ZÁKLADY POLOVODIČOVÉ TECHNIKY. Doc.Ing.Václav Vrána,CSc. 03/2008

Transkript

1 ZÁKLADY POLOVODIČOVÉ TECHNIKY Doc.Ing.Václav Vrána,CSc. 3/28

2 Obsah 1. Úvod 2. Polovodičové prvky 2.1. Polovodičové diody 2.2. Tyristory 2.3. Triaky 2.4. Tranzistory 3. Polovodičové měniče 3.1. Usměrňovače 3.2. Střídače 3.3. Střídavé měniče napětí 3.4. Pulzní měniče 3.5 Měniče kmitočtu

3 DIODA závěrný směr propustný směr schematická značka p k K A Obr.2-2 Hydraulická analogie diody a schématická značka

4 DIODA - VA CHARAKTERISTIKA Ideální Skutečná I I [A] A K (+) ) (-) Propustná větev U BR U Závěrná větev A K (-) (+) U P U [V]

5 Zenerova dioda VA charakteristika i K (-) A (+) -u U z u K (+) A (-) I z max P max -i Obr VA charakteristika Zenerovy diody

6 TYRISTOR z a) b) c) p k G i g K A I Obr. 2-7 Hydraulická analogie tyristoru: a)závěrný směr, b)propustný směr, c)schematická značka

7 TYRISTOR VA charakteristika Ideální skutečná I [A] propustná část A (+) I K (-) G(+) I G I G U U [V] U BR závěrná část I L I H blokovací část U [V] I G >> I G = A K (-) (+) G(+) I G I [ma ]

8 TRIAK a) b) c) I A z I A G Obr.2-9 Analogie triaku: a)hydraulická, b)pomocí dvou tyristorů, c)schematická značka

9 TRIAK VA charakteristika I[A] A 2 (+) A 1 (-) G(+) I G I ST U U A 2 (-) A 1 (+) G(+) I G I[A] Obr. 2-8 Zjednodušená VA charakteristika triaku

10 Tranzistory C EMITOR (E) BÁZE (B) KOLEKTOR (C) B PNP - P N P TRANZISTOR E C EMITOR (E) BÁZE (B) KOLEKTOR (C) B NPN - N P N TRANZISTOR E Obr. 2-1 Tranzistor PNP a NPN

11 TRANZISTOR schématicka značka zjednodušená VA charakteristika I C C I B > B I B E I C U CE I B < U CE

12 Tranzistor zapojení se společným E Zesílení tranzistoru : h 21E = I C /I B = 1 až 1 U vst Malý proud I B R g Vstup B Malý vstupní odpor R vst C E Velký proud I C Velký výstupní odpor Rvýst Výstup Obr Zapojení tranzistoru se společným emitorem

13 Tabulka srovnání spínacích vlastností jednotlivých polovodičových prvků K Napětí na diodě je: ZAP: v propustném směru VYP: v nepropustném (závěrném) směru G A K A VYP ZAP 1. Napětí na tyristoru je: ZAP: v propustném směru VYP: v nepropustném (závěrném) směru 2. ZAP: I G > I Gmin ; nebo I A > VYP: I G = ; I A G ZAP: I G > I Gmin ; nebo I A > VYP: I G = ; I A B I B C E ZAP: 1. Správná polarita přiváděných napětí dle typu (PNP, NPN) 2. : I B I Bmin (I B >) VYP: I B < I Bmin (I B = )

14 Polovodičové měniče Druh měniče usměrňova ovače střída dače fázov zově řízen zené měni niče střídav davého napětí (softstart softstartéry ry) pulsní měni niče měni niče kmitočtu tu Vstupní veličina Střídavá (AC) s U 1, f 1 Stejnosměrná (DC) s U 1 Střídavá (AC) s U 1, f 1 Stejnosměrná (DC) Střídavá (AC) s U 1, f 1 Výstupní veličina (u řízených variabilní) Stejnosměrná (DC) s U 2 (pulzující) Střídavá (AC) s f 2, U 2 Střídavá (AC) s U 2, f 1 Stejnosměrná (DC) U 2 =U d (pulzní) Střídavá (AC) s f 2, U 2

15 USMĚRŇOVA OVAČE Rozdělen lení podle charakteru výstupních veličin in (dle použitých polovodičových ových ventilů Neřízený usměrňovač Řízený usměrňovač AC ~ = DC AC ~ = DC var Neřízené (diodové) Řízené (tyristorové, tranzistorové)

16 Rozdělen lení podle druhu napájec jecího zdroje (počtu fází): f jednofázov zové (m=1), třifázové, (m=3) m-fázové ~ ~ ~ Jednofázové Třifázové

17 Rozdělení 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) Rozdělení podle zapojení zdroje a jednotlivých VPS Uzlové (všechny VPS a napěťové zdroje jsou jedním shodným pólem spojeny do uzlu stkové (vnější svorky stejné polarity jsou společné a výstupní, středy skupiny jsou vstupní) Můstkov

18 Sestava polovodičov ového usměrňova ovače P Jednokvadrantov Napájecí zdroj m, U, I Blok usměrňovače U d, I d Zátěž (R,L.C,U i ) Vstupní, AC strana usměrňovače Výstupní, DC strana usměrňovače Značka usměrňovače ve schématech (bloková) m AC + DC -

19 Jednopulzní usměrňova ovač s odporovou zátěžz ěží. 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

20 Časové průběhy veličin in jednopulzního usměrňova ovače e s odporovou zátěžz ěží ; u U u d u V U d ; 18 π 36 2π 54 3π ω.t 72 4π U d π 2 = U av = U 2 π sin 2 π ( θ ) d ( θ ) = U =, 45 U

21 Jednopulsní usměrňova ovač s RC zátěžz ěží. a) Náhradní schéma zapojení b) Časové průběhy veličin V i v i R [] u d u v i c - 1 U u C R u d u i=i V i d =i R [ms]

22 Trojpulzní usměrňova ovač a) schéma zapojení b) průběhy veličin V1 i v1 u d u 1 u v V2 i v2 u 2 u v u 2 u 3 u 1 V3 i v3 i d u 3 u v i d R u d 3 π 2π U d 5π = 3 6 U sin π 2 π 17 π 6 ( θ ) d( θ ) = U = 1, U,

23 Můstkové zapojení jednofázového usměrňovače ( - dvoupulzního ) Obvodové schéma Náhradní schéma Průběhy veličin U u i 1 u U i 1 V3 V1 V3,4 2 V1,2 V4 V2 u d V3 U d i d R R i d i d u d u d π 2 π ω. t U d = π U sin ( θ ) d( θ ) = π π U =,9 U

24 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 u d U d = 2 / 3 6 π 2 π π / 3 2 U S sin ( θ) d( θ) = 3 2 π U S = 1,35 U = 2,34 S U f

25 c) Průběhy veličin ( ) ( ) = = = / /, sin π π π θ θ π S S S d U U d U U u 12 π 2π u 23 u 31 u d i d

26 Řízené polovodičové usměrňovače Podle použitých polovodičových ových součástek stek dělíme d usměrňova ovače e na: plně řízené, (všechny řízenými PVS jsou řízené, např. tyristory), polořízen zené, (řízené i neřízené PVS např. diody a tyristory). Změny výstupního napětí u řízených usměrňova ovačů lze docílit: fázovým řízením. (nejčastěji). pulzním řízením (vypínatelné VPS např. tranzistory).

27 Řízený usměrňova ovač jednopulzní s odporovou zátěžz ěží. schéma zapojení, průběh obvodových veličin u v i i d u u u d U d u u d R ;; ; u v u v i d i d u G α π 2π ω.t

28 pro nulový úhel řízení α = 2 U dav = U π ( ), pro obecný úhel řízení α = o až cca 15 o U dav = 1 2 π 2 U sin ω t d ω t 2 U 1+ cosα = U 2π ( α ) ( ) ( ) ( ) dav ( ) = π 1+ cosα 2.

29 Řízený usměrňova ovač dvojpulsní průběh obvodových veličin pro úhel α = 9 o u i 1 u 1 u 2 V3 V1 u u d U d u v1 u v u v2 V4 V2 i d i d R u G π 2π u d α 1 α 2 ω.t

30 Měniče střídavého napětí schéma Triak tyristory Použití: u 1 řídící obvod u 2 Regulátory výst. napětí Bezkontaktní spínače u u 1 průběhy napětí u 2 α ω t i G řídící impulzy ω t

31 Střídače DC ~ AC var = Schéma jednofázového střídače a průběh výstupního napětí + T 1 T 3 u 2 Sepnutý stav T 1, T 4 T 1, T 4 u 2 u 1 u 1 T 2 Zátěž - spotřebič T 4 - t řídící obvod T 3, T 2

32 Měniče Šířkově pulzní modulace - ŠPM u, i u i (proud je vyhlazený, pokud zátěž obsahuje indukčnost) t Obr Princip puzně šířkové modulace

33 Pulzní měniče DC = DC var Zjednodušené schéma a časové průběhy veličin + V i d, I d u U U di t i V R U di i V I d t t z t v - T Použití: - mobilní prostředky (vozíky napájené z akumulátorů - trakce (tramvaje, trolejbusy, vlaky)

34 Měniče kmitočtu Přímé cyklokonvertory Nepřímé 3 (1 Usměrňovač ~ Střídač ~ 3 Obr Struktura nepřímého MK

35 Příklad praktického použití měničů pro náhradní (záložní) zdroje Vstup napájecí sítě 3 (1 Usměrňovač ~ Střídač Akumulátory ~ 3 Přepínač Výstup (záložní napájecí sítˇ) Obr Struktura záložního zdroje - UPS