SCR (Silicon Controlled Rectifier) Nedir ?

 SCR (Silicon Controlled Rectifier) Nedir ?

Silikon Kontrollü Doğrultucu (SCR), tristör ailesinin en önemli ve en çok kullanılan üyesidir. SCR, doğrultma, güç regülasyonu ve ters çevirme vb. gibi farklı uygulamalar için kullanılabilir. Bir diyot gibi, SCR de akımı bir yönde sağlayan ve diğer yönde zıt olan tek yönlü bir cihazdır.

SCR, üç terminalli bir cihazdır; anot, katot ve kapı şekilde gösterildiği gibi. SCR, AÇMAK veya KAPATMAK için yerleşik bir özelliğe sahiptir ve geçişi, önyargı koşulları ve kapı giriş terminali tarafından kontrol edilir.

Bu, SCR'nin AÇIK dönemlerini değiştirerek yükte sağlanan ortalama gücün değişmesiyle sonuçlanır. Binlerce voltaj ve akımı kaldırabilir. SCR sembolü ve terminalleri şekilde gösterilmiştir.

SCR YAPISI

SCR, dört katmanlı ve üç terminalli bir cihazdır. P ve N katmanlarından oluşan dört katman, sırayla J1, J2 ve J3 bağlantılarını oluşturacak şekilde düzenlenmiştir. Bu bağlantılar, yapı tipine göre alaşımlı veya dağınıktır.

Dış katmanlar (P ve N-katmanları) yoğun katkılı, orta P ve N-katmanları ise hafif katkılıdır. Kapı terminali orta P katmanından alınır, anot dış P katmanından ve katot N katmanı terminallerinden alınır. SCR silikondan yapılmıştır çünkü silikondaki germanyum kaçak akımı çok küçüktür.

SCR'yi üretmek için düzlemsel tip, Mesa tipi ve Pres paket tipi olmak üzere üç tip yapı kullanılır. Düşük güçlü SCR'ler için, bir SCR'deki tüm bağlantıların yayıldığı düzlemsel yapı kullanılır. Mesa tipi konstrüksiyonda, J2 eklemi difüzyon yöntemiyle oluşturulmakta ve bu sayede dış katmanlar buna alaşımlanmaktadır.

Bu yapı esas olarak yüksek güçlü Silikon Kontrollü Redresörler için kullanılır. Yüksek mekanik mukavemet sağlamak için SCR, molibden veya tungstenden oluşan plakalarla desteklenir. Ve bu plakalardan biri, ısı emiciyi bağlamak için daha fazla dişli olan bir bakır saplamaya lehimlenmiştir.

SCR'nin Çalışması veya Çalışma Modları

SCR'ye verilen polarlamaya bağlı olarak, SCR'nin çalışması üç moda ayrılır. Bunlar

 1.İleri engelleme Modu

 2.İleri İletim Modu ve

 3.Ters Engelleme Modu

İleri Engelleme Modu

Bu çalışma modunda, Silikon Kontrollü Redresör, kapı terminali açık tutulurken anot terminali katoda göre pozitif olacak şekilde bağlanır. Bu durumda J1 ve J3 kavşakları ileri taraflıdır ve J2 kavşağı ters taraflıdır.

Bu nedenle, SCR'den küçük bir kaçak akım akar. SCR'ye uygulanan voltaj, onun aşırı geriliminden daha fazla olana kadar, SCR akım akışına çok yüksek bir direnç sunar. Bu nedenle, SCR, SCR'nin VI karakteristik eğrisinde gösterildiği gibi SCR'den akan ileri akımı bloke ederek bu modda bir açık anahtar görevi görür.

İleri İletim Modu

Bu modda SCR veya tristör bloklama modundan iletim moduna geçer. Kapı terminaline pozitif darbe uygulanarak veya ileri voltajı (veya anot ve katot üzerindeki voltajı) SCR'nin aşırı geriliminin ötesinde artırarak olmak üzere iki şekilde yapılabilir.

Bu yöntemlerden herhangi biri uygulandığında, J2 kavşağında çığ kırılması meydana gelir. Bu nedenle SCR iletim moduna geçer ve kapalı bir anahtar görevi görür ve böylece içinden akım geçmeye başlar.

VI karakteristik figüründe, kapı akımı değeri yüksekse, minimumun Ig3 > Ig2 > Ig1 olarak iletim moduna gelme süresi olacağına dikkat edin. Bu modda, maksimum akım SCR'den geçer ve değeri yük direncine veya empedansa bağlıdır.

Kapı akımı artıyorsa, kapı polarlaması tercih edilirse SCR'yi AÇMAK için gereken voltajın daha az olduğuna da dikkat edilmelidir. SCR'nin bloklama modundan iletim moduna geçtiği akıma kilitleme akımı (IL) denir.

Ayrıca ileri akım, SCR'nin blokaj durumuna döndüğü seviyeye ulaştığında tutma akımı (IH) olarak adlandırılır. Bu tutma akımı seviyesinde, J2 kavşağı etrafında tükenme bölgesi gelişmeye başlar. Bu nedenle tutma akımı, kilitleme akımından biraz daha azdır.

Ters Engelleme Modu

Bu çalışma modunda, katot anoda göre pozitif hale getirilir. Daha sonra J1 ve J3 bağlantıları ters kutuplanır ve J2 ileriye doğru kutuplanır. Bu ters voltaj, SCR'yi ters bloklama bölgesine yönlendirir ve bunun içinden küçük bir kaçak akım geçmesine neden olur ve şekilde gösterildiği gibi açık bir anahtar görevi görür.

Böylece cihaz, uygulanan voltaj SCR'nin ters arıza voltajı VBR'sinden düşük olana kadar bu modda yüksek bir empedans sunar. Ters uygulanan voltaj VBR'nin ötesine yükseltilirse, J1 ve J3 bağlantılarında çığ kırılması meydana gelir ve bu da SCR'den ters akım akışının artmasına neden olur.

Bu ters akım, SCR'de daha fazla kayba ve hatta ısısının artmasına neden olur. Bu nedenle, VBR'den daha fazla ters voltaj uygulandığında SCR'de önemli bir hasar olacaktır.

SCR'nin İki Transistör Analojisi

SCR'nin iki transistör analojisi veya iki transistör modeli, SCR'yi şekilde gösterildiği gibi iki transistörün bir kombinasyonu olarak görselleştirerek, SCR'nin çalışmasını anlamanın en kolay yolunu ifade eder. Her transistörün kolektörü diğer transistörün tabanına bağlıdır.

Anot ve katot terminalleri arasına yük direncinin bağlı olduğunu ve kapı ve katot terminallerine küçük bir voltaj uygulandığını varsayın. Kapı voltajı olmadığında, sıfır baz akımı nedeniyle transistör 2 kesme modundadır. Bu nedenle, kollektörden ve dolayısıyla T1 transistörünün tabanından akım geçmez. Bu nedenle, her iki transistör de açık devredir ve bu nedenle yükten akım geçmez.

Kapı ve katot arasına belirli bir voltaj uygulandığında, transistör 2'nin tabanından küçük bir taban akımı akar ve böylece kollektör akımı artar. Ve dolayısıyla T1 transistöründeki temel akım, transistörü doyma moduna geçirir ve böylece yük akımı anottan katoda akacaktır.

SCR Tetikleme (Açma) Yöntemleri

Tristör birden fazla yöntemle iletime geçirilebilir. Bu metotlar şunlardır.

• Anot-Katot gerilimdeki hızlı bir değişim: Anot – Katot gerilimi iletim yönünde çok hızlı bir değişim gösterirse tristörü iletime geçirebilir. Nedeni de tristörün birleşim bölgelerinin bir kondansatör gibi davranmasıdır.

• Doğru yönde Anot – Katot geriliminin çok arttırılması : Geyt gerilimi sıfırken ( Ig=0) anot – katot gerilimi çok arttırılırsa tristör kırılma voltajından sonra iletime geçer.

• Işıkla tetikleme : Diyot ve transistörlerde olduğu gibi tristörlerde de foto elektrik etkisi ile elektron hareketi başlatılabilir. Işık bir mercek yardımıyla silisyum yapıya uygulanır. Anot katot arası iç direnç küçülerek tristör iletime geçer.

• Sıcaklığın arttırılması : Sıcaklığın artması ile tristör iletime geçebilir. Ancak bu istenmeyen bir durumdur. Tristörün bileşim noktasındaki ısının artması kaçak akımların artmasına neden olur. Eğer kaçak akım seviyesi eşik seviyesini geçerse tristör kendiliğinden iletime geçer.

• Geyt’ine düşük gerilim, küçük akım uygulama : Ençok kullanılan yöntemdir. Geyt’e uygulanan düşük gerilimlerle, büyük gerilim ve akımlı devreler kontrol edilir. Tristörün anot – katot arası direnci çok büyüktür. Geyt’e uygulanan düşük gerilim, anot – katot arası direnci küçültür ve tristör iletime geçer. Bu yöntem DC ve AC devrelerde uygulanırken devre özelliklerinden dolayı farklı şekillerde uygulanır. Tristörü DC’ de tetiklemek gayet basitken AC’ de tetiklemek için Geyt polarması doğrultulmalıdır.

SCR DC İle Tetikleme (Açma) Yöntemleri

Tristörün DC tetiklenmesinde geyte tetikleme veren S anahtarı açık olduğu sürece Anot ve katot’un doğru polarma olması , tristörün çalışması için yeterli değildir. S anahtarı kapatılınca tristörün geyt ucu tetikleme voltajını alacağından iletime geçer ve yükü ( lambayı ) çalıştırır. Artık geyt akımı kesilse bile tristör iletimde kalıp lamba yanmaya devam edecektir. Geyt’i tetiklemek için birinci şekilde ayrı bir kaynak kullanılmış ikinci şekilde ise aynı kaynaktan tetikleme voltajı alınmıştır.

SCR AC İle Tetikleme(Açma) Yöntemi

Tristörü AC’de çalıştırmak DC’ de çalıştırmaya nazaran biraz daha dikkat isteyen durumdur. Çünkü AC voltajda bilindiği üzere akım yönü devamlı değişmektedir. 

Yani tristörün Anot – Katot ucu devamlı polarma değiştirmektedir. A-K arasına bir süre pozitif alternans gelirken bir süre de negatif alternans gelir. 

Pozitif alternanslarda tristör tetiklenirse iletime geçer negatif alternanslarda ise Anot-Katot zaten ters polarma olduğu için akım geçirmez. Yani yalıtımdadır. Yalnız her pozitif alternanstan önce tristör yalıtımda olacağı için her pozitif alternansta tetikleme verilmelidir. 

Bu işlem AC gerilimin bir kısmının değerinin düşürülüp sadece pozitif kısımlarının seçilip geyt’e uygulanması ile sağlanır. Yani A-K üstündeki voltaj paralel bir koldan gerilimi düşürülüp bir diyot ile sadece pozitif kısımlar seçilir ve geyte uygulanır. Bununla ilgili devre şeması aşağıda gözükmektedir.

SCR Durdurulması

DC gerilimde tristör bir defa tetiklendiğinde tetikleme gerilimi kaldırılsa bile sürekli iletimde kalır. DC gerilimde çalışma devam ederken tristörü durdurmak gerekebilir. Tristörü durdurmak için , seri anahtarla durdurma, paralel anahtarla durdurma ve kapasitif durdurma yöntemleri uygulanır. Temelde bütün bu yöntemler tristörün anot akımını kesmeyi amaçlamaktadır.

SCR Seri Anahtarla Durdurulması

Tristörün anot akımının geçtiği yol üstüne anahtar koyup, açarsak anot akımı kesilip tristör durdurulur. Anahtar tekrar kapansa bile çalışmaz. Çalışması için geyte tetikleme vermek gerekir. Şekildeki devrede S1 ve S2 anahtarları açıldığı zaman anot akımı kesilerek tristör yalıtım durumuna geçer.

SCR Paralel Anahtarla Durdurulması

Tristöre paralel bir anahtar bağlayarak da anot akımı kesilebilir. Çünkü anahtara basıldığı anda anot akımının tamamı anahtar üstünden geçer , anahtar tristörün A – K arasını kısa devre etmektedir. Anahtardan elimizi çeksek bile artık tristör çalışmaz. Çalışması için geyte tekrar tetikleme vermek gerekir. Şekildeki devrede S2 anahtarı tristörü durduran anahtardır.

SCR Kondansatör İle Durdurulması

Tristörün A – K arasına bir an ters gerilim uygulamak tristörü yalıtım durumuna getirebilir. Ters gerilimi ayrı bir kaynak vasıtasıyla uygulayabileceğimiz gibi yüklü bir kondansatörü tristör üstünden ters deşarj etmek vasıtasıyla da sağlayabiliriz. Bu yönteme “zorlanmış komitasyon” yöntemi de denmektedir. Yukarıdaki devrede S1 ile tristör iletime geçirildiğinde kondansatör de direnç üstünden kısa bir sürede şarj olur. Daha sonra S2 butonuna basınca yüklü kondansatör tristörün katodundan anoduna doğru deşarj olmak isteyecektir. Akmakta olan anot akımına zıt yönde olan bu deşarj akımı kısa süreli yüksek bir değerde olduğu için anot akımını bir an engelleyip tristörün yalıtıma gitmesine neden olur.

SCR Koruma Yöntemleri

1. SCR Koruma Yöntemleri

Tristörlerin, üzerlerinden geçen akımların yüksek olmasından dolayı çok dikkatli kullanılmaları gerekir. Tristörün bozulması, tristöre zarar verdiği gibi kullanıldığı sisteme veya makineye da zarar verir.

Örneğin sanayide tristörler motor kontrol devrelerinde oldukça sık kullanılırlar. En ufak bir hatada tristör bozulursa motorun tam devirde dönmesine yol açabilir. Bunun sonucunda makinenin zarar görmesi kaçınılmazdır.

Tristörün korunmasını iki bölümde toplayabiliriz.

a) Geyt tetikleme devresinin korunması

b) Anot – Katot devresinin korunması.

a) Geyt tetikleme devresinin korunması: 

Tristörler P-N bileşimlerinden oluşan yarıiletken parçalar olduğu için direkt olarak besleme gerilimine bağlanmaz. Çünkü üzerlerinden fazla akım geçeceğinden tristör bozulur. Bu yüzden Tristör geyt ucundan tetiklenirken seri bir direnç üzerinden gerilim uygulanır. Bu direnç geyt ucundan aşırı akım geçişini engeller. Direnç değeri hesaplanırken uygulanan Geyt gerilimi ( Vgg ) , Tristörün geyt ucunun çekeceği akım ve tristör iletimdeyken geyt-katot voltajı dikkate alınır. Tristörlerin geyt voltajı genellikle bir kaç volt civarındadır.

b) Anot-katot devresinin korunması : Tristör kullanılırken, anot akımının dayanabileceği değerden fazla olmaması gerekir. Bu yüzden bir tristör asla yüksüz çalıştırılmaz. Yükte çalıştırılırken de tristör yük akımını kaldırabilecek değerde seçilir. Eğer yük akım değeri maksimum anot akımına yakın değerlerdeyse, bu durumda da tristör için yeterli bir soğutma sağlanmalıdır. Her ne kadar tristörden makul bir seviyede akım geçse de , bu akım değeri sınıra yakın olduğu için tristörün ısınmasına yol açar ve 130’C civarında tristörün bozulmasına sebep olur.

Ayrıca tristör kullanılırken ileri ve ters kırılma gerilimleri de dikkate alınmalıdır. Ters yöndeki aşırı bir gerilim yine tristörü bozar. Bu yüzden tristör kırılma voltajları yeterince yüksek olanlar seçilmelidir.

2. SCR Aşırı Akımda Çalışmasının Sakıncaları

Tristör aşırı akımda çalıştırılırsa tristörde ısınma meydana gelir. Bu ısı belli bir seviyeyi aşarsa tristör bozulur. Ayrıca dayanabildiği en fazla geyt ve anot akımlarının üstünde akım değerleri uygulanırsa p-n bileşimleri ya kısa devre olur ya da bağlantıları eriyerek kopar ve açık devre olur.

3. SCR Aşırı Gerilimde Çalışmasının Sakıncaları

Tristörün geytine aşırı gerilim uygulanırsa üzerinden fazla akım geçip bozulmasına yol açar. Eğer aşırı gerilim Anot-Katota uygulanıyorsa ya düzensiz iletime geçme durumları olur ya da tristörün bozulmasına sebep olur.

4. Endüktif Yüklerde SCR Korumanın Önemi

Bir tristörde yük olarak bobin kullanılıyorsa, herhangi bir sebeple tristörün yalıtıma geçirilmesi ve yük akımının aniden kesilmesi sonucunda yük olarak kullanılan bobin uçlarında besleme geriliminin yaklaşık üç katı genliğe sahip, yük frekanslı bir gerilim oluşur. Bu gerilimin genliği besleme geriliminin üç katından başlayarak gittikçe söner ve bir süre sonra sıfıra düşer. Ancak kısa bir süre için de olsa tristörün dayanma gerilimini aştığı taktirde tristöre hasar verebilir.

Tristörü bu gibi durumlarda korumak için şu gibi tedbirlere başvurulur; Yüksek frekanslı gerilimin çabuk sönmesini sağlamak için yüke paralel bir kondansatör bağlanabilir. Ayrıca tristöre zıt yönde gerilim yüklenmesini önlemek için tristörün anot-katot arasına veya yüke paralel ters yönde diyot bağlanabilir.

SCR Doğrultucu Olarak Kullanılması

Düşük kapı akımına tepki olarak KAPALI durumundan AÇIK konuma geçebilme ve ayrıca yüksek voltajları değiştirebilme gibi çok çeşitli avantajlar nedeniyle, SCR veya tristörün çeşitli uygulamalarda kullanılmasını sağlar.

Bu uygulamalar arasında anahtarlama, düzeltme, düzenleme, koruma vb. bulunur. SCR'ler, ev aletlerinin kontrolü için kullanılır; aydınlatma, sıcaklık kontrolü, fan hızı düzenlemesi, ısıtma ve alarm aktivasyonunu içerir.

Endüstriyel uygulamalar için, motor hızını, pil şarjını ve güç dönüşümlerini kontrol etmek için SCR'ler kullanılır. Bunlardan bazıları aşağıda açıklanmıştır.

Yarım Dalga Doğrultucu

Aşağıdaki devre, SCR kullanan tek fazlı yarım dalga doğrultucu devresini göstermektedir. SCR'yi tetiklemekten sorumlu olan kapıya, değişken dirençle seri olarak bir diyot bağlanır.

• AC giriş sinyalinin negatif yarı döngüsü sırasında, SCR ters polarlanır. Bu nedenle, yükten akım geçmez.
• Girişin negatif yarı çevrimi sırasında, SCR ileri yönlüdür. Direnç, kapıya minimum tetikleme akımı uygulanacak şekilde değiştirilirse, SCR açılır. Böylece akım yüke akmaya başlar.
• Kapı akımı daha yüksekse, SCR'nin AÇILDIĞI besleme gerilimi daha az olacaktır. SCR'nin iletmeye başladığı açıya ateşleme açısı denir. Bu redresör devresi için ateşleme açısı sadece pozitif yarım çevrim sırasında değiştirilebilir.
• Bu nedenle, ateşleme açısını veya kapı akımını değiştirerek (bu devredeki direnci değiştirerek), yüke beslenen ortalama gücün değişmesi için SCR'nin kısmi veya tam pozitif yarım döngü yürütmesini sağlamak mümkündür.

Tam Dalga Doğrultucu

Tam dalga doğrultucuda, giriş kaynağının hem pozitif hem de negatif dalgası doğrultulur. Bu nedenle, yarım dalga doğrultucu ile karşılaştırıldığında, DC voltajın ortalama değeri yüksektir ve ayrıca dalgalanma içeriği daha azdır. Aşağıdaki şekil, merkez uçlu transformatöre bağlı iki SCR'den oluşan tam dalga doğrultucu devresini göstermektedir.

• Girişin pozitif yarı çevrimi sırasında, SCR1 ileri taraflıdır ve SCR2 ters taraflıdır. Uygun kapı sinyali uygulanarak SCR1 açılır ve dolayısıyla yük akımı içinden akmaya başlar.

• Girişin negatif yarı çevrimi sırasında, SCR2 ileri taraflıdır ve SCR1 geri taraflıdır. Bir kapı tetiklemesi ile SCR2 AÇIK konuma getirilir ve bu nedenle yük akımı SCR2 üzerinden akar.

• Bu nedenle, SCR'lere verilen tetikleme akımı değiştirilerek, yüke iletilen ortalama güç değiştirilir.

Tam Dalga Köprü Doğrultucu

Merkez uçlu bir transformatör kullanmak yerine, tam dalga doğrultma elde etmek için bir köprü konfigürasyonunda dört SCR kullanmak da mümkündür. Girişin pozitif yarı döngüsü sırasında, SCR1 ve SCR2 iletimdedir. Negatif yarı döngü sırasında, SCR3 ve SCR4 iletimdedir. Her tristörün iletim açısı, ilgili kapı akımları değiştirilerek ayarlanır. Ve bu nedenle, yük boyunca çıkış voltajı değişir.