ZÁKLADY POLOVODIČOVÉ TECHNIKY

Transkript

1 Obsah 1. Úvod ZÁLDY POLOVODČOVÉ THNY. Polovodičové prvky.1. Polovodičové diody.. Tyrisory.. Triaky.4. Tranzisory. Polovodičové měniče.1. směrňovače.. Sřídače.. Sřídavé měniče napěí.4. Plzní měniče.5 Měniče kmioč rčeno pro bakalářské sdijní programy Doc. ng Václav Vrána, Sc. ng. Václav olář, PhD. září 5 1. Úvod Polovodičová echnika pronikla do všech oblasí elekroechniky.následně bdo vedeny základní vlasnosi polovodičových sočásek a jejich vyžií zejména v silnoprodé elekroechnice. romě akzvaných diskréních polovodičových sočásek, (edy diody, ranzisory, yrisory, riaky) exisjí dále inegrované obvody (O). O je sočáska, kerá má v sobě mísěn celý obvod sesávající někdy z několika desíek, ale někdy aké několika milionů sočásek (ranzisorů, diod a rezisorů), mající velikos několika cenimerů. Z důvod omezeného prosor O v omo ex nebdo obsaženy.. Polovodičové prvky.1 Polovodičové diody Polovodičové diody vyžívají vlasnosí polovodičového přechod P N. Jejich nejzákladnější vlasnos je, že vedo prod poze v jednom směr. Podle oblasi požií je můžeme rozděli do několika základních skpin: a) směrňovací diody b) Zenerovy diody c) Svěelné diody a foodiody d) osaní (Schokyho diody, Varikapy, Tnelové diody) a) směrňovací diody voří nejpočenější skpiniod vyžívající směrňovacích účinků přechodů P N k směrňování sřídavých prodů. Schémaická značka diody je na obr. -. závěrný směr p k propsný směr schemaická značka Obr.- Hydralická analogie diody a schémaická značka Dioda má dvě elekrody, anod () a kaod (). Vede prod jen jedním směrem a o od anody ke kaodě. Pokd je anoda kladnější než kaoda je dioda zapojena v propsném směr a diodo eče prod.. V opačném případě, kdy kaoda je kladnější anody, je dioda orienována v záměrném směr a prod diodo neeče. Hydralicko analogiiody je zpěný venil, obr.-. Jedná se o venil, jehož kželka k je přilačována pržino P. Působí-li lak ve směr šipky, kželka dosedne do sedla a kapalina neprodí. V opačném případě bde kželka nadzvedávána proi síle pržiny ze sedla a kapalina bde venilem prodi. deální dioda má v propsném směr nlový odpor a v závěrném směr nlovo vodivos. Vlasnosiody popisje její volampérová charakerisika, obr.-. Je o závislos velikosi prodiodo na velikosi napěí mezi anodo a kaodo. V charakerisika popisje základní saické vlasnosiody. Její var lze získa měřením pomocí zapojení na obr. -4.

2 i B Závěrná věev [] (-) (+) ) a) eální b) skečné Obr. - Volampérová charakerisika diody V Obr. -4 Zapojení pro měření V charakerisiky diody (+) ) (-) P Propsná věev [V] Při zvyšování napěí v propsném směr rose prod diodo nejdříve pozvolna až do hodnoy prahového napěí p. V závěrném směr je prod velmi malý až do vysokých hodno závěrného napěí napěí B. Při hodnoě B, nazývané průrazné (breaking), dochází k průraziody, velikos prod se začne prdce zvyšova. To hodno by napěí v závěrném směr nemělo překroči, proože ím dochází ke zničení diody. Omezjící fakory provozních veličin: Hodnoa průrazného napěí a velikos maximálně přípsného prod v propsném směr. Při průchod prodiodo oiž vznikají epelné zráy. Vzniklé eplo je nno odvádě. Schopnos odvod epla je závislá na konsrkciody a jejím vnějším chlazení. (-) b) Zenerovy diody Vhodno echnologií výroby přechod P N (bohasvím příměsí a konsrkcí) lze charakerisiky křemíkové plošné diody dosáhno (+) v závěrné oblasi srmého zlom (nedesrkivního průraz). Závěrný prod se po překročení na- z - pěí z (zv. Zenerova) rychle, lineárně, zvyšje (obr.-5). Velikos z je závislá na měrném odpor výchozího polovodičového maeriál a může z max se pohybova od do 1 V. Zenerova dioda se (+) požívá v obvodech sabilizáorů a omezovačů P max napěí (-) c) apaciní dioda VP -i Varikap je plošná dioda keré je kapacia P N přechod závislá na přiloženém napěí. Varikapů Obr V charakerisika Zenerovy diody se požívá jako ladicích prvků pro aomaické dolaďování obvodů rozhlasových a elevizních přijímačů. možňjí zvýšení spolehlivosi elekronických obvodů a jejich výrazno miniarizaci. f) Foodiody a svíivé diody Diody vyžívající fooelekrického a lminiscenčního jev na přechod P N se požívají v opoelekronice. Foodiody fngjí jako snímače reagjící na svělo, svíivé (lminiscenční diody či LD) se časo požívají jako signálky, či jako sočás svíících displejů.. Tyrisory Tyrisor je čyřvrsvý polovodičový prvek, kerý mimo hlavních elekrod (kaody a anody) má ješě další, řídicí, elekrod (G). Z hlediska fnkce je yrisor řízená směrňovací dioda a může pracova jako spínač. Tyrisor lze sepno prodovým implzem do G a vypne se přeršením prod mezi anodo a kaodo (běžný yrisor se nedokáže vypno sám, vypne se až po přeršení prod (např i z vnějších příčin). Vlasnosi yrisor popisje jeho volampérová charakerisika V-, obr. -6. harakerisik je možno rozděli na ři čási: závěrno, blokovací a propsno. G [V] B závěrná čás (-) (+) G(+) G [] [m ] a) eálního b) skečného Obr. -6 V- charakerisika yrisor L H G >> propsná čás G = (+) (-) G(+) G blokovací čás [V] Vlasnosi yrisor v oblasi závěrné čási jso shodné se závěrno oblasí diody. Tyrisorem proéká jen malý prod až do průrazné hodnoy závěrného napěí B. Průběh prod mezi anodo a kaodo v blokovací čási charakerisiky je závislý na velikosi prod řídicí elekrody G Je-li G =, dochází se zvyšováním napěí na yrisor k pomalém nárůs prod mezi anodo, yrisor je prakicky zavřený. Při překročení rčiého napěí mezi anodo a kaodo (řádově sovky-isíce V) by došlo k nežádocím samovolném sepní yrisor - vyznačeno na obr. -6 čárkovaně, pracovní bod přejde skokem propsno čás charakerisiky. om nesmí v praxojí. Propsná čás charakerisiky yrisor je shodná s průběhem charakerisiky směrňovací diody. Tyrisor je sepn dosaečně velkým prodem G (řádově sovky m). Od okamžik sepní nemá prod řídicí elekrodo na činnos yrisor již žádný vliv. Tyrisor se zavírá jen v případě, když prod mezi anodo a kaodo poklesne pod hodno vraného prod H, jehož hodnoa se v praxi pokládá za velmi blízko nle. 4

3 z a) b) c) p k Obr. -7 Hydralická analogie yrisor: a)závěrný směr, b)propsný směr, c)schemaická značka G i g Fnkci yrisor lze objasni na jeho hydralické analogii zobrazené na obr. -7a,b.. Zpěný venil je doplněn blokovací západko Z. Pokd je západka vysna chová se venil jako zpěný, zn. v jednom směr propoší a v drhém je zavřen. Pokd se západka zasne nad kželk venil, a o je možné jen při zavřeném venil, pak bde venil zavřen bez ohled na směr působení lak. Tyrisory se vyžívají pro bezkonakní spínání elekrického prod (zapínání spořebičů apod.), k reglaci příkon elekrického prod (řízení osvělení, bezezráová reglace výkon opení, svíel, elekrických moorů ramvají, rolejbsů, lokomoiv apod.). Jejich výhodo je velká rychlos spínání. Tyrisory se vyžívají pro bezkonakní spínání elekrického prod (bezkonakní zapalování, zapínání spořebičů apod.), k reglaci příkon elekrického prod (řízení osvělení, bezezráová reglace výkon opení, svíel, elekrických moorů ramvají, rolejbsů, lokomoiv apod.). Jejich výhodo je velká rychlos spínání a velká prodová i napěťová zaížielnos.. Triaky Tyrisor je schopen vés prod poze jedním směrem. Proo byl vyvin další polovodičový prvek, riak. Je o pěivrsvý spínací prvek schopný vés elekrický prod oběma směry. Jeho [] ST (+) 1 (-) vlasnosi popisje volampérová charakerisika zobrazená na obr. -8. Triak má yrisorů, obr. -9b kerých jso řídicí elekrody vhodně propojeny v jedino. V prvním i řeím kvadran je vlasně G(+) vlasnosi přibližně odpovídající vlasnosem dvo aniparalerně zapojených G blokovací a propsná čás charakerisiky yrisor. (-) 1(+) G(+) G Obr. -8 Zjednodšená V charakerisika riak z [] a) b) c) Obr.-9 nalogie riak: a)hydralická, b)pomocí dvo yrisorů, c)schemaická značka G Fnkci riakokreslje jeho hydralická analogie na obr.-9a. Je o aniparalerní (proisměrné) spojení dvo řízených zpěných venilů, jejichž blokovací západky jso spojeny páko ak, aby byly ovládány sočasně. Oblasi požií riaků jso v podsaě shodné s yrisory. Jejich aplikace je v řadě případů jednodšší..4 Tranzisory B PNP - P N P TNZSTO Tranzisor je plně řízený polovodičový prvek prvek, kerý může pracova jako zesilovač nebo spínač. Na rozdíl od yrisor, kerý zůsane sepný i po zánik prod na řídící elekrodě (hradl) je ranzisor sepný poze po dob kdy eče do řídící (báze) elekrody prod. Podle princip fnkce dělíme ranzisor na bipolární a nipolární (řízené elekrickým polem). Bipolární ranzisor Obr. -1 Tranzisor PNP a NPN Bipolární ranzisor (dále jen ranzisor) byl objeven v roce 1947 jako výsledek úsilí nahradi vakové elekronky polovodičovým zesilovacím prvkem. B B MTO () MTO () BÁZ (B) BÁZ (B) OLTO () OLTO () B NPN - N P N TNZSTO B > B < a) Popis srkry a fnkce Srkra ranzisor se skládá se ří oblasí yp P a N, jež jso za sebo řazeny bď ve sled P N P, j. ranzisor yp PNP, nebo N P N, j. ranzisor yp NPN (obr.-1). Vývody z jednolivých oblasí se označjí jako emior, báze B, kolekor. Tranzisor vyžívá dvo přechodů PN, jeden je mezi emiorem a bází, drhý mezi kolekorem a bází. Tranzisor si lze předsavi složený ze dvoiod, emiorové a kolekorové, jež jso zapojeny proi sobě. Přiloží-li se mezi kolekor a emior napěí, neprochází prod, proože při obo možných polariách vnějšího napěí je vždy jedna z diod polarizována závěrně. Fnkci ranzisor nelze vysvělova pomocí zapojení dvoiod, proože všechny ři oblasi vzájemně spolpracjí především díky malé šířce sřední oblasi, báze, na kero se aké přikládá vnější napěí. Je-li napěí vnějšího zdroje připojeno na ranzisor yp PNP ak, že kladný pól je spojen s emiorem, záporný s kolekorem a čás ohoo poenciálního rozdíl je přivedena na bázi, je báze oproi kolekor kladná a oproi emior záporná. Pro yp NPN jso polariy opačné. Pokd by působilo poze napěí vedené polariy mezi emiorem a bází, procházel by emiorovým přechodem velký prod, proože by se pohyboval značný poče děr z emioro báze, popř. velký poče elekronů z báze do emior. olekor je však připojen na záporné napěí. Nosiče kladných nábojů (díry) přecházejí vlivem malého napěí mezi emiorem a bází přes první přechod do prosor báze, odd jso však působením značného napěí mezi kolekorem a bází hnány přes drhý přechod a pravo oblas yp P ke kolekorovém vývod. Prod, vycházející z emior, se edy dělí do dvo složek: první složka směřje k bázi, drhá ke kolekor. Snaho výroby je aková konsrkce ranzisor, aby co možná nejvěší čás emiorového prod přecházela do kolekor a jen minimální zbyek do báze. moderních ranzisorů činí 5 6

4 prod báze jen několik sein či isícin prod emior. miorový prod je edy vždy věší než kerýkoli v obo zbývajících prodů, je roven soč prod báze B a kolekor. vs Malý prod B g Vsp B Malý vspní odpor vs b) Základní zapojení ranzisor Tranzisor má ři vývody: emior, bázi, kolekor. Je-li zapojen jako zesilovač, msí mí dvě svorky na vspní a dvě na výspní sraně. aždý ze ří vývodů ranzisorů může bý vspem i výspem zesilovače, a proo exisjí ři základní zapojení ranzisor, nazývaná zapojení se společným emiorem (obr.-11), se společno bází, se společným kolekorem. hování ranzisor značně závisí na om, keré z vedených zapojení je požio. V echnické praxi se nejčasěji vyskyje zapojení ranzisor se společným emiorem (obr.- 11). Vspní signál se něj přivádí mezi bázi a emior, výspní signál se odebírá v obvod kolekor-emior. Tranzisor je polovodičový prvek, kerý složí především k zesilování elekrických signálů. Pracje ak, že malý vspní prod (prod báze g ) vyvolá velký výspní prod kolekor, malá změna vspního prod vyvolá velko změn výspního prod. Proože prod báze bývá moderních ranzisorů 1 až 1 krá menší než prod emior, je sejnosměrný prodový zesilovací činiel akových ranzisorů h 1 = / B = 1 až 1 c) Základní paramery ranzisor Prodový zesilovací činiel h 1 ( α, β ) dává, jak bylo vedeno, zesilovací schopnos ranzisor. Časěji je definován pro malé změny prodů jako jejich podíl: i h 1 = i Velký prod Velký výspní odpor výs B Výsp Obr. -11 Zapojení ranzisor se společným emiorem Přípsné výkonové zaížení ranzisor je omezeno maximální kolekorovo zráo, nipolární ranzisor Na rozdíl od předchozích ranzisorů (bipolárních) je ěcho ranzisorů prod vořen poze nosiči jednoho yp. Podle princip činnosi jso nazývány FT ranzisory řízené (elekrickým) polem. Tranzisory řízené polem se požívají v obvodech, keré vyžadjí vysoký vspní odpor zesilovacího prvk, ve spínačích, zdrojích implsů, jako napěťově řízené rezisory a pro celo řad aplikací elekroniky. P max =. kerá je důležiým údajem pro provoz ranzisorů, sejně jako maximální přípsné hodnoy napěí a prodů jednolivých elekrod. Přípsná kolekorová zráa je rčena konsrkcí a pohybje se v mezích sovek mw malovýkonových až sovek W výkonových ranzisorů. Drhým nejpožívanějším zapojením je zapojení se společným kolekorem, zv. emiorový sledovač. Too zapojení je ypické svým vysokým vspním odporem, přibližně jednokovým napěťovým zesílením a velkým zesílením prodovým. Požívá se především do vspních dílů zařízení Obr -1 ůzné ranzisory na malé a sřední výkony (z leva,6,6 a 5 W) kerých vyžadjeme vysoký vspní odpor. Zapojení se společno bází se vyžívá ve výjimečných případech, kdy vyžadje zvlášě malý vspní odpor a dobrý frekvenční přenos. d) onsrkce ranzisor Vlasní sysém ranzisor vyráběný především planární echnologií se misťje do vhodného kovového nebo plasického pozdra. výkonových ranzisorů se sysém pevňje pro snadný odvod epla na silnější základovoesk. Ta voří sočasně vývod kolekor a je konsrována věšino pro chycení na věší kovovo ploch chladič. 7 8

5 . Polovodičové měniče Měnič elekrické energie mění energii rčiých paramerů ( nn napájecí síě je o např. x 4 V, 5 Hz) na akové paramery, aby výspní paramery splňovaly požadavky kladené připojeno záěží. Polovodičový měnič je saické zařízení, keré vyžívá ke své činnosi odporů, indkčnosí, kapaci a spínacích vlasnosí polovodičových prvků. Měnič je elekrický obvod s nelineárními sočáskami, proo msí při jeho řešení docháze k rčiým zjednodšením. V měniči se přeměna energie na jiné paramery výspního napěí, prod, kmioče apod. děje s minimálními zráami a ím s poměrně vysoko účinnosí. Základní drhy polovodičových měničů jso: - směrňovače, - sřídače, - fázově řízené měniče sřídavého napěí (sofsaréry) - plsní měniče, (spínané zdroje) -- sřídavé měniče kmioč..1. směrňovače Jedná se o drh výkonového polovodičového měniče požívaného k přeměně sřídavého prod na sejnosměrný (/D). Teno o drh provozní jednoky elekronické výkonové přeměny sesávající z následjících bloků: Napájecí zdroj (m-fázová sřídavá napájecí síť- popř. ransformáor) Vlasní blok směrňovače obsahjící výkonové polovodičové sočásky (VPS) Záěž sesávající z kombinace zapojení prvků obvod,l, popř i s proinapěím i Paramery a variany zapojení ěcho bloků ovlivňjí provozní vlasnosi směrňovačů. P jednokvadranový Napájecí zdroj m,, Vspní, ac srana směrňovače Blok směrňovače dvokvadranový d, d Obr. -1 Sesava polovodičového směrňovače P Záěž (,L., i ) Výspní, dc srana směrňovače ozdělení směrňovačů je možno provés na základě různých kriérií (hledisek) Podle drh napájecího zdroje (poč fází): - jednofázové (m=1), řifázové, (m=), m-fázové Podle charaker výspních (sejnosměrných) veličin: neřízené, osazené neřielnými polovodičovými spínacími sočáskami - diodami; řízené, osazené řielnými polovodičovými sočáskami (yrisory, ranzisory), keré podle způsob provoz (směr ok energie-výkon) dále dělíme na: - jednokvadranové (energie je přenášena poze ze zdroje do záěže) ; - dvokvadranové (energie je přenášena ze zdroje do záěže a naopak) Podle poč plzů (poče komací z jedné věve na jino během jedné periody): jednoplzní, dvoplzní, rojplzní, šesiplzní, dvanáci a víceplzní (q =1,, ) Podle zapojení měniče (spořádání jeho výkonového obvod) z hlediska var prod na vspní sraně(svorkách) blok směrňovače Jednocesné (prod na vspních svorkách je jednosměrný) Dvocesné (prod na vspních svorkách je obosměrný) Podle zapojení zdroje a jednolivých VPS zlové (všechny VPS a napěťové zdroje jso jedním shodným pólem spojeny do zl Můskové (vnější svorky sejné polariy jso společné a výspní, sředy skpiny jso vspní) směrněné napěí Průběh okamžié hodnoy směrněného napěí se vyznačje sřídavo složko nasperponovano na jeho sřední hodno d. Při vlasním směrnění sřídavé vspní veličiny vybírá směrňovač jen rčio čás jeho křivky ak, aby výspní napěí přiváděné na záěž bylo sejnosměrné. Z hlediska zvlnění výspního dc napěí vychází příznivě směrnění vícefázového vspního napěí, kdy jso z jednolivých fází vybírány ze sinsového průběh jen čási a o v oblasi maxima. Sřední hodno směrněného napěí naprázdno do je závislá na zapojení směrňovače směrněný prod Okamžiá hodnoa směrněného prod je označována. Průběh je dán průběhem směrněného napěí a záěží. Obecná záěž může obsahova, L, popř. proinapěí i. směrněný prod bde zvlněný a pokd v průběh periody vspního napěí nedosáhne nlové hodnoy nazývá se jako nepřeršovaný (spojiý)..1.1 Příklady provedení neřízených směrňovačů v jednocesném (zlovém) zapojení Jednofázový jednoplsní jednocesý(zlový) směrňovač VPS, V obvodové schéma zapojení v V v d d 18 náhradní schéma zapojení a) obvodové a náhradní schéma zapojení b) časové průběhy veličin obr. -. Jednoplzní směrňovač s odporovo záěží. Jako VPS je zde požio diody ozn. V (venil), kerá je propsná (vodivá, sepná) v přímém směr a blokjící (nevodivá, vypná) ve zpěném směr. Obvod je napájen z jednofázového sřídavého zdroje (sí nebo ransformáor) s harmonickým napěím = m sin ( ω ). Provozní vlasnosi směrňovače jso závislé na paramerech záěže. d d V 6 54 ω

6 Dioda v propsném sav je sepna, akže napěí zdroje se objeví na záěži. Sejný průběh má aké prod proékající diodo v přímém směr. Při pokles prod na nl se dioda dosane do závěrného sav, edy vypíná. Napěí zdroje se objevje na diodě, kero polarizje v závěrném směr. Sřední hodno sejnosměrného (směrněného) napěí naprázdno (při ozn.ω. = θ) 1 d = av = ( ) ( ) = =,45 m sin θ d θ Obvodem bde proéka plzjící přeršovaný sejnosměrný prod jehož sřední hodnoa d 1 m 1 d = av = = = m =, 18 m Vspní prod (jenž je v omo případě záěže úměrný i výspnímc napěí) jednoplsního neřízeného směrňovače má neharmonický průběh., Činná záěž s kondenzáorem na výspní sraně vyhlazení plzjícího průběh směrněného napěí se požívá kondenzáor, kerý je zapojen na výspní sraně směrňovače j. paralelně k odporové záěži (obr. ). v V i v i c i 1 i=i V =i a) Náhradní schéma zapojení b) Časové průběhy veličin Obr. -. Jednoplsní směrňovač s záěží. Venilem V začne éci prod i v, je-li > (dioda je polarizována v propsném směr, edy v okamžik ozn. bodem 1 a na záěži se objeví napěí zdroje. Za vrcholem kladné půlvlny napěí zdroje je < a kondenzáor se začne vybíje do odpor s průběhem podle exponenciály. Sočasně s poklesem napěí klesá i celkový prod ekocí odporem. V okamžik, kdy kondenzáor dodává celý prod do odpor i = i, prod venilem i V klesl k nle a venil vypnl. Obvod je oddělen od napájecího zdroje. ozdílem okamžiých hodno napěí na kondenzáor a napěí zdroje je polovodičová dioda polarizována ve zpěném (závěrném) směr. Při opěovném nárůs napěí zdroje do kladných hodno dojde k splnění podmínky > a venil opě sepne. Z obr. je zřejmé vyhlazení průběh směrněného napěí.. Prod odebíraný z napájecí síě je značně neharmonický (má var srmého implz), obsahje velké množsví harmonických složek, keré negaivně ovlivňjí kvali napájecího napěí. [ms] Třífázový rojplzní jednocesný (zlový) směrňovač. Trojplsní zlový směrňovač je v praxi napájen z rojfázového ransformáor, jehož sekndární (výspní) viní je vždy zapojeno do hvězdy (se sředním vývodem-zlem). Poom napájecí napěí směrňovače voří rojfázovo soměrno sosav s vzájemným fázovým posnem /. Obecně rčje napěí n-é fáze m-fázového napájecího zdroje výraz n = m sin ω ( n 1) m ladné hodnoy napěí vyvářejí v příslšné věvi prod v přímém směr polovodičové sočásky. Pro jednodchos je následně proveden rozbor pro odporovo záěž. V sepném (vodivém) sav je vždy a dioda, kerá je připojena k fázovém napěí s nejvěší okamžio hodnoo. 1 V1 v V v V v iv1 iv iv a) schéma zapojení b) průběhy veličin Obr. -4 Trojplzní směrňovač Průběh směrněného napěí je obalovo křivko kladných půlvln fázových napěí 1,,. V průběh jedné periody napájecího napěí vyváří ří plsy. Sřední hodnoa směrněného napěí a prod d 5 6 = 6 sin 117, d m d = = =, 87 6 ( θ ) d( θ ) = =1,17, max.1. Příklady provedení neřízených směrňovačů v můskovém zapojení směrňovač v můskovém zapojení je v podsaě sériové spojení dvo zlových směrňovačů. Na vspní svorky dvo zlových směrňovačů zapojených s opačno polario venilů, je přiváděno společné napájecí napěí. Prakicky se požívají jen jednofázová a rojfázová provedení směrňovačů. Prod v obvod směrňovače bde procháze vždy ovojicí venilů, na kerých je kladné napěí. aždá dvojice venilů povede za dob jedné periody prod v inerval 18 o Sřední hodnoa směrněného napěí naprázdno 1 d = sin ( θ ) d( θ ) = =,

7 Jednofázový dvoplzní směrňovač.1. Fázově řízené směrňovače V,4 i1 V1, V V4 i1 V1 V 1 Pokd jso v směrňovačích nahrazeny diody řízenými yrisory, dosáváme řízený směrňovač, Tyrisory se sano vodivými až ehdy, když dosano v kladné půlperiodě se zpožděním α ř. zapínací impls. Úhel α ř.. se nazývá úhlem řízení (řídící úhel). Doba vedení prod obvodem je závislá na charaker záěže. odporové záěži je prod přímo úměrný odpor, což znamená že při nlovém napěí je rovněž nlový prod. Příklad jednofázové řízeného směrňovače v můskovém zapojení d V i v 1 d d i v d ω. a ) Obvodové schéma b ) Náhradní schéma c ) Průběhy veličin Obr. -5 Šesiplzní zlové zapojení v 1 Trojfázový šesiplzní směrňovač 1,, V4,5,6 d V1,, V4 V5 V6 1 d V1 V V 1 1 a ) Obvodové schéma b ) Náhradní schéma c ) Průběhy veličin Obr. -6 Šesiplzní zlové zapojení a, Schéma zapojení b, Časové průběhy veličin Obr.-7 Jednofázový řízený směrňovač v můskovém zapojení Při sepné dvojici yrisorů T 1, eče prod obvodem sejně jako v případě diodového směrňovače. Po přechod napájecího napěí do záporné půlperiody ješě nedosává dvojice yrisorů T, zapínací implzy. Vlivem indkčnosi záěže L Z proéká směrněný prod i S nadále původním směrem a o proi napájecím napěí, keré ž změnilo svoji polari. Na záěži se objeví záporné napěí a o až do okamžik ω = + αř. Teprve v omo okamžik dosano yrisory T, zapínací implz a na záěži se objeví napěí v kladném směr. Změno úhl řízení α se mění velikos sřední hodnoy směrněného napěí sr = dα, sanovená inegrací: dα = d cosαř Závislos sřední hodnoy směrněného napěí sr na úhl řízení je na obr.-8. aždý venil povede za dob jedné periody prod v inerval 1 o a dvojice v inerval 6 o. Sřední hodnoa směrněného napěí naprázdno / 6 d = S sin ( θ) d( θ) = = 1,5 S =,4 f, S / kde S je efekivní hodnoa sdrženého napěí napájecí síě ( S = 1 = = 1 ) f je efekivní hodnoa fázového napěí napájecí síě ( f = 1 = = ) Prod odebíraný směrňovačem z napájecí síě má neharmonický průběh, obsahje množsví harmonických složek, keré negaivně ovlivňjí kvali napájecího napěí. Skečný var prod je závislý na paramerech záěže. Obr.-8 Závislos výspního napěí na úhl řízení a zaížení. Obr.-9 Časové průběhy v inverorovém režim řízeného směrňovače (L Z >>) 1 14

8 Ze vzah pro dα vyplývá, že při úhl.α ř = je výspní napěí maximální a je sejné jako neřízeného směrňovače. Při úhl α ř = / je výspní napěí nlové, proože cos/ =. Pro úhly řízení. α ř >./ je cos α ř. <, výspní napěí je záporné a směrňovač pracje v zv. inverorovém režim obr.-9. Výkon směrňovače je záporný, směrněný prod eče sále původním směrem), akže sejnosměrná energie záěže (nahromaděná v indkčnosi) se inverje na sřídavo a dodává se do napájecího zdroje. Tím je možné v případě napájení ss moor eno elekricky brzdi, při čemž se elekrická energie rekperje do sřídavé napájecí síě... Sřídače Sřídače jso polovodičové měniče, keré mění sejnosměrné napěí na sřídavé. Z hlediska var výspního napěí moho bý sřídače s - harmonickým výspním napěím - obdélníkovým výspním napěím (časější případ), Základem každého sřídače jso řízené polovodičové spínače, může o bý bďo ranzisor pro výkony do řád sovek kw, nebo yrisor pro výkony věší. Velko výhodo ranzisorů je, že se dokážo samy vypno (yrisor pořebje vypínací obvod) a že mohoosahova velkých spínacích frekvencí, (desíky khz). Proo jso v poslední době sále rozšířenější sřídače s ranzisory, nejrozšířenější je zv. sřídač v můskovém zapojení, kerý sále popíšeme. Sřídač s obdélníkovým výspním napěím (v můskovém zapojení) Požívá se ve zdrojích sřídavého napěí pro napájení běžných spořebičů v mobilních zařízeních (aa, vlaky), dále pro řízení oáček asynchronních případně synchronních moorů, časo je sočásí zv. nepřímých měničů kmioč.(viz dále). Jako spínací prvky se v omo yp sřídače věšino požívají ranzisory. Teno sřídač může bý jednofázový i rojfázový. Jednofázový můskový sřídač s obdélníkovým napěím Princip lze vysvěli na jednofázovém můskovém sřídači, jehož schéma je na obrázk -1 (čárkovaně jso zde zobrazeny zpěné - nlové diody, keré se planí poze v případě obsahje-li záěž indkčnos (bez diod by došlo při vypní ranzisor k jeho zničení vysokým indkovaným napěím). V graf výspního T1 T záěž (spořebič) řídící obvod T T4 Obr. -1 Schéma jednofázového můskového sřídače a průběh výspního napěí napěí je na počák nlové napěí, o není sepn žádný ranzisor. Pak sepno ranzisory T 1 a T 4, na záěž se dosane kladné napájecí napěí. Po rčiém čase oba ranzisory vypno, na záěži je opě nlové napěí. Pak sepno ranzisory T a T, na záěž se připojí záporné napěí (ranzisory připojí záěž jakoby obráceně než v prvním případě). Po rčiém čase opě vypno a celý cykls se opakje. T1, T4 T, T T1, T4 Délkooby sepní ranzisorů a prodlevy mezi sepními je možné řídi efekivní hodno výspního napěí. (Čím menší prodleva, ím vyšší efekivní hodnoa napěí.) Při chod sřídače nesmějí sepno zároveň ranzisory T 1 a T, nebo T a T 4, o by byl zkra. Trojfázový můskový sřídač s obdélníkovým napěím Sřídače ohoo yp se ale nejčasěji konsrjí jako rojfázové. Zjednodšené schéma a průběh výspního napěí rojfázového sřídače v můskovém zapojení je na obrázk -11. V obrázk je nad grafy výspních napěí napsáno v kerém okamžik je kerý ranzisor sepný (akzvaný spínací diagram). Můžeme si předsavi že spínáním jednolivých ranzisorů jso výspní svorky sřídače připojovány bďo na kladné, nebo záporné napěí. ozdíl mezi napěím dvo sosedních výspních svorek pak vyváří sdržené napěí. V praxi jso yo rojfázové sřídače věšino vyráběny s plsně šířkovo modlací. Pro vysvělení princip ale sačí zobrazi průběhy bez éo modlace jak jso na obrázk ss -, i T1 T záěž (spořebič) zapojená např. do rojúhelníka S1 T T4 S1 Obr. -11 Zjednodšené schéma rojfázového sřídače můskového sřídače a průběh sdržených výspních napěí T5 T6 S i (prod je vyhlazený, pokd záěž obsahje indkčnos) Obr. -1 Princip pzně šířkové modlace S1 S S1 sepné ranzisory T1,T4,T6 T1,T4,T5 T,T4,T5 T,T,T5 T,T,T6 T1,T,T6 Plsně šířková modlace sřídačů v můskovém zapojení V případě, že nechceme mí na výsp sřídače obdélníkový průběh, ale průběh více podobný sinsovce, můžeme poží jiný způsob spínání ranzisorů, akzvano Plsně šířkovo modlaci. Průběhy napěí a prod v omo případě jso na obr.-1. Napěí je sice sále obdélníkové, k om značně rozsekané, ale prod bde v případě odporově indkivní záěže (např. moor) éměř sinsový. (ndkčnos záěže fngje jako servačnos vůči prod a en je poom vyhlazený.) S ímo způsobem spínání pracje věšina dnešních sřídačů. Prakické požií sřídačů: Na mobilních prosředcích (aomobily, přepravní vozíky, lodě ad) a v elekrické rakci (ramvaje, rolejbsy, vlaky) jako akční členy k řízení rychlosi (oáček sřídavých moorů), popř. jako komponen měniče kmioč (viz dále) 15 16

9 .. Sřídavé měniče napěí Tyo měniče mění efekivní hodno sřídavého napěí, přičemž frekvence zůsává zachována. Základní čásí ohoo měniče je polovodičový spínací prvek, kerý spíná sřídavý prod. Bývá o riak, případně dva aniparalelně zapojené yrisory. Schéma a časové průběhy napěí jso na obrázk schéma sřídavého měníče napěí řídící obvod Triak sepne v okamžik, kdy řídící obvod psí řídící prodový impls do jeho hradla. dyby o nasalo hned v okamžik kdy sinsovka začíná, dosalo by se na výsp měniče celé vspní napěí. Pokd riak sepne později, dosane se na výsp měniče menší čás sinsovky, a efekivní hodnoa výspního napěí je menší. Zpoždění sepní riak vyjadřjeme akzvaným řídícím úhlem, kerý se obvykle značí α.. Změno α od do 18 lze měni efekivní hodno od až do hodnoy 1. (Čím věší α, ím menší.) Pro velikos efekivní hodnoy napěí při odporové záěži plaí vzah. α sin(α ) = Tyo měniče se požívají k řízení výkon činných spořebičů, jako žárovek (akzvané smívače - velmi rozšířené požií) nebo někerých epelných spořebičů a aké k řízení oáček sřídavých komáorových moorků, například v rčních vračkách. Sřídavé měniče se moho konsrova jako jednofázové, i rojfázové. Trojfázové provedení se časo požívá k řízeném rozběh asynchronních moorů zv. sofsaréry..4 Plzní měniče (PM) míso riak moho bý zapojeny dva aniparalelně spojené yrisory Obr. -1 Sřídavý měnič napěí a průběhy vspního a výspního napěí vyžívají ke své fnkci periodicky spínaný polovodičový spínač a jso požívány pro yo fnkce: snižování, zvyšování, snižování i zvyšování napěí plzní řízení odpor (rezisor). Plzní měnič ke snižování napěí Jeho vspní veličino je sejnosměrné napěí, výspní veličino je proměnlivá sřední hodnoa plzjícího sejnosměrného napěí. Způsoby řízení plzních měničů s konsanním kmiočem spínání [z = f ( z ), T=kons.] dvohodnoové [ dmin < d < dmax ] s konsanním dobo zapní [ z = f (T ), z =kons.] Principiální zapojení plzního spínače s čisě odporovo záěží je na obr. -14, kde V znázorňje polovodičový spínací prvek (yrisorový, ranzisorový spínač). ig 1 α řídící implzy do hradla riak průběhy napěí ω ω + - V a) schema zapojení, b) průběh napěí na záěži. obr.-14 Plsní měnič s odporovo záěží Je-li spínač V sepn, proéká obvodem prod a na záěži bde napěí = * =. Je-li spínač rozepn, obvodem neeče prod a na záěži je nlové napěí. = Při periodickém spínání se na záěži objeví plsy o amplě a o délce z (doba zapní spínače). Napěťové plsy na výsp jso od sebe odděleny inervaly bez napěí o délce v. Průběh se opakje s periodo T = z + v = 1/f sp, kerá je nepřímo úměrná kmioč spínání plzního měniče f sp. z deální sřední hodnoa napěí na záěži je dána vzahem : di = = z, T kde z je poměrná doba sepní, kerá se pohybje od nly až do jedné. Z ohoo důvod můžeme napěí na záěži řídi v inerval od nly až do, edy na hodno nižší než je napájecí napěí. Prakické požií. Na mobilních prosředcích (aomobily, přepravní vozíky, lodě ad) a v elekrické rakci (ramvaje, rolejbsy, vlaky) jako akční členy k řízení rychlosi (oáček sejnosměrných moorů)..5 Měniče kmioč (M) Vspní veličino je sřídavé napájecí napěí s kmiočem 5 Hz. Výspní veličino je sřídavé napěí s přibližně sinsovým průběhem a s proměnlivým kmiočem f = var. s možnosí dosažení i proměnlivé hodnoy výspního napěí v rozmezí S. Podle způsoby přeměny veličin dělímé M na : - Přímé (zv.cyklokonverory), keré pomocí aniparalelního zapojení řízených směrňovačů sřídavě (dle požadovaného výspního kmioč) připojjí jednolivé měniče, čímž se na výsposáhne sřídavého napěí. - Nepřímé, keré obsahjí směrňovač a sřídač. V směrňovačochází k přeměně (1) směrňovač ~ Sřídač Obr. -15 Srkra nepřímého M ~ z T v sřídavých veličin na sejnosměrné, pro obosměrný ok energie je nno zvlášní provedení řízeného směrňovače možňjící rekperaco napájecí síě. V řízeném sřídačochází k řízené přeměněně sejnosměrné energie na sřídavo s možnosmi řízení výspních veličin. Sřídač možní obosměrný přenos energie. Prakické požií. Jako akční členy k řízení rychlosi (oáček moorů) a pro napájení dalších zařízení požadjící jiný kmioče (zpravla) vyšší než 5 Hz (např. pro indkční ohřev apod). d 17 18