ZÁKLADY POLOVODIČOVÉ TECHNIKY

Transkript

1 ZÁKLDY POLOVODIČOVÉ TECHNIKY Obsah 1. Úvod 2. Polovodičové prvky 2.1. Polovodičové diody 2.2. Tyristory 2.3. Triaky 2.4. Tranzistory Určeno pro bakalářské stdijní programy na FBI 3. Polovodičové měniče 3.1. Usměrňovače 3.2. Střídače 3.3. Střídavé měniče napětí 3.4. Plzní měniče 3.5 Měniče kmitočt 11/ 27 Doc. Ing Václav Vrána, CSc. Ing. Václav Kolář, PhD.

2 1. Úvod Polovodičová technika pronikla do všech oblastí elektrotechniky.následně bdo vedeny základní vlastnosti vybraných polovodičových sočástek a jejich vyžití zejména v silnoprodé elektrotechnice. Kromě takzvaných diskrétních polovodičových sočástek, (tedy diody, tranzistory, tyristory, triaky) existjí dále 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. Z důvod omezeného prostor IO v tomto text nebdo obsaženy. 2. Polovodičové prvky 2.1 Polovodičové diody Polovodičové diody vyžívají vlastností polovodičového přechod P N tj., vedení prodpoze v jednom směr. Podle oblasti požití je lze rozdělit do několika základních skpin: a) Usměrňovací diody b) Zenerovy diody c) Světelné diody a fotodiody d) ostatní (Schottkyho diody, Varikapy, Tnelové diody) a) Usměrňovací diody tvoří nejpočetnější skpiniod. Její schématická značka je vedena na obr Dioda má dvě elektrody, anod () a katod (K). Vede prod jen jedním směrem a 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 závěrný směr v závěrném směr a prod diodo neteče. Hydralicko analogiiody je zpětný ventil, (obr.2-2). s kželko k, která je přitlačována pržino P. Působí-li tlak ve směr šipky, kželka dosedne 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 propstném směr nlový odpor a v závěrném směr nlovo vodivost. Vlastnostiody popisje její voltampérová charakteristika, obr.2-3. Je to závislost velikosti prodiodo na velikosti napětí mezi anodo a katodo. I p k propstný směr schematická značka Obr.2-2 Hydralická analogie diody a schématická značka K I [] K (+) ) (-) Propstná větev U Obr ideální U B Závěrná větev 2 K (-) (+) ) Obr sktečné Voltampérová charakteristika diody Při zvyšování napětí v propstném směr roste prod diodo nejdříve pozvolna až do hodnoty prahového napětí U p. U V závěrném směr je prod velmi malý až do vysokých hodnot závěrného U P U [V]

3 U z K (-) (+) Základy polovodičové techniky pro BC napětí napětí U B. Při hodnotě U B, nazývané průrazné (breaking), dochází k průraziody, velikost prod se začne prdce zvyšovat. Tto hodnot by napětí v závěrném směr nemělo překročit, protože tím dochází ke zničení diody. b) Zenerova dioda Vhodno technologií výroby přechod P N lze dosáhnot v závěrné oblasti strmého zlom (nedestrktivního průraz). Závěrný prod se po překročení napětí U z (tzv. Zenerova) rychle, lineárně, zvyšje (obr.2-5). Velikost U z 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 i napětí c) Kapacitní dioda VIKP Je to plošná dioda které je kapacita P N přechod závislá na přiloženém napětí. Varikapy se požívají v radiotechnice. - f) Fotodiody a svítivé diody Diody vyžívající fotoelektrického a lminiscenčního jev na přechod P N se požívají I z max v optoelektronice. Fotodiody fngjí jako snímače K (+) reagjící na světlo, svítivé (lminiscenční diody či P max LED) se často požívají jako signálky, či jako sočást svítících displejů. (-) -i 2.2 Tyristory Obr V charakteristika Zenerovy diody 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. 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 jeho voltampérová charakteristika V-, obr Charakteristik je možno rozdělit na tři části: závěrno, blokovací a propstno. I I [] propstná část K (+) (-) G(+) I G I G U U [V] U B závěrná část I L I H I G >> blokovací část U [V] I G = K (-) (+) G(+) I G I [m ] a) ideálního b) sktečného Obr. 2-6 V- charakteristika tyristor 3

4 Vlastnosti tyristor v oblasti závěrné části jso shodné se závěrno oblastí diody. Tyristorem protéká jen malý prod až do průrazné hodnoty závěrného napětí U B. Průběh prod mezi anodo a katodo v blokovací části charakteristiky je závislý na velikosti prod řídicí elektrody I G. Je-li I G =, je tyristor prakticky zavřený. Při překročení rčitého napětí mezi a K by došlo k nežádocím samovolném sepntí tyristor - vyznačeno na obr. 2-6 čárkovaně, pracovní bod přejde skokem na propstno část charakteristiky. 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 I G na činnost tyristor již žádný vliv. Tyristor se zavírá jen v případě, když prod mezi a K poklesne pod hodnot blízko nle. z a) b) c) p k Obr. 2-7 Hydralická analogie tyristor: a)závěrný směr, b)propstný směr, c)schematická značka G i g K I Fnkci tyristor lze objasnit na jeho hydralické analogii zobrazené na obr. 2-7a,b.. Zpětný ventil je doplněn blokovací západko Z. Pokd je západka vysnta chová se ventil jako zpětný, tzn. v jednom směr propoští a v drhém je zavřen. Pokd se západka zasne nad kželk ventil, a to je možné jen při zavřeném ventil, pak bde ventil zavřen bez ohled na směr působení tlak. Tyristory se vyžívají pro bezkontaktní spínání elektrického prod (zapínání spotřebičů apod.), k reglaci příkon elektrického prod (řízení osvětlení, bezeztrátová reglace výkon topení, svítidel, elektrických motorů tramvají, trolejbsů, lokomotiv apod.). Jejich výhodo je velká rychlost spínání. Tyristory se vyžívají pro bezkontaktní spínání elektrického prod (bezkontaktní zapalování, zapínání spotřebičů apod.), k reglaci příkon elektrického prod (řízení osvětlení, bezeztrátová reglace výkon topení, svítidel, elektrických motorů tramvají, trolejbsů, lokomotiv apod.). Jejich výhodo je velká rychlost spínání a velká prodová i napěťová zatížitelnost. 2.3 Triak Je to pětivrstvý spínací prvek schopný vést elektrický prod oběma směry. Jeho vlastnosti popisje voltampérová charakteristika zobrazená na obr Triak má vlastnosti přibližně odpovídající vlastnostem dvo antiparalerně zapojených tyristorů, obr. 2-9b kterých jso řídicí elektrody vhodně propojeny v jedino. V prvním i třetím kvadrant je vlastně blokovací a propstná část charakteristiky tyristor. U I[] I ST 2 (+) G(+) 1 (-) I G U 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. 2 (-) 1 (+) G(+) I G I[] Obr. 2-8 Zjednodšená V charakteristika triak a) b) c) I z I G Obr.2-9 nalogie triak: a)hydralická, b)pomocí dvo tyristorů, c)schematická značka 4

5 2.4 Tranzistory Tranzistor je plně řízený polovodičový prvek 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. 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. Podle princip fnkce dělíme tranzistor na bipolární a nipolární (řízené elektrickým polem). C B PNP - P N P TNZISTO E C EMITO (E) EMITO (E) BÁZE (B) BÁZE (B) KOLEKTO (C) KOLEKTO (C) B NPN - N P N TNZISTO E Obr. 2-1 Tranzistor PNP a NPN B C I B > I C U CE I B < I C I B E U CE Charakteristika tranzistor Bipolární tranzistor Bipolární tranzistor (dále jen tranzistor) byl objeven v roce 1947 jako výsledek úsilí nahradit vakové elektronky polovodičovým zesilovacím prvkem. a) Základní zapojení tranzistor Je-li tranzistor 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. V technické praxi se nejčastěji vyskytje zapojení se společným emitorem (obr.2-11). Vstpní signál se něj přivádí mezi bázi a emitor, výstpní signál se odebírá v obvod kolektor-emitor. Malý vstpní prod (prod báze I g ) vyvolá velký výstpní prod kolektor I C, malá změna vstpního prod vy- volá 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 U vst Malý prod I B g Vstp B Malý vstpní odpor vst C E Velký prod I C Velký výstpní odpor výst Výstp Obr Zapojení tranzistor se společným emitorem h 21E = I C /I B = 1 až 1 Častěji je definován pro malé změny prodů jako ic jejich podíl: h 21E = ib Drhým nejpožívanějším zapojením je zapojení se společným kolektorem, tzv. emitorový sledovač. Toto zapojení je typické svým vysokým vstpním odporem, přibližně jednotkovým napěťovým zesíle- 5

6 ním 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. c) Základní parametry tranzistor Pro provoz tranzistorů jsoůležité jeho jmenovité a maximálně přípstné hodnoty napětí a prodů jednotlivých elektrod. d) Konstrkce tranzistor Vlastní systém tranzistor vyráběný především planární technologií se misťje do vhodného kovového nebo plastického pozdra. U 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. Unipolární tranzistor U těchto tranzistorů prod tvořen poze nosiči jednoho typ. Podle princip činnosti jso nazývány FET tranzistory řízené (elektrickým) polem. 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 P 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 = ) 6

7 3. Polovodičové měniče Základy polovodičové techniky pro BC Měnič elektrické energie mění energii rčitých parametrů ( nn napájecí sítě je to např. 3 x 4 V, 5 Hz) na takové parametry, aby výstpní parametry splňovaly požadavky kladené připojeno zátěží. Polovodičový měnič je statické zařízení, které vyžívá ke své činnosti spínacích vlastností polovodičových prvků. V měniči se přeměna energie na jiné parametry výstpního napětí, prod, kmitočt apod. děje s minimálními ztrátami a tím s poměrně vysoko účinností. Základní drhy polovodičových měničů jso: Drh měniče Vstpní veličina Výstpní veličina ( řízených var.) - směrňovače Střídavá (C) s U 1, f 1 Stejnosměrná (DC) s U 2 (plzjící) - střídače Stejnosměrná (DC) s U 1 Střídavá (C) s f 2, U 2 - fázově řízené měniče střídavého napětí (softstartéry) Střídavá (C) s U 1, f 1 Střídavá (C) U 2, f 1 - plsní měniče, Stejnosměrná (DC) Stejnosměrná (DC) (plzní) - měniče kmitočt Střídavá (C) s U 1, f 1 Střídavá (C) s f 2, U Usměrňovače Jedná se o drh výkonového polovodičového měniče požívaného k přeměně střídavého prod na stejnosměrný (C/DC). Tento drh provozní jednotky elektronické výkonové přeměny sestává 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 U i Parametry a varianty zapojení těchto bloků ovlivňjí provozní vlastnosti směrňovačů. Napájecí zdroj m, U, I P Blok směrňovače jednokvadrantový U d, I d Zátěž (,L.C,U 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): - jednofázové (m=1), třifázové, (m=3), m-fázové Podle charakter výstpních (stejnosměrných) veličin: neřízené, osazené neřiditelnými polovodičovými spínacími sočástkami - diodami; 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, ) 7

8 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 Uzlové (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) Usměrněné napětí Jeho okamžitá hodnota se vyznačje střídavo složko nasperponovano na jeho střední hodnot U d. Při 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 popř. víceplzního zapojení. Střední hodnota směrněného napětí naprázdno U d je závislá na zapojení směrňovače a Usměrněný prod Jeho okamžitá hodnota je dána průběhem směrněného napětí a drhem zátěže (, L, C popř. protinapětí U i. napájení motor). Usměrněný 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 jednocestný(zlový) směrňovač VPS, V v obvodové schéma zapojení V v V U náhradní schéma zapojení 18 π a) obvodové a náhradní schéma zapojení b) časové průběhy veličin obr Jednoplzní směrňovač s odporovo zátěží. U d 36 2π 54 3π ω.t 72 4π 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 napětím = U m sin( ω t ) = 2 U sin( ω t ). Dioda je v propstném stav sepnta - napětí zdroje a jem úměrný prod se objeví na zátěži. Při pokles prod na nl se dioda dostane do závěrného stav, tedy vypíná. Plné napětí zdroje se objevje na diodě, ktero polarizje v závěrném směr. Střední hodnot stejnosměrného (směrněného) napětí naprázdno (při ozn.ω.t = θ) 8

9 π Základy polovodičové techniky pro BC 1 2 U d = U av = ( ) ( ) = =,45 U U m sin θ d θ U 2 π π Vstpní prod (jenž je v tomto případě zátěže úměrný i výstpnímc napětí) jednoplsního neřízeného směrňovače má neharmonický (plzjící) průběh viz. obr.. Odporová zátěž s kondenzátorem na výstpní straně K vyhlazení plzjícího průběh napětí se často požívá kondenzátor C, který je zapojen na výstpní straně směrňovače tj. paralelně k odporové zátěži (obr. 3-3). V i v i v i c 1 U C i=i V =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, (v okamžik ozn. bodem 1) a na zátěži se objeví napětí zdroje. Za vrcholem kladné půlvlny dochází k pokles napětí zdroje a od okamžik kdy < se kondenzátor začne vybíjet do odpor s průběhem podle exponenciály. Sočasně s poklesem napětí klesá i celkový prod tekocí odporem. Od okamžik, kdy prod diodo klesl k nlové hodnotě (ventil vypnl) dodává kondenzátor celý prod do odpor i = i. Obvod C je oddělen od napájecího zdroje. C Při opětovném splnění podmínky > a ventil opět sepne. Z obr. 3-3 je zřejmé vyhlazení průběh směrněného napětí.. Prod odebíraný z napájecího ac zdroje i V je neharmonický (má tvar strmého implz) a neodpovídá napětí zdroje (jedná se o nelineární zátěž neplatí zde Ohmův zákon). Z matematického rozklad tohoto průběh na harmonické průběhy obdržíme velké množství harmonických složek, které negativně ovlivňjí kvalit napájecího napětí (způsobjí jeho zkreslení). Třífázový trojplzní jednocestný (zlový) směrňovač. Usměrňovač je napájen z trojfázové čtyřvodičové sostavy (s vyvedeným zlem). Napájecí fázová napětí 1, 2, 3 tvoří trojfázovo soměrno sostav s vzájemným fázovým posnem 2π/3. Pro jednodchost je následně proveden rozbor vlasností pro odporovo zátěž. Kladné hodnoty napětí vytvářejí v příslšné větvi prod v přímém směr polovodičové sočástky. V sepntém (vodivém) stav je vždy ta dioda, která je připojena k fázovém napětí s největší okamžito hodnoto. [ms] 9

10 V1 i v1 U d 1 V2 i v2 2 3 V3 i v3 2 3 i 1 i 2 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 tři plsy. Střední hodnota směrněného napětí U d 5π 6 3 = 2 π π 6 2 U sin π ( θ ) d( θ ) = U = 1,17 U, Příklady provedení neřízených směrňovačů v můstkovém zapojení Usměrňovač v můstkovém zapojení je v podstatě sériové spojení dvo zlových směrňovačů. Prakticky se nejčastěji požívají jen jednofázová a trojfázová provedení těchto 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 U d = π U sin ( θ) d( θ ) = π π Jednofázový dvoplzní směrňovač U =,9 U 1 i 3 U i 1 i 1 V3 V1 V3,4 2 V1,2 V4 V2 U d V3 π 2 π ω. t a ) Obvodové schéma b ) Náhradní schéma c ) Průběhy veličin Obr. 3-5 Jednofázové můstkové zapojení 1

11 Trojfázový šestiplzní směrňovač U 1,2,3 Základy polovodičové techniky pro BC V4 V1 V4,5,6 3 V1,2,3 V5 V V6 V3 id π 2π d 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 / U d = 2 US sin ( θ ) d( θ ) = US = 1,35 US 2 π π / 3 π = 2,34 U f, kde U S je efektivní hodnota sdrženého napětí napájecí sítě (U S = U 12 = U 23 = U 13 ) U f je efektivní hodnota fázového napětí napájecí sítě (U f = U 1 = U 2 = U 3 ) Prod odebíraný směrňovačem z napájecí sítě má neharmonický průběh, obsahje množství harmonických složek, které negativně ovlivňjí kvalit napájecího napětí. Sktečný tvar prod je závislý na drh a parametrech zátěže (L, C, U i ). Vlastnosti směrňovače v závislosti na prod jsoány tzv. zatěžovací charakteristiko U d =f(i d ), která je objasněna v následjící kapitole - viz. obr. 3-8 pro úhel řízení α= Fázově řízené směrňovače Při náhradě diod v směrňovačích fázově řízenými tyristory, dostáváme řízený směrňovač, Tyristory sepno 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. U odporové zátěži je prod přímo úměrný odpor, což znamená že při nlovém napětí je rovněž nlový prod. Příklad jednofázového řízeného směrňovače v můstkovém zapojení 11

12 a, Schéma zapojení b, Časové průběhy veličin Obr.3-7 Jednofázový řízený směrňovač v můstkovém zapojení Při sepnté dvojici tyristorů ozn. 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 i proti napájecím napětí, které ž změnilo svoji polarit. Na zátěži se objeví záporné napětí a to až do okamžik ω t = π + αř, kdy bď prod klesne k nle, nebo sepne dvojice tyristorů ozn. T 2.a na zátěži se objeví napětí v kladném směr. Změno úhl řízení α se tedy mění velikost střední hodnoty směrněného napětí U str =U dα, Udα Ud cos αř i Id U, v kde i představje tzv. vnitřní odpor směrňovače způsobjící úbytek napětí, jehož velikost je závislá na parametrech napájecí sítě (X L ) a zapojení směrňovače, U v. úbytek na ventil, závislý na jeho drh (křemík cca,7 V), Závislost střední hodnoty směrněného napětí U str na úhl řízení α a zatížení (I d ) je na obr.3-8. OObr.3-8 Závislost výstpního napětí na úhl řízení a zatížení (zatěžovací charakteristika). Obr.3-9 Časové průběhy v invertorovém režim řízeného směrňovače (L Z >>) Ze vztah pro U dα vyplývá, že při úhl.α ř = je výstpní napětí maximální a je stejné jako neřízeného směrňovače. Při úhl α ř = π/2 je výstpní napětí nlové, protože cosπ/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 (nahromaděná v indkčnosti) se invertje na střídavo a dodává se do napájecího zdroje. Tím je možné v případě napájení ss motor tento elektricky brzdit. Při tom se mechanická energie přemění v motor na energii elektricko (generátorický brzdný režim) a tato se rekperje zpět do střídavé napájecí sítě 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 sále popíšeme. Jednofázový můstkový střídač s obdélníkovým napětím Princip lze vysvětlit na jednofázovém můstkovém střídači, jehož schéma je na obrázk 3-1 (čárkovaně jso zde zobrazeny zpětné - nlové diody, které se platní poze v případě obsahje-li 12

13 zátěž indkčnost (bez diod by 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, + U 1 - T 1 T 2 U 2 zátěž (spotřebič) řídící obvod Základy polovodičové techniky pro BC 2 T 1, T 4 T 3, T 2 Obr. 3-1 Schéma jednofázového můstkového střídače a průběh výstpního napětí 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.) Při chod střídače nesmějí sepnot zároveň tranzistory T 1 a T 2, nebo T 3 a T 4, to by byl zkrat. 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 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 T 3 T 4 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 T 1, T 4 t U S12 U ss T 2 T 4 T 6 t - zátěž (spotřebič) zapojená např. do trojúhelníka U S12 U S23 U S23 t, i U S31 U S31 Obr Zjednodšené schéma trojfázového střídače můstkového střídače a průběh sdržených výstpních napětí i (prod je vyhlazený, pokd zátěž obsahje indkčnost) Obr Princip pzně šířkové modlace t Plsně šířková modlace střídačů v můstkovém zapojení V případě, že nechceme mít na výstp střídače obdélníkový průběh, ale průběh více podobný 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 13 t

14 setrvačnost vůči prod a ten je potom vyhlazený.) S tímto způsobem spínání pracje většina dnešních střídačů. Praktické požití střídačů: Na mobilních prostředcích (atomobily, přepravní vozíky, lodě atd) a v elektrické trakci (tramvaje, trolejbsy, vlaky) jako akční členy k řízení rychlosti (otáček střídavých motorů), popř. jako komponent měniče kmitočt (viz dále) 3.3. Střídavé měniče napětí Tyto měniče mění efektivní hodnot střídavého napětí, přičemž kmitočet zůstává zachován. 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 U1 řídící obvod U2 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 řídícím úhlem α.. Změno α od do 18 lze měnit efektivní hodnot výstpního napětí U 2 od až do hodnoty U 1. (Čím větší α, tím menší U 2.) Pro velikost efektivní hodnoty napětí U 2 při odporové zátěži platí vztah. α sin(2α ) U = U 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. Trojfázové provedení se často požívá k řízeném rozběh asynchronních motorů tzv. softstartéry. 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 dc napětí plzní řízení odpor (rezistor). Plzní měnič ke snižování dc 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.] 14

15 Principiální zapojení plzního spínače s čistě odporovo zátěží je na obr. 3-14, kde V znázorňje polovodičový spínací prvek (tyristorový, tranzistorový spínač). + V U U U 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 a na zátěži bde napětí = *. Je-li spínač rozepnt, obvodem neteče prod a na zátěži je nlové napětí. = Při periodickém spínání se na zátěži objeví plsy o amplitdě U 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 sp, která je nepřímo úměrná kmitočt spínání plzního měniče f sp. t z Ideální střední hodnota napětí na zátěži je dána vztahem : U di = U = z U, 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 U, 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), v záložních zdrojích nepřeršovaného napájení v tzv. UPS. 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 U S. Podle způsoby přeměny veličin a provedení dělímé MK na : - Přímé, které lze dále dělit na : - - cyklokonvertory, které pomocí antiparalelního zapojení řízených směrňovačů střídavě (dle požadovaného výstpního kmitočt) připojjí jednotlivé měniče, čímž se na výstposáhne střídavého napětí požadovaného kmitočt (max. cca 35 Hz); - - maticové měniče, které na základě většího počt polovodičových spínačů a vhodného algoritmosáhno potřebných hodnot výstpních veličin. - Nepřímé, které obsahjí směrňovač a střídač. V směrňovačochází k přeměně střídavých veličin na stejnosměrné. Ve střídačochází k řízené přeměněně stejnosměrné energie na střídavo s možnostmi řízení výstpních veličin. Střídač možní obosměrný přenos energie. C 3 (1) Usměrňovač ~ DC Střídač ~ 3 C Praktické požití. Jako akční členy k řízení rychlosti (otáček motorů) a pro napájení dalších zařízení požadjící jiný kmitočet (zpravidla) vyšší Obr Strktra nepřímého MK 15

16 než 5 Hz (např. pro indkční ohřev apod). Základy polovodičové techniky pro BC 16