BE OK TW Merelbeke
Nummer: FKR/OPL/OPL/001 Datum: 14/06/2001 Versie: 02 Paginanummer: 1/41
FUNDAMENTELE BEGRIPPEN OVER ELEKTRONISCHE COMPONENTEN
Functie Naam Datum Handtekening
Opgesteld Ing. TS TW FKR B. Bliki
Nagezien Ing. KC TW FKR F. Blondel
Goedgekeurd o/c Ir. TW FKR D. Steyaert
Proceseigenaar Niet van toepassing
2/41
INHOUD 1. De weerstand 1.1. Symbool 1.2. Gebruik 1.3. Kleurcode- systeem voor weerstanden 1.4. Serie – en parallelschakeling van weerstanden 2. De condensator 2.1. Enkele begrippen 2.1.1. Symbool 2.1.2. Gebruik 2.1.3. Begrip capaciteit 2.1.4. Begrip tijdsconstante [τ] 2.2. Gedrag van een condensator in een gelijkstroomketen 2.2.1. Laden met een constante spanningsbron 2.2.2. Ontladen van een geladen condensator 2.2.3. Laad- en ontlaadproces van de condensator 2.3. Gedrag van de condensator in een wisselstroomketen 2.3.1. Wisselstroomweerstand van een condensator [Xc] 2.3.2. Impedantie [Z] van een RC-serieschakeling 2.4. Verliesfactor van een condensator
3. De spoel 3.1. Enkele begrippen 3.1.1. Symbool 3.1.2. Gebruik: 3.1.3. Begrip magnetisch veld [H] 3.1.4. Begrip magnetische flux [φ] 3.1.5. Begrip magnetische fluxdichtheid[B] 3.1.6. Lorentzkracht[Fl] 3.1.7. Inductiespanning [U] 3.1.8. Zelfinductiecoëfficient [L] 3.1.9. Begrip tijdsconstante [τ] 3.2. Laden en ontladen van een spoel 3.2.1. Werking 3.2.2. Schema’s 3.3. Wisselstroomweerstand van een spoel 3.3.1. Inductieve reactantie [XL] 3.3.2. Impedantie [Z] 3.4. Vervangingsschema van een spoel 3.5. Afvlakken met een LC-filter 3.5.1. Schema 3.5.2. Vervangingsschema op gelijkspanningsgebied 3.5.3. Vervangingsschema op wisselspanningsgebied 3.5.4. Een berekeningsvoorbeeld
3/41
4. De halfgeleiders 4.1. Basistheorie der halfgeleiders 4.1.1. Algemeenheden: 4.1.2. Voorstelling van een halfgeleiderkristal 4.1.3. De halfgeleider van het N-type 4.1.4. De halfgeleider van het P-type 4.1.5. Stroomgeleiding in N- of P-Si 4.1.6. Verwezenlijking van een P-N-verbinding 4.1.7. P-N-verbinding in sperzin 4.1.8. P-N-verbinding in doorlaatzin 4.2. De diode 4.2.1. symbool: 4.2.2. De karakteristiek van de diode 4.2.3. De Zenerdiode: Zie bijlage II 4.3. De bipolaire transistor 4.3.1. Symbool 4.3.2. Werking 4.3.3. Karakteristiek 4.4. De thyristor 4.4.1. Symbool 4.4.2. Vervangingsschema 4.4.3. Werking 4.4.4. Karakteristiek 4.5. De 4.5.1. 4.5.2. 4.5.3.
GTO-thyristor Symbool Werking Karakteristiek
4.6. De IGBT 4.6.1. Symbool 4.6.2. Werking 4.6.3. Karakteristiek
5. Bijlagen 5.1. Werking van een relais 5.2. De Zenerdiode 5.3. De snubber
4/41
Fundamentele begrippen over elektronische componenten. 1. De weerstand 1.1.
Symbool:
1.2.
Gebruik: -
1.3.
Stroom in een elektrische keten beperken een spanning verminderen andere componenten beveiligen
Kleur-codesysteem voor weerstanden: Beginnende bij de kleur het dichtst tegen de aansluitklem
Eerste 2 cijfers
Tolerantie
Vermenigvuldigingsfactor Ring n° Kleur Zwart Bruin Rood Oranje Geel Groen Blauw Violet Grijs Wit Zilver Goud
1 Tientallen 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
2 eenheden 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
3 vermenigvuldiger 1 10 100 1 000 10 000 100 000 1 000 000
0,01 0,1
4 Tolerantie ±1% ±2% ±0,5%
±10% ±5%
Voorbeeld Een weerstand heeft als kleuren: ring 1: bruin, ring 2: zwart, ring 3: oranje, ring 4: zilver. Wat is de weerstandswaarde van deze weerstand? Oplossing:
Dit is een weerstand van 10kΩ ±10%
De volgorde van de kleurencode kan gemakkelijk onthouden worden met het volgende hulpzinnetje: “Zij Brengt Rozen Op Gerrit’ s Graf Bij Vuil Grijs Weer” waarbij elke eerste letter van een woord een kleur vertegenwoordigt.
5/41
Opmerking:
1.4.
Soms staan er meer als 4 kleurringen op het weerstandslichaam. In dat geval is: ring 1 het tiental ring 2 de éénheid ring 3 en 4 een vermenigvuldigingsfactor ring 5 de tolerantie
Serie – en parallelschakeling van weerstanden. Weerstanden in serie:
R1
R2
R3
De totale weerstand = som van de individuele weerstandswaarden.
Rtot = R1 + R2 + R3 + R...
R1 Twee weerstanden in parallel:
R2 Voor twee weerstanden in parallel wordt de totale weerstandswaarde gegeven door het product van de weerstandswaarden gedeeld door de som der weerstandswaarden.
R1 × R 2 Rtot = R1 + R 2 Meerdere weerstanden in parallel:
R1 R2 R3 R4
Worden meerdere weerstanden parallel geschakeld, dan wordt de totale weerstand berekend a.d.h.v. de volgende formule:
1 1 1 1 1 = + + + Rtot R1 R2 R3 R4
6/41
2. De condensator 2.1. Enkele begrippen 2.1.1.
Symbool:
2.1.2.
Gebruik: -
2.1.3.
¦ +
lading ophopen een spanning constant houden een wisselspanning “doorlaten” een gelijkspanning “tegenhouden”
Begrip capaciteit: Capaciteit is de mogelijkheid lading op te slaan tussen 2 platen zodanig dat er een spanning ontstaat.
C= Waarbij:
ε×A d
d= A=
afstand tussen de platen van het diëlectricum (isolatiemateriaal) oppervlakte van 1 plaat
e=
diëlectrische constante = er . e0
e0 = 8,85 E-12 F/m er = relatieve constante afhankelijk van het diëlectricum Materiaal
er
Lucht Papier Mica Glas Porcelein teflon
1,0006 2 5,4 5-10 7 2
d
e 2.1.4.
A
Begrip tijdsconstante [τ]: De tijdsconstante τ van een schakeling is een constante parameter die de tijd aangeeft waarin de stroom is afgenomen tot 37% van de beginwaarde I.
τ = R×C Met
[sec]
R= de voorschakelweerstand C= de capaciteit van de condensator
R
Uv
C
7/41
2.2. Gedrag van een condensator in een gelijkstroomketen 2.2.1. Laden met een constante spanningsbron Werking: 1)
schakelaar S sluiten: er vloeit een laadstroom I via R naar de condensator C.
2)
op t= 0 bezit de condensator nog geen lading zodat Uc= 0V De laadstroom i0= Uv/R= 100V/1000O= 0,1A
3)
Omdat C lading ophoopt, ontstaat er een spanning Uc die groter wordt naarmate men de schakelaar langer gesloten houdt. Aangezien de weerstand en condensator in serie staan is op elk moment Uv= Ur + Uc In dit voorbeeld dus steeds 100V. Het verloop van de stroom I wordt wiskundig weergegeven door de formule:
i = I ×e
t − τ
[A ]
Waarbij:I= beginstroom e= 2,72 τ= R.C= tijdsconstante t= laadtijd
Uit figuur 2 blijkt dat tijdens de aanvangsfase de laadstroom de grootste waarde bezit om daarna snel af te nemen. 4)
De condensatorspanning bij het begin van de laadstroom zal om bovenstaande reden snel aangroeien en daarna veel trager. Het verloop van de spanning over de weerstand wordt dus weergegeven als volgt: t − τ
Ur = Uv× e
[V ]
Het verloop van Ur is weergegeven in figuur 3. En aangezien Uc= Uv-Ur wordt het verloop van de condensatorspanning Uc wiskundig weergegeven door: t − Uc = Uv × 1 − e τ
[V ]
Het verloop is weergegeven in figuur 4. 5)
Na een periode t= 5. τ kan men zeggen dat de condensator geladen is tot zijn maximum spanning.
8/41
i I
S i
0
t0
R 1 kΩ
FIG. 2
Ur Ur
Uv 100 V
Uv
C 1 µF
t
5τ
τ
Uc 0
5τ
t
5τ
t
FIG. 3
Uc
FIG. 1 Uv
0
FIG. 4
2.2.2. Ontladen van een geladen condensator Werking 1)
We veronderstellen dat de C opgeladen is geweest doordat schakelaar S op stand 1 stond. De laadstroom wordt als positief beschouwd.
2)
Verplaatsen we de schakelaar S op het moment t1 op stand 2, dan zal de condensator ontladen over de weerstand R. Er vloeit nu een ontlaadstroom I die tegengesteld is aan de laadstroom. Op t1 is de spanning Uc = Uv dus is i0= -Uc/R= -100V/1000Ω= -0,1A
3)
Door de ontlaadstroom verminderd de lading van de condensator C dus ook de spanning Uc. De formules zijn nu de volgende:
i = −I × e
t − τ
[A] t − τ
Ur = −Uv× e
t − τ
Uc= Uv× e
[V ]
[V]
9/41
τ
i
5τ
t1 0
ilaad 1
S
t
-I
-0,37 I
i 2
R
Ur
1 kΩ
Uv
Ur
C
100 V
Uc
1 µF
0
t
5τ -0,37 Uv
- Uv
Uc Uv 0,37 Uc 5τ
0
t
2.2.3. Laad- en ontlaadproces van de condensator Onderstaande schema ’s illustreren de werking van het op- en ontladen van een condensator. Voor de oplaadkring bedraagt de tijdsconstante τ1 = R1.C= 10ms Voor de ontlaadkring is de tijdsconstante τ2 = R2.C= 1ms
Door met de waarden van de tijdsconstante te gaan spelen verkrijgt men dus een volledig andere zaagtandvormige spanning. Uc ilaad
12
R1
10
10 kΩ Uv 100 V
9,5 V
8
8,6 V
S 6
C
6,3 V
6,3 V
R2
1 µF
Uc i
4
1 kΩ 2
10
S open
15
S toe
20
S open
25
30
S toe
t (ms)
10/ 41
2.3. Gedrag van de condensator in een wisselstroomketen Wordt aan een condensator een sinusvormige wisselspanning aangelegd, dan zal de condensator voortdurend op- en ontladen. De stroom i bezit eveneens die sinusvorm maar deze is 90° voorijlend op de spanning. Dit is te verklaren doordat de condensator eerst zijn lading op zijn platen moet ontvangen vooraleer hij een spanning kan opbouwen tussen zijn platen. De momentele waarde van het elektrisch vermogen = momentele waarde stroom vermenigvuldigd met de momentele waarde van de spanning.
p=u.i
2.3.1.
Wisselstroomweerstand van een condensator [Xc]: De wisselstroomweerstand van een condensator wordt ook nog wel capacitieve reactantie genoemd.
Xc =
1 1 = 2 × ∏× f × C ω × C
[Ω]
De wisselstroomweerstand is dus omgekeerd evenredig met de frequentie f van de wisselspanning en de capaciteit C van de condensator. 2.3.2.
Impedantie [Z] van een RC-serieschakeling: Wordt een condensator en weerstand in serie geschakeld, dan vloeit er een wisselstroom I afhankelijk van de grootte van de waarde van R en C. De totale wisselstroomweerstand kan niet worden gevonden door het optellen van de individuele weerstandswaarden. Dit komt omdat in de condensator de stroom 90° voorijlt op de spanning. Hulpwoord:
het woord LEICIE, wat wil zeggen dat bij een spoel L de spanning E voorijlt op de stroom I en dat bij een condensator C de stroom I voorijlt op de spanning E.
u
90°
180°
i
270°
360°
t [mS]
11/ 41
i
i
Uc
C
⇒
u R
u
Z=
R² + X c²
Ur
Tekent men alleen de spanningen dan ontstaat de spanningsdriehoek van de onderstaande figuur. Volgens de stelling van Pythagoras kan nu de schuine zijde, dus de spanning u, als volgt berekend worden:
Ur
I
Z
ϕ
Xc ϕ
U=
Uc
tg ϕ= Xc / R
R
Ur² + Uc²
2.4. Verliesfactor van een condensator Legt men aan een ideale condensator een wisselspanning aan, dan vloeit er een stroom I die 90° voorijlt op de spanning. Bij een praktische condensator zal er wegens de niet oneindige isolatieweerstand van het diëlectricum een verliesstroom ir vloeien die in fase is met de toegepaste spanning. Eigenlijk kan men de condensator dus opsplitsen in twee delen: een weerstand R parallel aan een ideale condensator C.
I
Ic Ic
δ
Ir U
R
δ= verlieshoek
C
Ir
U
Omwille van de verliesstroom Ir en dus de verliesfactor zal de condensator opgenomen energie omzetten in warmte.
U U IR 1 R tgδ = = R = = U IC U ×ω × C ω × R× C XC
12/ 41
3. De spoel 3.1. Enkele begrippen 3.1.1.
Symbool:
3.1.2.
Gebruik: een gelijkstroom doorlaten zonder energieverlies een wisselstroom beperken een hoge inductiespanning opwekken een magnetisch veld opwekken een kracht uitoefenen op een stroomvoerende geleider elektrische energie ophopen onder de vorm van een magnetisch veld
3.1.3.
Begrip magnetisch veld [H]: Loopt er een gelijkstroom doorheen een opgerolde geleider of spoel dan ontstaat er een magnetisch veld. Dit veld neemt de vorm aan van een staafmagneet. De zin van de krachtlijnen wordt gegeven door de rechterhandregel: -
Rechterhand om de spoel zodanig dat de vingers de windingen volgen De vingertoppen laat men de stroomzin aanduiden De duim wijst nu de richting van de krachtlijnen aan
De grootte van het magnetisch veld wordt weergegeven door:
H = Waarbij:
3.1.4.
N= I= l=
N×I l
[A / m]
aantal windingen stroom doorheen de spoel axiale lengte
Begrip magnetische flux [φ ]: Een magnetische keten is een omloop die door magnetische krachtlijnen doorlopen wordt. Het aantal krachtlijnen dat door een oppervlakte A stroomt noemt men de flux φ. De grootte van deze flux is afhankelijk van: de veldsterkte H het doordringingvermogen (=permeabiliteit=µ) voor magnetische krachtlijnen van de stof de oppervlakte A waarin de krachtlijnen lopen
φ = µ × H × A [Wb]
13/ 41
3.1.5.
Begrip magnetische fluxdichtheid[B]: Wordt een stuk staal in een stroomvoerende spoel gebracht, dan wordt dit ijzer ook magnetisch. De fluxdichtheid in de kern wordt gegeven door:
B=
3.1.6.
φ = µ×H A
[Tesla ]
Lorentzkracht[Fl] Een stroomdoorlopende geleider die zich loodrecht in een magnetisch veld bevindt ondervindt een kracht, de Lorentzkracht genoemd.
N I A
Fl B
Z
Deze kracht is afhankelijk van de volgende zaken: de fluxdichtheid B de lengte van de geleider in meter de stroomsterkte I in de geleider de permeabiliteit van het medium het aantal windingen
FL = B × l × I
[N ]
FL = µ × N × I 2
[N ]
De zin van de Lorentzkracht wordt gegeven door de linkerhandregel: handpalm vangt de krachtlijnen loodrecht op de vingers volgen de stroomzin de duim geeft de zij van de Lorentzkracht aan
14/ 41
3.1.7.
Inductiespanning [U]: Verplaatsen we een geleider met een snelheid v loodrecht door een krachtveld, dan zal hierin een inductiespanning ontstaan.
N
I
Fl
v
U R
A
B
Z De grootte van de inductiespanning wordt gegeven met de formule:
U = B×l ×v Waarbij:
B= l= v=
[V ]
de fluxdichtheid [Wb/m²]] lengte van de geleider snelheid waarmee de geleider de krachtlijnen doorsnijdt [m/s]
De polariteit van de geïnduceerde spanning wordt eveneens gevonden met de linkerhandregel. Het principe van inductiespanning wordt toegepast in dynamo ’s en alternatoren.
3.1.8.
Zelfinductiecoëfficient [L]:
UL = L×
di dt
[V ]
Wet van Lenz:
Een spoel kan worden opgevat als een spanningsbron die zijn reden van ontstaan zal tegenwerken.
Of m.a.w.
bij een spoel die door een veranderlijke stroom doorlopen wordt, wordt aan haar klemmen een spanning Ul opgewekt die tegengesteld is aan de bronspanning. De reden hiervoor is dat de veranderlijke stroom een veranderlijk flux φ veroorzaakt en dat de spoel zich in deze veranderlijke flux bevindt.
L=
µ × N2 × A l
[H ]
De zelfinductiecoëfficient is dus rechtevenredig met: -
de permeabiliteit (µ) van de baan die de krachtlijnen doorsnijden. Het aantal windingen (N) van de spoel in het kwadraat De doorsnede (A) van de kern van de spoel
De zelfinductiecoëfficient is dus omgekeerd evenredig met de lengte (l) van de magnetische keten.
15/ 41
3.1.9.
Begrip tijdsconstante [τ]: De tijdsconstante τ van een schakeling is een constante parameter die de tijd aangeeft waarin de stroom is toegenomen tot 37% van de beginwaarde I. Na een tijd t= 5Xτ is de stroom maximaal.
τ = Met
L R
[sec]
R= de voorschakelweerstand L= de zelfinductiecoëfficient van de spoel
3.2. Laden en ontladen van een spoel 3.2.1.
Werking 1)
Wanneer in de onderstaande schakeling de schakelaar S gesloten wordt, dan wil de stroom plots stijgen tot zijn maximum waarde. Imax = UV/R=10/1000=0,01A
2)
Zodra de stroom aankomt in de eerste winding ontstaat er in de tweede winding een veranderlijk magnetisch veld. Door deze fluxverandering wordt er een inductiespanning UL opgewekt die tegengesteld is UV
3)
Men kan aantonen dat de stroomtoename exponentieel verloopt. R×t − I laad = I max × 1 − e L
4)
[ A]
Na een tijd t =L / R is de stroom i = 0,63. Imax Na een tijd 5 X t =L / R is de stroom i = 0,97. Imax De waarde t noemt men de tijdsconstante van de keten. In dit voorbeeld is t = 1ms.
5)
Plaats men de schakelaar nu in stand 2, dan zal de magnetische energie de stroom I trachten in stand te houden. Hierdoor blijft I exponentieel afnemen tot alle magnetische energie omgezet is in warmte in de weerstand R. Na een periode 5 x t is I=0. Het verloop van UL is tegengesteld aan dit van Ur omdat op het ogenblik UAB=0.
Iontlaad = I max ×e
R×t − L
[A]
16/ 41
3.2.2.
Schema’s
UAB 10V
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11
12 t (ms)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11
12 t (ms)
8
9 10 11
12
ilaad 1
S
UR
A i
2
10 V
R UR
1 kΩ Uv
0
L
10 V
UL 1H
UL B
10 V
0
0
1
2
3
4
5
6
7
t (ms)
- 10 V
3.3. Wisselstroomweerstand van een spoel 3.3.1.
Inductieve reactantie [XL]: De weerstand die een spoel biedt aan wisselstroom is recht evenredig met de frequentie van de wisselstroom en de zelfinductiecoëfficient L.
X L = 2 ×π × f × L = ω × L 3.3.2.
[Ω]
Impedantie [Z]: De totale wisselstroomweerstand van een serieschakeling van een weerstand en een spoel is niet de som van de individuele wisselstroomwaarden. Dit komt omdat de spoel de wisselstroom I 90° doet naijlen op de spanning UL, terwijl in de weerstand de stroom I en de spanning UR in fase zijn. Hulpwoord:
het woord LEICIE, wat wil zeggen dat bij een spoel L de spanning E voorijlt op de stroom I en dat bij een condensator C de stroom I voorijlt op de spanning E.
17/ 41
i
i
L
UL
⇒
u R
u
Z=
R² + XL²
UR
UL
U=
UR² + UL²
Z
ϕ
XL
tg ϕ= XL / R
ϕ
UR
I
R
3.4. Vervangingsschema van een spoel Een spoel kan opgevat worden als een serieschakeling van een ideale spoel met een verliesweerstand Rv. Bovendien bezit de spoel een eigen capaciteit C die gevormd wordt door de capaciteit tussen de windingen. Vandaar het volgende vervangingsschema:
Ic
C
R L
IL
I
U
3.5. Afvlakken met een LC-filter 3.5.1.
Schema De bedoeling van onderstaand schema is een wisselspanning die gesuperponeerd staat op een gelijkspanning weg te filteren. L
Ui
C
Uuit
18/ 41
3.5.2.
Vervangingsschema op gelijkspanningsgebied:
Op het gelijkspanningsgebied bezitten de condensatoren C een zeer grote impedantie (Theoretisch oneindig). Hij mag dan ook als een open keten beschouwd worden. De weerstand RL is de kleine gelijkstroomweerstand van de spoel nl. de draadweerstand en de verliezen in de kern. Zonder belasting is UR = Ui of m.a.w. de volledige ingangsgelijkspanning staat ook aan de uitgang van de het filter. Bij een belasting R zal de uitgangsgelijkspanning slechts een heel klein beetje dalen wegens de uiterst kleine gelijkstroomweerstand van de spoel.
Ui
RL
Uuit
R
=
U uit =
3.5.3.
[V ]
R × Ui R + RL
Vervangingsschema op wisselspanningsgebied:
Voor de rimp elspanning Ur is de reactantie van de spoel zeer groot zodat XL >>> RL. De capaciteit C wordt zodanig gekozen dat de reactantie Xc klein is. De uitgangswisselspanning Ur’ is dus een factor kleiner dan de rimpelspanning aan de uitgang.
Ur
U r '=
Ur’
C
~
(X
XC 2 C
+ XL
2
)
×U r
[V ]
19/ 41
3.5.4.
Een berekeningsvoorbeeld Stel een ingangsspanning van 30V met daarop een effectieve rimpelspanning Ur van 4V , 100Hz. De belasting R= 1 kΩ De spoel : 2 H en een weerstand RL= 50 Ω De condensator 20 µF De uitgangsspanning:
U uit =
R × U i 1000 × 30 = = 28,6V R + RL 1000 + 50
De resterende rimpelspanning:
X L = ω × L = 2 × π × f ×100 Hz × 2 H = 1256,6Ω XC = Ur '=
De rimpelfactor :
r=
1 1 = = 79,58Ω ω × C 2 × π × 100 Hz × 2µ F 79,58 × 4 = 0, 253V (79,58² + 1256,6² )
U r ' 0, 253V = = 0,00885 of r = 0,885% Uuit 28,6V
20/ 41
4. De halfgeleiders 4.1. Basistheorie der halfgeleiders 4.1.1. Algemeenheden: Wat? Een halfgeleider is zoals de naam vermeld een geleider die slechts onder welbepaalde omstandigheden geleidt.
Elektrische weerstand van een halfgeleider: -
daalt naarmate de temperatuur stijgt in tegenstelling met de weerstand van metalen. Daalt naarmate de intensiteit van de lichtbundel waaraan ze worden blootgesteld stijgt in tegenstelling van metalen die hiervan geen invloed ondervinden.
Gebruik: -
statische schakelaars tot zeer hoge schakelfrequenties (meerdere kHz) betrouwbaarder dan de schakelaars met beweegbare contacten. Krachtiger wordende halfgeleiders hebben geleid tot de ontwikkeling van de vermogenelektronica.
Elektronenstroom: De werkelijke stroom of ook elektronenstroom genoemd is tegengesteld aan de conventionele richting van de stroom. D.w.z. dat de elektronische stroom de stroombron verlaat via de negatieve klem en terug keert via de positieve klem. Het onderscheid tussen conventionele en elektronenstroom is essentieel om de werking van vermogenelektronica te begrijpen.
Atomen Atomen zijn opgebouwd uit een positieve kern en meerdere elektronen (negatieve ladingen). De kern zelf is opgebouwd uit protonen (positieve ladingen) en neutronen (geen lading). Afhankelijk van het aantal elektronen zitten deze op meerdere schillen rond de kern. De totale lading van een atoom is steeds nul. De onderstaande tekeningen geven de opbouw van respectievelijk een waterstof (H), een zuurstof (O) en een siliciumatoom (Si) weer.
+14 +8
-1 +1
H
O
Si
21/ 41
4.1.2.
Voorstelling van een halfgeleiderkristal Een atoom met 8 elektronen op de buitenste schil is de meest stabiele configuratie. Men noemt dit de edelgasconfiguratie. Stelt men een kristalrooster van Si voor, dan ziet men dat het middelste atoom 4 elektronen van een ander Si-atoom “leent”. Dit is een zeer stabiele situatie omdat de buitenste schil door 8 elektronen is volzet. Het kristalrooster van Germanium (Ge) heeft dezelfde opbouw.
Si
Si Si
Si
Si
Het meest gebruikte materiaal is Silicium (Si). Een Si-atoom bevat zoals op de bovenstaande figuur duidelijk is 14 elektronen waarvan 4 op de buitenste schil. De elektronen op de buitenste schil hebben een iets zwakkere binding met de kern dan de naar het midden toe liggende elektronen. Ze zijn dan ook gevoeliger om van het ene naar het andere Si-atoom te migreren of m.a.w. ze laten een elektronenstroom - lees elektrische stroom - onstaan. Een element zuiver opgebouwd uit Si is weinig interessant voor de fabricatie van een statische schakelaar. Het is slechts een materie met een weerstand gelegen tussen een goede geleider en een goede isolator. Het wordt pas interessant indien men dopering – lees vervuiling met een ander materiaal- toepast. Men verkrijgt na het doperen twee families van halfgeleiders: het N-type en het P-type.
4.1.3.
De halfgeleider van het N-type Bij halfgeleiders van het N-type voegt men in het kristalrooster van Si atomen toe met 5 elektronen op de buitenste schil. Hierdoor is er 1 elektron die niet gebonden is met de andere atomen. Men krijgt als het ware een overaanbod aan negatieve ladingen (elektronen) die gemakkelijk hun kern verlaten, dus een elektrische stroom kunnen laten vloeien. Het Si is dus “negatief gedopeerd” vandaar type “N” genoemd. Negatieve doperingselementen zijn: Fosfor (P), Antimoon (Sb) en Arseen (As)
e-
22/ 41
4.1.4.
De halfgeleider van het P-type Op analoge wijze kan men een blokje Si doperen met atomen met slechts 3 elektronen op de buitenste schil. Op deze manier ontstaan gaten in het kristalrooster. Het netwerk vertoont dus vrije ruimtes voor negatieve ladingen. Positieve doperingselementen zijn: Boor (B), Aluminium (Al) Gallium (Ga) en Indium (In).
4.1.5.
Stroomgeleiding in N- of P-Si Leggen we aan een N-kristal een gelijkspanning aan zoals in de onderstaande figuur, dan verplaatsen de vrije elektronen zich naar de positieve klem, terwijl aan de negatieve klem evenveel elektronen worden aangevoerd. Wordt aan een P-kristal een gelijkspanning aangelegd, dan verplaatsen de positieve gaten zich naar de negatieve klem, terwijl aan de positieve klem elektronen uit het kristal worden aangetrokken zodat vooral hier de positieve gaten ontstaan die zich naar de negatieve klem verplaatsen.
N-Si
P-Si -
+
-
+ I
I
U 4.1.6.
U
Verwezenlijking van een P-N-verbinding Afzonderlijk gezien zijn een N-Si- en een P-Si-kristal neutraal. M.a.w. het bezit een zelfde hoeveelheid negatief geladen deeltjes (elektronen) als positief geladen deeltjes (prontonen). De protonen samen met de neutronen (geen lading) vormen de kern van het atoom. Element
Totaal aantal protonen
Totaal aantal elektronen
Si AS B
14 33 5
14 33 5
Aantal elektronen op de buitenste schil 4 5 3
Veronderstellen we een massa van 4 Si-atomen, dan zien we dat de lading neutraal is: Element
Totaal aantal protonen
Totaal aantal elektronen
Si
4 X 14 = 56
4 X 14 = 56
Aantal vrije elektronen op de buitenste schil 4 X 4 = 16
Nemen we een N-gedopeerd kristal bestaande uit 3 Si-atomen en 1 As-atoom dan zien we dat dit eveneens neutraal geladen is: Element
Totaal aantal protonen
(3 X Si) + (1 X As)
(3 X 14) + (1 X 33) = 75
Totaal aantal elektronen (3 X 14) + (1 X 33) = 75
Aantal vrije elektronen op de buitenste schil (3 X 4) + (1 X 5) = 17
23/ 41
Plaatsen we nu een N- en een P-kristal tegen elkaar, dan zien we dat: -
de gatenconcentratie in het P-gebied groter is dan dan in het N-gebied de elektronenconcentratie in het N-gebied groter is dan in het P-gebied In het contactoppervlak gaan de gaten uit het P-gebied wegtrekken en diffunderen in het N-gebied. De elektronendifussie gebeurt in de omgekeerde richting P-Si
E-veld
N-Si
Verarmingsgebied
Door deze verplaatsingen van gaten en elektronen zijn de kristallen in het contactgebied niet langer meer neutraal. Een atoom waar een gat weggetrokken is wordt negatief geladen. Een atoom waar een elektron is weggetrokken wordt positief geladen. T.g.v. dit ladingsverschil ontstaat er een elektrisch veld die het verder diffunderen van atomen zal tegengaan. De dichtheid van de ladingen verdeelt zich als volgt:
N-Si
P-Si
4.1.7.
P-N-verbinding in sperzin P-Si
N-Si
E-veld
Verarmingsgebied
Ur
Ir
24/ 41
Plaatsen we nu een inverse spanning op de verbinding, dan zien we dat de elektronen in het N-gebied opgeslorpt worden door de positieve klem van de spanningsbron. Hierdoor gaan nog meer elektronen weg uit het N-gebied en wordt het verarmingsgebied nog groter dan voorheen. Omgekeerd ziet men ook dat de negatieve klem gaten uit het P-gebied wegzuigt. Het inwendige veld vergroot, wat de doorgang van elektronen door het contactoppervlak nog moeilijker maakt. De P-N-verbinding is dus nu in sperzin gepolariseerd.
4.1.8.
P-N-verbinding in doorlaatzin
P-Si
If
E-veld
N-Si
Verarmingsgebied
Ur
In het hierboven voorgesteld schema leggen we de positieve klem van de bron aan de P-Si-kant. Dit heeft als gevolg dat: -
het N-Si elektronen ziet komen die vatbaar zijn om de gaten, ontstaan door de verbinding met het PSi op te vullen. Het P-Si een overbod aan elektronen ziet wegnemen aan het grensvlak met het N-Si. Het N-Si en P-Si keren terug naar hun oorspronkelijke neutrale staat. Er is dus een elektronendoorgang door het volledige Si-kristal. Dit vervult nu de functie van een geleider en kan dus aanzien worden als een gesloten schakelaar.
25/ 41
4.2. De diode 4.2.1.
symbool:
ia A
K
A
P N
K
De diode is eigenlijk niets meer dan een P-N-verbinding zoals beschreven in paragraaf 3.1. De P-kant noemt men de anode, de N-kant de kathode. Om een diode in doorlaat de polariseren, sluit men aan de anode de positieve spanningsklem aan en op de kathode de negatieve spanningsklem. Dit kan men makkelijk onthouden met behulp van het woord KNAP wat wil zeggen de kathode (K) is altijd negatief (N) en de anode (A) is steeds positief (P).
4.2.2.
De karakteristiek van de diode: If
Ur [V]
0,8 1
Uf [V]
Ir [µA]
Verklaring van de diodekarakteristiek:
4.2.3.
-
in doorlaattoestand, dus als de stroom ia positief is, is de spanningsval tussen anode en kathode, Uak genoemd gelijk aan 0,6V à 0,7V.
-
In de spertoestand, als de diode omgekeerd gepolariseerd is, is de spanning Uak negatief en is de elektrische stroom gelijk aan 0.
-
De omschakeling van de ene naar de andere toestand gebeurt spontaan. De diode werkt dus als een schakelaar en sluit zich van het moment de spanning Uak op de klemmen positief wordt, en opent van zodra de stroom die hem doorloopt negatief wordt.
De Zenerdiode: Zie bijlage II
26/ 41
4.3. De bipolaire transistor 4.3.1.
Symbool:
De bipolaire transistor bestaat uit 3 lagen Silicium. Er bestaan twee uitvoeringen:
De NPN-transistor
C
C: Collector B: Basis E: Emitter
iC
B E
B
C N P
VCE
N
iB E
B
C iC
De PNP-transistor
C: Collector B: Basis E: Emitter
E
B
C P N
VCE
P
iB E
4.3.2.
Werking: De richting van de stroompijltjes geeft de conventionele stroomzin weer. Voor een goede werking van de transistor moet aan de volgende voorwaarden worden voldaan: -
De siliciumlaag moet merkelijk dunner zijn dan de lagen van de collector en emitter.
-
De dopering van de basis moet veel lager zijn -tot 50maal- dan deze van de collector en emitter. Ic
C N Ib
B P
E’
E
N E Ie
Door de zin van de spanning E’ is het verbindingsvlak B-E doorgaand gepolariseerd en vloeit er een stroom tussen de basis en de emitter. Maar omdat de dopering van de basis veel kleiner is dan deze van de emitter vinden de meerderheid van de elektronen die aankomen op het P-Silicium geen vrije gaten meer. Wel kunnen ze zich naar het NSilicium dat nog positief geïoniseerd is en nog vrije gaten heeft bewegen om zo de collector te bereiken. Van hieruit worden de elektronen aangetrokken door de spanningsbron E die groter is dan E’. De stroom Ic is merkelijk groter dan de stroom Ib. Eigenlijk is Ie= Ib + Ic. We stellen vast dat het blok B-C in sper is gepolariseerd, alhoewel dit de stroom niet hindert.
27/ 41
4.3.3. Karakteristiek
Verzadigd
Ic
(2) (1) VCE
Gesperd
De getekende lijnen in de bovenstaande figuur geven het traject van het werkingspunt weer. (1) Het in geleiding brengen (2) Bij de blokkering De omschakeling van de sper naar de geleidingstoestand gebeurt binnen een tijd van 1µS. De transistor laat door en is verzadigd als de stroom Ib positief is. De verhouding Ic/Ib noemt men de versterkingsfactor van de transistor (= ß).
4.4. De thyristor 4.4.1.
Symbool: Een thyristor bestaat eigenlijk uit 4 lagen Silicium en heeft dus drie verbindingsvlakken. De thyristor heeft drie aansluitklemmen: -
de anode (A) de kathode (K) de gate (G) of stuurklem
ia
UAK
G A
A
K iG
4.4.2.
K P NP
N
G
Vervangingsschema: A A P N
N
P
P
iC2 iC1
G
N
G iG iA
K K
28/ 41
4.4.3.
4.4.4.
Werking: -
De bron die tussen de kathode en de gate geschakeld is stuurt een stroom iG naar de basis van de NPN-transistor. Hierdoor raakt de transistor verzadigd, wat een stroom iC2 veroorzaakt.
-
Deze stroom wordt onttrokken aan de basis van de PNP-transistor waardoor er een stroom iC1 ontstaat tussen de emitter en de collector van de transistor.
-
De stroom iC1 vervangt de stroom iG om de verzadiging van de NPN-transistor in stand te houden.
-
De anodestroom iA = iC1 + iC2.
-
De thyristor heeft dus geen nood aan een bestendig stuursignaal om in geleiding te blijven.
-
Om de thyristor te onderbreken moet de stroom waardoor hij doorlopen wordt nul worden. Hij dient hiervoor kortstondig omgekeerd gepolariseerd te worden, d.w.z. dat de spanning UAK negatief moet worden.
-
De tijdsduur van het invers polariseren wordt ook de hersteltijd (= recovery time) genoemd.
Karakteristiek: iA a (1) (2) b
c
UAK
De getekende lijnen in de bovenstaande figuur geven het traject van het werkingspunt weer. (1) Het in geleiding brengen van de thyristor. Dit komt overeen met de doorgang van tak c naar tak a.. Dit is de impulsfase. De impuls iG mag gestopt worden als het werkingspunt de tak a bereikt heeft. (2) Bij de blokkering van de thyristor is er onvermijdelijk een doorgang door tak b nodig en dit gedurende de hersteltijd. De thyristor wordt dan kortstondig invers gepolariseerd.
29/ 41
4.5. De GTO-thyristor 4.5.1.
Symbool: De GTO-thyristor is een thyristor die gedoofd wordt door de een negatieve spanning aan de gate G aan te leggen. GTO staat voor de Engelse term “Gate Turn Off”. Hij is eveneens opgebouwd uit 4 lagen Silicium en 3 verbindingsvlakken. ia
UAK
G A
A
K
K P NP
N
G iG
4.5.2.
Werking:
A
G
i C 1
iC2
iG
K
-
Tijdens de bevolen blokkering wordt de collectorstroom iC1 omgeleid naar de uitwendige bron E.
-
Vanaf dat moment is er onvoldoende stroom aan de basis van de NPN-transistor om deze in geleiding te houden.
-
Hierdoor stopt iC2 met vloeien en dooft de GTO.
Opmerking: In vergelijking met de gewone thyristor moet de doorsnede van de gate G groter zijn omdat de stroom nodig voor het niet- geleidingsproces in te leiden tot 30% van de anodestroom iA kan bereiken.
30/ 41
4.5.3.
Karakteristiek:
iA a (1) (2) (3) b
c
UAK
De getekende lijnen in de bovenstaande figuur geven het traject van het werkingspunt weer: (1) Het in geleiding brengen van de GTO. Dit komt overeen met de doorgang van tak c naar tak a. Dit is de impulsfase. De impuls iG mag gestopt worden als het werkingspunt de tak a bereikt heeft. (2) Bij de blokkering van de GTO is er onvermijdelijk een doorgang door tak b nodig en dit gedurende de hersteltijd. De GTO wordt dan kortstondig invers gepolariseerd. (3) Bij de bevolen blokkering
31/ 41
4.6. De IGBT 4.6.1.
Symbool: De term IGBT staat voor de Engelse term “Insulated Gate B ipolar Transistor” VCE
C
E
B
4.6.2.
B
Werking:
E
N
N
P
P N P
C
-
4.6.3.
Wanneer men een positieve spanning aanlegt tussen basis en emitter zal er als het ware een draineerbuis ontstaan in de P-laag. Hierdoor bekomen we eigenlijk een continuïteit tussen de N-Si zones. Het is alsof er slechts één P-N-verbinding meer is tussen basis en emitter. Om de IGBT te sperren volstaat het de spanning op de basis op te heffen. De drainering verdwijnt en we krijgen een thyristor die nog niet gestart is.
Karakteristiek: Zie 3.3.3. van de bipolaire transistor.
4.6.4.
Voordelen: Thyristor Sturing met spanning Snel Niet beperkt in di/dt
Bipolaire transistor
Zwakke Vce verzadigd
IGBT Eenvoudige ontsteker Verhoogde frequentie Snubber niet nodig Grote stromen
Controleerbaar bij kortsluiting Zeer éénvoudig in parallel te plaatsen
32/ 41
5. BIJLAGEN 5.1. Werking van een relais 5.1.1.
Principe Een relais bevat een stel contacten die gesloten of geopend worden d.m.v. een elektromagneet met een beweegbaar anker of hefboom die door een veer in een ruststand gehouden wordt.
De bekrachtigingsspoel bevat enkele duizenden windingen zodat een geringe bekrachtigingsstroom voldoende is om het anker aan te trekken door de tegenwerkende kracht van de veer te overwinnen. Hierdoor worden de contacten gesloten zodat in de uitgangsketen een krachtige stroom kan lopen. Wanneer het relais bekrachtigd wordt en de contacten worden gesloten, dan spreekt men van een inschakelcontact, maakcontact of werkcontact; worden echter de contacten geopend, dan spreekt men van een uitschakelcontact, breekcontact of rustcontact. Wordt in de ingangsketen van de onderstaande figuur de schakelaar S gesloten dan vloeit er een kleine bekrachtigingsstroom (mA) en wordt het anker aangetrokken en de contacten C gesloten. Hierdoor vloeit er in de uitgangsketen een grote stroom (A) en de lamp of lampengroep licht op. Dit is een voorbeeld van een maak- of werkcontact.
33/ 41
5.1.2.
Kenmerken van een elektromechanisch relais • • • • • • • • • •
5.1.3.
Galvanische scheiding tussen ingangsketen (stuurketen) en de uitgangsketen. Galvanische scheiding tussen de verschillende contactstellen. Hoge belastbaarheid van de ingangsketen; zo mag bijvoorbeeld de nominale bekrachtigingsstroom van 75 mA oplopen tot ca. 1 A gedurende 1 seconde. Hoge belastbaarheid van de uitgangsketen; als er doorheen de contacten een gelijkstroom van 5 A mag vloeien dan heeft een stroomstoot van 100 A gedurende 2 µs geen nadelige gevolgen. Dergelijke stroomstoten doen zich voor bij het inschakelen van lampen waarbij de inschakelstroom tot zelfs 15 maal de stroomwaarde kan bereiken van de brandende lampen. Ook de ontlaadstroom van een condensator bereikt dergelijke piekwaarden. De stuurspanning van een relais kan door een geschikte bekrachtigingsspoel variëren van enkele volt tot een paar honderd volt. Tussen de geopende contacten is er een sperweerstand van 107 tot 1014 Ω. De gesloten contacten bezitten een contactweerstand die varieert van 10 tot 100 mΩ Deze weerstand stemt overeen met de weerstand van de geëtste stroombanen van een gedrukte schakeling (ca. 0,5 Ω/m). De contacten kunnen een vermogen schakelen in een bereik van enkele nanowatt tot enkele kilowatt.
Voorbeeld In de HLE13 wordt als hoogspanningsonderbreker van de 3kV gelijkspanning een kontaktor – de DUR of DJCC- gebruikt.
Tijdens het onderbreken van dergelijke contactoren ontstaan er enorme vlammenbogen. Om deze te doven maakt men gebruik van een vlammendoos.
34/ 41
5.2. De zenerdiode 5.2.1.
Inleiding: Als een diode in sperzin is aangesloten, dan vloeit er een geringe sperstroom, bestaande uit minderheidsladingsdragers, doorheen de verarmingslaag van de PN-overgang. Bij een hoge elektrische veldsterkte (> 1 0 MV/m) treedt een doorslageffect op waarbij de sperstroom abrupt toeneemt terwijl de spanning praktisch constant blijft. Dit verschijnsel werd reeds in 1934 door C. Zener (Engeland) theoretisch behandeld. Op dit principe steunt de zenerdiode. Deze speciale siliciumdiode wordt gebruikt als spanningsbegrenzer en als referentiediode. De spanning waarbij het zenereffect optreedt, noemt men de zenerspanning Uz. Naarmate de doopstofconcentratie toeneemt, zal de zenerdoorslag bij een lagere spanning optreden. Afhankelijk van het diodetype treft men zenerspanningen aan tussen 3,3 V en 200 V. De invloed van de temperatuur op een zenerdiode en het zenereffect in het bijzonder wordt weergegeven in de onderstaande grafiek. Het symbool van een zenerdiode en de zin van de zenerstroom is in de onderstaande figuur afgebeeld.
5.2.2.
Spanning- en stroomkarakteristieken Een fabrikant publiceert van een bepaald type zenerdiode een reeks Uz,Iz-karakteristieken. De zenerspanning kan een waarde aannemen tussen 3,3 V en 200 V. Het dissipatievermogen van al deze zenerdioden is hetzelfde. De onderstaande figuur toont 8 karakteristieken van de BZX 29-reeks waarvan Uz tussen 5,6 V en 11 V begrepen is, terwijl het dissipatievermogen 1,5 W bedraagt bij een omgevingstemperatuur van 25° C.
35/ 41 Uz 12
10
8
6
4
2
0
(V)
20
40
60
De figuur op de vorige pagina toont de karakteristieken van een aantal zenerdiodes met hetzelfde dissipatievermogen.
De aanduiding BZX29 - C6V8 heeft de volgende betekenis: 1ste letter B = Si 2de letter Z = zenerdiode 3de letter = X, Y of Z voor een professioneel type
Hierna komt een reeksnummer gevolgd door een letter voor de tolerantie en de zenerspanning Uz= 6,8V. A=1%, B=2%, C=5%, D=10%
Voorbeeld 1 Een zenerdiode heeft als typering BZY88/C10; geef hiervan de betekenis. Oplossing: De zenerdiode is steeds een Si-diode, heeft een zenerspanning van 10 V met een tolerantie van ± 5 %. De zenerspanning is dus begrepen tussen 9,95 V en 10,05 V. De 88-reeks heeft een dissipatievermogen van 400mW.
36/ 41
5.2.3.
Karakteristieke grootheden van de zenerdiode 5.2.3.1. Zenerweerstand of dynamische weerstand rz In het doorslaggebied is de zenerspanning Uz die over de diode staat niet volledig constant: Inderdaad, Uz stijgt een beetje naarmate Iz toeneemt. Nu is per definitie de dynamische weerstand of zenerweerstand:
rz =
∆U z ∆I z
Hoe kleiner rz , des te kleiner ∆Uz bij een bepaalde stroomverandering ∆Iz wordt, dus hoe beter de spanningsstabilisatie wordt.
Voorbeeld 2 In de karakteristiekenbundel van de BZX29-reeks kan men voor de zenerdiode C9V1 de volgende waarden aflezen: Iz1= 20 mA; Uz1 = 9,7 V Iz2 = 50 mA; Uz2 = 10 V Bereken de zenerweerstand Oplossing:
rz =
∆U z U z 2 − U z 1 10 − 9,7 0,3V = = = = 10Ω ∆I z I z 2 − I z1 50 − 20 30mA
5.2.3.2. Temperatuurcoëfficiënt Sz De zenerspanning Uz is afhankelijk van de temperatuur. Daarom wordt het begrip temperatuurcoëfficiënt ingevoerd die aangeeft hoeveel millivolt Uz verandert per temperatuurverandering van 1°C. Zenerdioden met Uz kleiner dan 5V hebben een negatieve temperatuurcoëfficiënt. Is Uz hoger dan 5V, dan wordt de temperatuurcoëfficiënt positief om rond 5V nul te benaderen.
Voorbeeld 3 Een zenerdiode met Uz = 10 V heeft een positieve temperatuurscoëfficient van 9mV/°C. Bereken Uz als de temperatuur met 20°C toeneemt. Oplossing: Bij een temperatuurstoename van 1°C verandert Uz met +9mV. Voor 20°C wordt dit 20 x 0,009 V = 0,18 V Vandaar: Uz= 10 + 0,18 = 10,18 V
37/ 41
5.2.3.3. Dissipatievermogen Pd Onder dissipatievermogen verstaat men het maximaal toelaatbaar vermogen dat in een zenerdiode uit een bepaalde reeks mag ontwikkeld worden.
Pd = I z × U z
[W ]
Is Pd gekend, dan kan bij elke zenerspanning de maximum toegelaten stroom berekend worden die continu doorheen de zenerdiode mag vloeien.
Voorbeeld 4 De zenerdioden uit de reeks BZY96 bezitten een dissipatievermogen van 1,5 W. Bereken de maximum toelaatbare stroomsterkte van de BZY/C5V1 en de BZY96/C9V1. Oplossing:
5.2.4.
BZY96/C5V1:
Iz =
1,5 = 294 mA 5,1
BZY96/C9V1:
Iz =
1,5 = 164mA 9,1
Serieschakeling van zenerdioden Schakelt men twee zenerdioden BZY96/C9V1 in serie, dan mag door elke diode 164 mA vloeien. De twee zenerdioden mogen samen tweemaal meer dissiperen als één zenerdiode van dezelfde reeks. De parallelschakeling van twee zenerdioden wordt niet toegepast omdat een gering verschil in U, een groot stroomverschil en dus ook een verschillende dissipatie tot gevolg heeft. Om hoge spanningen te stabiliseren is het soms beter (maar minder economisch) twee of meer zenerdioden in serie te schakelen in plaats van één zener met een hoge spanning te gebruiken. Inderdaad, de temperatuurcoëfficiënt en de wisselstroomweerstand van de twee zenerdioden in serie zal kleiner zijn dan van een enkele diode met een hoge zenerspanning.
5.2.5.
Principe van de spanningsstabilisatie Het vereenvoudigd vervangschema van een zenerdiode bestaat uit een serieschakeling van de dynamische weerstand rz en een spanningsbron Uzo. De spanning Uzo verkrijgt men door het rechtlijnig deel van de zenerkarakteristiek te verlengen tot aan de abscis (Uz - as).
38/ 41
Wordt de karakteristiek van de BZY96/C5V6 in de onderstaande figuur verlengd tot de Uz-as, dan vindt men dat Uzo = 5,3 V terwijl de steilheid van de karakteristiek in het gebied P1 P2 de dynamische zenerweerstand bepaalt:
rz =
∆U z 0,1V = = 10Ω ∆I z 10mA
Vandaar dat de schakeling van de bovenstaande figuur vervangen kan worden door het schema op de vorige pagina. Hierin is:
Iz =
Uv −U z R + rz
[ A]
en
U z = U zo + I z × rz
[V ]
Als Uv = 10 V dan wordt:
Iz =
10 − 5,3 4,7 = = 22,38 0,200 + 0,01 0,21
U z = 5,3 + 22,38 × 0,01 = 5,524
[mA]
[V ]
Stijgt Uv met 2V dan wordt:
Iz =
12 − 5,3 6,7 = = 31,90 0,200 + 0,01 0,21
U z = 5,3 + 31,90 × 0,01 = 5,619
[mA]
[V ]
Een analoge redenering kan men maken als Uv daalt met 2V. Als Uv varieert met 2V dan verandert Uz slechts met 5,619V - 5,524V = 0,09V. De stabilisatiefactor van de schakeling bedraagt dus:
F = rz =
∆U v 2V = = 21 ∆U z 0,09V
39/ 41
Wat de spanningsveranderingen betreft, mag men in het vervangschema Uzo weg denken zodat de verhouding F= ∆Uv/∆Uz kan bepaald worden met de formule van de spanningsdeler:
F = rz =
∆U v R + rz 200 + 10 = = = 21 ∆U z rz 10
Hieruit volgt dat de stabilisatiefactor groter wordt naarmate de voorschakelweerstand R toeneemt en gelijktijdig een zenerdiode gekozen wordt met een zo laag mogelijke zenerweerstand rz. Dezelfde getallen (afgerond) treft men terug aan in de grafische voorstelling van de figuur op de vorige pagina. Hierin is de helling van de IzUz-karakteristiek omwille van de duidelijkheid minder steil getekend dan het werkelijk verloop. Hoewel ∆Uz te groot is voorgesteld, is de verandering ∆Uv toch nog veel groter dan ∆Uz. Naarmate de zenerkarakteristiek steiler (rz = kleiner) en de belastingslijn horizontaler (R = groter) verloopt, wordt ∆Uz kleiner bij eenzelfde ∆Uv. 5.2.6.
Keuze van de voorschakelweerstand R In de praktijk wordt de keuze van de voorschakelweerstand R bepaald door 2 voorwaarden die afgeleid worden uit de grenswaarden van Uv, Iz en IL. 5.2.6.1. Bovenste grenswaarde (Rmax) Als RL = min. dan wordt IL = max. en Iz = min. Doorheen de zenerdiode moet echter een minimale stroom Izmin blijven vloeien omdat anders rz groter en de stabilisatie slechter wordt. Daarom moet R beneden een bepaalde maximum waarde liggen zodat zelfs bij een Uvmin, toch nog voldoende stroom doorheen de zenerdiode blijft vloeien.
Rmax ≤
Vandaar:
U v min − U z I L max + I z min
5.2.6.2. Onderste grenswaarde (Rmin) Deze wordt bepaald door het maximum toelaatbaar dissipatievermogen van de zenerdiode dat optreedt bij een maximum zenerstroom: Izmax en de daarbij horende spanning Uz.
Pd max = U z × I z max
[W ]
De maximum zenerstroom ontstaat als Uv = max en gelijktijdig RL zijn hoogste waarde bereikt zodat IL = min. Onder deze omstandigheden staat over de zenerdiode de hoogste spanning zodat Iz = max. Om het toelaatbaar dissipatievermogen niet te overschrijden moet de voorschakelweerstand minstens de minimum waarde bezitten:
Rmin ≥
Hierin is
U v max − U z I L min + I z max
I z max =
Pd max Uz
40/ 41
5.3. Snubberkring ter beveiliging van GTO’s 5.3.1.
Doel:
Een subberkring dient ter beveiliging van de GTO tijdens het ontsteken en doven hiervan. Deze snubberkringen worden onder andere toegepast op de HLE13.
5.3.2.
Schema:
UIn L
D1 GTO
R1
C
U Out (Io= 1000A)
D2
5.3.3.
Werking: Bij het in geleiding komen van de GTO, is de hoofdstroom oorspronkelijk 0 A. De spoel L zorgt ervoor dat de stroom IL geleidelijk toeneemt. (Zie 3.2.1.: “Op en ontladen van een spoel”). Vervolgens is de eerste stroom die zal vloeien de oplaadstroom van de condensator. Pas daarna neemt de hoofdstroom door de GTO geleidelijk toen naarmate de condensator zich oplaadt. (Zie 2.2.1.: “opladen van een condensator met een constante gelijkstroom”) Op het ogenblik dat de GTO in geleiding komt is Uout = 0 V. De hoofdstroom neemt nu geleidelijk toe en de stroom door de vrijloopdiode D1 neemt evenredig af. Samen vormen zij de constante stroom uitgangsstroom Io. Zolang de vrijloopdiode D2 in geleiding is, is Uout = 0V en staat er over de spoel L een spanning gelijk aan de ingangsspanning Uin . Als de hoofdstroom gelijk is aan Io, is de stroom door de vrijloopdiode 0 A en spert deze. Op dat ogenblik wordt de uitgangsspanning Uout = Uin . Wanneer de GTO gesperd wordt, zorgt een bijkomende kring ervoor dat de spanning over de condensator begrensd blijft. Deze kring noemt men de clampingskring. Zonder deze clampingskring zou de condensator opladen tot het dubbele van de ingangsspanning Uin . De spoel en condensator zouden anders een slingerkring vormen.
UIn R2
L
D3 D1 GTO
C
R1 UC
UOut
(Io= 1000A)
D2
41/ 41
Als de GTO gesperd is, laadt de condensator op tot zijn spanning Uin . Als de spanning Uc groter wordt dan Uin t.g.v. de ontlading van de spoel, dan komt de diode D3 in geleiding en wordt de spanning Uc begrensd tot op de ingangsspanning Uin . Van zodra de spanning Uin = 0 V wordt, zal de condensator zich over R1, D3 en R2 ontladen.
