımı altına düşene kadar kapı kontrolünü kaybetmiştir. Devrilme noktasına kapı ucuna pozitif veya negatif bir darbe uygulanarak daha düşük bir ana uç geriliminde ulaşılabilir . Devrilme geriliminin (VB0 ‘ın) ,her iki bölgede de , kapı kontrolünü yitirmemek için , uygulanan normal AC dalga şeklinden büyük olması gerekir . Böylece her iki polaritede, belirtilmiş genlikteki bir kapı akımı , her iki bölgede triyağı iletime sokacaktır . Eğer VB0 aşılırsa (kısa süreli de olsa) , triyak iletime geçer ve akımı ,tutma akımı IH‘ın altına düşene kadar iletimde kalır . Bu hareket triyakta aşırı süreksiz gerilimler için doğal bir bağışıklık sağlar ve genelde yardımcı koruyucu elemanlar için duyulan ihtiyacı yok eder . Bazı uygulamalarda ,triyağı süreksiz sinyalle iletime sokmak , kontrol edilen devrede bazı istenmeyen ve tehlikeli sonuçlar doğurabilir . Triyağın kendisi bu geçici sinyallerden zarar görmese bile , iletime geçmesini önlemek için geçici sinyal bastırması gereklidir.


Şekil 1.4. Triyak Kesit Görünüşü ve Farklı Çalışma Durumlarında Akım Geçişi

Şekil 1.4 ‘de MT2 ve kapının durumuna göre jonksiyonlar arası akım geçişi gösterilmiştir. Şeklin üst yarısı , MT2 pozitifken (MT1 referans alınmıştır) negatif ve pozitif kapı tetiklemesi olasılığını gösterir.Pozitif kapı gerilimi ile , kapı akımı , gösterilmiş iletimdeki (forward biased) p-n jonksiyonundan geçerek kapıdan MT1’e akar.
Negatif kapı sinyalleri de triyağı tetikleyebilir.Tek fark , asimetri ve ana akım etkilerinden dolayı ihtiyaç duyulan IG akımı seviyesindeki bazı farklılıklar ve kapı akım yoludur.
Tristörlerin kapamaya geçmesi için tam bir negatif yarım periyodu vardır fakat triyak , her iki yarım periyotta da iletir ve bu nedenle ana gerilim sıfırdan geçerken triyak kısa bir sürede kapamaya geçmelidir.
Tristörlerdekine benzer olarak , triyak akım büyüklükleri maksimum jonksiyon sıcaklığına bağlıdır . Akım büyüklüğü –uygun soğutma şartlarında -, güç kaybı , (RThJC ) (iç termik direnç) jonksiyon gövde termik direnci ile belirlenir . Eğer gövde sıcaklığının belirlenmiş değerinin üstüne çıkmasına izin verilirse,triyağın belirlenmiş gerilimini tıkaması ya da ana uç akımı sıfır değerine düştüğünde emniyetli (güvenilir) bir iletimden çıkma olayı garanti edilemez.
Endüktif yükler için , hat akımı ve hat gerilimi arasındaki faz kayması triyağın iletimden çıkması anlamına gelir ve daha sonra triyak uçlarında oluşması gereken belirli bir hat gerilimi meydana gelir. Eğer bu gerilim çok hızlı bir şekilde oluşursa , yük taşıyıcılarında çığ oluşabilir ve bu çığ sonucu triyak hemen tekrar iletime girer . Belirli endüktif yüklerle uygun bir komutasyon elde etmek için dv/dt değeri , triyağa paralel bağlı RC devresiyle ya da akım – gerilim faz kayması veya jonksiyon sıcaklığının azaltılmasıyla sınırlandırılmalıdır.

KAPI TETİKLEME KARAKTERİSTİKLERİ:


Triyak , 1. ve 3. bölgelerde , düşük enerjili pozitif veya negatif kapı akımlarıyla tetiklenebileceği için devre tasarımcısı kontrol elemanlarını seçebilmesi için geniş bir alana sahiptir.Tetikleme , DC ,doğrultulmuş AC, AC , veya UJT , neon lamba ,anahtarlama diyotları [(ST2)diyak,SBS, asimetrik tetikleme anahtarı(ST-4)] gibi darbe kaynaklarından elde edilebilir .Burada önemli olan , iki yönlü karakteristik sergileyen tetikleme elemanları kullanmaktır . Bu olay , tetikleme elemanı sinyali , AC hattan elde edildiğinde önem kazanır ve bazı belirli pozitif ve negatif gerilimlerde tetikleme elemanının devrilmesi veya iletmesi istenilir bir olaydır.
TRİYAK TETİKLEME DURUMLARI
MT1’e göre
MT2 GERİLİMİ
MT1’e göre
KAPI GERİLİMİ
Çalışma
Bölgesi
Pozitif
Pozitif
Negatif
Negatif
Pozitif
Negatif
Pozitif
Negatif
I (+) I
I (-) IV
III (+) II
III (-)III
Not+) ve (-) işaretleri kapı tetikleme akımı veya geriliminin polaritesini gösterir. MT1 ucu referans noktasıdır.


Şekil 1.5. Triyak Tetikleme Durumları

Triyağın hassasiyeti II. ve IV. bölgelerde biraz daha düşük olduğundan özel durumlar oluşmadıkça bu bölgelerde (özellikle II. bölgede) kullanılmaz.Böyle bir durumda, bu uygulama için özel olarak seçilmiş triyaklar kullanılabilir.
Triyağın V-I karakteristiğini incelenirse , kapı ve MT1 uçları arasında düşük non-lineer empedansın bulunduğu görülür . Karakteristik , bir çift diyodun ters paralel biçimde bağlanmasıyla oluşan karakteristikle benzerdir.
Triyak çalışma teorisi hakkında temel sağlayan 4 ana tristör kavramı vardır:
a)Temel Geri Tıkamalı Triyot Tristör(The Basic Reverse Blocking Triode Thyristor or SCR)
b)Kısa Devre Emiterli Tristör(The Shorted Emitter Thyristor)
c)Jonksiyon Kapı Tristörü(Junction Gate Thyristor)
d)Uzak Kapı Tristörü(Remote Gate Thyristor)


c)Jonksiyon Kapı Tristörü şekil 1.6‘da gösterilmiştir.


Şekil 1.6. Jonksiyon Kapı Tristörü

Başlangıçta , IG kapı akımı , yardımcı p1–n1–p2–n3 yapısının p2–n3 kapı jonksiyonunu iletime sokar ve p1–n1–p2–n3 yapısının iletime geçmesiyle bu yapıdaki gerilim düşümü azalır . p2 bölgesinin sağ tarafı anot potansiyeline erişmeye başlar . p2 ‘den yanal bir akım geçer . p2-n2 ‘nin sağ köşesi iletime geçtiğinde elektronlar bu noktaya gelir ve ana yapı iletime geçer.
d)Uzak Kapı Tristörü şekil 1.7 ‘de gösterilmiştir.



Şekil 1.7. Uzak Kapı Tristörü

Dış kapı akımı , IG , p1-n3 ‘ ün iletime girmesine neden olur ve şekilde gösterildiği gibi elektronlar hareket eder . Bu elektronlar , p1 bölgesinde yayılır ve p1–n1 jonksiyonu tarafından toplanır . p1–n1 iletime geçse bile hala bir kollektör gibi hareket eder . n3 ‘deki elektronlar , p1–n1 tarafından toplanır ve p1–n1 ‘de bir akım artışı meydana gelir.Eleman tekrar iletime geçer.
Yukarıdaki 4 elemanın belirgin özellikleri tek bir elemanda birleştirilebilir.Bu eleman triyaktır.
Aşağıda tipik bir triyağın yapısı gösterilmiştir (Şekil 1.8).Çalışma şekli şu şekildedir:
a)Ana uç 2 (MT2) pozitif , pozitif kapı akımı ;
Bu durumda ,triyak ,tam olarak sıradan bir tristör gibi davranır.Aktif bölümler p1–n1–p2–n2 ‘dir.
b) Ana uç 2 (MT2) pozitif , negatif kapı akımı;
Çalışma , jonksiyon kapı tristörününkine benzedir. p1–n1–p2–n2 ana yapıdır. n3 de jonksiyon kapı bölgesi olarak davranır.
c) Ana uç 2 (MT2) negatif , negatif kapı akımı;
Uzak kapı durumudur. p2–n1–p1–n4 ana yapıdır.

d) Ana uç 2 (MT2) negatif , pozitif kapı akımı;
p2-n2 iletimdedir ve p2–n1 tarafından toplanan elektronları enjekte eder . p2–n1 daha çok ileri ön gerilime sahip olur. p2–n1–p1–n4 ‘den geçen akım oranı artar ve bu bölüm iletime geçer.Bu durum da , uzak kapı çalışmasına benzerdir.



Şekil 1.8. Tipik Triyak Yapısı

TRİYAĞIN KULLANIMI:


Triyağın basitliği ve çok yönlü olması , AC güç kontrolünü içeren uygulamalarda geniş bir çeşitlilik sağlayarak onu ideal yapar.
Triyağın kapısına tetikleme darbesinin sağlanmasında iki yönlü tetikleme gereksinimleri için ideal olarak uygun olan 3 eleman vardır. Bunlar , neon lamba , diyak , ve silisyumlu iki yönlü anahtar tristördür (SBS).

a)STATİK ANAHTARLAMA:


AC devrelerde triyağın bir statik anahtar olarak kullanılması , mekanik anahtarlama hakkında belirli avantajlar verir . Denk bir röleyle karşılaştırırsak çok düşük bir güç kontrol kaynağıyla oldukça büyük akımların kontrol edilmesine izin verir.Triyak her yarım dalgada kilitlendiğinde (latching) , bir kontak sıçraması olmaz . Triyak , daima sıfır akımda açıldığından , herhangi bir ark veya güç ya da yük hattında depolanmış endüktif enerjiden dolayı güçlenen geçici gerilim oluşmaz . Ayrıca , bileşen sayısında – diğer yarı iletken statik anahtarlarla karşılaştırıldığında- etkileyici bir azalma vardır . Bunun nedeni , kapı tetikleme sinyali ve ana gerilimin her iki polaritesini de iletme yeteneğindendir . Devre basitliğinin en dikkat çeken örneği şekil 1.9’da gösterilen temel statik anahtardır.
Triyağın tetiklenmesi için gerekli olan sadece birkaç mikrosaniye süresince kontaklar akım tuttuğu için , şekildeki (şekil 1.9.(a)) anahtar yerine (reed switch) , röleler , termostatlar , basınç anahtarları , program / timer anahtarları gibi geniş çeşitlilikteki küçük anahtarlama elemanları kullanılabilir. Bu devre , [MT2+ ,kapı+] ve [MT2- , kapı-] , kapı tetikleme durumlarını kullanır. Şekil 1.9(b), basit 3 pozisyonlu güç kontrolü elde etmek için , dalgalanma sınırlayıcı direnci ile seri olan düşük akım diyodu ve bir 3 pozisyonlu anahtarın kullanımını gösterir . 1.pozisyonda herhangi bir kapı bağlantısı yoktur ve güç verilmez . 2.pozisyonda , kapı akımına sadece bir yarım periyotta izin verilir ve yükteki güç yarım dalgadır.



Şekil 1.9.Triyağın Statik AC Anahtarlama Uygulamaları

3.pozisyonda , her iki yarım periyotta da kapı akımı vardır ve güç tam olarak bulunur.Şekil 1.9 (c)’de gösterildiği gibi , bu anahtar yerine trafo da kullanılabilir.Burada, R direnci , primerden toprağa mıknatıslanma akımını şönt etmek için seçilir . Bu devre , yalıtılmış düşük gerilim kontaklarıyla kontrolü sağlar.
Çok kanallı çalışmalardaki işitsel (audio) kodlanmış giriş sinyallerinde tam frekans seçilebilirlik anahtarlamaları sağlamak için şekil 1.9(a) ’ daki gibi devredeki triyakla birlikte rezonant-reed röleler kullanılır.Daha düşük frekanslarda , bazı tetikleme noktası modulasyonu hat frekansı darbesinden meydana gelir.


Şekil 1.10. (a)DC Kontrol (b) AC Kontrol

Diğer yararlı anahtarlama devreleri , şekil 1.10 ’ da gösterilmiştir ve triyak AC ve DC tetiklemesini gösterir . S1 anahtarı , termistör , fotosel veya şekil 1.11 ’ de gösterildiği gibi elektriksel sinyal ile kontrol edilen bir transistör ile yer değiştirebilir. 600 Hz’in üstündeki daha yüksek frekanslar da etkilidir . Kumanda kontrol çalışması veya bir sistemin teyp kayıt programlanması için diğer statik veya dinamik filtre devreleri kullanımıyla frekans seçiciliği elde edilebilir . Ne olursa olsun , triyak tetikleme hassasiyetinin her iki polaritede veya her bölgede (I,II,III,IV) tümüyle aynı olmadığı,bu nedenle bir eşik dedektörü olarak kullanılmadığı için tetikleme sinyali ON ya da OFF biçiminde olmalıdır.

Düşük seviye DC lojik kaynağı gözönünde tutulursa, şekil 1.11’deki transistör bağlantıları bir triyak veya bir dizi triyağın sürülmesi için idealdir . Bunun bir örneği şekil 1.12 ’ de gösterilmiştir ve burada bir AC güç flaşör düzenlemesinde bir transistör flip-flop devresiyle iki triyağın tetiklenmesi gösterilmiştir.





Şekil 1.11 Transistörlü Kapı Kontrolü
Şekil 1.12. AC Güç Flaşörü.(R2’nin ayarlanmasıyla, belirtilen frekansta triyak 1 ve 2 birbirini takip ederek ardarda iletime girer.)
Triyak 1-2: GE SCI51B (1kw yük için) / GE SCI46B (600 kw yük için)
CR1-CR 4 : GE AI4F
Q1: GE 2N26 46 / Q2-Q3: GE2N3416
C1 :500μF 25 V Elektrolitik / C2 :0,2 μF / C3 ,C 4: 0,05 μF
R1:56Ω 2W
R2:2 MEG TRİMMER / R3:1 MEG / R4 :100 Ω / R7-R8-R9 : 680 Ω / R10 R11 R12 R13:10 kΩ