SCR'nin Kesime Gitmesi │ Komütasyon Tekniği

Güç elektroniğinin en önemli elemanlarında biri tristörlerdir. İletime sokulması oldukça kolay olan tristörleri kesime götürmek de bir o kadar zordur. Bu yazımızda SCR'lerin kesime gitmesinde kullanılan komütasyon tekniğini ve komütasyon devrelerini inceleyeceğiz.

A- A+

23.03.2016 tarihli yazı 28186 kez okunmuştur.

SCR Komütasyon Tristör Kesim Bobin Kondansatör

Tristörlerin iletime sokulmasında gerçekleştirilmesi oldukça kolay yöntemler kullanılmaktadır. Bunlardan birkaçı aşağıdaki gibidir.

►Tristörün kapısına hiçbir işaret uygulanmadan, anot ve katot arasına devrilme geriliminden fazla gerilim uygulayarak,
►Tristörün gate ucuna gerekli sinyali uygulayarak.

Tristörü iletime sokmak için yukarıdaki maddelerden herhangi birini gerçekleştirmek yeterlidir. Fakat tristörü kesime götürmek için anot-katot arası gerilimi düşürmek veya gate ucundaki sinyali kesmek yeterli değildir. Tristör bir kez iletime geçtikten sonra ideal şartlar altında hiçbir şey yapılmazsa sonsuza kadar iletimde kalır. Bir SCR'nin kesime götürülebilmesi için bir komütasyon devresine ihtiyaç vardır. Komütasyonun terminalinin işlevi devredeki akımı başka bir yoldan iletmektir. Yani komütasyon devresi bu işlevi ileri yöndeki akımı sıfıra indirgeyerek gerçekleştirir ve SCR'yi bu şekilde kesime sokar.

►İlginizi Çekebilir: Güç Elektroniği ve Endüstriyel Alanda Karşılığı

İletimdeki bir SCR'nin kesime götürülebilmesi için aşağıdaki koşulların sağlanması gereklidir;

►SCR'nin anotundaki yani iletim yönündeki akımı sıfıra indirgenmeli ya da akım tutma akımının altında olmalı.
►SCR'nin tıkama halinin yeniden gerçekleşmesi için uçlarına yeterli ters gerilim uygulanmalı.

SCR'nin Kesime Götürülme Yöntemleri

SCR'de komütasyona neden olan ters gerilimdir. Komütasyon gerilimine bağlı olarak komütasyon teknikleri doğal komütasyon ve zorlanmış komütasyon olarak ikiye ayrılır.

1) Doğal Komütasyon

Tristör bilindiği gibi tek yönlü iletim sağlayan bir güç elektroniği elemanı olduğundan tristörün anot ve katot uçları arasına alternatif bir gerilim uygulanırsa periyodun yarısında gerilimin polaritesi yön değiştireceğinden tristör gerilimin polaritesi yön değiştirdiği anda kendiliğinden kesime gider. Bu şekilde tristörün kesime gitmesine doğal komütasyon denir. SCR'nin doğal komütasyonla kesime gitmesi için gate ucundan herhangi bir sinyal uygulanmasına gerek yoktur. Aşağıdaki grafiklerde de görüldüğü gibi gate ucuna sadece SCR'nin iletime geçmesi için bir sinyal uygulanmıştır. Sonrasında Vs değeri sıfıra inip polarite değiştirmiş ve SCR kesime gitmiştir.

2) Zorlanmış Komütasyon

DC devrelerde SCR'ler AC devrelerde olduğu gibi doğal yolla kesime gitmezler. Bu nedenle SCR'yi kesime sokmak için ayrıca bir devre kurulması gerekmektedir. Bu devrelere zorlanmış komütasyon devreleri denir. DC devrelerde ileri yöndeki akım nedeniyle SCR'yi kesime götürmek için zorlanmış komütasyon devrelerini kullanmak zorunludur. Komütasyon devreleri bobin, kondansatör gibi reaktif devre elemanlarından oluşur. Bu reaktif bileşenler SCR üzerinde ters gerilime neden olarak SCR üzerindeki akımın sıfıra inmesini sağlar. Komütasyon devrelerinde kullanılan elemanların yerleşimine göre komütasyon devreleri A,B,C,D ve E sınıfı olarak 5 sınıfa ayrılırlar.

►A Sınıfı Komütasyon;

A sınıfı komütasyon aynı zamanda kendiliğinden komütasyon ya da rezonans komütasyon olarak da bilinir. Bu tip komütasyonda komütasyonun kaynağı yüktür. Komütasyon elemanları bobin ve kondansatör dirençle paralel veya seri olarak bağlanabilir. SCR'ye ait akım gerilim grafikleri ve kondansatöre ait gerilim grafiği aşağıdaki şekilde verilmiştir.

►İlginizi Çekebilir: Güç Elektroniği Elemanları

Yükün ve komütasyon elemanlarının değerleri, devrede normal bir şekilde akımı sıfıra indirmek için sönümlü rezonans devresi oluşturacak şekilde seçilir. SCR tetiklendiğinde, kapasitör şarj olduğu sürece ileri yönde akım akmaya başlar. Bu durum aksi bir şey gerçekleşene kadar bu şekildedir yani tristör bir kere tetiklendikten sonra tetiklenmiş olarak kalır. Devrede tetiklenmiş tristörü kısa devre olarak düşünebiliriz. Kondansatör tamamen şarj olduktan sonra (Kondansatörün gerilimi kaynak geriliminden daha fazla) SCR üzerinde devrenin komütasyonundan dolayı ters yönde gerilim oluşur. Bu gerilim şu şekilde oluşur: tristör tetiklendikten sonra devrede tristörün iki ucu kısa devre haline gelir ve devrede sadece bobin kondansatör ve direnç varmış gibi düşünülebilir. Tetiklemeden sonra devredeki bobin ve kondansatör arasından rezonans oluşur. Rezonansta bobinin manyetik enerjisi periyodik olarak kondansatör üzerinde elektrik enerjine dönüşür aynı şekilde kondansatörde yüklenen enerji bobin üzerinde manyetik enerjiye dönüşür ve bu dönüşüm normal şartlar altında (Devrede tristör olmadığı zamanlarda) sürekli olarak devam eder. Fakat tristörlü devrede kondansatörün üzerinde indüklenen gerilim değeri kaynak geriliminden büyük olduğundan kondansatör üzerindeki elektrik enerjisi bobinde manyetik enerjiye dönüşürken tristör üzerinde ters polaritede gerilim indüklenmesine neden olur ve tristör bu şekilde kesime gider. Ardından tristör kesime gidip açık devre olduğu için kondansatör komütasyonun bir sonraki döngüsünü hazırlamak için yük direnci üzerinde deşarj olur. Bu yöntem basit ve güvenilir bir yöntemdir. 1000 Hz'den yüksek frekanstaki devrelerde L ve C elemanlarının değerleri yüksek değer aralıklarında seçilir.

►B Sınıfı Komütasyon

Bu komütasyon da bobin ve kondansatör tarafından elde edilen bir öz komütasyon devresidir. Yani devre kendiliğinden komütasyona uğramaktadır. Devredeki L-C rezonans devresi SCR'nin iki ucuna bağlıdır, A sınıfı komütasyondaki gibi yüke seri bağlı değildir dolayısıyla L ve C bileşenlerinin üzerinden yük akımı geçmez.

Devreye DC gerilim uygulandığında kondansatör üst plaka pozitif alt plaka negatif olacak şekilde şarj olur. Kondansatörün seçimi tam şarjlı olduğundan besleme geriliminin değerinin üzerinde olacak şekilde seçilir. SCR tetiklendiğinde akım SCR üzerinden ve L-C üzerinden olmak üzere iki istikametten akar. Birinci akım + besleme geriliminden çıkar SCR ve yük üzerinden besleme geriliminin - ucuna gelir, ikincisi ise L-C üzerinden geçen komütasyon akımıdır. SCR iletim durumundayken kondansatör deşarj olmaya başlar. Kondansatör tamamen deşarj olduktan sonra ters polaritede şarj olmaya bağlar. Böylelikle SCR üzerine mevcut yük akımına karşı, komütasyon akımına neden olan bir ters gerilim uygulanır. Komütasyon akımı yük akımından büyük olur ve SCR otomatik olarak kesime gider ve ardında kondansatör normal polaritede şarj olur.

Yukarıdaki işlemlerde SCR bir süre iletimdedir ve sonra otomatik olarak kesime gider. Bu devamlı bir süreçtir ve istenen ON/OFF frekansı L ve C değerlerine bağlıdır.

►C Sınıfı Komütasyon

Bu komütasyon metodunda komütasyona girmesi istenen asıl SCR yüke seri olarak bağlanır ve tamamlayıcı SCR ise asıl SCR'ye paralel olarak bağlanır. Bu metot ayrıca tamamlayıcı komütasyon olarak da bilinir. Bu metodun işleyişinde ise SCR kondansatörün ters gerilimiyle kesime gider. Aşağıda devre topolojisi ve dalga grafikleri yer almaktadır.

Başlangıçta SCR'lerin ikiside kesimdedir ve kondansatör üzerindeki gerilim sıfırdır. Tamamlayıcı SCR ya da ana SCR tetiklendiğinde akım iki yoldan akmaya başlar. İlk olarak SCR1 tetiklenirse akım RL ve R dirençleri üzerinden olmak üzere iki koldan akar. R direnci üzerinden akan akım sayesinde C kondansatörü şark olur. Burada kondansatörün tam şarjlı geriliminin değeri diğer metotlarda da olduğu gibi devredeki kaynak geriliminden büyüktür. SCR2 tetiklendiğinde ise SCR2 kolu kısa devre olacağından kondansatör üzerindeki tam şarjlı gerilim değeri kaynak gerilimden büyük olduğu için SCR1 üzerinde ters polaritede bir gerilim oluşturur. Bu ters gerilim SCR1'in kesime gitmesini sağlar. Ardından kondansatör şarj olmaya başlar ve eğer SCR1 tekrar tetiklenirse kondansatörün deşarj akımı SCR2'nin kesime gitmesini sağlar. Bu tip komütasyon genellikle tek fazlı inverter devrelerinde kullanılır. En güvenilir komütasyon metotlarında biri olan C sınıfı komütasyon ayrıca 1000 Hz'nin altındaki frekanslarda çok kullanışlı bir yapıdır.

►D Sınıfı Komütasyon

Bu komütasyon yöntemi yardımcı komütasyon olarak da adlandırılır çünkü kondansatörü şarj etmek için yardımcı bir SCR kullanılır. Bu ana SCR'nin yardımcı SCR tarafından komütasyona uğratıldığı anlamına gelmektedir. Komütasyon devresini D diyotu, L bobini ve SCR2 yardımcı tristörü oluştururken güç devresini oluşturan yük direnci ile SCR1 tristörüdür.

Devreye besleme gerilimi uygulandığında SCR'lerin ikisi de kesim halindedir ve böylelikle kondansatör geriliminin değeri sıfırdır. İlk olarak kondansatörü sarj etme amacıyla SCR2 tristörü tetiklenmek zorundadır. Bu şekilde C kondansatörü şarj edilir. Kondansatör tamamen şarj olduğunda SCR2 üzerinde akım akışı olmaması nedeniyle kesime gider. Eğer SCR1 tetiklenirse akım iki kola ayrılır. Birincisi yük direnci üzerinde ikincisiyse D diyotu üzerinden akar. Devre bu şekilde işlerken kondansatör kısa sürede tamamen deşarj olur, devredeki diyot nedeniyle kondansatör üzerindeki ters polarite SCR1 üzerinde görülmez. SCR2 iletime geçtiğinde ve kondansatör üzerindeki enerji SCR2 ve SCR1 yolu üzerinden deşarj olur. Bu deşarj akımı yük akımından daha fazla olacağından SCR1 tristörü kesime gider.

SCR2 tekrar kesime girdiğinde kondansatör tekrar besleme gerilimi üzerinde şarj olmaya başlar. Bu nedenle her iki tristör kapalı olduğunda yukarıdaki döngü tekrarlanır. Bu komütasyon yöntemi de inverter devrelerinde kullanılmaktadır.

►E Sınıfı Komütasyon

Bu komütasyon tekniği aynı zamanda dış darbe komütasyonu olarak da bilinir. Bu bağlamda bir darbe kaynağı SCR'nin uçlarına ters gerilim uygulamaktadır. Aşağıda komütasyon işaretini elde etmek için darbe transformatörü kullanılan bir devre gösterilmiştir.

SCR için komütasyona ihtiyaç varsa SCR'nin kesim süresine (Toff) eşit sürede darbe uygulanır. Scr tetiklendiğinde, yük akımı darbe transformatörü üzerinden akar. Eğer darbe ilk olarak darbe jeneratörünün primer ucuna uygulanırsa, gerilim darbe jeneratörünün seconder ucunda indüklenir. Bu indüklenen gerilim SCR üzerinde ters polarite oluşturur ve dolayısıyla SCR kesime gider. Devredeki kondansatör ise yüksek frekanslı darbeler için çok düşük ya da sıfıra yakın bir empedansa sahip olur.

Kaynak:

►electronicshub.org