Polovodiče, polovodičové měniče Zpracoval: Václav Kolář, Václav Vrána, Jan Ddek ELEKTONIKA Podoblast elektrotechniky která vyžívá vedení elektrického prod v polovodičích. (V minlosti též ve vak či plynech elektronky.) Polovodičové sočástky možnily revolční miniatrizaci, zvýšení spolehlivosti a zlevnění elektronických přístrojů oproti elektronkám. Od 5tých let do sočasnosti, nejprve tranzistory a další diskrétní sočástky, pak integrované obvody. 1
Polovodičové materiály křemík Si, germanim Ge a další (4mocné) vlastní vodivost a příměsová vodivost 3 mocný akceptor např. In, 5 mocný donor např As čistý polovodič polovodič N polovodič P stále elektricky netrální Dioda Polovodičová sočástka s jedním PN přechodem Usměrňovací dioda Zenerovy dioda Svítivá dioda (LED) Kapacitní dioda (varikap) a další
Křemíková směrňovací dioda (plošná) Ztrátový výkon P f =U f *I f větších výkonů ntno chladit Voltampérová charakteristika směrňovací diody (vpravo propstný směr, vlevo závěrný směr) 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 propstný směr, vlevo závěrný směr s patrným nedestrktivním průrazem při hodnotě Zenerova napětí U z ) 3
Tranzistor sočástka která může pracovat jako zesilovač nebo spínač bipolární - řízené prodem nipolární - řízené el. polem bez prod (FET) třívrstvá sočástka PNP NPN tranzistor s izolovaným hradlem MISFET, MOSFET tranzistor s hradlem odděleným PN přechodem JFET Bipolární tranzistor První tranzistor 1947- animace 4
Charakteristiky bipolárního tranzistor Unipolární tranzistor Animace FET 5
Spínací a zesilovací režim tranzistor Tranzistory moho pracovat ve: spínacím režim bď plně zapnt, nebo plně rozepnt (otevřen / zavřen) menší výkonové ztráty zesilovacím režim částečně otevřen nebo zavřen větší výkonové ztráty zesilovací režim spínací režim zátěž zátěž I C B I B U CE U S Tranzistor jako spínač Průběhy v tranzistor v zesilovacím a spínacím režim Tyristor čtyřvrstvá sočástka PNPN nebo NPNP fngje jako spínač (se samodržením) nebo též řízená dioda Schématická značka tyristor s označením elektrod, vedle analogie fnkce tyristor 6
Voltampérová charakteristika tyristor Triak pětivrstvá sočástka podobně jako tyristor, ale obosměrný Schématická značka triak s označením elektrod, vedle analogie fnkce triak 7
USMĚŇOVA OVAČE ozdělen lení polovodičových ových směrňova ovačů Podle charakter výstpních veličin in (dle požitých polovodičových ových ventilů) Neřízené (diodové) Řízené (tyristorové, tranzistorové) 8
Podle drh napájec jecího zdroje (počt fází): jednofázov zové (m=1), třifázové, (m=3) m-fázové ~ ~ ~ Jednofázové Třifázové 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) 9
Jednoplzní směrňova ovač s odporovo zátěžz ěží. a) obvodové schéma zapojení b) náhradní schéma zapojení VPS, V V v v U Časové průběhy veličin in jednoplzního směrňova ovače e s odporovo zátěžz ěží V U d 18 36 54 3 ω.t 7 4 U d 1 = Uav = U sin U m ( θ ) d( θ ) = cos ( θ ) Um [ ] = = U =,45 U m 1
Jednoplsní směrňova ovač s C zátěžz ěží. a) Náhradní schéma zapojení b) Časové průběhy veličin V i v i [] U v C i c - 1 i=i V =i 1 15 5 3 35 4 45 5 [ms] Jednoplsní neřízený směrňova ovač s, L zátěžz ěží.. (Nepovinné pro komb.. form) V L v L U 11
časové průběhy veličin (Nepovinné pro komb.. form) L > L>> L 3 ω.t 4 3 Obvodové a náhradní schéma dvojplsního zlového směrňovače Průběhy obvodových veličin dvojplsního zlového směrňovače. V 1 i v v 1 1 V v i v1 id Ud Id 1 V 1 V i v v ω.τ 1 U d = U m sin ( θ ) d ( θ ) == U =, 9 U =, 45 U 1
Trojplzní směrňova ovač a) schéma zapojení b) průběhy veličin V1 i v1 1 v V i v v 3 1 V3 i v3 3 v 3 U d 5 = 3 U sin 6 3 6 17 6 ( θ ) d( θ ) = U = 1, U, c) Průběhy veličin 1 6 U 6 = / 3 U sin ( θ ) d( θ ) 3 3 = U = U = 1, 35 U =, 779 d U S / 3 13
Dvoplzn plzní můstkové zapojení a) Obvodové schéma b) Náhradní schéma U i 1 i 1 V3 V1 V3,4 V1, V4 V V3 c) Průběhy veličin 1 U d I d i v1 i v ω. t v U d 1 = U sin ( θ ) d( θ ) = U =, 9 U 14
Šestiplzní můstkové zapojení a) Obvodové schéma b) Náhradní schéma U 1,,3 1 3 V4 V1 V4,5,6 3 V1,,3 V5 V V6 V3 c) Průběhy veličin 3 31 1 U d 6 = / 3 / 3 U S sin ( θ ) d( θ ) 3 = U S = 1, 35 U S =, 34 U f 15
Polovodičové řízené směrňovače (pro FMMI nepovinné) Podle požitých polovodičových ových sočástek stek dělíme d směrňova ovače e na: plně řízen polořízen zené, (všechny řízenými PVS jso řízené, např. tyristory), zené, (řízené i neřízené PVS např. diody a tyristory). Podle možných pracovních ch stavů dělíme směrňova ovače e na: jednokvadrantové, dvokvadrantov čtyřkvadrantov dvokvadrantové (s reverzací napětí) kvadrantové, (s s reverzací prod i napětí) Změny výstpního napětí řízených směrňova ovačů lze docílit: fázovým řízením. plzním řízen m. (nejčastěji). zením (vypínatelné VPS např. tranzistory). Jednoplsní řízený směrňova ovač s odporovo zátěžz ěží. a) schéma zapojení, i v 16
b) průběh obvodových veličin pro α o 6, pro α = 1. 1 = o v v G α ω.t pro nlový úhel řízení U dav = U ( ), pro obecný úhel řízení U dav 1 ( α ) = U sin( ω t ) d( ω t ) = U ( 1+ cosα ) = Udav ( ) 1+ cosα. 17
Dvojplsní směrňova ovač v zlovém m zapojení T1 α 1 i v1 v 1 U 1 T α i v v 1 U d v1 v v G α 1 α ω.t 18
Plzní měniče, střídače, spínané zdroje Základem je vypínací polovodičový prvek (IGBT tranzistor, MosFET, event. bipolární tranzistor) Prvky pracjí ve spínacím režim ( stavy sepnto / vypnto) Velikost výstpního napětí se řídí změno střídy tj. poměrem doby sepntí k době vypntí Výhoda = vysoká účinnost přeměny energie, rychlé, levné, niverzální, dobře řiditelné Nevýhoda = rychlé spínací jevy moho být zdrojem nežádocího ršení problémy s EMC, až na výjimky nízká odolnost vůči přepětí a zkrat Střídavý měnič napětí Vyžití: Stmívače, reglace výkon topení, rozběh AM (softstartér) 19
Plzní měnič pro snižování napětí Vyžití: Spínané zdroje, reglace otáček SSM, brzdné jednotky k měničům (chopper) Animace plzního měniče Střídač, zesilovač ve třídě D, frekvenční měnič Měniče kmitočt Vyžítí 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 Strktra nepřímého měniče kmitočt
Střídač princip činnosti Střídač, zesilovač ve třídě D, frekvenční měnič (dodatek pro zvídavé stdenty, nepovinné) Schéma 3 fázového frekvenčního měniče se vstpním směrňovačem Animace objasňjící fnkci střídače Vyžití zejména jako zdroj třífázového střídavého napětí s proměnným kmitočtem a velikostí pro napájení střídavých motorů Další vyžití laboratorní zdroje, adio zesilovače, atd. 1