Polovodiče Polovodičové měniče

Transkript

1 Polovodiče Polovodičové měniče Ing. Tomáš Mlčák, Ph.D. Fakulta elektrotechniky a informatiky VŠB TUO Katedra elektrotechniky PEZ I

2 ELEKTRONIKA Podoblast elektrotechniky která využívá vedení elektrického proudu v polovodičích. (V minulosti též ve vakuu či plynech elektronky.) Polovodičové součástky umožnily revoluční miniaturizaci, zvýšení spolehlivosti a zlevnění elektronických přístrojů oproti elektronkám. Od 5tých let do současnosti, nejprve tranzistory a další diskrétní součástky, pak integrované obvody.

3 Polovodičové materiály křemík Si, germanium Ge a další (4mocné) vlastní vodivost a příměsová vodivost fosfor, arsen nebo antimon bór, hliník, gallium nebo indium 5 mocný donor např. As 3 mocný akceptor např. In čistý polovodič polovodič N polovodič P stále elektricky neutrální

4 PN přechod Chování PN přechodu polovodičové diody a) bez připojeného napájecího zdroje b) v závěrném směru c) v propustném směru Katoda elektrony do soustavy vždy přivádí. Anoda elektrony ze soustavy vždy odvádí.

5 Dioda Polovodičová součástka s jedním PN přechodem Usměrňovací dioda Zenerovy dioda Svítivá dioda (LED) Kapacitní dioda (varikap) a další

6 Křemíková usměrňovací dioda (plošná) Ztrátový výkon P f =U f *I f u větších výkonů nutno chladit Voltampérová charakteristika usměrňovací diody (vpravo propustný směr, vlevo závěrný směr)

7 Zenerova dioda pro stabilizaci napětí Ztrátový výkon P z =U z *I z Nesmí překročit max. dovolený ztrátový výkon P max Voltampérová charakteristika zenerovy diody (vpravo propustný směr, vlevo závěrný směr s patrným nedestruktivním průrazem při hodnotě Zenerova napětí U z )

8 Tranzistor součástka která může pracovat jako zesilovač nebo spínač bipolární - řízené proudem unipolární - řízené el. polem bez proudu (FET) třívrstvá součástka PNP NPN tranzistor s izolovaným hradlem MISFET, MOSFET tranzistor s hradlem odděleným PN přechodem JFET

9 Bipolární tranzistor

10 Bipolární tranzistor druhy zapojení h 21e I I C B i i C B se společným emitorem se společným kolektorem se společnou bází I E I B zátěž U 2 U nap. I C U BE zátěž U 2 I B U nap. I E zátěž U 2 U nap. U BE U BE Darlingtonovo zapojení

11 Charakteristiky bipolárního tranzistoru

12 Unipolární tranzistor

13 Spínací a zesilovací režim tranzistoru Tranzistory mohou pracovat ve: spínacím režimu buď plně zapnut, nebo plně rozepnut (otevřen / uzavřen) menší výkonové ztráty zesilovacím režimu částečně otevřen nebo uzavřen větší výkonové ztráty zesilovací režim spínací režim zátěž zátěž I C R B I B U CE U S Tranzistor jako spínač Průběhy v tranzistoru v zesilovacím a spínacím režimu

14 Tyristor čtyřvrstvá součástka PNPN nebo NPNP funguje jako spínač (se samodržením) nebo též řízená dioda Schematická značka tyristoru s označením elektrod, vedle analogie funkce tyristoru

15 Voltampérová charakteristika tyristoru

16 Triak pětivrstvá součástka podobně jako tyristor, ale obousměrný Schematická značka triaku s označením elektrod, vedle analogie funkce triaku

17 Integrované obvody Na jedné křemíkové destičce (čipu) je vytvořeno mnoho tranzistorů, diod a rezistorů, které tvoří určitý elektronický obvod. Menší, levnější a spolehlivější než obvody sestavené z jednotlivých diskrétních součástek Jednoduchý IO z konce 6. let -trojtranzistorový zesilovač (Tesla MAA125) Integrovaný obvod v patici Různé integrované obvody 1 - tranzistorové pouzdro 2 - DIL pouzdro 3 - SMD pouzdro 4 - pouzdro TO22

18 Planární technologie výroby polovodičových součástek Výroba NPN tranzistoru planární technologií

19 Polovodičové měniče Usměrňovače Elektrotechnika Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství

20 Rozdělení polovodičových usměrňovačů Podle charakteru výstupních veličin (dle použitých polovodičových ventilů) Neřízené (diodové) Řízené (tyristorové, tranzistorové)

21 Podle druhu napájecího zdroje (počtu fází): jednofázové (m=1), třifázové, (m=3) m-fázové ~ ~ ~ Jednofázové Třifázové

22 Podle zapojení měniče (uspořádání jeho výkonového obvodu) z hlediska tvaru proudu na vstupní straně (svorkách) bloku usměrňovače Jednocestné proud na vstupních svorkách je jednosměrný Dvoucestné proud na vstupních svorkách je obousměrný Podle zapojení zdroje a jednotlivých VPS Uzlové (všechny VPS a napěťové zdroje jsou jedním shodným pólem spojeny do uzlu Můstkové (vnější svorky stejné polarity jsou společné a výstupní, středy skupiny jsou vstupní)

23 Sestava polovodičového usměrňovače Napájecí zdroj m, U, I P Blok usměrňovače Jednokvadrantov ý U d, I d Zátěž (R,L.C,U i ) Vstupní, AC strana usměrňovače P 2 a 4 kvadrantový měnič Výstupní, DC strana usměrňovače m AC + DC - 1 kvadrantový měnič = jeden směr proudu a napětí Značka usměrňovače ve schématech (bloková) 2 kvadrantový měnič = jeden směr toku proudu, dvě polarity napětí nebo naopak méně obvyklé, umožňuje rekuperaci za určitých podmínek 4 kvadrantový měnič = libovolný (oba) směry toku proudů a polarity napětí, plně rekuperační měnič

24 Jednopulzní usměrňovač s odporovou zátěží. a) obvodové schéma zapojení b) náhradní schéma zapojení VPS, V V i d u v u v u u d U u R u d

25 Časové průběhy veličin jednopulzního usměrňovače s odporovou zátěží u u d u V U d t 72 4 U d U av 1 2 U sin U 2 m d cos Um 2 U,45 U m

26 Jednopulsní usměrňovač s RC zátěží. a) Náhradní schéma zapojení b) Časové průběhy veličin V i v i R [] u d U u u v C i c R u d - u 1 i=i V i d =i R [ms]

27 Jednopulsní neřízený usměrňovač s R, L zátěží. V L u v u L i d U u u d u R R

28 časové průběhy veličin L > L>> u u i d i d u L u d u d 2 3.t 4 2 3

29 Obvodové a náhradní schéma dvojpulsního uzlového usměrňovače Průběhy obvodových veličin dvojpulsního uzlového usměrňovače. V1 i v 1 u 1 u 1 u v 1 u 2 u 2 V2 u 1 u 2 R u v 2 u d V1 V 2 R i d i d u d i v1 i d i v2 2 u v 1.t U d I d U d U sin m d U, 9 U, 45 U2

30 Trojpulzní usměrňovač a) schéma zapojení b) průběhy veličin V1 i v1 u d u 1 u v 1 V2 i v2 u 2 u 3 R u d u v 2 V3 u v 3 i v3 i d u 2 u 3 i d u 1 2 U d U sin d U 1, U,

31 Šestipulzní uzlové zapojení a) Obvodové schéma b) Náhradní schéma U 1,2,3 u 1 3 Dz2 D Z U 4,5,6 u 2 u 3 R u 4 u d R u 5 u 6 i d

32 u 1 u 6 u d i d 2 c) Průběhy veličin / / d U S, U, U U d sin U U

33 Dvopulzní můstkové zapojení a) Obvodové schéma b) Náhradní schéma U u i 1 i 1 V3 V1 V3,4 2 V1,2 V4 V2 V3 R i d R i d u d u d

34 c) Průběhy veličin u 1 u 2 u d i d U d I d i v1 i v2 2.t u v 1 U d U sin d U, 9 U

35 Šestipulzní můstkové zapojení a) Obvodové schéma b) Náhradní schéma U 1,2,3 u 1 u 2 u 3 V4 V1 V4,5,6 3 V1,2,3 V5 V2 V6 V3 i d R i d R u d u d

36 c) Průběhy veličin / / U, U, U d sin U U f S S S d u 12 2 u 23 u 31 u d i d

37 Polovodičové řízené usměrňovače Podle použitých polovodičových součástek dělíme usměrňovače na: plně řízené, (všechny řízenými PVS jsou řízené, např. tyristory), polořízené, (řízené i neřízené PVS např. diody a tyristory). Podle možných pracovních stavů dělíme usměrňovače na: jednokvadrantové, dvoukvadrantové (s reverzací napětí) čtyřkvadrantové, (s s reverzací proudu i napětí) Změny výstupního napětí u řízených usměrňovačů lze docílit: fázovým řízením. (nejčastěji). pulzním řízením (vypínatelné VPS např. tranzistory).

38 Jednopulsní řízený usměrňovač s odporovou zátěží. a) schéma zapojení, i u v i d u u d R

39 b) průběh obvodových veličin pro, pro o o u u u d u v u v i d i d u G 2.t

40 pro nulový úhel řízení 2 U dav U, pro obecný úhel řízení U dav U sin t d t 2 U 1 cos U 2 dav 1 cos 2.

41 Dvojpulsní usměrňovač v uzlovém zapojení T1 1 i v1 u v 1 u 1 U 1 u 2 T2 2 i v2 R u d i d u v 2

42 u 1 u 2 u u d U d u v1 u v u v2 i d u G t

43 Polovodičové měniče Střídače Pulzní měniče Střídavé měniče napětí Elektrotechnika Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství

44 Pulzní měniče, střídače, spínané zdroje Základem je vypínací polovodičový prvek (IGBT tranzistor, MosFET, event. bipolární tranzistor) Prvky pracují ve spínacím režimu (2 stavy sepnuto / vypnuto) Velikost výstupního napětí se řídí změnou střídy tj. poměrem doby sepnutí k době vypnutí Výhoda = vysoká účinnost přeměny energie, rychlé, levné, univerzální, dobře řiditelné Nevýhoda = rychlé spínací jevy mohou být zdrojem nežádoucího rušení problémy s EMC, až na výjimky nízká odolnost vůči přepětí a zkratu

45 Střídavý měnič napětí (soft startér) Využití: Stmívače, regulace výkonu topení, rozběh AM (softstartér)

46 Pulzní měnič pro snižování napětí Využití: Spínané zdroje, regulace otáček SSM, brzdné jednotky k měničům (chopper)

47 Frekvenční měnič Měniče kmitočtu Využítí tam, kde je potřeba střídavého napětí o proměnné frekvenci nebo jiné než síťový kmitočet přímé (cyklokonvertory) konverze AC / AC velké výkony nepřímé (tranzistorové střídače) konverze DC / AC 4 V 5 Hz 4 V 2 Hz Struktura nepřímého měniče kmitočtu

48 Frekvenční měnič Schéma 3 fázového frekvenčního měniče se vstupním usměrňovačem Využití zejména jako zdroj třífázového střídavého napětí s proměným kmitočtem a velikostí pro napájení střídavých motorů Další využití laboratorní zdroje, audio zesilovače, atd.