GÜÇ ELEKTRONİĞİ DEVRE ELEMANLARI
En Çok Kullanılan Güç Elektroniği Devre Elemanları
En çok kullanılan devre elemanları diyot, LED, transistör, BJT, MOSFET, IGBT ve Tristör olarak sayılabilir. Daha birçok güç elektroniği devre elemanı mevcuttur ancak bu devre elemanları tek tek incelenecektir.
Diyot
Diyotlar, güç elektroniği devre elemanları teknolojisinin en önemli elemanlarından biridir. Tek bir yönde akım ileten yarı iletken devre elemanıdırlar. P ve N olmak üzere iki kutbu vardır. Eğer P kutbu devreye bağlı gerilim kaynağının pozitif kutbuyla bağlı ise, aynı şekilde N kutbu ise kaynağın negatif kutbuyla bağlı ise diyotlar iletken hale geçer. Bu duruma ileri polarizasyon denir. Eğer bu durumun tersi gerçekleşirse, diyot akım iletmez. Bu duruma da ters polarizasyon denir.
Diyotların akım geçirebilmesi için bir P ve N arasına bir gerilim uygulanması gerekir. Bu değer, diyodun iletime geçeceği eşik gerilimidir. Yarı iletken bir element olan Silisyum için bu gerilim 0,6 V ile 0,7 V arasındadır. Eğer ters kutuplanma yapılırsa diyot iletime geçmez. Aşağıda standart bir diyodun çalışma eğrisi gösterilmiştir.
Özel tip diyotlar; zener diyot, Schottky diyot, diyak, Shockley diyodu, Sidac, LED sayılabilir. Bunlardan en çok kullanılan LED devre elemanını açıklayacağız.
LED (Light Emitting Diode)
İngilizce’de Light Emitting Diode (LED) ışık yayan diyot anlamına gelen, güç elektroniği devre elemanları sınıfından özel bir optik diyot çeşididir. Bu diyot, elektrik enerjisini ışık enerjisine dönüştüren yarı iletken elemanlardan oluşur. P ve N kutupları vardır. Normal diyotta olduğu gibi ileri polarizasyon yapılırsa LED ışık yayarken ters polarizasyon olduğunda ışık yaymaz. Kullanılan kaplama malzemelerine göre farklı renklerde ışık yayabilen LED’ler konvansiyonel aydınlatma ekipmanlarına göre daha az enerji harcarlar. Bu da LED’leri daha çok kullanılmasına neden olmaktadır.
LED’lerin birçok avantajı vardır. Çevre dostudurlar, zararlı maddeler içermez. Düşük güç tüketirerek yüksek ışık verimliliği sağlanır. LED parlaklığı dimmer devreleri yardımıyla kolayca ayarlanabilir. Ultraviyole gibi zararlı ışın yaymazlar.
Üç Uçlu Güç Elektroniği Devre Elemanları
Transistör
Transistörler, genelde iki amaçla kullanılan üç uçlu bir güç elektroniği devre elemanları olarak biridir. Bu amaçlardan biri, anahtar olarak kullanılmasıdır. Diğeri ise yükseltici görevi yapacak şekilde kullanılmasıdır. Anahtarlama uygulamaları güç elektroniğinde çok önemli bir yer tutar. Diyot ve transistörler tek yönlü bir anahtar olarak kabul edilebilir. Transistördeki iki uç, diyottaki P ve N kutbu gibi çalışırken üçüncü uç ise bu diyodu iletime geçirme veya denetleme görevi yapar. Böylece denetleme devresi, denetlenen devreden kısmen bağımsız olarak tasarlanabilir, bir röle gibi çalışırlar. İki kontak olarak görev yapan iki uçla beraber üçüncü uç ise rölenin bobin uçlarına benzetilebilir.
Birçok transistör tipleri vardır. Bunlardan bazıları BJT, MOSFET, UJT, IGBT sayılabilir. Bu makalede en çok kullanılan transistör tipleri olan BJT, IGBT ve MOSFET’ten bahsedeceğiz.
BJT (Bipolar Junction Transistor)
Transistörlerin aşağıda gösterildiği gibi üç ucu bulunur. Bunlar Baz (Base), Emiter (Emmiter) ve Kolektör (Collector) diye isimlendirilir. BJT (Bipolar Junction Transistor) ise yüzey birleşimli olarak üretilen transistör tipidir. PNP ve NPN olarak iki çeşit bulunur. PNP tipi için; emiter pozitif, baz negatif, kolektör pozitif kristal yapısına sahipken, NPN tipi için; emiter negatif, baz pozitif, kolektör negatif kristal yapısına sahiptir. Aynı diyotlarda olduğu gibi transistörün iletime geçebilmesi için base-emiter arası silisyumdan üretilmiş transistörlerde 0.7 V, germanyum yarı iletkeni ile üretilmiş transistörlerde gerilim farkı değeri 0,3 V olmalıdır.
MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
Üç uçlu bir eleman olup güç elektroniği devre elemanları alanında geniş bir uygulama alanı vardır. MOSFET ile beraber bir de JFET (Junction Field Effect Transistor) olarak bir tip daha mevcuttur. Daha çok MOSFET’ler kullanılmaktadır. FET’ler tüm devre yongası üzerinde normal iki kutuplu transistörlerden daha az yer kaplarlar. Örneğin 100.000 adet MOSFET, bir yonga üzerinde oluşturulabilir. MOSFET’ler üretilirken, direnç ve kapasite bağlanabilme özelliklerinden dolayı çok geniş kapsamlı tüm devre sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. JFET’ler ise yüksek giriş dirençli ve düşük gürültü oranlarından dolayı sinyal işleme devrelerinde kullanılmaktadırlar. Güç MOSFET’leri hem yüksek akımlarda hem daha yüksek anahtarlama yapabildiklerinden BJT’lere göre daha sık kullanılmaktadır.
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
Güç elektroniği devre elemanları olarak IGBT’ler üç uçlu özel bir transistör tipidir. Yalıtılmış transistör diye adlandırılırlar ve genelde gücün yüksek olduğu devrelerde kullanılır. Dört katmandan (P-N-P-N) oluşur. MOS (metal oxide semiconductor) denilen bir yarı iletken ile kontrol edilir. En önemli görevi elektronik anahtarlamadır ve bu işlemi çok hızlı bir şekilde yapar.
Yalıtılmış bir transistör olduğu için kullanılan izolasyon malzemesi çok önemlidir. Genelde katı polimer malzemelerden üretilmektedir. IGBT’ler hızlı anahtarlama yapabildiği için yükseltici (amplifier) devrelerinde de çok sık kullanılır. PWM (Pulse Width Modulation – Sinyal Genişlik Modülasyonu) tekniği, anahtarlama ile kontrol işlevini yapabildiğinden genelde sinyal işleme veya aktarma devrelerinde kullanılır. Genel bir tabirler MOSFET’lkrin ve BJT’lerin özelliklerinin bünyesinde toplandığı bir transistör tipi olarak karşımıza çıkmaktadır. Güç kaynakları, sürücü devreleri, motor kontrol devreleri, indiksiyon ısıtma devreleri gibi yüksek güç gerektiren devrelerde kontrol ve anahtarlama devrelerinde IGBT’ler kullanılmaktadır.
Tristör
Güç elektroniği devre elemanı olarak Tristörler, SCR (Silicon Controlled Rectifier) olarak da isimlendirirler. Kontrollü diyotlar olarak adlandırılabilir. Düşük frekansta yüksek akım ve gerilim altında çalışabilirler. Kontrollü anahtarlama yapabildiklerinden birçok uygulamada yaygın kullanılan bir devre elemanıdır. İletim anında iç direncinin düşük olması sebebiyle kayıpları düşük bir elemandır.
PNP ve NPN transistörlerin birbirlerine bağlanmış gibi çalışır. Anot, katot ve Gate olmak üzere üç uçlu bir devre elemanıdır. Tristörün anot ucunun kaynağın pozitif, katot ucunun kaynağın negatif kutbuna bağlandığında tristör iletime kutuplanmış olur ancak henüz akım iletmez. Bunun için Gate (Kapı) ucuna bir tetikleme gerilimi uygulamak gerekir. Bu gerilim uygulandığında tristör iletime geçer. Buna tristörün kapıdan tetiklenmesi denir. Aynı zamanda sıcaklık, ışıma etkisiyle veya anot ve katot uçlarının devrilme geriliminden daha büyük bir gerilime maruz kalması gibi durumlarda da kendiliğinden iletime geçebilir. Tristörün kesime girmesi için ise tristöre ters yönde bir gerilim uygulamak gerekir. Anot ile katot arasındaki akım sıfıra iner. Buna ise tristörün söndürülmesi adı verilir.
Birçok özel tip tristörler mevcuttur. Bunlardan bazıları PUT (Programmable Unijunction Transistor), AGSCR (Amplyfying Gate SCR), GTO (Gate Turn-Off Thyristor), Triyak olarak sayılabilir.
