TELJESÍTMÉNYELEKTRONIKA

TELJESÍTMÉNYELEKTRONIKA AC

Egyenirányító

Váltakozó áramú szaggató Frekvenciaváltó

AC

Váltóirányító (Inverter)

DC Egyenáramú szaggató

DC

Félvezetők kristályszerkezete A kristályrácsban minden Si atomot négy szomszédos atom vesz körül

A hőmérséklet növekedésével megindul a vegyértékelektronok kilépése a kötésből, az atomokban elektronhiány, lyuk keletkezik (termikus párképződés), amely egy elektronnal találkozva megszűnik. A töltések újraegyesülése a rekombináció.

A Si atom külső elektronhéján 4 vegyértékelektron van, ezek hozzák létre a kovalens kötést.

1: lyuk 2: szabad elektron

A termikus töltéshordozók saját, intrinsic vezetést hoznak létre.

Félvezetők p-n átmenete Az n réteg donor atomjainak többségi töltéshordozó elektronjai a rétegek különböző töltéssűrűsége miatt diffúziós módon átvándorolnak a p rétegbe, a p rétegben lévő lyukak pedig az n rétegbe vándorolnak a rétegek érintkezési felületénél. A rétegek átmeneténél a kétféle töltéshordozó találkozik és semlegesíti egymást, rekombináció jön létre. A határrétegben a szabad töltéshordozók megszűnnek, csak a helyhez kötött + és – ionok által létesített tértöltési tartomány alakul ki. A tértöltés villamos teret hoz létre, amely elindítja a kisebbségi töltéshordozók csekély mértékű drift (sodródási) áramát. A tértöltési tartomány szélessége 1-10 nm között van.

p-n átmenet záróirányú igénybevétele

p-n átmenet nyitóirányú igénybevétele

Félvezető dióda karakterisztikái Dióda rajzjele: Si dióda nyitóirányú karakterisztikája 7

K

A anód K katód

Kb 0,4 V feszültség alatt gyakorlatilag nem folyik áram, utána exponenciálisan növekszik 0,7 V-ig, majd a nyitóirányú feszültséggel közel arányos a változása.

6 IF [mA]

5 4 3 2 1

0 400m

A

500m

600m 700m UF [V]

800m

Si dióda záróirányú karakterisztikája UR

könyökpont

I U IR A

A könyökpontig gyakorlatilag nem folyik áram, utána exponenciálisan növekszik a letörésig, ahol a rétegben folyó áram akár a kristály olvadását okozhatja, a félvezető tönkremegy.

Félvezető diódák jelleggörbéi Si és Ge rétegdióda nyitó -és záróirányú jelleggörbéi.

0,3

A Ge dióda kisebb feszültségnél nyit, azonban nagyobb a nyitóirányú ellenállása, míg a Si dióda nagyobb feszültségnél nyit, de a nyitóirányú ellenállása kisebb, valamint jóval nagyobb záróirányú feszültséget visel el. A Si dióda záróirányú árama 2-3 nagyságrenddel kisebb a Ge dióda záróirányú áramánál, azonkívül letörési feszültsége nagyobb a Ge diódáénál.

A diódák legfontosabb jellemzői: In, névleges áram: a nyitó irányban tartósan megengedhető legnagyobb szinusz félhullámú áram lineáris középértéke URRM, záró feszültség: a záró irányban megengedett legnagyobb periodikusan ismétlődő feszültség maximális értéke

Tirisztor

Különleges tirisztorok GTO (Gate-Turn-Off) Kikapcsolható tirisztor

Triac, szimisztor Szimmetrikus tirisztor

Bipoláris tranzisztor NPN

A két PN átmenettel rendelkező rétegtranzisztorokat bipoláris tranzisztornak nevezzük, a réteg sorrendjétől függően megkülönböztetünk NPN vagy PNP felépítésű tranzisztorokat. Kivezetéseit B, E, C betűkkel jelöljük. Jelentésük B bázis (alapréteg), E emitter (kibocsátó réteg), C kollektor (gyűjtő réteg). Az egyes rétegek különböző mértékben vannak szennyezve. Anyaguk elsősorban Si, szilícium, különleges célokra Ge anyagot is használnak. A tranzisztorok működésének alapja az, hogy a B-E közötti átmenet nyitó irányban van előfeszítve, míg a B-C közötti átmenet záró irányban van előfeszítve. Az UBE feszültség gyorsítja a töltéshordozókat, amelyek a bázisrétegbe jutnak, és a B-C réteg átmenetét elárasztják, az vezetővé válik, a töltéshordozók 95-99 %-a eljut a kollektorba. Az áramok kapcsolata: IE = IC+IB

tranzisztor PN átmeneteinek előfeszítése

Tranzisztorok rajzjelei, (diszkrét alkatrészként) PNP

NPN

C

C B

B E

E

Bipoláris tranzisztor jelleggörbéi közös emitterű kapcsolásban Bemeneti jelleggörbe

Kimeneti jelleggörbe

M

UCE IB UCE

Tranzisztor kapcsolóüzeme:

IC

Unipoláris tranzisztor: FET N csatornás térvezérlésű tranzisztor felépítése és rajzjele Drain D

Gate G

Source

S

A tranzisztor vezérlésében fontos szerepet játszik a villamos tér, emiatt Field Effect Transistor -FET térvezérlésű tranzisztor a neve, ezen kívül a terhelő áram csak egy azonos vezetési típusú , egyfajta rétegen halad keresztül: N vagy P rétegen folyik át, emiatt unipoláris tranzisztornak is nevezik. A drain csatlakozóra pozitív, a source pontra negatív feszültséget kapcsolva az N rétegen át elektronáram folyik. A kristályon feszültség esik, amely a PN átmeneteket záróirányban polarizálja.

A záróréteges FET PN átmeneteit mindig záróirányban kell előfeszíteni! Az elektronok csak a két záróréteg közti csatornában tudnak áramlani. Ha a gate-re negatív feszültséget kapcsolunk, a záróréteg szélesebb, a csatorna szűkebb lesz, megnő az ellenállása. Az UG feszültséggel a draináramot teljesítmény nélkül lehet vezérelni, mivel a gate-n áram nem folyik

N csatornás J - FET Bemeneti jelleggörbe

Kimeneti jelleggörbe

P

Különböző áramú tranzisztorok

Különleges tranzisztorok: IGBT, MCT

Áramirányító kapcsolások Egyenirányító kapcsolások csoportosítása:

Fázisszám (m): Útszám (s): Ütemszám(p):

1, 2, 3, 6 ... 1, 2 1, 2, 3, 6 …

Vezérlési mód:

vezéreletlen (diódás) vezérelt (tirisztoros)

Terhelés modellje:

R soros R – Uo soros R – L soros R – L – Uo párhuzamos R – C

1F1U1Ü, D, R

1 π 2 U = 0,45 U Ud = ∫ 2 U sin ωt dωt = 2π 0 π

Ud Id = R

1 π U 2 2 ( ) = 0,707 U Ueff = ∫ 2U sin ωt dωt = 2π 0 2

Ueff Ieff = R

Uzm = 2 U

2F1U2Ü, D, R

2 π 2 2 U = 0,9 U Ud = ∫ 2 U sin ωt dωω= 2π 0 π 2 π 2 2 ( ) Ueff = ∫ 2U sin ωt dωt = U 2π 0

Uzm = 2 2 U

1F2U2Ü, D, R

Uzm = 2 U

3F1U3Ü, D, R

5π 6

3 3 6 Ud = Uf =1,17Uf ∫ 2 Uf sin ωt dωt = 2π π 2π 6 5π 6

3 3 3 2 2 Ueff = Uf =1,19 Uf ∫ ( 2 Uf ) sin ωt dωt = 1+ 2π π 4π 6

Uzm = 2 Uv = 6 Uf

3F2U6Ü, D, R

2π 3

6 3 2 Ud = Uv =1,35 Uv = 2,34 Uf ∫ 2 Uv sin ωt dωt = 2π π π 3 2π 3

6 3 3 2 2 Ueff = U v =1,35 U v = 2,34Uf ∫ ( 2 U v ) sin ωt dωt = 1+ 2π π 2π 3

Uzm = 2 Uv = 6 Uf

Tirisztoros egyenirányítók R terheléssel 1F1U1Ü, T, R

1 π 2 1 + cos α U (1 + cos α )= Udo Udα = ∫ 2 U sin ωt dωt = 2π α 2π 2

2F1U2Ü, T, R

2 π 2 1 + cos α ( ) U 1 + cos α = Udo Udα = ∫ 2 U sin ωt dωt = 2π α 2π 2

3F1U3Ü, T, R

π 0≤α ≤ 6

5π +α 6

folyamatos áramvezetés

3 3 6 Udα = Uf cos α = Udo cos α ∫ 2 Uf sin ωt dωt = 2 π π +α 2π 6

3F1U3Ü, T, R

π 5π ≤α ≤ 6 6

szaggatott áramvezetés

3 π Udα = ∫ 2 Uf sin ωt dωt 2 π π +α 6

3F2U6Ü, T, R

π 0≤α ≤ 3

folyamatos áramvezetés

2π +α 3

6 3 6 Udα = Uf cosα = Udo cosα ∫ 2 Uv sin ωt dωt = 2 π π +α π 3

π 2π ≤α ≤ 3 3

szaggatott áramvezetés

6 π Udα = ∫ 2 U v sin ωt dωt 2 π π +α 3

1F1U1Ü, D, R - Uo

Uo α1,2 = arc sin 2U

1 α2 Ud = ( ∫ 2 U sin ωt dωt + Uo (2 π - α2 + α1) ) 2 π α1

Ud - Uo Id = R

Uzm = 2 U + Uo

3F1U3Ü, D, R-Uo

3 α2 2π Ud = ( ∫ 2 Uf sin ωt dωt + Uo ( - α2 + α1) ) 2 π α1 3

3F1U3Ü, T, R - Uo

Az egyenirányított feszültség és áram időfüggvénye különböző gyújtásszögek és különböző beiktatott egyenfeszültségek esetén

1F1U1Ü, D, R-L

ud = uR + uL

di d 2 U sin ωt = id R + L dt

id =

2U 2

2

R +ω L

2

1 αv Ud = ∫ 2 U sin ωt dωt αv = f (L R ) 2π 0 Ud Id = R

UL = 0!!!

(sin(ωt - φ) + sin φ e π ≤ αv ≤ 2π

R - t L )

3F1U3Ü, D, R-L

1F1U1Ü, D, R-C

iD = id + iC Ha D vezet:

2U sin ωt id = R

iC = 2U ωC cosωt

2U (sin ωt + ωRC cos ωt ) iD = R Vezetés vége:

iD( t1)=0

t1 = arc tg (- RC)

1F1U1Ü, D, R-C

Ha D nem vezet: id = -iC

ud = 2U sin ω t1 e

-

t -t1 RC

∠

ωt 2 ωt -ω t1 2U ωt1 2U cos ωτ - 1 ( ∫sin ωt dωt + ∫ sin ω t1 e ωRC dωt ) = Ud = 2π ωt o 2π cos ω t1 ωt1

Ud Id = R

U zm legfeljebb 2 2 U

R-L-Uo terhelés

u d = u R + u L + Uo di d 2 U sin ωt = id R + L + Uo dt 1F1U1Ü, D

3F1U3Ü, D

Inverter üzem Pd = Ud Id

egyenirányító Pd > 0, Id > 0, Ud > 0 váltóirányító Pd < 0, Id > 0, Ud < 0

Folyamatos vezetés ( L>>R): Ud =Udo cos Feltételei: a) legyen Uo b) > 90o c) Uo< Ud

Egyenáramú szaggató Feladata: az egyenfeszültség lineáris középértékének változtatása

Elvi kapcsolás:

u U UT

K U

uT

uT t

R

tb

tk

R terhelés: hullámos feszültség és áram Kapcsoló lehet: BJT, FET, GTO

tb UT =U tb + tk

Egyenáramú szaggató Hullámosság csökkentése: soros L (erősáramban) L

K

Hullámosság csökkentése:

iT uT

U

u U UT

R

- Adott kapcsolási frekvenciánál L/R növelésével

uT iTR t tb

tk

- Adott L/R-nél a kapcsolási frekvencia növelésével

Váltakozó áramú szaggató Feladata: a váltakozó feszültség effektív értékének a változtatása

Kényszerkommutációs inverter R terhelés u

U

R

u i

U

t

Kényszerkommutációs inverter R-L terhelés u U R

u i

L

U t

A feszültség nagyságának változtatása u i

u

U

U t

t

Korábbi kikapcsolás u

Azonos szélességű impulzusok U t

Impulzus szélesség moduláció (ISZM vagy PWM)

Frekvenciaváltó - közvetlen (ciklokonverter)

A és B háromfázisú, hídkapcsolású, vezérelt egyenirányító

Közvetlen frekvenciaváltó időfüggvényei Trapéz

Szinusz

Frekvenciaváltó - közbenső egyenáramú körös