Orbis pictus21. století

Tato prezentace byla vytvořenav rámci projektu

Polovodičové prvky v Polovodičové prvky v usměrňovačích usměrňovačích

OB21-OP-EL-ELN-JANC-U-2-005 OB21-OP-EL-ELN-JANC-U-2-005

Polovodičové prvky v Polovodičové prvky v usměrňovačích usměrňovačích

V polovodičových usměrňovačích se dnes používají moderní V polovodičových usměrňovačích se dnes používají moderní prvky. prvky.

Jedná se především o polovodičové diody a v řízených Jedná se především o polovodičové diody a v řízených usměrňovačích se používají tyristory, diaky a triaky. usměrňovačích se používají tyristory, diaky a triaky.

Usměrňovače mohou být v provedení jak jednofázovém, tak i Usměrňovače mohou být v provedení jak jednofázovém, tak i ve vícefázovém – nejčastěji ve třífázovém.ve vícefázovém – nejčastěji ve třífázovém.

Polovodičové prvky v Polovodičové prvky v usměrňovačíchusměrňovačích

Jako polovodičové diody se používají plošné diody. Jako polovodičové diody se používají plošné diody.

Jedná se zpravidla o křemíkové diody a používají se od Jedná se zpravidla o křemíkové diody a používají se od malých proudů v řádu miliampér až po výkonové křemíkové malých proudů v řádu miliampér až po výkonové křemíkové diody, které jsou schopné usměrňovat proudy až v řádech diody, které jsou schopné usměrňovat proudy až v řádech stovek ampér.stovek ampér.

Základem plošných diod je destička z křemíku typu N, ve Základem plošných diod je destička z křemíku typu N, ve které se difúzní technologií vytvoří vrstva typu P. které se difúzní technologií vytvoří vrstva typu P.

Křemíková destička je připájena na kovovou podložku, která Křemíková destička je připájena na kovovou podložku, která pomáhá odvádět teplo. pomáhá odvádět teplo.

Polovodičové prvky v Polovodičové prvky v usměrňovačíchusměrňovačích

Použití usměrňovacích plošných diod je široké. Od využití ve Použití usměrňovacích plošných diod je široké. Od využití ve sdělovací technice, spotřební elektronice až po výkonové sdělovací technice, spotřební elektronice až po výkonové usměrňovače v dopravě (trolejbusy, lokomotivy).usměrňovače v dopravě (trolejbusy, lokomotivy).

Dnes jsou často polovodičové diody používané v zapojeních s Dnes jsou často polovodičové diody používané v zapojeních s neřízeným usměrňovačem nahrazovány modernejšími prvky neřízeným usměrňovačem nahrazovány modernejšími prvky jako jsou tyristory a triaky v zapojeních se řízeným jako jsou tyristory a triaky v zapojeních se řízeným usměrňovačem. usměrňovačem.

Polovodičové prvky v Polovodičové prvky v usměrňovačíchusměrňovačích

Tyto řízené usměrňovače umožňují regulovat Tyto řízené usměrňovače umožňují regulovat bezztrátověbezztrátově napětí a výkon dodávaný do zátěže usměrňovače. napětí a výkon dodávaný do zátěže usměrňovače.

Tyristory a triaky se používají i v dalších řídících a Tyristory a triaky se používají i v dalších řídících a automatizačních obvodech např. na řízení motorů, na spínání automatizačních obvodech např. na řízení motorů, na spínání výkonu. výkonu.

V těchto obvodech nahrazují elektromechanické stykače, V těchto obvodech nahrazují elektromechanické stykače, jističe, relé, vypínače atd.jističe, relé, vypínače atd.

Polovodičové prvky v Polovodičové prvky v usměrňovačíchusměrňovačích

Při srovnání s elektromechanickými spínači jsou tyristorové Při srovnání s elektromechanickými spínači jsou tyristorové spínače výhodné: spínače výhodné:

tam kde je velká četnost spínání, tam kde je velká četnost spínání,

v korozním a výbušném prostředí v korozním a výbušném prostředí

a na těch místech, kde se požaduje velká spolehlivost spínače.a na těch místech, kde se požaduje velká spolehlivost spínače.

TyristorTyristor

Jedná se o základní součástku řízených usměrňovačů. Jedná se o základní součástku řízených usměrňovačů.

Jeho funkce je založena na tzv. tyristorovém jevu, tj. Jeho funkce je založena na tzv. tyristorovém jevu, tj. lavinovém přechodu z blokovacího do propustného stavu.lavinovém přechodu z blokovacího do propustného stavu.

Tyristor je vlastně spojení dvou bipolárních tranzistorů ve Tyristor je vlastně spojení dvou bipolárních tranzistorů ve čtyřvrstvé struktuře s třemi přechody PN. čtyřvrstvé struktuře s třemi přechody PN.

TyristorTyristor Tyto přechody ovlivňují činnost součástky ve třech základních Tyto přechody ovlivňují činnost součástky ve třech základních

stavech, které jsou:stavech, které jsou:

závěrný stavzávěrný stav blokovací (vypnutý) stavblokovací (vypnutý) stav propustný (sepnutý) stavpropustný (sepnutý) stav

V praxi je možné konstruovat tyristory typu PNPN a NPNP. V praxi je možné konstruovat tyristory typu PNPN a NPNP.

Oba typy se rozlišují podle toho, ke které vrstvě je připojena Oba typy se rozlišují podle toho, ke které vrstvě je připojena řídící elektroda — buď k vnitřní vrstvě P nebo N. řídící elektroda — buď k vnitřní vrstvě P nebo N.

TyristorTyristor

Obr.1 Tyristor PNPN - základní uspořádání vrstev a jejich schematické značení

TyristorTyristor

V praxi se používá pouze struktura PNPN, poněvadž u V praxi se používá pouze struktura PNPN, poněvadž u struktury NPNP se z fyzikálně technologických důvodů nedaří struktury NPNP se z fyzikálně technologických důvodů nedaří dosahovat potřebných parametrů. dosahovat potřebných parametrů.

Princip řízeného usměrňovačePrincip řízeného usměrňovače

Podstata řízení výkonu zátěže spočívá v tom, že proud protéká Podstata řízení výkonu zátěže spočívá v tom, že proud protéká příslušným spotřebičem jen po čas půlperiody napájecího příslušným spotřebičem jen po čas půlperiody napájecího napětí. napětí.

Tento interval je určen časovým úsekem, po který je tyristor Tento interval je určen časovým úsekem, po který je tyristor vodivý. vodivý.

Okamžik zapnutí můžeme řídit buď ručně nebo je odvozen z Okamžik zapnutí můžeme řídit buď ručně nebo je odvozen z požadovaných podmínek, a pak se o zapnutí starají řídící požadovaných podmínek, a pak se o zapnutí starají řídící obvody.obvody.

Princip řízeného usměrňovačePrincip řízeného usměrňovače Vlastní činnost je následující: pokud se nepřivede spouštěcí Vlastní činnost je následující: pokud se nepřivede spouštěcí

impuls, je tyristor nevodivý, obvodem neprochází proud, na impuls, je tyristor nevodivý, obvodem neprochází proud, na zátěži nevzniká úbytek napětí a příkon ve spotřebiči je nulový.zátěži nevzniká úbytek napětí a příkon ve spotřebiči je nulový.

Celé napětí drží tyristor. Po sepnutí napětí na tyristorů Celé napětí drží tyristor. Po sepnutí napětí na tyristorů poklesne na zanedbatelnou hodnotu a prakticky celá hodnota poklesne na zanedbatelnou hodnotu a prakticky celá hodnota napájecího napětí se objeví na zátěži. napájecího napětí se objeví na zátěži.

Tento stav trvá tak dlouho, než napájecí proud poklesne pod Tento stav trvá tak dlouho, než napájecí proud poklesne pod hodnotu přídržného proudu IH. Tím dojde k vypnutí tyristorů, hodnotu přídržného proudu IH. Tím dojde k vypnutí tyristorů, zaniká proud v obvodu a do zátěže přestává být dodáván zaniká proud v obvodu a do zátěže přestává být dodáván příkon. příkon.

Princip řízeného usměrňovačePrincip řízeného usměrňovače

Obr.2 Princip řízeného usměrňovačeGI - generátor spouštěcích impulsů Y - úhel otevření

TriakTriak Triak je jednoslovný název pro obousměrný triodový tyristor Triak je jednoslovný název pro obousměrný triodový tyristor

neboli pětivrstvý triodový tyristor. neboli pětivrstvý triodový tyristor.

Jedná se tedy o pětivrstvou součástku NPNPN (PNPNP se z Jedná se tedy o pětivrstvou součástku NPNPN (PNPNP se z technologických důvodů nepoužívá). technologických důvodů nepoužívá).

Vývoj triaku byl motivován snahou nahradit antiparalelní Vývoj triaku byl motivován snahou nahradit antiparalelní zapojení dvou tyristorů jediným prvkem. zapojení dvou tyristorů jediným prvkem.

Oproti dvěma diskrétním antiparalelním tyristorům se však u Oproti dvěma diskrétním antiparalelním tyristorům se však u triaku uplatňují některé nové jevy, jako například, že se tato triaku uplatňují některé nové jevy, jako například, že se tato součástka může spínat i záporným řídícím signálem, takže se součástka může spínat i záporným řídícím signálem, takže se může použít pro spínání střídavého napětí.může použít pro spínání střídavého napětí.

Obr.3 Pětivrstvá struktura: a) princip,

b) princip zkratování krajních přechodů PN,

c) reálná struktura triaku NPNPN s přídavnou elektrodou AG,

d) schematická značka

TriakTriak

Triak může spínat střídavý proud procházející mezi hlavními Triak může spínat střídavý proud procházející mezi hlavními elektrodami A: a A2 a řídí se proudem libovolné polarity mezi elektrodami A: a A2 a řídí se proudem libovolné polarity mezi elektrodou a řídící elektrodou (G).elektrodou a řídící elektrodou (G).

Triaky se používají v malovýkonových obvodech spotřební Triaky se používají v malovýkonových obvodech spotřební elektroniky jako různé regulátory výkonu. elektroniky jako různé regulátory výkonu.

Diak (spínací třívrstvá dioda) Diak (spínací třívrstvá dioda)

Jedná se vlastně o symetrický lavinový tranzistor. Jedná se vlastně o symetrický lavinový tranzistor.

Nemá řídící elektrodu a je spínán překročením blokovacího Nemá řídící elektrodu a je spínán překročením blokovacího napětí napětí UUB0B0, a to jak kladné, tak i záporné polarity. , a to jak kladné, tak i záporné polarity.

Vyznačuje se symetrickou V-A charakteristikou s oblastí Vyznačuje se symetrickou V-A charakteristikou s oblastí záporného diferenciálního odporu, ale s dosti značným záporného diferenciálního odporu, ale s dosti značným úbytkem napětí v propustném směru.úbytkem napětí v propustném směru.

Diak (spínací třívrstvá dioda)Diak (spínací třívrstvá dioda)

Přivedeme-li na diak vnější napětí bez přihlédnutí na jeho Přivedeme-li na diak vnější napětí bez přihlédnutí na jeho polaritu — jeden z jeho přechodů PN je polarizován v přímém polaritu — jeden z jeho přechodů PN je polarizován v přímém směru a druhý ve směru závěrném. směru a druhý ve směru závěrném.

Jakmile však přiložené napětí dosáhne hodnoty U Jakmile však přiložené napětí dosáhne hodnoty U (B0)(B0)+ , + ,

menšinové nosiče injektované z přechodu PN polarizovaného menšinové nosiče injektované z přechodu PN polarizovaného v přímém směru dosáhnou ochuzenou oblast přechodu PN, v přímém směru dosáhnou ochuzenou oblast přechodu PN, který je polarizován v závěrném směru, a vyvolají zde který je polarizován v závěrném směru, a vyvolají zde lavinové násobení nosičů. lavinové násobení nosičů.

Prudce vzroste procházející proud a napětí na diaku poklesne. Prudce vzroste procházející proud a napětí na diaku poklesne.

Diak (spínací třívrstvá dioda)Diak (spínací třívrstvá dioda)

Diaky se používají k ochraně při přepětí (např. tranzistorů Diaky se používají k ochraně při přepětí (např. tranzistorů MOS) a pro řídící obvody tyristorů a triaků, přičemž řídící MOS) a pro řídící obvody tyristorů a triaků, přičemž řídící obvody vycházejí velmi jednoduché a plně vyhovující pro obvody vycházejí velmi jednoduché a plně vyhovující pro jednodušší aplikace.jednodušší aplikace.

Diak (spínací třívrstvá dioda)Diak (spínací třívrstvá dioda)

Obr.4 Diak a) princip b) V-A charakteristika

c) schematická značka

Děkuji za pozornostDěkuji za pozornost

Ing. Ladislav JančaříkIng. Ladislav Jančařík

LiteraturaLiteratura

J. Chlup, L. Keszegh: Elektronika pro silnoproudé obory, J. Chlup, L. Keszegh: Elektronika pro silnoproudé obory, SNTL Praha 1989SNTL Praha 1989

M. Bezděk: Elektronika I, KOPP České Budějovice 2002M. Bezděk: Elektronika I, KOPP České Budějovice 2002

D. Mayer: Úvod do teorie elektrických obvodů,D. Mayer: Úvod do teorie elektrických obvodů,

SNTL Praha /ALFA Bratislava 1978SNTL Praha /ALFA Bratislava 1978