2009_1.Vize_soru_çözüm

ELKE401 Güç Elektroniği I
1. Ara sınav
07Kasım 2009
Süre : 90 dk.
Karadeniz Teknik Üniversitesi
Mühendislik Fakültesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
Yrd. Doç. Dr. H. İbrahim OKUMUŞ
SORU 1
a) Güç elektroniği teriminden ne anlıyorsunuz? Kısaca yazınız.
b) Bir n-tipi yarıiletkenin yapısı ve çalışmasını kısaca açıklayınız.
c) Bir güç elektroniği dönüştürücü devresinden beklenen fonksiyonları bir şema ile açıklayınız.
d) Bir güç yarı iletkeninde hangi kayıplar oluşur? Maddeler halinde yazınız.
SORU 2
Şekildeki devrede tristör 60 mA’lik kilitlenme akımına sahiptir. Tristör 40 µs’lik bir darbe ile ateşlendiğine göre;
a) Devrede R direnci yokken ateşleme darbe süresi sonunda tristörün iletimde kalamadığını gösteriniz.
b) Devreye R direncinin eklenmesi durumunda, tristörün iletime geçmesini sağlayacak maksimum direnç değerini
hesaplayınız.
25 Ohm
120 V
R
0,6 H
SORU 3.
1 kW’lık sürekli mıknatıslı doğru akım motoru 10 Nm’lik sabit yüklü olarak şekildeki gibi tristörlü yarım dalga doğrultucu
tarafından sürülmektedir. Doğrultucu besleme gerilimi 220 V, 50 Hz., motor uyartım sabiti K Ф=2.5 ve endüvi direnci 2 Ω dur.
Motorun 100 d/d ile dönmesi için tristör ateşleme açısını ve motorun harcadığı gücü hesaplayınız.
T
i(t)
+
v(t)
~
va (t)
-
Va  Ea  IRa
Ea  K , M  IK 
SORU 4.
Şekilde bir tristörlü RC yük devresi verilmiştir;
a) Yük akımının analitik ifadesini elde ediniz.
b) RC yük geriliminin etkin değerini α = π/2 için
hesaplayınız.
c) Giriş gerilimi, yük akımı, tristör gerilimi ve yük
gerilimi dalga şekillerini çiziniz.
d) RC yükü üzerindeki gerilimin etkin değerinin 3 V
olması için ateşleme açısı, α, ne olmalıdır.
SORU 5
i(t)
T
e(t) = 10sin2t
~
R= 3Ω
C= 2F
Ü
a)
Çevre sıcaklığının 35 oC olduğu bir ortamda çalıştırılan bit tristörün termal direnci 1.54 oC/W dır. Bu tristöre takılan
soğutucunun termal direnci ise 2.1 oC/W dır. Tristörün dayanabileceği maksimum sıcaklık 125 oC olduğuna göre ve
%20 sıcaklık toleransı bırakılması durumuna göre yanmaması için maksimum güç kaybı kaç Watt olabilir? (λ=220)
b)
İzin verilen maksimum eklem sıcaklığı 125 oC olan bir TO-3 transistörü 26 Watt’lık bir güç değişimine sahiptir.
Rθjc + Rθcs=1.8 oC/W olduğuna göre tranzistorün 40 oC’lik çevre sıcaklığında bozulmadan çalışabilmesi için uygun
soğutucu-çevre ısıl direncini hesaplayınız.
1
2009-2010 GÜZ DÖNEMİ
ELKE 401 GÜÇ ELEKTRONİĞİ I
ARASINAV ÇÖZÜMLERİ
Çözüm 1.
a) Güç Elektroniği : Bir kaynaktan yüke verilecek elektrik enerjisinin; yükün gerektirdiği uygun bir
şekle sokulması ve denetlenmesi konularını inceler.
b) n-tipi yarı iletken : Elektrik akımı taşıyıcılarının çoğunlukla negatif yüklü elektronların olduğu yarı
iletkene n-tipi yarı iletken denir.
c)
Kristal yapı içindeki bir Si atomu yerine yabancı bir atom
yerleştirilirse iletkenlikte büyük değişme olur. Kristal yapı
içerisinde son yörüngesinde 5 elektronu olan antimon atomu
enjekte edelim. Kristal yapıda bağ kuracak sadece 4 valans
elektron olduğundan son yörüngesinde 5 elektronu bulunan
antimon atomunun 5. elektronu için yer yoktur. Yandaki
Şekil’de görüldüğü gibi bu elektron kristal yapı içerisinde
boşta kalır. İlave edilecek her bir antimon için bir serbest
elektron ve bir de (+) sabit yük oluşur. Zira antimon atomu +5
yüklü olduğu halde çevresinde kendine ait sadece 4 elektronu
vardır. Diğer bir değişle antimon atomu bir elektronu
kaybettiği için +1 yüklüdür. Atom kristal içerisinde hareket
edemediğinden bu yük sabittir. İçine antimon enjekte edilmesi
ile kristal içinde (-) hareketli yük hasıl olduğundan elde edilen
yeni kristale “n-tipi kristal” denir.
Doğrultucular (Redresör, Rectifier): Sabit genlik ve frekansta bir AA kaynaktan DA eldesinde
kullanılırlar. Denetimli ve denetimsiz olmak üzere iki sınıfa ayrılırlar. Denetimsiz: Diyotlarla ve çıkış
gerilimi ortalaması sabit; Denetimli: 0 ila max. Arasında ayarlanabilir, ayrıca negatif gerilim elde
edilebilir, güç yönü değişir.
Eviriciler (Ondülör, Inverter): Bir DA kaynaktan bir veya çok fazlı AA eldesinde kullanılır. DA
giriş genelde sabittir. AC çıkış genliği ve frekansı sabit veya değişken olabilir.
DA Kıyıcılar : Sabit genlikli DA den ayarlanabilen DA eldesinde kullanılır.
AA Kıyıcılar : Sabit genlik ve frekansta (temel frekans) bir AA kaynaktan aynı frekansta ancak
değişken genlikli AA eldesinde kullanılır.
2
d)
1.
2.
3.
4.
İletim kayıpları
Tıkama kayıpları
Kapı devresi kayıpları
Anahtarlama kayıpları
Çözüm 2.
25 Ohm
120 V
R
0,6 H
I = 120 V/25 Ω = 4,8 A (R direnci yokken, sürekli durumda L kısa devre)
Geçici durumda;
V = Ri(t) + L di(t)/dt
i = (V/25)(1-e-t/T), T =L/R
t = 40 µs için;
i=4,8*(1-exp(-0.00004/0.024)) = 0,008 A = 8 mA
di/dt başlangıç değeri
V=L(di/dt), di/dt = V/L
a) t= 40 µs sonra tristör akımı 8 mA olduğu ve bu akım değeri tristör kilitlenme
akımının (60 mA) altında olduğu için tristör iletime geçemez.
b) R = 120/(60-8)x10-3 = 2,3 kΩ
Çözüm 3.
T
i(t)
+
v(t)
~
va (t)
-
Va  Ea  IRa
Ea  K , M  IK 
3
Çözüm 4.
i(t)
T
e(t) = 10sin2t
~
R= 3Ω
C= 2F
Ü
Homojen çözüm:
4
a)
b)
5
c)
d)
Çözüm 5.
a)
Maksimum tristör sıcaklığı = 125-0.2.125 = 100 oC
Toplam ısınma = 100 oC – 35 oC = 65 oC
1 W =>
X =>
3,64 oC
65 oC => x = 17,86 Watt
b)
6