Katedra obecné elektrotechniky Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB - TU Ostrava

Transkript

1 Katedra obecné elektrotechniky Faklta elektrotechniky a informatiky, VŠB - T Ostrava 7. ZÁKLDY POLOVODIČOVÉ TECHNIKY Obsah 1. Úvod 2. Polovodičové prvky 2.1. Polovodičové diody 2.2. Tyristory 2.3. Triaky 2.4. Tranzistory 3. Polovodičové měniče 3.1. směrňovače 3.2. Střídače 3.3. Střídavé měniče napětí 3.4. Plzní měniče 3.5 Měniče kmitočt Dben 27 Ing. Tomáš Mlčák, Ph.D. Doc. Ing. Václav Vrána, CSc. Ing. Václav Kolář, Ph.D. 1

2 1. Úvod Polovodičová technika se začala intenzivně rozvíjet jako samostatný obor od rok Pronikla do všech oblastí elektrotechniky a polovodičové prvky, díky svým přednostem (nižší spotřeba energie, vyšší spolehlivost, životnost, odolnost, menší rozměry) nahradily dříve požívané elektronky (jediným dosd běžně přežívajícím drhem elektronek jso obrazovky). V následjícím text bde veden princip polovodičového jev, konstrkce základních polovodičových sočástek a jejich vyžití zejména v silnoprodé elektrotechnice. Kromě takzvaných diskrétních polovodičových sočástek, které zde probereme (tedy diody, tranzistory, tyristory, triaky) jso od sedmdesátých let 2. století stále významnější takzvané integrované obvody (IO). IO je sočástka, která má v sobě místěn celý obvod sestávající někdy z několika desítek, ale někdy také několika milionů sočástek (tranzistorů, diod a rezistorů), mající velikost několika centimetrů. Požití IO přineslo další miniatrizaci, zlevnění a zvýšení spolehlivosti elektronických zařízení. Z důvod omezeného prostor tyto IO v tomto text nebdo obsaženy. 2. Polovodičové prvky Fnkce a vlastnosti polovodičových prvků jsoány vlastnostmi látek zvaných polovodiče. ozdíl mezi vodičem, polovodičem a izolantem spočívá v pevnosti vazby valenčních elektronů na jádra atomů. vodičů je tato vazba velmi slabá a po připojení elektrického napětí se volné elektrony pohybjí ve směr elektrického pole - elektrický odpor vodičů je malý. polovodičů a izolantů je vazba valenčních elektronů s jádry natolik silná, že za normálních podmínek se tyto elektrony nevolní a proto po přiložení elektrického napětí nateče prod. Sitace se změní dodává-li se elektronům energie prostřednictvím tepla nebo jiného záření. Zvyšje-li se, např. teplota polovodiče nebo izolant, odtrhno se některé valenční elektrony od jádra atom a zvýší tím vodivost materiál. ozdíl mezi polovodičem a izolantem se dává poměrem jejich vodivostí za pokojové teploty. Elektrická vodivost izolantů je asi 1 15 krát menší než vodivost polovodičů. Typickými polovodivými materiály je germanim a křemík. tom těchto prvků má čtyři valenční elektrony, takže každý atom je se sosedním spojen čtyřmi vazbami. Pokd se zvýší jeho teplota vznikne pár volný elektron a díra. Díro je nazvána mezera ve strktře po volněném elektron. Tato dvojice se pak může vlivem vnějšího elektrického pole pohybovat a vzniká vodivost zvaná vlastní vodivost polovodičů. Tato vodivost je silně závislá na teplotě materiál. Drhým typem vodivosti je vodivost nevlastní příměsová. Vznikne tím, že do čistého čtyřmocného křemík je valenční elektron přimícháno rčité (díra) množství pěti- nebo a) b) c) třímocného prvk Obr Typy vodivosti v polovodiči: a) vlastní, b) příměsová N, c)příměsová P (s, In). každého atom pětimocného prvk zůstane jeden přebytečný volný elektron a vzniklá vodivost je vodivost typ N (negativní). Naopak trojmocné příměsi bde jeden valenční elektron chybět, vznikne díra a tím vodivost typ P (pozitivní). Takto vzniklý volný elektron i díra jso snadno pohyblivé a výrazně zvyšjí vodivost materiál. (obr.2-1) s přebytečný valenční elektron In chybějící valenční elektron 2

3 Spojí-li se dva polovodiče různých typů tak, že jejich krystalové mřížky těsně na sebe navazjí, vzniká na styk obo polovodičů tzv. přechod P N. Pokd je vnější přiložené napětí orientováno tak, že na části N je záporná pól zdroje, je přechod polarizován v propstném směr (obr.2-2c). Při opačné orientaci vnějšího napětí je přechod polarizován v závěrném směr. V závěrném směr teče přechodem jen velmi malý prod, nazývaný zbytkový, způsobený především ne dostatečně čisto výrobo. 2.1 Polovodičové diody Polovodičové diody jso prvky, které vyžívají vlastností polovodičového přechod P N. Jejich nejzákladnější vlastnost je, že vedo prod poze v jednom směr. Podle oblasti požití je můžeme rozdělit do několika základních skpin: závěrný směr a) směrňovací diody b) Zenerovy diody c) Tnelové diody d) Schottkyho diody e) Varikapy f) Světelné diody a fotodiody a) směrňovací diody tvoří nejpočetnější skpiniod vyžívající směrňovacích Obr.2-2 Hydralická analogie diody a schématická značka účinků P N přechodů k směrňování střídavých prodů. Schématická značka diody je na obr Dioda má dvě elektrody, anod () a katod (K). Vede prod jen jedním směrem a I p k propstný směr schematická značka K I [] K (+ (-) Propstná větev B Závěrná větev K (-) (+) P [V] a) ideální b) sktečné Obr. 2-3 Voltampérová charakteristika diody to od anody ke katodě. Pokd je anoda kladnější než katoda je dioda zapojena v propstném směr a diodo teče prod.. V opačném případě, kdy katoda je kladnější anody, je dioda orientována v záměrném směr a prod diodo neteče. Hydralicko analogii diody je zpětný ventil, obr.2-2. Jedná se o ventil, jehož kželka k je přitl ačována pržino p. Působí-li tlak ve směr ipky, kželka dosedá do sedla a kapalina neprodí. V opačném případě bde kželka nadzvedávána proti síle pržiny ze sedla a kapalina bde ventilem prodit. Ideální dioda má v propstním směr nlový odpor a v závěrném směr nlovo vodivost. Vlastnosti diody popisje její voltampérová charakteristika, obr.2-3. Je to závislost velikosti prodiodo na velikosti napětí mezi anodo a katodo. V charakteristika popisje základní statické vlastnosti diody. Její tvar lze získat měřením pomocí zapojení na obr

4 I V Obr. 2-4 Zapojení pro měření V charakteristiky diody Při zvyšování napětí v propstném směr roste prod diodo pozvolna až do hodnoty prahového napětí p. germania je jeho hodnota asi,4 V, křemík asi,6 V. Při dalším zvyšování prod diodo poroste daleko rychleji. V závěrném směr je prod velmi malý až do vysokých hodnot závěrného napětí napětí B. Při hodnotě B, nazývané průrazné (breaking), se velikost prod začne prdce zvyšovat. Tto hodnot by napětí v závěrném směr nemělo překročit, protože dochází k průraziody a tím k jejím zničení. Hodnota průrazného napětí je jedním z omezjících faktorů a dává, jak velká napětí může dioda směrňovat. Drhým omezjícím faktorem je velikost prod v propstném směr. Při průchod prodiodo vznikají tepelné ztráty. Teplo je ntno odvádět. Schopnost odvod tepla je závislá na konstrkci diody a jejím vnějším chlazení. Podle provedení jsoiody hrotové a plošné. hrotových diod je P N přechod vytvořen na stykestičky polovodiče s hrotem wolframového drátk. Požívají se pro směrňování malých prodů až do vysokých kmitočtů. plošných diod je přechod vytvořen na daleko větší ploše, například difzí par příměsí prvků do základní polovodičové destičky. Plošné diody se vyžívají pro směrňování větších prodů. Jejich požití je omezeno na nižší kmitočty. K ochraně před vlivy okolí je vlastní přechod zapozdřen do skleněných, kovových nebo plastových pozder. Pozdra výkonových diod jso konstrována tak, aby je bylo možno pevnit na vnější chladič. V sočasné době je do jednoho pozdra misťováno několik diod vzájemně propojených tak, aby vytvářely integrované celky, např. směrňovač. směrňovací diody se vyrábějí pro prody až do velikosti k a napětí do kv v závěrném směr. b) Zenerovy diody Vhodno technologií výroby přechod P N (bohatstvím příměsí a konstrkcí) lze charakteristi- i ky křemíkové plošné diody dosáhnot v závěrné oblasti strmého zlom (nedestrktivního průraz). Závěrný prod se po překročení napětí z (tzv. Zenerova) rychle, lineárně, zvyšje (obr.2-5). z Velikost Zenerova napětí je závislá na měrném - odpor výchozího polovodičového materiál a může se pohybovat od 2 do 12 V. Zenerova dioda se požívá v obvodech stabilizátorů a omezovačů napětí. Při provoz se nesmí překročit ma- I z max ximální prod I zmax, který je pro daný typ rčen maximální výkonovo ztráto P max. Vyrábějí se P max diody pro P max od,1 do 1 W. Důležitým parametrem diod je diferenciální odpor d = / i, -i který rčje účinnost stabilizace. Obr V charakteristika Zenerovy diody c) Kapacitní dioda VIKP Varikap je plošná dioda které je kapacita P N přechod závislá na přiloženém napětí. Varikapů se požívá jako ladicích prvků pro atomatické dolaďování obvodů rozhlasových a televizních přijímačů. možňjí zvýšení spolehlivosti elektronických obvodů a jejich výrazno miniatrizaci. 4

5 f) Fotodiody a svítivé diody Diody vyžívající fotoelektrického a lminiscenčního jev na přechod P N se požívají v optoelektronice. Fotodiody jso fngjí jako snímače reagjící na světlo, svítivé (lminiscenční diody či LED) se často požívají jako signálky, či jako sočást svítících displejů. 2.2 Tyristory Tyristor je čtyřvrstvý polovodičový prvek, který mimo hlavních elektrod (katody a anody) má ještě další, řídicí, elektrod (G). Z hlediska fnkce je tyristor řízená směrňovací dioda a může pracovat jako spínač. [V] B závěrná část K (-) (+) G(+) I G I [] I L I H I G >> I [m Obr. 2-6 Zjednodšená V charakteristika tyristor ] propstná část K I G = (+ (-) G(+) I G blokovací část [V] Tyristor lze sepnot prodovým implzem do G a vypne se přeršením prod mezi anodo a katodo (běžný tyristor se nedokáže vypnot sám, vypne se až po přeršení prod.(např i z vnějších příčin). Vlastnosti tyristor popisje voltampérová charakteristika, obr Charakteristik je možno rozdělit na tři části: závěrno, blokovací a propstno. Vlastnosti tyristor v oblasti závěrné části jso víceméně shodné se závěrno oblastí diody. Tyristorem protéká jen malý prod až do průrazné hodnoty závěrného napětí B. Průběh prod mezi anodo a katodo v blokovací části charakteristiky je závislý na velikosti prod řídicí elektrodo I G. Je-li I G =, dochází se zvyšováním napětí na tyristor k pomalém nárůst prod mezi anodo a katodo (< m), prakticky je tyristor zavřený. Při překročení rčitého napětí mezi anodo a katodo (řádově stovky-tisíce V) by došlo k nežádocím samovolném sepntí tyristor - vyznačeno na obr. 2-6 čárkovaně, pracovní bod přejde skokem propstno část charakteristiky. K tom nesmí v praxi dojít. Propstná část charakteristiky tyristor je shodná s průběhem charakteristiky směrňovací diody. Tyristor je sepnt dostatečně velkým prodem I G (řádově stovky m). Od okamžik sepntí nemá prod řídicí elektrodo na činnost tyristor již žádný vliv. Tyristor se zavírá jen v případě, když prod mezi anodo a katodo poklesne pod hodnot vratného prod I H, jehož hodnota se v praxi pokládá za velmi blízko nle. Fnkci tyristor lze objasnit na jeho hydralické analogii zobrazené na obr. 2-7a,b. Podobně jako iody jde o zpětný ventil, který je a) b) c) doplněn blokovací západko Z. Pokd je západka vysnta chová se ventil jako zpětný, tzn. v jednom směr propoští a p G K z v drhém je zavřen. Pokd se západka k i g zasne nad kželk ventil, a to je možné jen při zavřeném ventil, pak bde ventil I zavřen bez ohled na směr působení tlak. Tyristory se vyžívají pro bezkontaktní spínání elektrického prod (bezkontaktní za- Obr. 2-7 Hydralická analogie tyristor: a)závěrný směr, b)propstný směr, c)schematická značka palování, zapínání spotřebičů apod.), k reglaci příkon elektrického prod (řízení osvětlení, bezeztrátová reglace výkon topení, 5

6 svítidel, elektrických motorů tramvají, trolejbsů, lokomotiv apod.). Jejich výhodo je velká rychlost spínání a velká prodová i napěťová zatížitelnost. Vyrábějí se pro obdobný rozsah napětí a prodů jako diody. 2.3 Triaky Podstatno nevýhodo tyristor je jeho schopnost vést prod poze jedním směrem. Proto byl vyvint další polovodičový prvek, triak. Je to pětivrstvý bistabilní spínací prvek schopný vést 2 (-) 1 (+) G(+) I G I[] I ST I[] 1 (-) 2 (+) Obr. 2-8 Zjednodšená V charakteristika triak G(+) I G elektrický prod oběma směry. Triak má vlastnosti přibližně odpovídající vlastnostem dvo antiparalerně zapojených tyristorů, obr. 2-9b kterých jso řídicí elektrody vhodně spojeny. Jeho vlastnosti popisje voltampérová charakteristika zobrazená na obr V prvním i třetím kvadrant je vlastně blokovací a propstná část charakteristiky tyristor. Vnější fnkci triak lze rozdělit na čtyři části: - triak sepne, pokd je mezi hlavními elektrodami dostatečně velké napětí a do řídící elektrody se přivede prodový impls o velikosti schopné k jeho sepntí, - triak vede, pokd prod mezi hlavními elektrodami neklesne pod hodnot vratného prod (v okolí nly), - triak se zavře, klesne-li prod pod hodnot vratného prod (nezáleží na velikosti prod I G ), - triak je zavřen (rozepnt), pokd jim neteče prod a prod I G má hodnot menší než spínací (nezáleží na hodnotě napětí mezi hlavními elektrodami). Fnkci triakokreslje jeho hydralická analogie na obr.2-9a. Je to antiparalerní (protisměrné) spojení dvo řízených zpětných ventilů, jejichž blokovací západky jso spojeny páko tak, aby byly ovládány sočasně. Oblasti požití triaků jso v podstatě shodné s tyristory. Jejich aplikace je v řadě případů jednodšší. a) b) c) I z I G Obr.2-9 nalogie triak: a)hydralická, b)pomocí dvo tyristorů, c)schematická značka 6

7 2.4 Tranzistory C EMITO (E) BÁZE (B) KOLEKTO (C) B PNP - P N P TNZISTO E C EMITO (E) BÁZE (B) KOLEKTO (C) B NPN - N P N TNZISTO E Tranzistor je prvek, který může pracovat jako zesilovač nebo spínač. Na rozdíl od tyristor, který zůstane sepntý i po zánik prod na řídící elektrodě (hradl) je tranzistor sepntý poze po dob kdy teče do řídící (báze) elektrody prod. Podle princip fnkce dělíme tranzistor na bipolární a nipolární (řízené elektrickým polem). Bipolární tranzistor Obr. 2-1 Tranzistor PNP a NPN Bipolární tranzistor (dále jen tranzistor) byl objeven v roce 1947 jako výsledek úsilí nahradit vakové elektronky polovodičovým zesilovacím prvkem. a) Popis strktry a fnkce Strktra tranzistor se skládá se tří oblastí typ P a N, jež jso za sebo řazeny bď ve sled P N P, tj. tranzistor typ PNP, nebo N P N, tj. tranzistor typ NPN (obr.2-1). Vývody z jednotlivých oblastí se označjí jako emitor E, báze B, kolektor C. Emitor vysílá (emitje, vystřikje) pohyblivé nosiče nábojů do prostor báze, odkd je přejímá (sbírá) kolektor. Tranzistor vyžívá dvo přechodů PN, jeden je mezi emitorem a bází, drhý mezi kolektorem a bází. Tranzistor si lze představit složený ze dvoiod, emitorové a kolektorové, jež jso zapojeny proti sobě. Přiloží-li se mezi kolektor a emitor napětí, neprochází prod, protože při obo možných polaritách vnějšího napětí je vždy jedna z diod polarizována závěrně. Fnkci tranzistor nelze vysvětlovat pomocí zapojení dvoiod, protože všechny tři oblasti vzájemně spolpracjí především díky malé šířce střední oblasti, báze, na ktero se také přikládá vnější napětí. Je-li napětí vnějšího zdroje připojeno na tranzistor typ PNP tak, že kladný pól je spojen s emitorem, záporný s kolektorem a část tohoto potenciálního rozdíl je přivedena na bázi, je báze oproti kolektor kladná a oproti emitor záporná. Pro typ NPN jso polarity opačné. Pokd by působilo poze napětí vedené polarity mezi emitorem a bází, procházel by emitorovým přechodem velký prod, protože by se pohyboval značný počet děr z emitoro báze, popř. velký počet elektronů z báze do emitor. Kolektor je však připojen na záporné napětí. Nosiče kladných nábojů (díry) přecházejí vlivem malého napětí mezi emitorem a bází přes první přechod do prostor báze, odtd jso však působením značného napětí mezi kolektorem a bází hnány přes drhý přechod a pravo oblast typ P ke kolektorovém vývod. Prod, vycházející z emitor, se tedy dělí do dvo složek: první složka směřje k bázi, drhá ke kolektor. Snaho výroby je taková konstrkce tranzistor, aby co možná největší část emitorového prod přecházela do kolektor a jen minimální zbytek do báze. moderních tranzistorů činí prod báze jen několik setin či tisícin prod emitor. Emitorový prod I E je tedy vždy větší než kterýkoli v obo zbývajících prodů, je roven sočt prod báze I B a kolektor I C. b) Základní zapojení tranzistor Tranzistor má tři vývody: emitor, bázi, kolektor. Je-li zapojen jako zesilovač, msí mít dvě svorky na vstpní a dvě na výstpní straně. Každý ze tří vývodů tranzistorů může být vstpem i výstpem zesilovače, a proto existjí tři základní zapojení tranzistor, nazývaná zapojení se společným emitorem (obr.2-11), se společno bází, se společným kolektorem. Chování tranzistor značně závisí na tom, které z vedených zapojení je požito. 7

8 V technické praxi se nejčastěji vyskytje zapojení tranzistor se společným emitorem (obr.2-11). Vstpní signál se něj přivádí mezi bázi a emitor, výstpní signál se odebírá v obvod vst Malý prod I B g Vstp B kolektor-emitor. Protože dioda báze emitor je polarizována v propstném směr, vstpní odpor tranzistor vst je malý. Ve výstpním obvod je v sérii se zatěžovacím odporem zapojena dioda báze kolektor, polarizovaná závěrně, takže výstpní odpor vyst je velký. Tranzistor je polovodičový prvek, který složí především k zesilování elektrických signálů. Pracje tak, že malý vstpní prod (prod báze I g ) vyvolá velký výstpní prod kolektor I C, malá změna vstpního prod vyvolá velko změn výstpního prod. Protože prod báze bývá moderních tranzistorů 1 až 1 krát menší než prod emitor, je stejnosměrný prodový zesilovací činitel takových tranzistorů h 21E = I C /I B = 1 až 1 c) Základní parametry tranzistor Prodový zesilovací činitel h 21 ( α E, β ) dává, jak bylo vedeno, zesilovací schopnost tranzistor. Častěj je definován pro malé změny prodů jako jejich podíl: h 21E = C E Malý vstpní odpor vst i i Velký prod I C Velký výstpní odpor výst C B Přípstné výkonové zatížení tranzistor je omezeno maximální kolektorovo ztráto, P Cmax = CE.I C Výstp Obr Zapojení tranzistor se společným emitorem která je důležitým údajem pro provoz tranzistorů, stejně jako maximální přípstné hodnoty napětí a prodů jednotlivých elektrod. Přípstná kolektorová ztráta je rčena konstrkcí a pohybje se v mezích stovek mw malovýkonových až stovek W výkonových tranzistorů. Drhým nejpožívanějším zapojením je zapojení se společným kolektorem, tzv. emitorový sledovač. Toto zapojení je typické svým vysokým vstpním odporem, přibližně jednotkovým napěťovým zesílením a velkým zesílením prodovým. Požívá se především do vstpních dílů zařízení kterých vyžadjeme vysoký vstpní odpor. Zapojení se společno bází se vyžívá ve výjimečných případech, kdy vyžadje zvláště malý vstpní odpor a dobrý frekvenční přenos. d) Konstrkce tranzistor Vlastní systém tranzistor vyráběný především planární technologií se misťje do vhodného kovového nebo plastického pozdra. výkonových tranzistorů se systém pevňje pro snadný odvod tepla na silnější základovoesk. Ta tvoří sočasně vývod kolektor a je konstrována většino pro chycení na větší kovovo ploch chladič. Obr 2-12 ůzné tranzistory na malé a střední výkony (z leva,6 2,6 a 35 W) nipolární tranzistor Na rozdíl od předchozích tranzistorů (bipolárních) je těchto tranzistorů prod tvořen poze nosiči jednoho typ. Podle princip činnosti jso nazývány FET tranzistory řízené (elektrickým) polem. 8

9 Tranzistory řízené polem se požívají v obvodech, které vyžadjí vysoký vstpní odpor zesilovacího prvk, ve spínačích, zdrojích implsů, jako napěťově řízené rezistory a pro celo řad aplikací elektroniky. Tablka srovnání spínacích vlastností jednotlivých polovodičových prvků Polovodičová Stav spínacího prvk Podmínka stav spínače sočástka K Napětí na diodě je: ZP: v propstném směr K VYP ZP VYP: v nepropstném (závěrném) směr 1. Napětí na tyristor je:: ZP: v propstném směr G VYP: v nepropstném (závěrném) směr 2. ZP: I G > I Gmin ; nebo I > VYP ZP VYP: I G = ; I G ZP: I G > I Gmin ; nebo I > VYP ZP VYP: I G = ; I B I B C E VYP ZP ZP: 1. Správná polarita přiváděných napětí dle typ (PNP, NPN) 2. : I B I Bmin (I B >) VYP: I B < I Bmin (I B = ) 9

10 3. Polovodičové měniče Měnič elektrické energie mění energii rčitých parametrů ( nn napájecí sítě je to např. 3x4 V, 5 Hz) na takové parametry, aby výstpní parametry splňovaly požadavky kladené připojeno zátěží. Polovodičový měnič je statické zařízení, které vyžívá ke své činnosti odporů, indkčností, kapacit a spínacích vlastností polovodičových prvků. Měnič je elektrický obvod s nelineárními sočástkami, proto msí při jeho řešení docházet k rčitým zjednodšením. V měniči se přeměna energie na jiné parametry výstpního napětí, prod, kmitočet apod. děje s minimálními ztrátami a tím s poměrně vysoko účinností. Základní drhy polovodičových měničů jso: Drh měniče Vstpní veličina Výstpní veličina (tvar veličiny) ( řízených variabilní) - směrňovače Střídavá (C) s 1, f 1 Stejnosměrná (DC) s 2 (plzjící) - střídače Stejnosměrná (DC) s 1 Střídavá (C) s 2, f 2, - fázově řízené měniče střídavého napětí (softstartéry) Střídavá (C) s 1, f 1 Střídavá (C) s 2, f 1 - plsní měniče, Stejnosměrná (DC) Stejnosměrná (DC) (plzní) - měniče kmitočt Střídavá (C) s 1, f 1 Střídavá (C) s f 2, směrňovače Jedná se o drh výkonového polovodičového měniče požívaného k přeměně střídavého prod na stejnosměrný (C/DC). Tento o drh provozní jednotky elektronické výkonové přeměny sestávající z následjících bloků: Napájecí zdroj (m-fázová střídavá napájecí síť- popř. transformátor) Vlastní blok směrňovače obsahjící výkonové polovodičové sočástky (VPS) Zátěž sestávající z kombinace zapojení prvků obvod,l,c popř i s protinapětím i Parametry a varianty zapojení těchto bloků ovlivňjí provozní vlastnosti směrňovačů. Napájecí zdroj m,, I P Blok směrňovače Jednokvadrantový d, I d Zátěž (,L.C, i ) Vstpní, ac strana směrňovače Obr. 3-1 Sestava polovodičového směrňovače P dvokvadrantový Výstpní, dc strana směrňovače ozdělení směrňovačů je možno provést na základě různých kritérií (hledisek) Podle drh napájecího zdroje (počt fází m): - jednofázové (m=1), třifázové, (m=3), m-fázové Podle charakter výstpních (stejnosměrných) veličin: neřízené, osazené neřiditelnými polovodičovými spínacími sočástkami - diodami; 1

11 řízené, osazené řiditelnými polovodičovými sočástkami (tyristory, tranzistory), které podle způsob provoz (směr tok energie-výkon) dále dělíme na: - jednokvadrantové (energie je přenášena poze ze zdroje do zátěže) ; - dvokvadrantové (energie je přenášena ze zdroje do zátěže a naopak) Podle počt plzů (počet komtací z jedné větve na jino během jedné periody): jednoplzní, dvoplzní, trojplzní, šestiplzní, dvanácti a víceplzní (q =1, 2, ) Podle zapojení měniče (spořádání jeho výkonového obvod) z hlediska tvar prod na vstpní straně(svorkách) blok směrňovače Jednocestné (prod na vstpních svorkách je jednosměrný) Dvocestné (prod na vstpních svorkách je obosměrný) Podle zapojení zdroje a jednotlivých VPS zlové (všechny VPS a napěťové zdroje jso jedním shodným pólem spojeny do zl Můstkové (vnější svorky stejné polarity jso společné a výstpní, středy skpiny jso vstpní) směrněné napětí Průběh okamžité hodnoty směrněného napětí se vyznačje střídavo složko nasperponovano na jeho střední hodnot d. Při vlastním směrnění střídavé vstpní veličiny vybírá směrňovač jen rčito část jeho křivky tak, aby výstpní napětí přiváděné na zátěž bylo stejnosměrné. Z hlediska zvlnění výstpního dc napětí vychází příznivě směrnění vícefázového vstpního napětí, kdy jso z jednotlivých fází vybírány ze sinsového průběh jen části a to v oblasti maxima. Střední hodnot směrněného napětí naprázdno do je závislá na zapojení směrňovače směrněný prod Okamžitá hodnota směrněného prod je označována i d. Průběh i d je dán průběhem směrněného napětí a zátěží. Obecná zátěž může obsahovat, L, C popř. protinapětí i. směrněný prod bde zvlněný a pokd v průběh periody vstpního napětí nedosáhne nlové hodnoty nazývá se jako nepřeršovaný (spojitý) Příklady provedení neřízených směrňovačů v jednocestném (zlovém) zapojení Jednofázový jednoplsní jednocestý(zlový) směrňovač VPS, V V i d v v V obvodové schéma náhradní schéma 18 π d 36 2π 54 3π ω.t 72 4π a) obvodové a náhradní schéma zapojení b) časové průběhy veličin obr Jednoplzní směrňovač s odporovo zátěží. 11

12 Jako VPS je zde požito diody ozn. V (ventil), která je propstná (vodivá, sepntá) v přímém směr a blokjící (nevodivá, vypntá) ve zpětném směr. Obvod je napájen z jednofázového střídavého zdroje (sít nebo transformátor) s harmonickým napětím = m sin ( ω t). Provozní vlastnosti směrňovače jso závislé na parametrech zátěže. Dioda v propstném stav je sepnta, takže napětí zdroje se objeví na zátěži. Stejný průběh má také prod protékající diodo v přímém směr. Při pokles prod na nl se dioda dostane do závěrného stav, tedy vypíná. Napětí zdroje se objevje na diodě, ktero polarizje v závěrném směr. Střední hodnot stejnosměrného (směrněného) napětí naprázdno (při ozn.ω.t = θ) π 1 2 d = av = m sin ( ) d( ) = =, θ θ 45 2 π π Obvodem bde protékat plzjící přeršovaný stejnosměrný prod i d jehož střední hodnota d 1 m 1 Id = Iav = = = Im =, 318 Im π π Vstpní prod (jenž je v tomto případě zátěže úměrný i výstpnímc napětí) jednoplsního neřízeného směrňovače má neharmonický průběh., Činná zátěž s kondenzátorem na výstpní straně K vyhlazení plzjícího průběh směrněného napětí se požívá kondenzátor C, který je zapojen na výstpní straně směrňovače tj. paralelně k odporové zátěži (obr. 3). V i v i v i c 1 C i=i V i d =i a) Náhradní schéma zapojení b) Časové průběhy veličin Obr Jednoplsní směrňovač s C zátěží. Ventilem V začne téci prod i v, je-li > (dioda je polarizována v propstném směr, tedy v okamžik ozn bodem 1 a na zátěži se objeví napětí zdroje. Za vrcholem kladné půlvlny napětí zdroje je < a kondenzátor se začne vybíjet do odpor s průběhem podle exponenciály. Sočasně s poklesem napětí klesá i celkový prod tekocí odporem. V okamžik, kdy kondenzátor dodává celý prod do odpor i = i, prod ventilem i V klesl k nle a ventil vypnl. Obvod C je oddělen od napájecího zdroje. ozdílem okamžitých hodnot napětí na kondenzátor a napětí zdroje je polovodičová dioda polarizována ve zpětném (závěrném) směr. Při opětovném nárůst napětí zdroje do kladných hodnot dojde k splnění podmínky > a ventil opět sepne. C [ms] 12

13 Z obr. 3 je zřejmé vyhlazení průběh směrněného napětí.. Prod odebíraný z napájecí sítě je značně neharmonický (má tvar strmého implz), obsahje velké množství harmonických složek, které negativně ovlivňjí kvalit napájecího napětí. Třífázový trojplzní jednocestný (zlový) směrňovač. Trojplsní zlový směrňovač je v praxi napájen z trojfázového transformátor, jehož sekndární (výstpní) vintí je vždy zapojeno do hvězdy (se středním vývodem-zlem). Potom napájecí napětí směrňovače tvoří trojfázovo soměrno sostav s vzájemným fázovým posnem 2π/3. Obecně rčje napětí n-té fáze m-fázového napájecího zdroje výraz 2π n = m sin ω t ( n 1) m Kladné hodnoty napětí vytvářejí v příslšné větvi prod v přímém směr polovodičové sočástky. Pro jednodchost je následně proveden rozbor pro odporovo zátěž. V sepntém (vodivém) stav je vždy ta dioda, která je připojena k fázovém napětí s největší okamžito hodnoto. V1 i v1 1 v V2 i v2 2 v V3 i v v i d i d π 2π a) schéma zapojení b) průběhy veličin Obr. 3-4 Trojplzní směrňovač Průběh směrněného napětí je obalovo křivko kladných půlvln fázových napětí 1, 2, 3. V průběh jedné periody napájecího napětí vytváří tří plsy. Střední hodnota směrněného napětí a prod d 5π = sin π 2 π 17 π 6 ( θ ) d( θ ) = = 1,, I 117, d m d = = =, I max Příklady provedení neřízených směrňovačů v můstkovém zapojení směrňovač v můstkovém zapojení je v podstatě sériové spojení dvo zlových směrňovačů. Na vstpní svorky dvo zlových směrňovačů zapojených s opačno polarito ventilů, je přiváděno společné napájecí napětí. Prakticky se požívají jen jednofázová a trojfázová provedení směrňovačů. Prod v obvod směrňovače bde procházet vždy tovojicí ventilů, na kterých je kladné napětí. Každá dvojice ventilů povede za dob jedné periody prod v interval 18 o Střední hodnota směrněného napětí naprázdno π d = 2 sin ( θ ) d( θ ) = =, 9 π π 13

14 Jednofázový dvoplzní směrňovač i 1 i 1 V3 V1 V3,4 2 V1,2 V4 V2 d V3 i d i d i d π 2 π ω. t a ) Obvodové schéma b ) Náhradní schéma c ) Průběhy veličin Obr. 3-5 Šestiplzní zlové zapojení Trojfázový šestiplzní směrňovač 1,2, V4 V1 V4,5,6 3 V1,2,3 V5 V i d V6 V3 i d id π 2π a ) Obvodové schéma b ) Náhradní schéma c ) Průběhy veličin Obr. 3-6 Šestiplzní zlové zapojení Každý ventil povede za dob jedné periody prod v interval 12 o a dvojice v interval 6 o. Střední hodnota směrněného napětí naprázdno 2π / d = 2 S sin ( θ ) d( θ ) = S 2 π π π / 3 = 135, S = 234, f, kde S je efektivní hodnota sdrženého napětí napájecí sítě ( S = 12 = 23 = 13 ) f je efektivní hodnota fázového napětí napájecí sítě ( f = 1 = 2 = 3 ) Prod odebíraný z napájecí sítě je neharmonický, obsahje množství harmonických složek, které negativně ovlivňjí kvalit napájecího napětí. Sktečný tvar prod je závislý na parametrech zátěže. 14

15 3.1.3 Fázově řízené směrňovače Pokd jso v směrňovačích nahrazeny diody řízenými tyristory, dostáváme řízený směrňovač, Tyristory se stano vodivými až tehdy, když dostano 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 charakter zátěže. odporové zátěži je prod přímo úměrný odpor, což znamená že při nlovém napětí je rovněž nlový prod. Příklad jednofázové řízeného směrňovače v můstkovém zapojení a, Schéma zapojení b, Časové průběhy veličin Obr.3-7 Jednofázový řízený směrňovač v můstkovém zapojení Při sepnté dvojici tyristorů T 1, teče prod obvodem stejně jako v případě diodového směrňovače. Po přechod napájecího napětí do záporné půlperiody ještě nedostává dvojice tyristorů T 2, zapínací implzy. Vlivem indkčnosti zátěže L Z protéká směrněný prod i S nadále původním směrem a to proti napájecím napětí, které ž změnilo svoji polarit. Na zátěži se objeví záporné napětí a to až do okamžik. ω t = π + αř. Teprve v tomto okamžik dostano tyristory T 2, zapínací implz a na zátěži se objeví napětí v kladném směr. Změno úhl řízení α se mění velikost střední hodnoty směrněného napětí str= dα, stanovená integrací: dα = d cosαř Závislost střední hodnoty směrněného napětí str na úhl řízení. je na obr.12. Obr.3-8 Závislost výstpního napětí směrňovače na úhl řízení. Obr.3-9 Časové průběhy v invertorovém řízeného režim 15

16 Ze vztah pro dα vyplývá, že při úhl.α ř = je výstpní napětí maximální a je stejné jako neřízeného směrňovače. Při úhl. α ř =./2 je výstpní napětí nlové, protože cos.π/2 =. Pro úhly řízení. α ř > π./2 je cos α ř. <, výstpní napětí je záporné a směrňovač pracje v tzv. invertorovém režim obr.3-9. Výkon směrňovače je záporný, směrněný prod teče stále původním směrem), takže stejnosměrná energie zátěže se invertje na střídavo a dodává se do napájecího zdroje. Tím je možné v případě napájení ss motor tento elektricky brzdit, při čemž se elektrická energie rekperje do střídavé napájecí sítě. nlový účinek můstk Střídače Střídače jso polovodičové měniče, které mění stejnosměrné napětí na střídavé. Z hlediska tvar výstpního napětí moho být střídače s - harmonickým výstpním napětím - obdélníkovým výstpním napětím (častější případ), Základem každého střídače jso řízené polovodičové spínače, může to být bďto tranzistor pro výkony do řád stovek kw, nebo tyristor pro výkony větší. Velko výhodo tranzistorů je, že se dokážo samy vypnot (tyristor potřebje vypínací obvod) a že mohoosahovat velkých spínacích frekvencí, (desítky khz). Proto jso v poslední době stále rozšířenější střídače s tranzistory, nejrozšířenější je tzv. střídač v můstkovém zapojení, který si dále popíšeme. Střídač s obdélníkovým výstpním napětím (v můstkovém zapojení) Požívá se ve zdrojích střídavého napětí pro napájení běžných spotřebičů v mobilních zařízeních (ata, vlaky), dále pro řízení otáček asynchronních případně synchronních motorů, často je sočástí tzv. + nepřímých měničů frekvence (na vstp měniče frekvence je směrňovač, který střídavé 1 napětí směrní, pak následje střídač, který ho opět rozstřídá, s jino - frekvencí.) Jako spínací prvky se v tomto typ střídače většino požívají tranzistory. Tento střídač může být jednofázový i trojfázový. T 1 T 2 2 zátěž (spotřebič) řídící obvod T 3 T 4 2 T 1, T 4 T 3, T 2 Obr. 3-1 Schéma jednofázového můstkového střídače a průběh výstpního napětí Jednofázový můstkový střídač s obdélníkovým napětím Princip lze vysvětlit na jednofázovém můstkovém střídači, jehož schéma je na obrázk 3-1, kde jso čárkovaně zobrazeny zpětné (nlové) diody, které se platní poze v případě obsahje-li zátěž indkčnost (v tom případě by bez diod došlo při vypntí tranzistor k jeho zničení vysokým indkovaným napětím). V graf výstpního napětí je na počátk nlové napětí, to není sepnt žádný tranzistor. Pak sepno tranzistory T 1 a T 4, na zátěž se dostane kladné napájecí napětí. Po rčitém čase oba tranzistory vypno, na zátěži je opět nlové napětí. Pak sepno tranzistory T 3 a T 2, na zátěž se připojí záporné napětí (tranzistory připojí zátěž jakoby obráceně než v prvním případě). Po rčitém čase opět vypno a celý cykls se opakje. Délkooby sepntí tranzistorů a prodlevy mezi sepntími je možné řídit efektivní hodnot výstpního napětí. (Čím menší prodleva, tím vyšší efektivní hodnota napětí.) T 1, T 4 t 16

17 Při chod střídače nesmějí sepnot zároveň tranzistory T 1 a T 2, nebo T 3 a T 4, to by byl zkrat. Plsně šířková modlace střídačů v můstkovém zapojení V případě, že nechceme mít na výstp střídače obdélníkový průběh, ale průběh více podobný, i i (prod je vyhlazený, pokd zátěž obsahje indkčnost) Obr Princip pzně šířkové modlace t sinsovce, můžeme požít jiný způsob spínání tranzistorů, takzvano Plsně šířkovo modlaci. Průběhy napětí a prod v tomto případě jso na obr Napětí je sice stále obdélníkové, k tom značně rozsekané, ale prod bde v případě odporově indktivní zátěže (např. motor) téměř sinsový. (Indkčnost zátěže fngje jako setrvačnost vůči prod a ten je potom vyhlazený.) S tímto způsobem spínání pracje většina dnešních střídačů. Trojfázový můstkový střídač s obdélníkovým napětím Střídače tohoto typ se ale nejčastěji konstrjí jako trojfázové. Zjednodšené schéma a průběh výstpního napětí trojfázového střídače v můstkovém zapojení je na obrázk 3-x. V obrázk je nad grafy výstpních napětí napsáno v kterém okamžik je který tranzistor sepntý (takzvaný spínací diagram). Můžeme si představit že spínáním jednotlivých tranzistorů jso výstpní svorky střídače připojovány bďto na kladné, nebo záporné napětí. ozdíl mezi napětím dvo sosedních výstpních svorek pak vytváří sdržené napětí. V praxi jso tyto trojfázové střídače většino vyráběny s plsně šířkovo modlací. Pro vysvětlení princip ale stačí zobrazit průběhy bez této modlace jak jso na obrázk T 1 T 3 T 5 sepnté tranzistory T 1,T 4,T 6 T 1,T 4,T 5 T 2,T 4,T 5 T 2,T 3,T 5 T 2,T 3,T 6 T 1,T 3,T 6 S12 ss T 2 T 4 T 6 t - zátěž (spotřebič) zapojená např. do trojúhelníka S12 S23 S23 t S31 Obr Zjednodšené schéma trojfázového střídače S31 t Praktické požití: Na mobilních prostředcích (atomobily, přepravní vozíky, lodě atd) a v elektrické trakci (tramvaje, trolejbsy, vlaky) jako akční členy k řízení rychlosti (otáček střídavých motorů). 17

18 3.3. Střídavé měniče napětí Tyto měniče mění efektivní hodnot střídavého napětí, přičemž frekvence zůstává zachována. Základní částí tohoto měniče je polovodičový spínací prvek, který spíná střídavý prod. Bývá to triak, případně dva antiparalelně zapojené tyristory. Schéma a časové průběhy napětí jso na obrázk schéma střídavého měníče napětí 1 průběhy napětí 2 1 řídící obvod 2 místo triak moho být zapojeny dva antiparalelně spojené tyristory α ω t ig řídící implzy do hradla triak Obr Střídavý měnič napětí a průběhy vstpního a výstpního napětí Triak sepne v okamžik, kdy řídící obvod pstí řídící prodový impls do jeho hradla. Kdyby to nastalo hned v okamžik kdy sinsovka začíná, dostalo by se na výstp měniče celé vstpní napětí. Pokd triak sepne později, dostane se na výstp měniče menší část sinsovky, a efektivní hodnota výstpního napětí je menší. Zpoždění sepntí triak vyjadřjeme takzvaným řídícím úhlem, který se obvykle značí α. Změno α od do 18 lze měnit efektivní hodnot 2 od až do hodnoty 1. (Čím větší α, tím menší 2.) Pro velikost efektivní hodnoty napětí 2 při odporové zátěži platí vztah. α sin(2α ) 2 = π 2π Tyto měniče se požívají k řízení výkon činných spotřebičů, jako žárovek (takzvané stmívače - velmi rozšířené požití) nebo některých tepelných spotřebičů a také k řízení otáček střídavých komtátorových motorků, například v rčních vrtačkách. Střídavé měniče se moho konstrovat jako jednofázové, i trojfázové. ω t 3.4 Plzní měniče (PM) vyžívají ke své fnkci periodicky spínaný polovodičový spínač a jso požívány pro tyto fnkce: snižování, zvyšování, snižování i zvyšování napětí plzní řízení odpor (rezistor). Plzní měnič ke snižování napětí Jeho vstpní veličino je stejnosměrné napětí, výstpní veličino je proměnlivá střední hodnota plzjícího stejnosměrného napětí. Způsoby řízení plzních měničů s konstantním kmitočtem spínání [z = f (t z ), T=konst.] dvohodnotové [I dmin < I d < I dmax ] s konstantním dobo zapntí [ z = f (T ), t z =konst.] Principiální zapojení plzního spínače s čistě odporovo zátěží je na obr. 3-14, kde V znázorňje polovodičový spínací prvek (tyristorový, tranzistorový spínač). 18

19 + V i d d - t z T t v t a) schema zapojení, b) průběh napětí na zátěži. obr.3-14 Plsní měnič s odporovo zátěží Je-li spínač V sepnt, protéká obvodem prod i d a na zátěži bde napětí = * i d =. Je-li spínač rozepnt, obvodem neteče prod a na zátěži je nlové napětí. = Při periodickém spínání se na zátěži objeví plsy o amplitdě a o délce t z (doba zapntí spínače). Napěťové plsy na výstp jso od sebe odděleny intervaly bez napětí o délce t v. Průběh se opakje s periodo T = t z + t v = 1/f,která je nepřímo úměrná kmitočt spínání plzního měniče f. Ideální střední hodnota napětí na zátěži je dána vztahem : t z di = = z, T kde z je poměrná doba sepntí, která se pohybje od nly až do jedné. Z tohoto důvod můžeme napětí na zátěži řídit v interval od nly až do, tedy na hodnot nižší než je napájecí napětí. Praktické požití. Na mobilních prostředcích (atomobily, přepravní vozíky, lodě atd) a v elektrické trakci (tramvaje, trolejbsy, vlaky) jako akční členy k řízení rychlosti (otáček stejnosměrných motorů). 3.5 Měniče kmitočt (MK) Vstpní veličino je střídavé napájecí napětí s kmitočtem 5 Hz. Výstpní veličino je střídavé napětí s přibližně sinsovým průběhem a s proměnlivým kmitočtem f = var. s možností dosažení i proměnlivé hodnoty výstpního napětí v rozmezí S. Podle způsoby přeměny veličin dělímé MK na : - Přímé (tzv.cyklokonvertory), které pomocí antiparalelního zapojení řízených směrňovačů střídavě (dle požadovaného výstpního kmitočt) připojjí jednotlivé měniče, čímž se na výstposáhne střídavého napětí. - Nepřímé, které obsahjí směrňovač a střídač. V směrňovači dochází k přeměně střídavých veličin na stejnosměrné. Ve střídači dochází k řízené přeměněně stejnosměrné energie na střídavo s možnostmi řízení výstpních veličin. Střídač možní obosměrný přenos energie. Praktické požití. Jako akční členy k řízení rychlosti (otáček motorů) a pro napájení dalších zařízení požadjící jiný kmitočet (zpravidla) vyšší než 5 Hz (např. pro indkční ohřev apod.) 3 (1) směrňovač ~ Střídač Obr Strktra nepřímého MK ~ 3 19