Tristör Nedir?

Elektronik

Tristör nedir?

Güç elektroniği devrelerinde hızlı anahtarlama görevinde kullanılan, dört yarı iletken maddenin bileşiminden meydana gelen elektronik devre elemanlarına tristör denir. SCR olarak da bilinirler. SCR silikon kontrollü doğrultucu (veya yarı iletken kontrollü doğrultucu) anlamına gelmektedir. Özellikle güç elektroniği devrelerinde kullanılan tristörlerin çok hızlı açma ve kapama özelliği vardır. Tristörler, yüksek gerilim ve akımlar da, anahtarlama işlemlerinde sık olarak kullanılırlar.

Tristörler bir kere iletken oldu mu (eğer besleme voltajı kesilmezse) devamlı iletimde kalır. Bunun için özel yöntemler ile tristörleri yalıtkan duruma geçirmek gerekir. Bu davranışa iki durumu kararlı (bistable) davranış denir. Tristörler güç elektroniğinin gelişmesinde çok önemli rol oynamıştır. Bunun için 2000 Volt ve 3300 Ampere kadar çalışabilen tristörler yapılmıştır. Tristörlerde en büyük sorun, açma-kapama esnasında oluşan ısıyı ve enerji birikimini dağıtmaktır. Bunun için çok çeşitli yöntemler geliştirilmiştir.

SCR’ lerin yüksek gerilim ve amper değerlerinde kullanılmalarının nedeni gerilim düşümlerinin 1-2 volt kadar az olması ve dolayısıyla iletim durumundayken ısı kaybının oldukça düşük olmasıdır. Gerilim düşümü “u” elemanın üzerinden geçen akım ” I” ısı kaybı “p” ise;

p =u .I  formülü ile hesaplanır.

Tristörler diğer yarı iletken elemanlar gibi sonsuz ömre sahiptir, ancak aşırı sıcaklıkta bu eleman zarar görür.

Tristör yapısı; 

tristörler birbirini takip eden P ve N tipi dört silisyum yarı iletken tabakadan meydana gelir. Tristörlerin üç bacağından ikisi, P tipi yarı iletken bölümdeki anot, N tipi yarı iletken bölümdeki katot ve öbürü de katota yakın olan P tipi yarı iletken bölümden çıkarılmış gate bacağıdır. Tristörün yarı iletken tabakaları çeşitli kalınlıklarda yapıldığı için, değişik miktarlarda katkılandırıldıkları için iletkenlikleri de farklı olur.

Tristör üretimi yapılırken silikon kulanılır. Silikon yüksek gerilim ve yüksek akımlar da ısıl iletkenliği olan bir malzemedir. Ayrıca silikon fiyatları da ucuzdur. Bazende silikon yerine yüksek frekans ve yüksek ısıya dayanan silikon karbür (Slicon Carbide SiC), galyum arsenit, galyum nitrit gibi malzemeler de kullanılır.

Tristör sembolü aşağıdaki gibidir. Tristor 3 elektrotlu (uç, ayak) bir elemandır. Bu uçlar anot, katot ve geyt ( gate , kapı )’ dir

Tristör Nasıl Çalışır?

Tristörü doğru polarize etmek için anotuna ( + ) katotuna ( – ) gerilim verilmelidir. Tatbik edilen bu gerilim değeri çok arttırılırsa bir noktadan sonra tristör aniden iletime geçip A –C direnci dolayısı ile A – C voltajı düşer geçen akım artar. Eğer ters polarize edilip gerilim arttırılırsa yine bir noktadan sonra ters yönde ani akım artışı olur. Bu ise istenmeyen bir durumdur ve tristörü bozar. Tristörün doğru polarize edilip A –C voltajının arttırılması ile iletime geçirilmesi kullanılan bir yöntem değildir. Çoğunlukla A – C doğru polarize edildikten sonra geyte ufak bir gerilim darbesi verilip tristör iletime geçirilir. Tristör bu şekilde iletime geçtikten sonra geyt gerilimi kesilse bile tristör iletimde kalır.

Tristörün Kendiliğinden İletime Geçmesi

Tristörler tetikleme sinyalleri ile iletime sokulurlar ancak bazı durumlarda eleman kendiliğinden iletime girebilir. Bu durumda elemanı kontrol edemeyiz. Bu durumlar:

• Elemanın uçlarındaki gerilimin yükselme hızı kritik yükselme hızından büyükse
• Elemanın uçlarındaki gerilim sıfır devrilme gerilimi değerinden eşit veya büyükse
• Elemanı kesime sokmak için elemana ters yönde gerilim uygularız.

Ters yönde gerilim uygulama süresi sönme süresinden küçükse, tristor kendiliğinden iletime girer.

Tristör yapısı; birbirini takip eden P ve N tipi dört silisyum yarı iletken tabakadan meydana gelir. Tristörlerin üç bacağından ikisi, P tipi yarı iletken bölümdeki anot, N tipi yarı iletken bölümdeki katot ve öbürü de katota yakın olan P tipi yarı iletken bölümden çıkarılmış gate bacağıdır. Tristörün yarı iletken tabakaları çeşitli kalınlıklarda yapıldığı için, değişik miktarlarda katkılandırıldıkları için iletkenlikleri de farklı olur.

Tristörler güç kompanzasyonu,

güç elektroniği devrelerinde kullanılırlar. Hızlı açma ve kapama özellikleri vardır. Bu işlem sırasında saniyede 25.000 kez açma kapama yapan tristörler vardır. Yüksek yük akım kontrolleri yaparlar. Güç kayıpları yok denecek kadar azdır.  Kompanzasyon kontaktörüne ve kompanzasyon rölesine göre daha hızlı anahtarlama yaparlar. Ani başlangıç akımlarını engeller, tristör sayesinde kondansatör 5 – 10 ms sonra devreye girer. Kısa açıp kapama zamanlı yüklerin kompanzasyonu için özel tristör modülü kullanılır.

Çeşitli tristör modülü

Tristörün Kullanım Alanları

Tristörler AC motor ve DC motorların sürücü devrelerinde hız ayarlaması ve dönüş yönlerinin değiştirilmesinde, güç kaynaklarının aşırı gerilimlerden korunmasında, elektronik kontaktörlerde, AC güç anahtarlamasında, AC güç kontrolü (lamba, motors gibi), kumandalı doğrultucularda, faz açısı kontrolöründe ve zaman rölesinde kullanılırlar.

Tristör Çeşitleri

Tristörün birçok çeşidi vardır. Hepsinin de değişik kullanım alanları, farklı özellikleri vardır. Tristörler çeşitleri bakımından tek ve çift yönlü akım ileten tristörler diye ikiye ayrılır.

Tek yönlü akım ileten tristörler; 

programlanan tek jonksiyonlu (PUT), silikon tek yönlü anahtar (SUS), silikon kontrollü doğrultucu (SCR) tristörlerdir. Bunlardan başka düşük gerilimli devrelerde kullanılmakta olan hassas tristör, fototristör, asimetrik tristör (ASCR), gate bacakları anota yakın olan ve negatif pals ile çalışan komplementer tristör, amplifikatör gateli tristör ve iki gateli tetrot tristörler vardır.

Çift yönlü akım ileten tristörler;

bu tristörler de triyak ve diyaklar da vardır.

• Hızlı tristör; frekans sınırı 10 KHz de çalıştırılabilir.
• Standart tristör; ağır sanayi aygıtlarında AC ve DC de 400 – 1000 Hz frekansta 4000 Volt, 1000 Amperde çalışırlar.
• Hassas tristör; düşük gerilimli elektronik devrelerde 0,7 Volt – 100uAmperle tetiklenir.
• Fototristör
• Amplifikatör geytli tristörler
• Geyt ile yalıtkan olan tristör ( GTO ) , ( GCS )
• İki geytli tetrot tristörler
• Komplemanter ( tamamlayıcı) tristör; geyt anota yakındır. Negatif pals ile çalışır.
• Asimetrik tristör ( ASCR )

Ters ileten triyot tristör; ters sinyali iletme özelliği vardır. Bu tristör frekans dönüştürücü invertörler de kullanılır.

Geyt ile yalıtkan olan tristör ( GTO ) , ( GCS ); Bu tristöre kapama anahtarı da denir. Gate ucuna negatif gerilim verilerek tristörü durdurulur.

Asimetrik tristör ( ASCR ); ters gerilim görülmeyen, doğrultucu özelliğine gereksinim olmayan devrelerde kullanılır.

Tristör firmaları tirstörlerin çalışma şekillerine, yapılarına yada bacak sayılarına  göre farklı çeşitlerde tristör imalatı yaparlar. Tristör fiyatları da bu özelliklerine göre değişir. Tristörler yarı iletken olduklarından ömürleri uzun, mekanik darbelere duyarsız ve bakım gerektirmez. Ttristörler az ısındıklarından soğutma gerektirmezler. Çalışırken az kayıp verdikleri için verimleri yüksektir. Tristörlerin tetiklenmelerinde küçük gerilimler yeterlidir ve çok hızlı açma kapama yaparlar.

Tristör Tetikleme

Tristör tetikleme yöntemleri değişiktir.

• Bunlardan biri, doğru yönde anot, katot gerilimini aşarak tetiklemedir. Tristörün anot ucuna artı, katot ucuna eksi bağlanır. Bu halde iken devreden yalnız sızıntı akımı geçer. Gerilim arttırılarak belli bir değere ulaştığında tristör iletime geçer.
• Başka bir tristör tetikleme yöntemleri ise yüksek değişme dereceli anot, katot gerilimi uygulanarak yapılan tetiklemedir. Anot ve katot arasına doğru polarma yönünde anot artı, katota eksi olacak biçimde hızlı değişim gösteren bir gerilim uygulandığında, tristörün yapısındaki P ve N tabakaları kondansatör etkisi gösterir, üstlerinde gerilim indükledikleri için tristör iletime geçer.
• Tristör tetikleme de sıcaklık da etkilidir. Sıcaklık arttarsa tristörün katmanları arasındaki kaçak akımlar artarak, belli bir değere ulaşır ve tristör iletime geçer. Ancak tristörlerin sıcaklıkla iletime geçmesi istenmeyen bir durumdur.
• Fototristör ise ışık enerjisiyle tetiklenir. Transistör ve diyotlar da olduğu gibi ışık bir mercekle silisyum yapıya uygulanarak foto elektrik etkisiyle elektron harekete geçebilir. Tristörün anot ve katot kutupları arasındaki iç direnç azalarak tristörü iletime geçirir.
• Bir kez iletken olan tristörler, besleme voltajı kesilmediği zaman sürekli devrede kalır. Devrede kalması için özel yöntemler uygulanır. Böylece tristörler yalıtkan duruma geçirilir. Bu sisteme iki durumu kararlı (bistable) davranış denir. Güç elektroniğinde tristörlerin çok önemli payları olmakla birlikte 2400 Volt ve 3300 Amper arasında  imal edilen tristörler vardır. Tristörler açma, kapama yaptıklarında ısı meydana gelir. Bu ısıyı dışarıya atması için geniş tabanlı yüzeysel iletim yöntemleri bulunmaktadır.
• En çok kullanılan yöntem geyt’ine düşük gerilim, küçük akım uygulama 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 biçimlerde uygulanır. Tristörü DC’ de tetiklemek oldukça basittir. Tristörü AC’ de tetiklemek için Geyt polarması doğrultulmalıdır.

Tristör Durdurma

DC  gerilimde çalışan tristör bir kez tetiklendiğinde tetikleme gerilimi kaldırıldığında da iletimde kalmaya devam eder. DC gerilimde çalışma devam ederken tristörü durdurmak gerekebilir. Tristör durdurma için seri anahtarla, paralel anahtarla veya kapasitif durdurma yöntemlerinden biri uygulanır. Tüm bu yöntemlerin amacı tristörün anot akımını kesmektir.

Seri Anahtarla Durdurma

Seri anahtarla durdurmak için, tristörün anot akımının geçtiği yola anahtar konulur. Anahtarın açılmasıyla anot akımı kesilip tristör durur. Anahtar yeniden kapansa bile çalışmaz. Tristörü yeniden çalıştırmak için gate bacağı tetiklenmelidir. Şeklimizde A1 ve A2 numaralı anahtarlar açıldığında anot akımı kesilir ve tristör yalıtkan hale geçer.

Paralel Anahtarla Durdurma

Tristörü yalıtkan duruma geçirmek için anahtar, tristörün anot ve katotu arasına paralel olarak bağlanır. Bu biçimde anahtar kapatılırsa tristörün anot ve katot kutupları arasında kısa devre meydana gelir ve akımın hepsi anahtarın üstünden geçer. Anahtardan elimizi çektiğimize bile artık tristör çalışmaz. Anahtar açılsa dahi tristörün tekrar iletime geçmesi için gate bacağı tetiklenmelidir. Şeklimizde verilen devrede A2 anahtarı tristörü durduran anahtardır.

Kondansatör İle Durdurma

Tristörü kondansatör ile durdurmak için şeklimizdeki devre kurulur. Kurulan devrede tristör A1 anahtarıyla  tetiklenip iletime geçtiği zaman kondansatör direnç üstünden kısa süre içinde şarj olur. A2 anahtarı kapatıldığı zaman yüklenmiş olan kondansatör tristörün katot kutbundan anoda doğru deşarj olur. Kondansatörden kaynaklanan bu zıt yönlü deşarj akımı, kısa süreli ve yüksek değerli bir akım olduğu için anot akımını bastırıp tristörün yalıtıma geçmesini sağlar.

Tristörün Korunması 

Tristörlerin, üzerlerinden geçen akımların yüksekliğinden dolayı dikkatli kullanılmaları gerekir. Tristörün bozulması, hem  tristöre hem de kullanıldığı makinaya yada sisteme de zarar verir. Bundan dolayı tristörü kullanırken karakteristik bilgilerinin yazılı olduğu kataloga bakılmalıdır. Tristör, soğutucu üzerine montajı yapılmalıdır. Aşırı akım, yüksek ters A–K gerilimi uygulamak tehlikeli olabilir. Aksi halde bir tristör kullanılacak devrede birden fazla tristör kullanmak zorunda kalınabilir.

Örnek olarak  sanayide kullanılan motor kontrol devrelerinde tristörler sık kullanılırlar. Küçük bir hatada bile tristör bozulursa, motor tam devirde dönebilir. Bundan dolayı makina zarar görür. Tristörün korunması için geyt tetikleme devresinin korunması, anot-katot devresinin korunması diye iki kısımda incelenir.

Geyt Tetikleme Devresinin Korunması

Tristörler P-N bileşimlerinden meydana gelen yarı iletken parçalar olduğundan doğrudan besleme gerilimine bağlanmaz. Zira üzerlerinden fazla akım geçtiği için tristör bozulur. Bundan dolayı tristör geyt ucundan tetiklenirken seri bir direnç üzerinden gerilim verilir. Bu direnç geyt ucundan aşırı akım geçişini engeller. Direnç değeri hesaplanırken verilen geyt gerilimi ( Vgg ) , tristörün geyt ucunun çekeceği akım ve tristör iletimde iken geyt-katot voltajı dikkate alınır. Tristörlerin geyt voltajı genel olarak bir kaç volttur.

Anot-Katot Devresinin Korunması 

Kullanılan tristör kullanılırken, anot akımının dayanacağı değerden fazla olmamalıdır. Tristör kesinlikle yüksüz çalıştırılmaz. Tristör, yükte çalıştırılırken de yük akımını kaldıracak değerde seçilmelidir. Eğer yük akım değeri maksimum anot akımına yakın değerlerde ise, bu halde tristör için yeterli bir soğutma gerekir. Tristörden yeterli bir seviyede akım geçse bile bu akım değeri sınıra yakın olduğundan tristörün ısınmasına sebep olur böylece tristör bozulur.

Dikkate alınması gereken bir şeyde tristörü kullanılırken ileri ve ters kırılma gerilimleridir. Bu yöndeki aşırı bir gerilim yine tristörün bozulmasına neden olur. Bundan dolayı tristör kırılma voltajları yeterince yüksek olanların seçimi yapılmalıdır.

Tristör Sağlamlık Kontrolü

Tristör ölçümü yaparken bir deney ile açıklayacak olursak tristörün anot ucuna seri bir lamba bağlanır. Lambanın diğer ucu anahtarın girişine, anahtar çıkışı ise bataryaya bağlanır. Katot ucu ise bataryanın eksi ucuna bağlanır. Tristör anahtar kapandığı zaman iletim veriyor ise arızalıdır. Seri bağlanan kontrol lambası yanar. Eğer lamba yanmıyor ise tristör iletim vermiyordur. Geyt ucuna ayrıca bataryadan bir tetikleme verdiğimizde tristör iletime geçer ve lamba yanar. Tristör sağlamdır. Ölçü aletinin iç dirençleri çok yüksek olduğu için tristör ölçümü yapılamaz. Yukarıda anlatıldığı gibi sağlamlık derecesi tespit edilir.