Özellikle yüksek güç harcayan devrelerde devrenin elektriğini kesip açmak büyük sorun olur.Bu devreleri açmak için zaman zaman röle kullanılsa da gerek röle kontaklarının oksitlenmesi gerekse röle hızının bazı devrelerde yetersiz kalması bizi başka çözüm arayışlarına iter. Bazen de büyük bir DC motorun hız kontrolü gereklidir. Bunu transistör ile yapmaya kalkarsak biraz verim sorunları yaşarız. Bir sürü neden sayabiliriz hızlı, hafif, ucuz…. bir anahtarlama elemanını kullanmak için.Tabi ki yarı iletken bir anahtardan söz ediyoruz. Bu tür ve daha pek çok farlı işleri yapan ailenin genel adı tristör ailesidir.

Tristörler

Tristörler fonksiyonlarına göre ve yapılarına göre hatta bacak sayılarına göre pek çok türe ayrılırlar. Bunlarda bazıları çok yaygın olarak kullanılmasına rağmen bazılarının kullanımı çok dar alanlarla sınırlıdır.

Tristörlerin ortak özellikleri :

• Fiziksel ölçüleri kontrol ettikleri güce göre çok küçüktür.

• Ömürleri, yarı iletken oldukları için teorik olarak sonsuzdur.

• Çok az ısındıkları için fazla soğutma problemleri yoktur.

• Ateşleme için küçük gerilimler yeterlidir.

• Çok az kayıpla çalışırlar, verimleri yüksektir.

• Yarı iletken oldukları için mekanik darbelere karşı duyarsızdırlar.

• Bakım gerektirmezler

• t/2 saniyede açılabilir ve birkaç mikrosaniyede kapanabilirler.

Tristörlerin genel olarak türleri :

1- Tek yönlü akım ileten tristörler.

a – SCR Silicon Controlled Rectifier yada Silikon Kontrollü Doğrultucu.
b – SUS Silicon Unidirectional Switch yada Silikon Tek yönlü Anahtar .
c – PUT Prgrammable Unijunction Transistor ayada Programlanabilir Tek jonksiyonlu (bağlantılı) Transistör.

Yukarıdaki 1. gurubu aslında bu kadar kısa değil. Bu türlerin kendi içlerinde de ışığa vs. duyarlı türleri de bulunmaktadır. Yukarıdaki gurup tek yönlü akım ileten tristörlerin en temel üyeleridir.

2-Çift yönlü akım ileten tristörler.

a- DIAC
b- TRIAC

2. gurupta da daha başka elemanlarda olmasına rağmen DIAC ve TRIAC temel elemanlardır. Şimdi bunların bazılarının basit çalışma şekillerini ve bazı uygulamalarını inceleyelim.

SCR

Şekil 1. SCR sembolü.

SCR , silisyumla yapılmış 4 katmanlı yarıiletken bir elemandır.

Bu katmanları oluştururken Gate (kapı) BJT transistör imalatındaki beyzler gibi ince yapılmaz. SCR nin çalışmasını anlamak için daha basit olan BJT transistör modeli kullanılır. Buna göre bir SCR iki BJT transistörden oluşmaktadır.

Şekil 2. SCR modeli.

Transistörden oluşan modeli incelediğimizde, T1 transistörünün beyzi ile yani GK ya, T! transistörünün emitörü arasına yani K (Katot) arasına pozitif bir gerilimin bir an için uygulandığını düşünelim. Buna ateşleme denir. Bu anda T1 transistörü iletime geçerek T2 transistörünün beyzi ile kollektörünü birleştirecektir. Yani PNP olan T2 transistörünün kollektörü ile beyzi T1 transistörünün emitör gerilimine çekilecektir. Bunun sonucu olarak da T2 transistörü iletime geçecek ve T2 transistörünün emitöründen ya da SCR nin Anodundan T1 transistörünün emitörüne doğru yada SCR’nin Katoduna doğru bir akım akmaya başlayacaktır.

Anod akımı amaya başladığı durumda her iki transistörün beyz ile kollektörleri diğeri tarafından kısa devre edilmiş durumdadır. Bu anda SCR nin gate sine uygulanan pozitif gerilimi kaldırsak bile Anod akımı akmaya devam edecektir. Yani SCR ateşlendikten sonra ateşleme gerilimi ortadan kalksa bile anod akımı akmaya devam edecektir.

Yukarıdaki iki paragrafta anlattılan olayları grafik üzerinde gösterirsek SCR nin karakteristik eğrisini elde ederiz.

Şekil 3. SCR karekteristiği.

SCR nin karaktestik eğrisindeki terimlerin anlamları

I_A: Anod akımı
i_F: O anki en büyükanod akımı
I_H: SCR yi açık (ON) durumunda tutan akım yada tutma akımı.
i_R: En büyük negatif kapama (OFF) akımı.
V_RSL: En büyük negatif kapama gerilimi.
V_F: Geçirme durumunda (On durumunda) anod – katod gerilimi.
V_Fmin: Geçirme durumundaki minimum (On durumunda) anod – katod gerilimi.
V_(BO): Devrilme (anod- katod arası iletime geçilme) gerilimi. Bu an I_G akımı akar.
V_(BO)0: Devrilme (anod – katod arası iletime geçilme) gerilimi. Bu an I_G akımı yoktur.

Bir SCR nin ateşlenmesi için basit yöntemler vardır. Aslında bu yöntemler bütün tristörler için de geçerlidir. Bu yöntemler;

1- Yüksek gerilimle ateşleme:

Bu durumda tristörün Anodu ile katodu arasına yeteri kadar bir yüksek gerilim uygulamakla yapılan ateşleme türüdür. _A>=V_(BO)oluşması yeterlidir. Bu tür ateşleme genellikle tristör türlerinden dört katlı diyot yapılarından SCHOKLEY ve DIAC larda kullanılır.

2- (dv/dt) ateşlemesi:

Her PN birleşimi arasına bir kapasitans vardır. PN birleşimin yüzeyleri büyüdükçe bu kapasitans ta artar. Tristörün ateşlenmesi için herhangi bir gate akımı uygulanmadan Anod – Katod arasına bir pals gerilimi uygulanır. Bu pals gerilimi tristörün PN birleşimleri arasındaki kapasiteleri dolduran ani bir akım oluşturur. Bu akım tyristörün ON olma zamanından daha hızlı ise tristör iletime geçer.

3- Termik ateşleme:

Bir PN birleşimde yüzey sıcaklığının her 80C artması sızıntı akımını yaklaşık iki kat arttırır. Eğer tristör üzerindeki sıcaklık yeteri katar arttırılırsa devrilme gerilimi olan V_(BO) azalır ve tristör iletime geçer.

4- Kumanda ile ateşleme:

Şekil 4. Kumanda ile ateşleme.

Bu ateşleme yöntemi özellikle SCRler de yaygın olarak kullanılır. SCR’nin gate ile katodu arasına yeterli gerilim uygulanarak yapılır.

Söndürme Yöntemleri:

Bir tristörü söndürmek (Anod akımını durdurmak) için üzerinden geçen akımı, tutma akımının altına düşürmekle gerçekleştirilir.

1- Kumanda akımı ile söndürme:

Genellikle küçük tristörler için geçerlidir. Gate – Katot arasına uygulanan ters kumanda akımı ile gerçekleşir. Büyük akım geçen devrelerde kullanılmaz.

2- Komütasyon gerilimi ile söndürme:

Şekil 5. Komutasyon ile söndürme.

Bu yöntemde tristör üzerinden geçen akım bir an için sıfır yapılır. I_A akımı sıfır olduğu zaman tristör kendiliğinden söner. Anod akımı sıfır yapmak için anod akımını oluşturan kaynak gerilimi ters olarak uygulanmalıdır. Kaynak gerilimi kendiliğinden tersine dönemez. Bunu gerçekleştirmek için tristörün anodu ile katodu arasına bir komütasyon devresi yapılır. Komütasyon devresi içinde bir bobin vardır. Komütasyon devresi içindeki S anahtarı kapatıldığında L_K bobini üzerinde oluşan gerilim ile komütasyon gerilimi olan V_K gerilimi toplanarak ters yönde tristör üzerine uygulanır. Tristör üzerine uygulana bu ters gerilim bir an için I_A akımın yok eder ve tristör OFF olur.

Bu tür komütasyon devrelerinde kapatma gerilimi çok fazla olursa tristör tahrip olabilir.

Tristörün AC’de çalışması

AC yüklerinin açıp kapatılmalarında anahtar olarak bir SCR kullanılıyorsa, SCR’ nin kapısından (gate) uygun büyüklükte bir akım akıtmak yeterlidir. Fakat bir şey hiç unutulmamalıdır. Bir SCR’ nin anodu ile katodu arasına AC voltaj uygulansa bile, SCR her iletime geçtiğinde üzerinden sadece yarım dalga akım geçecektir. Yani üzerinden geçen akım her ne kadar AC olsa da tam değil yarısı. Bunun faydaları da vardır. Özellikle büyük güç harcayan doğrultucu devrelerde voltaj ayarlamak için çok kullanılır. Bir örnek verecek olursak büyük DC motorlarda mesela trenlerde, motor hız kontrolü olarak SCR’li devreler kullanılır.

Şekil 6. SCR iletim bölgeleri.

Yandaki şekilde tam ON olmuş yani tamamen iletime geçmiş bir SCR üzerinden geçen akım dalga şekli görülmektedir.

Bir SCR yi iletime geçiren akım yaklaşık hep aynıdır. Tabi ki SCR’nin modeline bağlı olarak değişiklik olur. Fakat aynı SCR için, SCR yi iletime geçiren akım aynıdır. Şimdi bu özelliği göz önüne alarak bir SCR üzerinden geçen akımı değiştirelim! Aslında akımı değiştirmeyeceğiz. SCR yi devreye uygulanan AC voltajın değişik faz derecelerinde ateşleyelim.

Şekil 7. SCR

Şekil 8. SCR

Yukarıdaki devrede girişe uygulanan AC voltaj sıfırdan başlayarak maksimum değerine kadar bir zaman içinde yükselecektir. Bu yükseliş sırasında SCR’nin kapısına bağlı R potansiyometresini üzerinden bir akım akıtmaya çalışacaktır. Giriş voltajı belli bir seviyeye geldiğinde kapı üzerinden akan akım SCR yi ateşleyerek ON durumuna getirecektir. SCR bir kere ON olduktan sonra ancak anodu ile katodu arasında ki voltaj "tutma voltajının altına" yaklaşık sıfır volta düşene kadar ON olarak kalacaktır. Giriş voltajı bir önceki voltaj seviyesine kadar tekrar yükselene kadar da OFF olarak kalacaktır. Şimdi potansiyometreyi biraz açalım yani direncini düşürelim. Bu sefer giriş voltajı daha erken zamanda SCR’nin kapısından yeterli akım geçirerek SCR’yi ON yapacaktır. Potansiyometreyi kısarsak yani direncini arttırırsak bu kez de giriş voltajının daha yüksek seviyelerinde yeterli kapı akımı oluşacak ve SCR daha geç ON olacaktır. Anlaşılacağı gibi potansiyometreyi açarak SCR üzerinden daha fazla, potansiyometreyi kısarak daha az akım!! geçiriyoruz.

Şekil 9. SCR

Şimdi neden " akım! " yazdık. Dalga şekillerine dikkat ederseniz aslında akımın büyüklüğü değişmiyor. Daha basit anlaşılması için "akım" sözcüğünü kullandık. Değişen akımın akma zamanı. Potansiyometrenin açılıp kısılması ile bir zaman aralığı içinde SCR üzerinden geçen akımın süresini değiştiriyoruz. Aslında bu yeterli sonucu sağlar. Çünkü sonuç olarak bizim yük üzerinde harcadığımız güç önemlidir. Yük üzerinden küçük sinüs parçaları halinde akım geçirirsek az güç harcarız, yada büyük sinüs parçaları halinde akım geçirirsek çok güç harcarız.

Bu şekilde faz kontrolünü sinüs içiminde bir dalga şekli için 0-90 dereceler arası yapmak mümkündür. Çünkü giriş dalga şekli 90 dereceye eriştiğinde zaten olabilecek maksimum giriş voltajına erişilmiş ve SCR ateşlenmiş olacaktır. Eğer 90⁰ den daha yüksek açılarda ateşleme gerekiyorsa aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi devreye bir C kondansatörü ilave edilir. Potansiyometre (R) ile C nin oluşturduğu sabit gecikme süresi kadar bir gecikme, C kondansatörü olmadan olacak ateşleme süresinin üzerine ilave edilir.

Şekil 10. SCR

SCR ile yapılan çeşitli uygulamalarda farlı bağlantılar ve tetik devreleri kullanılır. Bu tamamen amaca bağlı olup, dalga şekillerinde farklılıkları açıkca görülmektedir.

Şekil 11. Yarım kontrol

Şekil 12. Tam kontrol

Şekil 13. Tam DC kontrol

Günümüz UPS lerinde (Kesintisiz Güç Kaynakları) çıkış devrelerinde SCR kullanılır. Bunun nedeni büyük güç altına çalışan bu devrelerin verimlerinin yükseltilmesi ve üzerlerine daha az güç harcamalarını sağlamaktır. Aşağıdaki şekilde bir UPS nin invereter adı verilen basitleştirilmiş çıkış katı görülmektedir.

Şekil 14. SCR

Sürekli tekrar ettiğim önemli bir konuyu tekrarlayacalım. Unutmayalım ki bir tristörler bir kere ON olduktan sonra anod – katot arası voltaj 0V olmadan OFF olmaz. Bu nedenle tristörlerin DC ile çalışmasında, OFF konumunun sağlanması için bir takım özel devrelere ihtiyaç duyulur. Bu devrelere komütasyon devreleri denmekte idi.

Yukarda ki devrede SCR1′ in kapısına pozitif bir pals uygulayalım. Bu durumda SCR1 iletime geçer ve o durumda kalır. Akım, L bobininden trafonun n1 sargısından ve SCR1 üzerinden geçecektir. SCR1 ateşlendiğinde, SCR1′ in anodu arasındaki voltaj farkı kalmaz. C kondansatörünün üst ucu negatif yada toprak voltajına iner. C kondansatörünün alt ucu ise kaynak voltajına eşit olur. 

Tetikleme palsı istediğimiz çıkış dalgasının periyodunun yarı zamanında SCR2 uygulanın. Bu durumda SCR1 zaten ON durumda idi. SCR2 ON olunca üst ucu negatif alt ucu pozitif olan C kondansatörü ikisi de ON olan SCR1 ve SCR2 üzerinden boşalır. Şimdi bu duruma dikkat edelim. C kondansatörünün boşalması anında SCR2′ nin anodu kondansatör üzerindeki yük nedeniyle pozitif, buna bağlı olarak SCR2 üzerinden geçen akım doğru yönde olacaktır. Aynı anda SCR1′ in anodu C kondansatörü üzerindeki yük nedeniyle negatiftir. Bundan dolayı SCR1 üzerinden katotdan anoda doğru ters yönde bir akım akacaktır. Bu ters akım SCR1′ i OFF yapacaktır. SCR1 OFF olduğu zaman C kondansatör üzerindeki gerilim bu kez ters yönde yani -2E olarak görünür. Tekrar yarım periyot süresinde bu kez SCR1 tetiklenir ve SCR2 OFF olur ve bu şekilde devam eder. Devredeki L bobinin amacı C kondansatörünün boşalma hızını kontrol eder. 

SCR ler DC ve AC motorlarda güç kontrolü yaparak hız değişiklikleri yapabilir. Örneğin bazı el tipi elektrikli matkapların tetiklerine basarak hızlarının değiştirilebilme özellikleri gibi.

Şekil 15. SCR

Yukarıdaki şekil tipik bir DC motor hız kontrol devresi görülmektedir. 

Girişteki devre köprü tipi bir doğrultucudur. Devrede dikkatimizi çeken bir nokta devredeki SCR’ nin her ateşlemeden sonra kendiliğinden sönmesini sağlamak için doğrultucu çıkışında herhangi bir süzgeç kondansatör kullanılmamasıdır. Şekildeki R2 direnci hız kontrolü için kullanılır. L bobini oluşacak parazitik gürültüleri önlemek, D diyodu ise bu diyot üzerinde oluşan ters yöndeki gerilimleri kendi üzerinde kısa devre etmek için kullanılır.