GÜÇ ELEKTRONİĞİ | 3. BÖLÜM
Güç Elektroniği Devreleri
Aşağıda en çok kullanılan güç elektroniği devreleri verilmiştir. Bu devrelerin özellikleri kısaca detaylandırılacaktır.
- Doğrultucular (Alternatif akımdan doğru akıma dönüştüren devreler – AC/DC Rectifier)
- Eviriciler (Doğru akımdan alternatif akıma dönüştüren devreler – DC/AC Inverter)
- Doğru akım kıyıcı devreleri (Belli değerdeki doğru gerilimi başka değerdeki bir doğru gerilime dönüştüren devreler – DC/DC Chopper)
- Alternatif akım ayarlayıcı devreleri (Belli değerdeki alternatif gerilimi başka değerdeki bir alternatif gerilime dönüştüren devreler – AC/AC Chopper) ve frekans konvertörleri (Gerekirse hem AC gerilimi hem de gerilimin frekansını değiştiren devreler – VFC Variable Frequency Converter)
Doğrultucular (AC/DC Rectifier)
Genel anlamda doğrultucular, alternatif akımdan doğru akım elden eden devrelerdir. Alternatif akım kaynağından doğru akım yükünü besler veya bir doğru akım şebekesine güç aktarır. Girişi alternatif akım, çıkışı doğru akım olan birçok devre tasarlanabilir. Genel olarak yarım dalga ve tam dalga doğrultucular olarak sınıflandırılırlar. Her iki sınıf doğrultucular üç grupta toplanır. Bunlar denetimsiz, yarım denetimli ve tam denetimli doğrultuculardır.
Denetimsiz doğrultucular sadece diyotlardan oluşur. Çıkışın genliği AC gerilimin genliğiyle orantılı olarak değişir. AC kaynaktan DC şebekeye veya yüke güç aktarırlar.
Yarım denetimli veya tam denetimli doğrultucuların tümünde ise güç transistörler veya tristörler kullanılır. Çıkışın DC gerilim değeri, bu transistörün base gerilimi veya tristörlerin tetikleme açısıyla denetlenir. Hem AC kaynaktan DC çıkışa, hem de ters yönde güç aktarabilirler. Yarım denetimli veya denetimsiz doğrultucular ise bir indüktif bileşene sahip yükü besleme durumunda, yüke paralel bağlı bir serbest geçiş diyodu bağlanır. Bu diyoda, söndürme veya by-pass diyodu da denir. Serbest geçiş diyodu, yükte oluşan ters gerilimlerden dolayı doğrultucuyu korur. Ayrıca tristörlerin kararlılığının bozulmaması için yük akımından doğrultucuyu korumuş olur.
Eviriciler / İnvertörler (AC Converter/Inverter)
Genel anlamda güç elektroniği devrelerinde evirici, DC/AC dönüştürücü veya doğru akım kaynağından alternatif akım ile beslenen bir yüke veya bir alternatif akım şebekesine güç aktarımı yapan devredir. Bu tip devrelere özellikle DC kaynaktan sürekli beslenen yükler, kesintisiz güç kaynakları, endüksiyonlu ısıtma ve frekans ayarı gereken motor denetimi uygulamalarda ihtiyaç duyulur. Girişine akü, yakıt hücresi, güneş veya rüzgar jeneratörü gibi yenilenebilir bir kaynak uygulanır. Bu devreler, girişindeki DC gerilimi çıkışında istenen genlik ve frekanstaki AC gerilime dönüştürürler. Örneğin çıkışı 120 V 60 Hz, 220 V 50 Hz gibi tek fazlı, 120/208 V 60 Hz veya 220/380 V 50 Hz gibi üç fazlı AC gerilim elde edilebilmektedir. Ayrıca çıkış gerilimi sabit veya değişken frekanslı elde edilebilir. Çıkışta değişken bir gerilim elde edilmesi istenirse, giriş DC gerilimi değiştirilebilir. Böylece evirici sabiti veya kazancı olarak tanımlanan bir değer oluşur.
Girişteki DC gerilim denetlenebilir bir gerilim değil ve değiştirilemiyorsa çıkış gerilimi, eviricinin kazancının “Darbe Genişlik Modülasyonu (Ayarı)” (DGM=PWM Pulse Width Modulation) gibi bir yöntemle değiştirilmesiyle ayarlanarak değiştirilir. Evirici kazancı, çıkıştaki AC gerilimin giriş DC gerilime oranı olarak tanımlanabilir. PWM tekniğinde bir referans sinüs sinyali, kendisine göre daha yüksek frekanstaki üçgen dalga sinyaline göre üretilir. Buradaki referans sinyalin frekansı, invertörün AC çıkış geriliminin frekansını belirlemektedir. Referans sinyalin genliğin tepe değeri , AC çıkış gerilimini ortalama değerini tayin etmektedir. Bu şekilde karşılaştırma yapılarak kontrol sağlanır ve her yarı periyottaki darbe sayısı, taşıyıcı frekansı tarafından belirlenir.
Normal bir işletme ortamında evirici çıkış geriliminin sinüzoidal olması gerekir. Ancak uygulamalarda salınım bileşenlerin etkisinden dolayı bu gerilim, ideal sinüzoidaldan uzak olur, bozulmalar oluşur. Küçük ve orta büyüklükteki güçlerin denetiminde evirici çıkış geriliminin şekli kare dalga veya kare dalgaya benzer bir şekilde olması kabul edilebilir. Ancak büyük güçlerin denetiminde bu şeklin sinüzoidale yakın olması istenir. Çıkış gerilimindeki salınımlar hızlı anahtarlama yapabilen yarı iletkenlerin kullanımıyla yapılacak anahtarlama teknikleriyle azaltılarak yok edilmeye çalışılır. Alternatif akım çıkışı anahtarlama işlemleri ile elde edildiğinden, çıkış dalga şekli gerilim parçacıklarından oluşur. Bu parçacıkların anlık değerleri pozitif, negatif veya sıfır olabilir. Ancak genelde çıkışın sadece bir adet sıfır olmayan genliği olur.
Eviriciler genel anlamda tek fazlı ve üç fazlı eviriciler olmak üzere ikiye ayrılır. Bu devrelerde anahtarlama elemanları olarak genelde transistör veya tristör kullanılır. Özellikle giriş ve çıkış akım-gerilim özelliklerine göre gerilim beslemeli, akım beslemeli, DC hatlı evirici devreleri gibi özel eviriciler de bulunur.
Alternatif Akım Ayarlayıcı Devreleri (AC/AC Chopper)
Güç elektroniği devrelerinde herhangi bir AC yükün geriliminin frekansını değiştirmeden gerilim ve akımının etkin değerini kontrol etmek için AC ayarlayıcı (kıyıcı) devreleri kullanılır. AC ayarlayıcı devreleri statik anahtarlar gibi çalışır. Aralarındaki tek fark, sadece kumanda yerine aynı zamanda istenen tetikleme açıklarında iletim gerçekleştirilerek kontrolün de yapılabilmesidir. Genelde bir triyak veya ters paralel bağlanmış iki adet tristör kullanılır. Yük denetiminde, belirli sayıdaki periyotlarda tam dalganın iletimi engellenir. Dolayısıyla, kaynaktaki iletilen ve iletilmeyen tam dalgaların sayısı ile yük ortalama gücü denetlenmiş olur. Birçok yük, özelliklerinden dolayı her alternanstaki güç kontrol edilir. Bu kontrol genelde ışık, ısı, motor hızı gibi uygulamalarda kullanılır.
Doğru Akım Kıyıcı Devreleri (DC/DC Chopper)
Güç elektroniği devrelerinde DC kıyıcı devreleri, bir DC kaynaktan bir DC ile çalışan yüke veya başka DC kaynağa denetimli olarak güç aktara güç elektroniği devreleridir. DC gerilimin ayarlanmasıyla DC akım da ayarlanmakta ve dolayısıyla güç denetimi gerçekleştirilebilmektedir. DC gerilimin ayarlanması için ise anahtarlama tekniği kullanılmaktadır. Yük ile kaynak arasına konan anahtarın açılıp kapatılması ile yapılan denetimle güç ayarı yapılır. Anahtarın açık ve kapalı kalma süreleri ayarlanarak aktarılan güç ayarı gerçekleştirilir. Anahtarın açık kalma süresi uzadıkça güç azalır. Kapalı kalma süresiyle de doğru orantılı olarak aktarılan güç artar. Dolayısıyla sürekli kapalı anahtarların aktaracağı güç ile sıfır güç arasında ayarlama yapılır. IGBT, MOSFET, SCR gibi güç denetimi yapan yarı iletkenlerle anahtarlama sağlanır. Küçük güçlerde transistörler kullanılırken, DC güç büyüdükçe tristörlerin kullanılması daha doğrudur. Çünkü doğru akımda güç büyüdükçe, kontrol daha zor olur. Bunun nedeni, DC kaynaktan tristör tetiklenerek beslenen yükün akımının kesilmesi sırasında tristörün kesime girmesi zorlaşır. Dolayısıyla söndürme sorunları çıkar. Bunun için de söndürme devreleriyle birlikte DC ayarlayıcı düzenleri kullanılır. Aynı zamanda çıkış geriliminin yükteki olumsuz etkileri “Darbe Genişlik Modülasyonu” (DGM=PWM) yöntemi ile düzenlenen devreler de kullanılmaktadır. Hem yükseltici (DC boost converter) hem de düşürücü (DC buck converter) DC devreleri olmak üzere iki tipte sınıflandırılır.
Güç Elektroniği: Temel Bileşenler ve Uygulamaları
Güç elektroniği, yarı iletken bileşenlerin enerji kontrolü ve dönüştürülmesinde kullanıldığı bir alandır. Bu alanda diyot, tristör, MOSFET, ve IGBT gibi yarı iletken elemanlar, enerji yönetimi ve kontrolünde kritik bir rol oynar. Örneğin, diyot direnç ile devredeki akım yönünü kontrol ederken, tristör yüksek güçlü uygulamalarda anahtarlama görevini üstlenir. IGBT modülleri (CM200DY-24NF, FF200R12KE3, ve CM150DY-12H gibi modeller), yüksek gerilim ve akım uygulamalarında yaygın olarak kullanılır.
MOSFET elemanları, özellikle düşük voltajlı hızlı anahtarlama devrelerinde tercih edilir. Örneğin, IRFBC40, AON7403, ve AO4435 gibi modeller, DC-DC dönüştürücülerde ve SMPS devresi tasarımlarında sıkça yer alır. P-MOSFET ve N-MOSFET tipleri, farklı uygulamalar için optimize edilmiştir. LTSpice 2N7000 gibi simülasyon araçları, bu tür bileşenlerin devre tasarımında nasıl performans gösterdiğini analiz etmek için kullanılır. Aydınlatma uygulamalarında ise LED teknolojisi ön plandadır. Epistar LED, OSRAM LED, ve Philips Hue LED Stripgibi ürünler, enerji verimliliği ve yüksek ışık kalitesi ile tanınır. WS2812B LED ve 5050 RGB LED gibi programlanabilir LED’ler, P10 LED panel veya ray spot aydınlatma gibi dış cephe ve dekoratif aydınlatma sistemlerinde kullanılır. Ayrıca, Philips G9 LED ve sıva altı spot gibi çözümler, iç mekan aydınlatmasında tercih edilir. PCB LED tasarımları ve quantum board teknolojisi, LED’lerin daha verimli kullanılmasını sağlar. LM301H gibi yüksek performanslı LED modülleri, özellikle tarımsal aydınlatma ve profesyonel uygulamalarda öne çıkar. LED tube T8gibi ürünler ise geleneksel floresanlara enerji tasarruflu bir alternatif sunar. Sonuç olarak, güç elektroniği ve yarı iletken teknolojisi, enerji verimliliği ve kontrolü açısından modern endüstride kritik bir rol oynamaktadır. Bu bileşenler, aydınlatmadan enerji dönüşümüne kadar geniş bir uygulama yelpazesinde vazgeçilmezdir.
