Polovodiče, polovodičové měniče
Zpracoval: Václav Kolář, Václav Vrána, Jan Dudek
ELEKTRONIKA Podoblast elektrotechniky která využívá vedení elektrického proudu v polovodičích. (V minulosti též ve vakuu či plynech – elektronky.) Polovodičové součástky umožnily revoluční miniaturizaci, zvýšení spolehlivosti a zlevnění elektronických přístrojů oproti elektronkám. Od 50tých let do současnosti, nejprve tranzistory a další diskrétní součástky, pak integrované obvody.
1
Polovodičové materiály křemík – Si, germanium – Ge a další (4mocné) vlastní vodivost a příměsová vodivost 3 mocný akceptor např. In ,
čistý polovodič
5 mocný donor např As
polovodič N
polovodič P
stále elektricky neutrální
Dioda Polovodičová součástka s jedním PN přechodem
Usměrňovací dioda Zenerovy dioda Svítivá dioda (LED) Kapacitní dioda (varikap) a další
2
Křemíková usměrňovací dioda (plošná)
Ztrátový výkon Pf=Uf*If u větších výkonů nutno chladit
Voltampérová charakteristika usměrňovací diody (vpravo propustný směr, vlevo závěrný směr)
Zenerova dioda – pro stabilizaci napětí
Ztrátový výkon Pz=Uz*Iz Nesmí překročit max. dovolený ztrátový výkon Pmax
Voltampérová charakteristika zenerovy diody (vpravo propustný směr, vlevo závěrný směr s patrným nedestruktivním průrazem při hodnotě Zenerova napětí Uz )
3
Tranzistor součástka která může pracovat jako zesilovač nebo spínač bipolární - řízené proudem
unipolární - řízené el. polem bez proudu (FET)
třívrstvá součástka PNP
NPN
tranzistor s izolovaným hradlem MISFET, MOSFET
tranzistor s hradlem odděleným PN přechodem JFET
Bipolární tranzistor
První tranzistor 1947animace
4
Charakteristiky bipolárního tranzistoru
Unipolární tranzistor
Animace FET
5
Spínací a zesilovací režim tranzistoru Tranzistory mohou pracovat ve:
zesilovací režim
spínací režim
• spínacím režimu – buď plně zapnut, nebo plně rozepnut (otevřen / uzavřen) – menší výkonové ztráty • zesilovacím režimu – částečně otevřen nebo uzavřen – větší výkonové ztráty
zátěž
zátěž IC
RB
IB UCE
US
Průběhy v tranzistoru v zesilovacím a spínacím režimu
Tranzistor jako spínač
Tyristor čtyřvrstvá součástka PNPN nebo NPNP funguje jako spínač (se samodržením) nebo též řízená dioda
Schématická značka tyristoru s označením elektrod, vedle analogie funkce tyristoru
6
Voltampérová charakteristika tyristoru
Triak pětivrstvá součástka podobně jako tyristor, ale obousměrný
Schématická značka triaku s označením elektrod, vedle analogie funkce triaku
7
USMĚRŇOVAČE
Rozdělení polovodičových usměrňovačů
Podle charakteru výstupních veličin (dle použitých polovodičových ventilů)
Neřízené (diodové)
Řízené (tyristorové, tranzistorové)
8
Podle druhu napájecího zdroje (počtu fází): ¾ jednofázové ‚ (m=1), ¾ třifázové , (m=3) ¾ m-fázové
~
~ Jednofázové
~ Třifázové
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
Podle zapojení zdroje a jednotlivých VPS • Uzlové (všechny VPS a napěťové zdroje jsou jedním shodným pólem spojeny do uzlu • Můstkové‚ (vnější svorky stejné polarity jsou společné a výstupní, středy skupiny jsou vstupní)
9
Jednopulzní usměrňovač s odporovou zátěží. a) obvodové schéma zapojení
b) náhradní schéma zapojení
V
VPS, V
id
uv
uv u
U∼
ud
R ud
u
Časové průběhy veličin jednopulzního usměrňovače s odporovou zátěží
u
0
uV
ud Ud 0 0
180
π
360
2π
540
720
3π
4π
ω.t Ud = Uav =
1 ⋅π U U 2 π ⋅ ∫ Um ⋅ sin (θ ) d(θ ) = m − cos (θ ) 0 = m = ⋅ U = 0 ,45 ⋅ U 2 ⋅π 0 2 ⋅π π π
[
]
10
Jednopulsní usměrňovač s RC zátěží. a) Náhradní schéma zapojení
V
iv
b) Časové průběhy veličin
iR
ud
[] 0
ic
uv
1 -
i=iV
u
U∼ u
C
ud
R
id =iR
10
15
20
25
30
35
40
45
50
[ms]
Jednopulsní neřízený usměrňovač s R, L zátěží. (Nepovinné pro komb. formu)
V
L
uL
uv ud U∼
u
id
uR R
11
časové průběhy veličin
(Nepovinné pro komb. formu)
L >0
L>>0 u
u
id
id
uL ud
ud
π
4π
3π
2π
π
0
ω.t
Obvodové a náhradní schéma dvojpulsního uzlového usměrňovače V1
2π
3π
Průběhy obvodových veličin dvojpulsního uzlového usměrňovače.
iv
u1 uv
0
u1
u2 u2
0
V2
ud R
uv
0
u
Ud Id
iv1
0
iv2
V1 0
u1
π
V 2
u2
id
id
2π
ω.τ
uv
id
R
U
d
=
1
π
π
∫U 0
m
⋅ sin
(θ )
d (θ
) ==
2 ⋅
π
2
⋅ U = 0 , 9 ⋅ U = 0 , 45 ⋅U
2
12
Trojpulzní usměrňovač a) schéma zapojení V1
u1
b) průběhy veličin iv1
ud
uv V2
u2
0
iv2
u2
uv V3
u3
id
id 0
3
0
π
ud
Ud =
3 2 ⋅π
5π 6
∫ π
u1
iv3
uv R
u3
2 ⋅ U ⋅ sin (θ ) d (θ ) =
3⋅ 6 ⋅ U = 1,17 ⋅ U 2 ⋅π
2π
,
6
c) Průběhy veličin
ud 0
u1 … u6
id 0
2π
π
Ud =
6 2 ⋅π
2π / 3
∫ π
/3
2 ⋅ U ⋅ sin (θ ) d (θ ) =
3⋅ 2
π
⋅U =
3⋅ 2
π
⋅ U = 1,35 ⋅ U = 0,779 ⋅ US
13
Dvopulzní můstkové zapojení a) Obvodové schéma
b) Náhradní schéma
U
u
i1
i1 V3 2
V3,4
V1
V4
V1,2
V2 V3
id id
R R
u
u
c) Průběhy veličin
u
1
0
u
2
0
u 0
id
d
iv 1
0
iv 2
0
π
2π
u
Ud =
U d Id
1
π
π∫ 0
ω .t
v
2 ⋅ U ⋅ sin (θ ) d (θ ) =
2⋅ 2
π
⋅ U = 0,9 ⋅ U
14
Šestipulzní můstkové zapojení a) Obvodové schéma
b) Náhradní schéma
U 1,2,3 u1
u2
u3
V4 3
V 4,5,6
V 1,2,3
V1
V5
V2
V6
V3
id id
R R
u
ud
c) Průběhy veličin
ud 0
u23
u12
u31 id
0 π
0
6 Ud = 2 ⋅π
2π / 3
∫ π
/3
2 ⋅ US ⋅ sin(θ ) d (θ ) =
2π
3⋅ 2
π
⋅ US = 1,35 ⋅ US = 2,34 ⋅ Uf
15
Polovodičové řízené usměrňovače (pro FMMI nepovinné) Podle použ použitých polovodič polovodičových souč součástek dě dělíme usmě usměrňovač ovače na:
• plně řízené, (všechny řízenými PVS jsou řízené, např. tyristory), • polořízené, (řízené i neřízené PVS ‚např. diody a tyristory). Podle mož možných pracovní pracovních stavů stavů dělíme usmě usměrňovač ovače na:
• jednokvadrantové, • dvoukvadrantové (s reverzací napětí) • čtyřkvadrantové, (s s reverzací proudu i napětí) Změ Změny výstupní výstupního napě napětí u řízených usmě usměrňovačů ovačů lze docí docílit:
• fázovým řízením. (nejčastěji). • pulzním řízením (vypínatelné VPS např. tranzistory).
Jednopulsní řízený usměrňovač s odporovou zátěží. a) schéma zapojení,
i id
uv
∼
u
ud
R
16
b) průběh obvodových veličin pro α 1 = 60,
u
o
pro α 2 = 120 o.
ud
u 0
uv
uv 0
id
id 0
π
uG 0
2π
α
ω.t
pro nulový úhel řízení
U dav (0 ) =
2
π
⋅U
,
pro obecný úhel řízení
U dav (α ) =
1 2π
π
∫ 0
2 ⋅ U ⋅ sin(ω ⋅ t )d (ω ⋅ t ) =
2 1 + cos α ⋅ U ⋅ (1 + cos α ) = U dav (0 ) ⋅ 2π 2
.
17
Dvojpulsní usměrňovač v uzlovém zapojení α1 T1
iv1
uv u1 U1 u2
α2 T2
iv2
ud
R id
uv
u1
u2
Ud
ud u 0
uv1 uv
uv2 0
id 0
π
uG 0
α1
2π α2
ω.t
18
Pulzní měniče, střídače, spínané zdroje • Základem je vypínací polovodičový prvek (IGBT tranzistor, MosFET, event. bipolární tranzistor) • Prvky pracují ve spínacím režimu (2 stavy – sepnuto / vypnuto) • Velikost výstupního napětí se řídí změnou střídy tj. poměrem doby sepnutí k době vypnutí • Výhoda = vysoká účinnost přeměny energie, rychlé, levné, univerzální, dobře řiditelné • Nevýhoda = rychlé spínací jevy mohou být zdrojem nežádoucího rušení – problémy s EMC, až na výjimky nízká odolnost vůči přepětí a zkratu
Střídavý měnič napětí
Využití: Stmívače, regulace výkonu topení, rozběh AM (softstartér)
19
Pulzní měnič pro snižování napětí Využití: Spínané zdroje, regulace otáček SSM, brzdné jednotky k měničům (chopper)
Animace pulzního měniče
Střídač, zesilovač ve třídě D, frekvenční měnič Měniče kmitočtu Využítí – 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
Struktura nepřímého měniče kmitočtu
20
Střídač – princip činnosti
Střídač, zesilovač ve třídě D, frekvenční měnič (dodatek pro zvídavé studenty, nepovinné)
• Schéma 3 – fázového frekvenčního měniče se vstupním usměrňovačem • Animace objasňující funkci střídače • Využití – zejména jako zdroj třífázového střídavého napětí s proměnným kmitočtem a velikostí pro napájení střídavých motorů • Další využití – laboratorní zdroje, audio zesilovače, atd.
21
