TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky a mezioborových inženýrských studií Katedra elektrotechniky a elektromechanických systémů
VÝKONOVÉ POLOVODIČOVÉ PRVKY Učební text
Doc. Ing. Eva Konečná, CSc. Doc. Ing. Aleš Richter, CSc. Srpen 2000 1 VÝKONOVÉ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY
Výkonové polovodičové součástky jsou realizované na bázi monokrystalu křemíku (Si). Krystalická struktura křemíku je nevodivá, všechny valenční elektrony jednotlivých atomů jsou navzájem pevně vázané kovalentní vazbou. Jestliže je v této vazbě na některých místech atom Si nahrazen atomem 5-mocného prvku, např. antimonu Sb, jeden z jeho pěti valenčních elektronů nevytváří vazbu se sousedními atomy křemíku, ale působením elektrického pole E se pohybuje v mezimřížkovém prostoru - vzniká polovodič typu N. Znečisťující prvek se nazývá donor, s koncentrací 10-7-10-6. Pokud náhradu tvoří atom 3-mocného prvku, např. boru B, chybí v jeho valenčním pásmu jeden elektron a vytváří se díra. Působením elektrického pole E se díra pohybuje ve směru pole - vzniká polovodič typu P a znečisťující prvek se nazývá akceptor, obr.1.
Obr.1 Krystalická struktura křemíku Si a) ideální krystalická struktura, b) struktura s příměsí Sb-typ N, c) struktura s příměsí B-typ P Pokud jsou na jedné straně destičky monokrystalu křemíku donory a na druhé akceptory, vzniká na jejich rozhraní P-N přechod (S). V důsledku difúzních sil se volné elektrony pohybují do oblasti P, díry do oblasti N a v oblasti P-N přechodu se vytváří přechodová oblast s potenciálovou bariérou, zabraňující průtoku trvalého difúzního proudu. Po připojení na kladné napětí protéká P-N přechodem proud, nastává propustný režim, při opačné polaritě proud neprotéká a dioda je v závěrném režimu, obr.2. přechodová oblast
P
přechodová oblast
N
N
P
a)
b)
Obr.2 P-N přechod, vliv vnějšího napětí na závěrnou vrstvu a) propustný režim, b) závěrný režim P-N přechod propouští proud pouze v jednom směru, má tedy ventilový charakter s usměrňovacím účinkem. Struktury s P-N přechody jsou základem všech výkonových polovodičových součástek. 1.1 Diody
2
Dioda je polovodičová nelineární součástka s jedním P-N přechodem a vlastnostmi danými voltampérovou charakteristikou, obr.3.
a) b) Obr.3 a) struktura a schematická značka, b) voltampérová charakteristika Propustná větev odpovídá kladnému napětí na diodě. Je daná dvěma veličinami: - prahovým napětím UTO, které je v podstatě difúzním napětím v rozmezí 0,7 ÷ 0,9 V a - dynamickým odporem RD , který je daný odporem samotného polovodičového materiálu, dU F RD = . dI F Při jmenovitém proudu diody IFN je na ní úbytek napětí ΔUFN (asi 1,2 V). Může být zatížena podstatně vyšším proudem než je jmenovitý, ale jen po určitou dobu. Přechod z propustného do závěrného stavu je přechodným dějem nazývaným vypnutí nebo komutace diody. Již při malém napětí UR dosáhne proud hodnotu klidového závěrného proudu I0, který se už dále téměř nemění. Při dosažení napětí U(BR) závěrný proud začne velmi rychle narůstat. Tím roste i ztrátový výkon diody, který se mění na teplo a dioda se zničí, protože P-N přechod nevratně ztratí svoje závěrné vlastnosti. Diody nesmí být ani krátkodobě zatěžované napětím větším než U(BR). Napětí nesmí rovněž překročit tyto hodnoty: - špičkové závěrné opakovatelné napětí URRM, vyskytující se každou půlperiodu, - špičkové závěrné neopakovatelné napětí URSM, závisející na vnějších vlivech. Napětí URRM a URSM se uvádějí v katalogu jako jmenovité hodnoty. Pracovní napětí U U se volí jako polovina z rozsahu URRM, U = RRM . 2 Jmenovitý proud diody INAV je střední hodnotou půlvlny sinusového průběhu proudu, který teče diodou v jednocestném usměrňovači s ohmickou zátěží: π I 1 I NAV = . ∫ I max .sinω t. d (ωt ) = max . π 2π 0
3
Při práci diody vznikají ztráty, měnící se na teplo. Ztrátový výkon v propustném směru je daný součinem napětí na diodě UF a proudu diody. Střední hodnota výkonu je: π 1 Pp = . U F .I max .sinωt.d (ωt ) = U FN .I NAV . 2π ∫0 V závěrném směru teče diodou velmi malý proud, proto jsou ztráty asi o dva řády menší než v propustném směru a je možné je zanedbat. Diody, obvykle křemíkové, se vyrábějí v široké škále proudů i napětí. Současné špičkové parametry polovodičových diod: URRM = 5000 V, INAV = 9000 A. Velmi důležitým parametrem diod pro použití ve výkonové elektronice je také doba trvání přechodového děje, při kterém přejde dioda ze závěrného stavu do propustného a naopak. Pro většinu typů diod platí, že čas otevření je kratší než zavření Tato doba je označena symbolem trr a u velmi rychlých diod je udávána v nanosekundách. Normální usměrňovací diody se používají v běžných síťových aplikacích (50,60 Hz). Pro měniče s vysokým spínacím kmitočtem je nutné použít rychlé diody. U těchto diod je rychlý přechod z propustného do závěrného stavu dosažen tím, že je přechod N proveden velmi tenký a dioda má nižší proudovou a napěťovou zatížitelnost. 1.1.1 Schottkyho diody Využívají usměrňovacího jevu při styku kov - křemík. Vyznačují se nízkým úbytkem napětí v propustném směru UF < 0,5V, velkými závěrnými proudy silně závislými na teplotě přechodu a zanedbatelným komutačním nábojem. Patří mezi velmi rychlé diody. Jsou schopny usměrňovat až do kmitočtu 10 MHz. Maximální hodnota závěrného napětí je nižší než u ostatních typů diod. V současné době je maximální hodnota URRM = 150 V při INAV = 440 A. Schottkyho diody mají menší teplotní zatížitelnost přechodu, tj = 125 -175°C oproti klasickým diodám tj = 150 - 200°C, proto je nutné u Schottkyho diod věnovat zvýšenou pozornost jejich chlazení. 1.1.2 Ochranné diody U běžných diod je napěťový průraz destruktivní. Speciální diody, tzv.lavinové a Zenerovy, jsou vyrobeny tak, že na celé ploše PN přechodu nastává nedestruktivní napěťový průraz. Ztrátový výkon se vytváří na celé ploše přechodu a je možné jej z povrchu odvést. Závěrný průrazný proud může dosahovat značných hodnot při velkém rozsahu závěrného napětí 2 ÷ 300V. Lavinovou diodu je možné použít jako klasickou usměrňovací diodu, ale nejčastěji je používána v závěrném směru. Voltampérová charakteristika se podobá charakteristice běžné diody. Zenerovy diody se využívají zpravidla jako stabilizátory napětí. Mohou však být používány jako ochranné diody proti přechodnému přepětí. Ochranné diody vyvinuté pro tento účel použití se liší od běžných Zenerových diod homogennějším křemíkovým materiálem, příznivějším rozložením proudu na povrchu čipu, jeho geometrií, kontaktováním a pouzdřením. Často jsou nabízeny pod obchodním názvem TRANSZORB, ZAP, TRANSIL. Ochranné diody se velmi často zapouzdřují společně s tranzistory, obr.4.
4
a)
b)
Obr.4 Společné zapouzdření ochranné diody a a) výkonového unipolárního, b) bipolárního tranzistoru
1.2 Tyristory Tyristor (T) je spínací čtyřvrstvá polovodičová součástka s třemi P-N přechody. Na krajní vrstvě P je vyvedená anoda A, na krajní vrstvě N katoda K, řídící elektroda G je připojená na vnitřní vrstvu P (typ PNPN) nebo N (typ NPNP), obr.5.
Obr.5 a) struktura PNPN, b) schematická značka, c) voltampérová charakteristika Voltampérová charakteristika v závěrném směru (kvadrant I.) má podobný průběh jako u diody. Stejný význam mají i napětí URRM, URSM, U(BR)R. V závěrném směru nemá téci proud řídící elektrodou, zvyšuje se pak proud v závěrném směru a ztráty tyristoru. Blokovací vlastnosti (II.) - při připojení kladného napětí UD na anodu jsou přechody J1, J3 polarizované v propustném, přechod J2 v závěrném směru. Tyristorem teče jen malý blokovací proud ID. Při zvyšováni blokovacího napětí UD a překročení napětí U(BO) proud ID rychle narůstá, dojde k otevření blokujícího přechodu J2 a tyristor sepne - průběh III (nežádoucí spínání). Běžný způsob spínání tyristorů je přivedení krátkého ale intenzivního proudového impulsu iG z generátoru impulsů na řídící elektrodu, kdy tyristor sepne při nižším blokovacím napětí. Tento děj je nevratný a tyristor zůstává sepnutý i po zániku proudu iG. Propustné vlastnosti (IV.) - po sepnutí tyristoru pracovní bod skokem přejde na propustnou charakteristiku, tyristorem teče proud IT a je na něm úbytek napětí UT (asi 1,3 1,7 V). Když se působením vnějšího obvodu snižuje proud až na hodnotu vratného proudu IH, přejde T skokem z propustného do blokovacího režimu a tyristor vypne. Vypínání tyristorů - je možné jen tak, že vlivem vnějšího obvodu se jeho proud sníží na nulu (obr.6), vypnutí proudem řídící elektrody není možné. Tehdy se na T objeví napětí v závěrném směru UR, které musí být na T dostatečně dlouhou dobu toff, během které se obnovuje blokovací schopnost. Až potom se na T může objevit napětí v propustném směru UD. Čas toff se nazývá doba obnovení blokovací schopnosti a u rychlých T má hodnotu 10-40 μs.
Tyristory se vyrábí pro velký rozsah proudů i napětí, URRM = až 5000 V, ITAV = až 3500 A, uplatňují se hlavně jako bezkontaktní spínače proudů.
a) u
3
0
u
ωt
uR
Us
uR
α
iR
α
ωt
iR Is ωt
b) Obr.6 a) Vypínání tyristoru, b) vliv zapojení tyristoru do elektrického obvodu s odporovou zátěží 1.3 Bipolární tranzistory Bipolární (současně existuje elektronový i děrový proud) tranzistor je trojvrstvá polovodičová součástka struktury PNP nebo NPN. Má vyvedené tři elektrody, bázi B, emitor E a kolektor C, obr.7.
a)
b)
c)
Obr.7 a) tranzistor PNP, b) tranzistor NPN, c) princip činnosti tranzistoru NPN Podstatou činnosti je tranzistorový jev, který bude vysvětlen na tranzistoru NPN. Přechod emitor-báze je polarizovaný v propustném směru (napětí UC), v obvodě emitor-báze teče proud IE. Propustně polarizovaný přechod J1 vstřikuje do vrstvy P minoritní elektrony. Jejich podstatná část se dostává do závěrně polarizovaného přechodu J2, kde elektrony
6
ovlivňují jeho závěrné vlastnosti a způsobují zvýšení kolektorového proudu IC. Změnou emitorového proudu IE je možné ovládat výstupní kolektorový proud IC. Vlastnosti tranzistoru vyjadřuje proudový zesilovací činitel α, definovaný jako poměr změny kolektorového a Δ IC emitorového proudu: α = ≤ 1. Δ IE Tranzistor se nejčastěji používá v zapojení se společným emitorem (obr.8). Při nulovém proudu báze (IB=0) teče tranzistorem jen malý proud IC0, který se s rostoucím napětím UCE téměř nemění. Pro určitý bázový proud (IB=konst.) se zvyšujícím se napětím UCE proud IC nejdřív roste až do určitého nasycení, pak je téměř konstantní.
Obr.8 Zapojení tranzistoru se společným emitorem a jeho vnější charakteristiky Pokud pracuje tranzistor jako zesilovač, jeho pracovní bod (1) se pohybuje po odporové přímce RZ. Ztrátový výkon, přeměněný na teplo, je PZ = UCE . IC a je poměrně velký. K tomu, aby byl tranzistor sepnutý, musí téct bází dostatečný proud IB. Poměr kolektorového a bázového proudu se nazývá proudový zesilovací činitel a pro výkonové spínací tranzistory je jeho hodnota obvykle: I h 21E = C ≈ 8 . IB V polovodičových měničích se používá tranzistor jako spínač, ve spínacím režimu buď sepnutý nebo vypnutý. Jeho ztráty jsou pak malé, protože buď je malé saturační napětí UCEsat (2÷3 V), nebo jím teče malý proud IC0. Tranzistor v zapojení se společným emitorem jako bezkontaktní spínač je základním prvkem všech logických obvodů pro ovládání elektrických pohonů a číslicových počítačů. Bipolární tranzistory mají v současnosti parametry UCE až 1200 V, IC až 400 A. Významné jsou hodnoty spínacích časů, typické hodnoty: zapínací čas 3μs, vypínací čas 18 μs. Vzhledem ke krátkým spínacím časům mohou tranzistory pracovat se spínací frekvencí několik kHz, typická hodnota je 3 kHz. 1. 4 Unipolární tranzistory
Unipolární (MOSFET) tranzistor je tranzistor řízený elektrickým polem. Pracuje na principu řízené vodivosti kanálu, kterým protékají nosiče proudu jen jednoho typu. Je zhotovený z výchozího materiálu typu P, do kterého jsou difůzí vytvořené ostrůvky typu N. Na ně jsou připojené přívodní elektrody S (Source-emitor) a D (Drain-kolektor). Povrch
7
prvku je pokrytý velmi tenkou vrstvou kysličníku SiO2, kterým je odizolované hradlo G (obr.9). a) b) Obr. 9 a) Struktura a chematická značka tranzistoru MOSFET, b) voltampérové charakteristiky
1.5 GTO tyristory
GTO tyristor je podobně jako obyčejný tyristor spínací čtyřvrstvá polovodičová součástka s třemi P-N přechody (obr.10).
Obr.10 a) schematická značka, b) dvojtranzistorová analogie tyristorové struktury Speciální struktura a tvar vrstev mu však dává novou, významnou vlastnost: pomocí proudu řídící elektrody je možné GTO tyristor nejen zapnout, ale i vypnout. V náhradním modelu dvou tranzistorů PNP a NPN (obr 10b)) jsou činitelé proudového zesílení α1, α2 < 1. K sepnutí tyristorové struktury musí platit α1 + α2 ≥ 1. Sepnutí se rozšiřuje samovolně po celé ploše polovodičové struktury, vypíná se přivedením záporného proudového impulsu do řídící elektrody G. Zpětným proudovým impulsem se pak ovlivní činitel α2 tak, že bude α1 + α2 < 1 a struktura vypne. Podmínka zavření GTO tyristoru může být vysvětlena na zobrazeném modelu (obr.10 ). GTO tyristor se skládá ze dvou tranzistorů, T1 – typ PNP a T2 – typ NPN s proudovým zesílením α1 a α2. Řídící proud IB2 je tvořen rozdílem kolektorového proudu tranzistoru T1 a proudem řídící elektrodou G GTO tyristoru podle vztahu :
8
I B 2 = αI A − I G .
Proud IB2’ je nutný k otevření tranzistoru T2 a je dán vztahem : I B 2 = (1 − α 2 )I K , přičemž ještě musí platit : I A = I G + I E2 . ’ Jestliže IB2 < IB2 (IB2 je menší než nutný proud pro otevření IB2’), GTO tyristor přechází do vypnutého stavu. Z této podmínky se dá určit zavírací proud IG podle následujícího vztahu : I (α + α 2 − 1) IG > A 1 . '
α2
Poměr mezi řídícím proudem potřebným k zavření GTO tyristoru a anodovým proudem se nazývá vypínacím zesílením Goff. Maximální vypínací poměr Goffmax je dán vztahem : ⎛I ⎞ α2 . Goff max = ⎜⎜ A ⎟⎟ = ⎝ I G ⎠ max α 1 + α 2 − 1 O co větší je Goffmax , o to menší může být proud IG. GTO tyristor, který má větší Goffmax je efektivnější. Voltampérové charakteristiky GTO tyristoru mají podobný tvar jako má běžný tyristor. V sepnutém stavu se ale do řídící elektrody přivádí trvalý řídící proud (kladný), čímž se snižuje úbytek v propustném směru a ztráty. Ve vypnutém stavu se na řídící elektrodu přivádí záporné napětí (5 až 10 V), které odvádí s báze N zbytkové nosiče náboje. GTO tyristory se obvykle vyrábí pro vysoké parametry proudů a napětí a to: URRM = 4,5 kV, ITAV = 3 kA. Vypínací časy okolo 10 μs umožňují použít pracovní frekvenci do 1 kHz. 1.6 IGBT tranzistory
Vznikne spojením bipolárního tranzistoru - PNP a unipolárního tranzistoru MOSFET (NPN) (obr.11) s náhradním schématem podle obr.12. Používá se stejně jako bipolární tranzistor pro zesilování a spínání signálů a realizaci logických funkcí.
Obr.11 Vytvoření IGBT tranzistoru Spínací (PNP) a parazitní (NPN) tranzistor vytvářejí v podstatě tyristorovou strukturu, kde ale nesmí dojít k tyristorovému sepnutí, protože tranzistor by už nemohl vypnout. Ke spínání slouží řídící obvod s minimálním výkonem, který přivede pomocné napětí (UG) na hradlo G a IGBT sepne.
9
Obr.12 Náhradní schéma tranzistoru IGBT
Řídící elektroda unipolárního a IGBT tranzistoru představuje v náhradním obvodovém zapojení kondenzátor, který je při sepnutí tranzistoru nutno rychle nabít a při vypnutí je potřeba odsát náboj z řídící elektrody. Z tohoto důvodu se nejčastěji v budících obvodech používají dvojice komplementárních tranzistorů zapojených tak jak je naznačeno na obr.13.
Obr.13 Schéma budícího obvodu pro spínání FET a IGBT tranzistorů
Výhodami tranzistoru IGBT jsou: velký vstupní a výstupní odpor podmiňující nízké ztráty v sepnutém stavu, nízký budící příkon, malé spínací ztráty, vysoká spínací frekvence a velký rozsah pracovních napětí a proudů. Vyrábí se pro jmenovité napětí až do 1700 V a proudy do 400 ÷500 A. Významné jsou jejich krátké spínací časy okolo 1 μs, vypínací čas asi 2 μs. IGBT tranzistory proto mohou pracovat se spínací frekvencí až 20 kHz, která je nad pásmem slyšitelnosti. Nevýhodou je nebezpečí snadného proražení řídící elektrody, pokud není chráněna Zenerovou diodou. Význam těchto součástek je hlavně v tom, že umožňují výrobu diod, tranzistorů, kondenzátorů i odporů a tím i celých integrovaných obvodů jednotnou technologií. Dávají možnost velké hustoty integrace. Vzhledem k tomu, že struktura je velmi mělká, lze dosáhnout velké rozlišovací schopnosti. Pracovní bod lze nastavit již při výrobě bez použití vnějších součástek, tím se zjednoduší obvody pro nastavení a posouvání pracovního bodu. Proto jsou dnes integrované obvody MOS technologií základním stavebním prvkem mikroelektroniky.
1.7 IGCT tyristory
Křemíková tyristorová struktura (obr.14) je technologickým základem tří výkonových spínacích polovodičových součástek: klasických tyristorů (nelze vypnout řídícím impulsem), vypínacích tyristorů GTO a IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor).
Obr.14 Schematická značka, uspořádání tyristorové struktury a náhradní schéma Zapínání i poměry v zapnutém stavu jsou v zásadě shodné, liší se způsobem vypínání proudu, který jimi protéká. Z náhradního zapojení na obr.14b lze sledovat činnost součástek GTO i IGCT. Přechod J1 (P1N1) je závěrný, přechod J2 (P2N2) blokovací. Blokovací schopnost určuje průrazné napětí přechodu J2. Tyristorová struktura se zapíná řídícím proudovým impulsem iFG, přivedeným do báze náhradního tranzistoru VT1. Po zapnutí VT1 zapne i VT2, tím se mezi nimi uzavře kladná zpětná vazba a struktura je ve stabilním zapnutém stavu. Vypnutí GTO se dosáhne zrušením kladné zpětné vazby mezi VT1 a VT2 tak, že je na řídící elektrodu G vzhledem ke katodě K přiloženo záporné napětí. Emitorový přechod J3 (P2N2) přechází do vypnutého stavu a katodový proud IK během několika mikrosekund klesá k nule. Součástka IGCT je v podstatě velmi rychle vypínaný vypínací tyristor GTO. Proto musí být strmost nárůstu řídícího vypínacího proudu iRG extrémně vysoká. To způsobí, že dříve než se výrazně změní rozložení nábojů na jednotlivých přechodech tyristorové struktury, je celý anodový proud IA skokově převeden do řídící elektrody G. Tím je tranzistor VT1 skokově vyřazen a vypínání součástky GCT přechází na následné vypnutí tranzistoru VT2. Toto je základní rozdíl oproti způsobu vypnutí GTO. Přednosti struktury GCT při vypínání: je vyloučen pomalejší zánik katodového proudu IK (hrozí přehřátí), není omezena strmost nárůstu blokovacího napětí dUD/dt, obvod je jednodušší, zmenší se vypínací ztráty a zkrátí vypínací doba. Součástka IGCT v sobě slučuje hlavní výhody tyristoru (malý propustný úbytek a ztráty propustným proudem) s výhodami transistoru, resp. IGBT (výhodný způsob vypínání). Důvody pro využití součástek IGCT ve střídačích: - jsou konstrukčně výrazně jednodušší, robustnější a spolehlivější, - menší ztráty v sepnutém stavu (80 až 90 % oproti IGBT), - vysoké hodnoty parametru I2.t (tepelná kapacita) a neopakovatelného špičkového propustného proudu. 1.8 Triaky
Triak je pětivrstvá polovodičová součástka obsahující dvě výkonové elektrody A1 a A a řídící elektrodu G, obr.15. Je schopný vést střídavý proud - vede ve dvou směrech, do 2 vodivého stavu se dostane řídícím signálem libovolné polarity. Parametry V-A charakteristiky mají stejný význam jako u tyristoru, vzhledem k symetrickým vlastnostem triaku není rozlišen propustný a závěrný směr. Triak vypne, když anodový proud klesne pod velikost vratného proudu (jako u tyristoru). V obvodě se chová jako dvojice antiparalelně zapojených tyristorů s tím rozdílem, že musí vypnout během krátké
11
doby v okolí přechodu anodového proudu nulou. Proto je jeho použití omezené do kmitočtu asi 400 Hz.
1.9
Obr.15 Triak: a) struktura, b) schematická značka, c) voltampérová charakteristika Diaky
Diak má pětivrstvovou strukturu se čtyřmi přechody P-N a dvěma hlavními vývody A1, A2, nazývanými první a druhá anoda (obr.16a). Pokud by oba krajní přechody P-N nebyly zvláštně vyhotovené, na diaku by bylo v kladné i záporné půlperiodě napětí U21. Krajní přechody P-N jsou proto částečně zkratované kovovými kontakty hlavních vývodů. Diak sepne po připojení dostatečně velkého kladného nebo záporného napětí U21= U(B01) nebo U21 = U(B02), nazývaného spínací napětí (obr.16b). V zapnutém stavu protéká diakem propustný proud, ohraničený vnějším odporem obvodu. Napětí na diaku je malé, dosahuje několik voltů. Obr.16 Diak: a) struktura a schematická značka, b)voltampérová charakteristika
Diaky se nejčastěji používají jako ochranné přepěťové prvky ve spínaných zdrojích, kdy po dosažení přepětí vypnou trvale spínaný zdroj. Časté je také použití ve startovacích obvodech volně kmitajících měničů (s proměnlivou frekvencí), diak v nich zajišťuje první impuls po připojení napájecího napětí. 1. 10 Optoelektronické prvky
Optoelektronické prvky mění elektrickou energii na světelnou nebo naopak. Přenos informací pomocí světelné energie, t.j. elektromagnetických vln ležících v optické části spektra, umožňuje aplikace optoelektronických zařízení v mnoha dalších oborech (výpočetní technika, automatizace v průmyslu, optická sdělovací technika). Základní prvky jsou polovodičové zdroje záření (elektroluminiscenční dioda, laserová dioda), které přímo mění elektrickou energii na optickou a detektory záření (fotodioda, fototranzistor, fototyristor), převádějící energii optického záření na jinou měřitelnou veličinu. 12
Fotoodpor je vyrobený z polykrystalického polovodiče na bázi sirníku kademnatého. Vlivem vnitřního fotoelektrického jevu klesá při osvětlování odpor fotoodporu s lineární V-A charakteristikou. Vyrábějí se s různými hodnotami odporů, od několika set ohmů (měřeno pro 1000 lx) a pro výkonové zatížení od desítek mW do 2 W. Zapojují se do stejnosměrných i střídavých obvodů, jsou spolehlivé a citlivé. Mají velkou časovou konstantu, proto jsou nevhodné pro použití v dynamickém režimu. Fototyristor je čtyřvrstvá křemíková trioda spínaná zářením o vlnové délce z oblasti infračerveného nebo viditelného záření. Kromě toho může být ovládaný řídící elektrodou jako běžný tyristor, obr.17.
Obr.17 Struktura a schematická značka
Aby fototyristor sepnul, musí na danou plošku dopadnout určité množství světelné energie, asi 0,7 až 10 mV.cm-2. Velikost potřebného účinného osvětlení klesá se zvyšujícím se anodovým napětím. Dalším oddělovacím členem může být fotodioda s jedním P-N přechodem. Chová se jako zdroj energie, přímo měnící světelnou energii na elektrickou, obr.18.
Obr.18 a) princip činnosti, b) značka, c) V-A charakteristika, d) zapojení v obvodu.
Fotodiody se používají jako optoelektronické snímače různých neelektrických veličin (poloha, otáčky), jako čtecí zařízení a pod. Fototranzistor je optoelektronický prvek, v němž je jako fotodetektor použita báze a emitor tranzistoru. Proud vzniklý absorpcí dopadajícího záření je zesílen tranzistorovým jevem. Proudová citlivost fototranzistorů je o 1 až 2 řády větší než u fotodiod, mají ale horší dynamické vlastnosti. Je to nejběžnější fotoelektrický snímač pro dvoustavovou soustavu světlo-tma. Optoelektrické spínací prvky nahrazují a zdokonalují funkci pomocných relé. Jsou to konstrukční prvky obsahující optoelektronické oddělení mezi vstupním a výstupním obvodem, řídící obvody a výkonový spínací prvek, obr.19. Řídící logika zajišťuje různé způsoby spínání zátěže.
13
Obr.19 Zapojení optoelektronických relé Výkonovými spínacími prvky pro zátěž na výstupu obvodu mohou být všechny dříve zmíněné prvky (tyristory, triaky, tranzistory apod.), integrované spínané prvky nebo polovodičová relé. 2. INTEGROVANÉ SPÍNACÍ MODULY (SOLID STATE RELEAY)
Integrované spínací moduly slouží jako náhrada klasických elektromechanických spínačů, relé, případně stykačů. V anglické terminologii se pro tyto moduly používá jednotný název Solid State Releay - SSR, který používá většina výrobců. Nejvýstižnější překlad, ne však doslovný, je asi polovodičová relé. Jsou vybaveny jednoduchou řídící logikou, která je galvanicky (opticky) oddělena od výkonové části. Řídící signály jsou přizpůsobeny TTL logice (Transistor-Transistor-Logic, 5V), takže je možné tyto moduly ovládat přímo z výstupů počítačů. Jako spínací prvky se používají všechny současné typy výkonových polovodičových součástek, tak jak jsou uvedeny v předchozí kapitole. Jednotlivé typy modulů se liší podle způsobu použití. Je možné rozdělit je na střídavé a stejnosměrné. 2.1 Střídavé moduly SSR
Slouží ke spínání jednofázových a třífázových síťových napětí (do 1000V, 50Hz) v širokém proudovém rozpětí od 1A až 100A. Podle způsobu spínání je můžeme dělit na: - střídavé moduly se spínáním v nule – spínají, jestliže je přítomen řídící signál a prochází-li síťové napětí nulou. Režim sepnutí je naznačen na následujícím obr.20.
Obr.20 Střídavý modul SSR se spínáním v nule, režim činnosti Tento způsob spínání se používá pro řízení a regulace tepelných a světelných spotřebičů, především je určen pro odporové zátěže. - Střídavé moduly s analogovým spínáním se svojí činností přibližují triakům s galvanicky odděleným řízením. Závislost mezi velikostí řídícího signálu a úhlem otevření je synchronizována a linearizována. Jako řídící signál se používá nejčastěji stejnosměrné napětí v rozsahu 0÷5 V nebo standardní proudová smyčka 4÷20mA, obr.21.
14
Tento způsob řízení spínání se nejvíce používá v případech, kde je požadován měkký rozběh, např. SOFT-START nebo motory osvětlovacích lamp. Díky poměrně dobré stabilitě přenosu je možné modul použít jako regulátor v uzavřené regulační smyčce. -
Střídavé moduly s okamžitým sepnutím jsou nejjednodušší. Spínají okamžitě, jakmile řídící signál dosáhne požadované úrovně bez ohledu na to, v jaké fázi se nachází vstupní napětí. Doba odezvy je většinou kratší než 1ms.
- Střídavé moduly se spínáním v maximu spínají, jestliže je přítomen řídící signál a je-li síťové napětí ve vrcholu. Režim sepnutí je naznačen na obr.22.
Obr.21 Střídavý modul SSR s analogovým spínáním, režim činnosti
Obr.22 Střídavý modul SSR se spínáním v maximu, režim činnosti
Tento speciální případ spínání se používá pro induktivní zátěže se železným remanentním jádrem, kde je požadován první velký proudový impuls ke změně magnetizace, obr.23.
Obr.23 Způsob připojení 3-fázového polovodičového relé k napájecí soustavě při spínání asynchronního motoru 2.2 Stejnosměrné moduly SSR
Stejnosměrné moduly jsou určeny pro spínání stejnosměrných výkonů, nejčastěji se používají pro řízení stejnosměrných motorů. Na rozdíl od střídavých modulů je zde dosahováno mnohem kratších dob sepnutí, přibližně do 100 μs.
2
Polovodičová relé postupně vytlačují v nových konstrukcích klasické elektromechanické spínače. Jejich hlavní předností je podstatně větší životnost (109 spínacích cyklů). Dále odpadají rušivé mechanické vibrace, které provázejí sepnutí stykačů a relé. Při spínání nedochází k vytvoření oblouku a výbojů jako u mechanických kontaktů. Polovodičová relé jsou z hlediska elektromagnetické kompatibility daleko příznivější než mechanické spínače.
16
OBSAH 1. Výkonové polovodičové součástky ……………………………………………
1.1 Diody 1.1.1 Schottkyho diody 1.1.2 Ochranné diody 1.2 Tyristory 1.3 Bipolární tranzistory 1.4 Unipolární tranzistory 1.5 GTO tyristory 1.6 IGBT tranzistory 1.7 IGCT tyristory 1.8 Triaky 1.9 Diaky 1.10 Optoelektronické prvky
…………………………………………. ..…..…………………………………… ………………………………………… ……………………………………………. ……………………………………………. ……………………………………………. …………………………………………… ……………………………………………. …………………………………………… ……………………………………………. ………………………………………….. …………………………………………
2. Integrované spínací moduly ( Solid State Rellay )
…………………………….
……………………………………………… 2.1 Střídavé moduly SSR 2.2 Stejnosměrné moduly SSR ……………………………………………. 3. Obsah ……………………………………………… 17
17
2 3 4 4 5 6 7 8 9 11 12 12 13 14 14 16
