ABUT

Pratik devreler / N. Abut
Pratik Uygulama Örnekler17
PCB Layout For Cheap 12V to 220V Inverter Circuit Diagram
27
Elektrik Devreleri
Tek Fazlı İnverter:
İnverterin fonksiyonu, bir dc giriş gerilimini;
simetrik, istenilen genlikte ve frekansta bir ac
gerilime
dönüştürmektir.
Çıkış gerilimi,
ayarlı olabilirken, bu iş ya sabit, ya da
değişken frekansta yapılmaktadır. Değişken
bir çıkış gerilimi, değişken bir dc giriş
gerilimi
kullanılarak,
inverter
kazancının sabit tutulması ile elde edilebilir.
Diğer bir yol olarak, eğer dc
giriş gerilimi
sabit ve ayarlanamaz ise, değişken bir çıkış
gerilimi inverter kazancını değiştirerek
elde
edilebilir ki, bu genelde inverterin darbe
genişlik modülasyonu yani PWM (Pulse Width
Modulation) kontrolüyle sağlanır.
Transistörlere base ucundan eğer titreşimli bir
sinyal uygulanırsa verilen doğru gerilim titreşimli
olarak çıkar. İnverterlerde genel olarak bir
osilatör çıkışından elde edilen sinyal sürücü
yada yükseltici katı ile güçlendirilerek DC
gerilim AC’ye dönüştürülür.Bizim devremizde
devrenin kalbini düşük güçlü bir multivibratör
devresi olan 4047 entegresi teşkil etmektedir.
Entegre simetrik bir kare dalga üreteci olarak
28
İnverter kazancı ise, ac çıkış geriliminin
dc giriş gerilimine oranı olarak tanımlanabilir.
İdeal inverterlere ait çıkış gerilim dalga
şekilleri sinüsoidal olmalıdır. Bununla beraber,
pratik inverterlerin çıkış gerilimleri ise
sinüsoidal değildir ve belli harmonikler
içerirler. Düşük ve orta güçlü uygulamalar için,
düşük distorsiyonlu sinüsoidal dalga şekilleri
gereklidir. Yüksek hızlı yarı iletken güç
elemanlarının uygunluğu doğrultusunda, çıkış
gerilimindeki harmonik bileşenleri minimize
edilebilir ya da çeşitli anahtarlama teknikleri ile
önemli bir miktarda düşürülebilir.
Devrenin Çalışması:
kullanılmıştır. 4047 entegresi içerisinde 2 adet
multivibratör vardır. Her iki multivibratör de kare
dalga çıkışı verirler ve bu çıkışlar birbiriyle
simetriktir.Yani 10 nolu uç aktif olduğu anda 11
nolu uç pasif, 11 nolu uç aktif olduğu durumda
da 10 nolu çıkış ucu pasiftir.
Devreden
alınan(4047
entegresi
çıkışlarından)akım
sinyallerine
göre
transistörler iletime geçer.Örneğin;11 nolu uç
Elektrik Devreleri
aktif olduğu zaman T1 transistörü tetiklenecek
ve iletime geçecektir. Kaynaktan çekilen akım
T1 transistörü üzerinden yine kaynağın
toprağına akarak devresini tamamlayacaktır.Bu
sırada da Q1 mosfet in Gate ucuna sinyal
ulaşmadığından kesimde olacaktır ve T2
transistörü iletimde olmadığı için Q2 mosfet
gate ine tetikleme sinyali ulaşır ve iletime
Şekil 1. BD 243C
Şekil 2. BD 243C
Şekil 5. Yüksüz transformatör
OSİLOSKOP GÖRÜNTÜLERİ:
Şekil 3. İrfz34n
Şekil 6. R yüklü durum
Osiloskop Grafiklerinin Yorumlanması:
i.
geçirir.aynı şekilde 10 nolu uç aktif 11 pasif
olduğu durumdada tam tersi T2 ve Q1 mosfeti
iletimde olacaktır.
1. ve 2. Grafik (BD 243 C) :
4047 entegresinde bulunan multivibratörler ile kare
dalga çıkışı (entegrenin 10 ve 11 numaralı
bacaklarından) elde edilir. 10 nolu uç aktif iken 11
nolu uç pasif durumdadır.11 nolu ucun aktif olduğu
anda ise 10 numaralı çıkış pasif olur.
Şekil 4. İrfz34n
Şekil 7. RL yüklü durum
ii.
3. ve 4. Grafik (ırfz 34 n) :
4047 entegresinden elde edilen çıkşlara göre
transistörler iletime girmektedirler. T1 transistörü
tetiklendiğinde iletime geçer ve akım bu yol üzerinden
devresini tamamlar.Bu durumda Q1 mosfeti de
kesimde olur.T2 transistörü tetiklendiğinde ise akım
devresini bu transistörden tamamlar ve Q1 mosfetini
iletime sokar. Bu değişim osiloskopta gözlenmektedir.
iii.
Yüksüz transformatör uçları:
Devrenin çıkışlarında teorik olara kare dalga
çıkışı olmalıdır. Ancak mevcut devre elemanlarının
yapısından kaynaklı olarak saf bir kare dalga elde
edilememektedir.Osiloskoptaki görüntüde yaklaşık bir
kare dalga görülmektedir.
iv.
(Şekildeki grafikte entegreinin 10 ve 11 numaralı
çıkışları gösterilmektedir.)
R Yüklü Durum:
Devreye bağlanan R yükünün çektiği akımdan
dolayı bir gerilim düşümü oluşmaktadır. Bu gerilim
28
Elektrik Devreleri
düşümü yüksüz duruma kıyasla tepe noktasından
itibaren bir düşüş meydana getirir. Yük akımının
artışına bağlı olarak gerilim düşümü artmaktadır.
v.
gerilimin sonucunda ise kaynağa zıt yönlü bir etki
görülür.Bu da gerilimin düşmesine sebep olur.
R-L Yüklü Durum:
Devredeki bobin ve direnç üzerinden bir akım
geçmektedir.Ancak bağlı olan bobinden dolayı yük akımı
çıkış gerilimi gibi değişim göstermez.Bu da akımın geriden
gelmesine neden olur.Gerilimin yönü değiştikten bir süre
sonra akımın da yönü değişir.Bobinde endüklenen
Devrenin Görünümü:
KASKAD H-KÖPRÜ
TEORİK BİLGİ
28
Elektrik Devreleri
Son yıllarda, çok seviyeli inverterler yüksek
güçlü uygulamalar için yeni bir güç dönüşüm
seçeneği olarak ortaya çıkmıştır. Bu
inverterler, birkaç seviyeli doğru akım giriş
gerilimlerinden sinüzoidal bir çıkış gerilimini
sentezlemektedir. Çok seviyeli inverterlerin
en önemli avantajı, anahtarlama frekansını
artırmadan veya inverterin güç çıkışını
azaltmadan çıkış dalga şekillerindeki
harmoniklerin
azaltılmasıdır.
Devre
topolojileri nedeniyle Çok Seviyeli Eviriciler
klasik iki seviyeli inverterlere göre; çıkış
geriliminin ve akımının harmonik spektrumu,
verim ve güç faktörü açısından daha iyi bir
Köprü tranzistorleri tetiklemek için bağımsız
D.A. kaynakları trafoların ayrık sargılarından
sağlanmıştır. Optokuplör yerine IR2110 (
Yarım Köprü sürücü tümdevre ) veya IR2130 (
3 fazlı evirici sürücü tümdevre ) entegreleri
kullanılabilir. Bu entegreler üst mosfetleri
tetiklemek
için
kondansatör
şarj
ve
deşarjından faydalanırlar, trafolara gerek
kalmaz. 15 Khz anahtarlama frekansında
performansa sahiptirler. Yüksek güçlü
uygulamalar için elverişlidirler.
Diyot kenetlemeli (Diode Clamped), uçan
kondansatör (Flying Capacitor), kaskad Hköprü (Cascade H-Bridge) ve bunlardan
oluşan hibrit inverter tasarımları mevcuttur.
Alternatif enerji kaynakları (rüzgar gücü, fuel
hücreler ve güneş panelleri vs.) ile cihazlar
arasında ideal bir ara yüz oluştururlar,
Minimum anahtarlama frekansları ile verimleri
çok yüksektir ( > %98),
DEVRE ŞEMASI
yumuşak anahtarlama için paralel rezonans
kolu ile kısmen sönümleme (snubber circuit)
sağlanabilir.
28
Elektrik Devreleri
6 Khz Anahtarlama Frekansında
Eviricinin Çıkış Grafiği
Trafonun Sekonderinde Görülen
Gerilim Sinüs Dalga Şekli
DEVRE ÇALIŞIRKEN
20 Hz çıkış frekansında görülen gerilim
Çıkış trafosu 9v / 220v 50 hz değerlerine
göre tasarlanmış olup, gerilim frekansının
yükseltilmesiyle birlikte
reaktanstaki artışla
beraber
gerilimin
genliğinde
azalma
görülmüştür. Bunun için PWM yöntemiyle aynı
zamanda gerilim genliği de ayarlanmalıdır ( 5
açı yöntemi uygulanabilir ).
Mikrodenetleyici B portu çıkışı tetikleme
sinyallerinin tek periyotluk zaman diyagramı.
T2 , T4, T6, T8 sinyalleri bunların tümleyenidir.
KAYNAKLAR
[1]J. Rodriguez, J. S. Lai and F. Z. Peng, “Multilevel
Inverters: Survey of Topologies, Controls, and
Applications,” IEEE Transactions on Industry Applications,
vol. 49, no. 4, Aug. 2002, pp. 724-738.
[2] J. S. Lai and F. Z. Peng, “Multilevel Converters-A new
Breed of Power Converters,” IEEE Trans. Ind. Applicat.,
vol.32,pp. 509-517, May/June 1996.
28
[3] L. M. Tolbert, F. Z. Peng, and T. Habetler, “Multilevel
Converters for Large Electric drives,” IEEE Trans. Ind.
Applicat.,vol.35,pp. 36-44, Jan./Feb. 1999.
[4] R. H. Baker and L. H. Bannister, “Electric Power
Converter,” U.S. Patent 3 867 643, Feb. 1975. [5] A. Nabae,
I. Takahashi, and H. Akagi, “A New Neutral-point Clamped
PWM inverter,” IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. IA-17, pp.
518-523, Sept./Oct. 1981.
Elektrik Devreleri
TEK FAZLI INVERTER DEVRE ŞEMASI:
MALZEME LİSTESİ
2x10k ¼ W Direnç
2x1k ¼ W Direnç
2x22k ¼ W Direnç
1x1k 1 W Direnç
2x2.2k ¼W Direnç
1x4,7k ¼W Direnç
1x470k Trimpot
1x4,7k Trimpot
2x10μF/16V Kondansatör
56nF Kondansatör
100nF/400V Kondansatör
40V-1A Köprü Diyot
2xIRFZ44 Transistör
220V/2x12V 150 W Transformatör
220V/12V 2 W Tranformatör
CA3524 Entegre
DEVRENİN ÇALIŞMASI
Devre temel prensip olarak
transormatöre farklı zamanda 2 ayrı yönden
beslemektir. Bu prensibi sağlayan 2 adet güç
MOSFET’i vardır. Orta uçtan bağlanan 12V
değeri MOSFET’lerin iletimi ile devreyi
28
Elektrik Devreleri
tamamlar ve çıkış verir. MOSFET’leri ise kontrol
eden bir PWM entegresi vardır. Böylelikle
transformatör farklı zamanlarda
beslenmektedir. Transformatöre yön
bakımından farklı şekillerde bağlanılması
alternansı oluşturmaktadır. Bu kare dalga bir
çıkıştır. Transformatörün yapısında bulunan
bobin özelliği ile akım geciktirilerek sinüs
işaretine benzetilmeye çalışılır.
Transformatörün çıkışında bulunan RC devresi
ile de bu sinyal filtrelenip düzeltilmektedir.
Devrenin geri besleme kısmı ise çıkıştan
örnekleme alınarak PWM entegresinin SENSE
ucuna uygulanmasıyla alakalıdır. Çıkıştan
alınan sinyal doğrultulup süzülerek entegrenin
girişine uygulanır. Böylelikle çıkış geriliminin
genliği ayarlanır.
Entegrenin 6 nolu bacağına bağlanan
RV1 trimpotu ile devrenin frekansı 50 Hz’e
ayarlanır. RV2 trimpotu ile de çıkış gerilimi 220
V efektif değere ayarlanır. Bu değerlerde
MOSFET’lerden 2 A’lik akım çekilebilir. Bu akım
daha sonra soğutucuların da yardımı ile max.
15A bulabilir.
Koruma, devrenin beslemesi olan 12
besleme kaynağına seri 16A’lik bir sigorta
bağlanmasıyla sağlanır.
2=720 yapılarak 5. harmonik ortadan
kaldırılabilir. Fakat ’nın büyük değerlerinde
darbe genişlikleri çok kısalır ve düşük mertebeli
harmoniklerin içeriği yükselir.
PWM’in “Çok Darbeli Modülasyon” veya
“Kare Dalga PWM” olarak bilinen bir diğer türü
Şekil 1.10a’da görülmektedir. Kare dalga çıkış
geriliminde bir dizi boşluklar bırakılarak, her
yarım dalgada birbirinin aynı genişlikte bir
darbe dizisi elde edilmiştir. Köprü montajındaki
çapraz kollardan birini daha önce olduğu gibi
arzu edilen ac frekansında, diğerini ise bunun
katları olan bir frekansta anahtarlamak suretiyle
bu dalga şekli elde edilebilir. T 1/(T1+T2) oranına
“PWM Dalga Şeklinin Darbe-Periyot Oranı”
denir. Çıkıştaki ana dalga geriliminin değeri,
Darbe-Periyot Oranı değiştirilmek suretiyle
kontrol edilir. Küçük çıkış gerilimlerinde bu
dalga şeklinin düşük mertebeli harmonik içeriği,
Tek Dalga Modülasyon tekniği ile elde edilen
değişime göre daha azdır.
TEK FAZLI DARBE GENİŞLİK MODÜLASYONLU
(PWM) INVERTER HAKKINDA BİLGİ
Tek fazlı köprü montajında çapraz köprü
kolları gecikmeli olarak iletime sokularak, yarım
periyoda
ait
kare
dalganın
genişliği
ayarlanmaktadır. Bu gerilim ayar metoduna
“Darbe Genişlik Kontrolü” veya genel anlamda
“Darbe Genişlik Modülasyonu ( PWM )” adı
verilir. Ancak burada tek darbe bulunduğundan,
PWM’in “Tek Darbe Modülasyonu” grubuna
girmektedir.
PWM genel olarak çıkış gerilimi dalga
şeklinin harmonik içeriğini değiştirir. Yukarıdaki
tek darbe modülasyon tekniği ile ’ya belirli
değerler vermek suretiyle düşük mertebeden
rahatsız edici harmonikler yok edilebilir.
Örneğin 2=600 için üç ve üçün katları
mertebesinden olan harmonikler bulunmaz.
28
(a)
(b)
Şekil 1. Tek fazlı PWM inverterde çıkış
gerilimi dalga şekilleri; a) Çor darbeli PWM,
b) Sinüsoidal PWM
Pratik devreler / N. Abut
Daha gelişmiş PWM dalga şekillerinde
darbe genişliği yarım periyot boyunca
sinüsoidal bir şekilde değiştirilir ve düşük
mertebeli harmonikler ortadan kaldırılır. Şekil
1b’de görüldüğü gibi darbeler, periyot boyunca
düzenli aralıklarla yerleştirilmeli ve belirli bir
açıdaki darbenin genişliği, o açının sinüsü ile
orantılı olmalıdır. Bütün darbe genişlikleri, bu
sinüsoidal bağıntı bozulmaksızın değiştirilmek
suretiyle gerilim kontrolü yapılır.
Analog inverter kontrol devrelerinde PWM
dalga şekillerinin elde edilmesi için, yüksek
frekanslı bir uc üçgen taşıyıcı dalga ile istenen
frekanstaki
sinüs
referans
dalgası
uR
karşılaştırılır.
Kesim
noktaları,
inverter
anahtarlama anlarını belirlemek için kullanılır.
PWM dalga şekillerinin bu şekilde elde
edilmesine “Doğal Örnekleme” adı verilir. Şekil
1’de bir asimetrik üçgen dalga, bir sinüs
referansla karşılaştırılmıştır. Her darbenin
genişliği, birbirini izleyen kesim noktaları
arasındaki mesafe ile tarif edilmiştir. Bu
nedenle darbe genişliği, sinüs dalgasının darbe
aralığındaki ordinatı ile yaklaşık olarak
orantılıdır. Üçgen dalganın frekansı, sinüs
dalganınkinden çok daha büyük olduğunda,
komşu kesim noktaları arasında sinüs dalga
genliğinde meydana gelen değişme önemsiz
kalacaktır. Elde edilen PWM dalga şekli, ideal
dalga şekline çok yaklaşacaktır. İdeal dalga
şeklinde darbe genişliği, darbenin açısal
durumunun sinüsoidal bir fonksiyonudur. Şekil
1 ve 2’de görülen PWM dalgaları Ud, 0, -Ud
olmak üzere üç farklı değer almaktadır. Bu
nedenle
“Üç
Durumlu
PWM”
olarak
adlandırılırlar.
(b)
Şekil 2. Sinüsoidal PWM dalga şeklinin elde
edilmesi; a) Komparatör giriş gerilimleri, b)
Komparatör çıkış gerilimi
(c)
Şekil 3. Doğal örnekleme ile iki durumlu
PWM dalga şekillerinin elde edilmesi; a) Kare
dalga PWM, b) Sinüsoidal PWM, c)
Karşılaştırma lojiği
Uygulamada daha çok “İki Durumlu PWM”
kullanılır. Bu tür PWM dalgaları Ud ve -Ud olmak
üzere sadece farklı iki değer alır. Bu amaçla ac
yarım periyodu içinde çapraz kollar, dönüşümlü
olarak çok kez iletime sokulup çıkarılırlar. İki
durumlu kare dalga PWM ve sinüsoidal
PWM’lerin doğal örnekleme ile elde edilişi Şekil
3’de görülmektedir. Karşılaştırma için Ucm
genlikli ve fc frekanslı bir simetrik üçgen taşıyıcı
dalga kullanılmıştır. Taşıyıcı dalga frekansının,
referans dalga frekansına oranına ;
p = fc / fR “Taşıyıcı Oranı” adı verilir.
Referans dalga genliğinin, taşıyıcı dalga
genliğine oranına ise;
(a)
M = URm / Ucm “Modülasyon İndeksi” denir.
29
Elektrik Devreleri
Uygulamada taşıyıcı dalga sabit tutularak,
referans dalga isteye göre değiştirilir. Böylece
modülasyon indeksi 0 ile 1 arasında
değiştirilmek suretiyle ana dalga genliği
ayarlanabilir. Harmonikler önemsenmeksizin
gerilim artırılmak istenirse, M değeri 1’in
üzerine
çıkarılabilir.
Bu
taktirde
“Aşırı
Modülasyon” söz konusudur.
KAYNAKLAR
GÜLGÜN, Remzi; Güç Elektroniği, Yıldız Teknik
Üniversitesi Yayını, İstanbul, 1995
http://www.elektrotekno.com (devrenin şeması)
http://www.datasheetcatalog.com (katalog bilgileri)
30