13 Pednka SEEZ Rev 2020 Vkonov elektronika Zkladn

13. Přednáška SEE*Z Rev. 2020 Výkonová elektronika Základní prvky Doc. Ing. Eva Konečná, CSc. Projekt ESF CZ. 1. 07/2. 2. 00/28. 0050 Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů.

Výkonová elektronika Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Výkonová elektronika VE - v minulém století obrovský pokrok. Začátky - především mechanické stroje a přístroje na ovládání výkonových obvodů. Selenový a rtuťový usměrňovač - velký přínos v polovině století, výkonové diody z monokrystalického polovodiče, nejprve germaniové, později křemíkové. Tyristory - umožnily konstrukci řízených usměrňovačů bezeztrátová regulace výkonu střídavého napětí fázovým řízením. Řízené usměrňovače a cyklokonvertory s analogovými a později i číslicovými regulačními obvody umožnily masové rozšíření regulovaných soustav výkonové elektroniky, především v řízení pohonů. Výkonové tranzistory a vypínatelné tyristory GTO - 80 -tá léta, uplatnily se ve stejnosměrných i střídavých měničích. Tranzistory IGBT - 90 -tá léta, snížení cen měničů i střídačů a jejich rozšíření do malých asynchronních pohonů. Informatika - ještě strmější rozvoj. V polovině 20. století první počítače se změnou funkce podle naprogramovaného kódu. Vysoká cena dovolovala uplatnění jen v aplikacích pro fyzikální výpočty a hromadné zpracování dat. Během několika desetiletí přenos většiny funkcí velkého sálového počítače do jednoho integrovaného obvodu a zlevnění výroby tak, že se mikropočítačem se speciálními signálovými funkcemi doplňuje téměř každý měnič VE nad 1 k. W řízeného výkonu. VE - není jen oblastí výkonových polovodičových součástek a topologií výkonových obvodů, ale nově rozvíjí algoritmy pro optimální řízení standardních výkonových zařízení s ohledem na ekonomické a ekologické hledisko použití. 2

Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Rozdělení diskrétních výkonových polovodičových součástek Neřízené polovodičové součástky - neobsahují žádné řídící struktury. Funkce (usměrňování, ochranné funkce) • • jsou dány velikostí nebo polaritou přiloženého napětí. Základní struktura obsahuje pouze 2 elektrody. diody, diak přepěťové ochrany – tranzil, suppressor, varistor. Řízené polovodičové součástky – s neřízeným vypnutím. Součástka má dvě proudové a jednu řídící elektrodu • • pro počátek sepnutí. Hlavní proud musí být přerušen zvnějšku. Funkce ve střídavých obvodech - fázový spínač. tyristor (SCR), triak. Řízené polovodičové součástky – s řízeným vypnutím. Součástka má 2 proudové a alespoň jednu řídící • • elektrodu pro zapnutí i vypnutí hlavního proudu. tyristor GTO, IGCT, tranzistor – bipolární, tranzistor řízený polem – MOSFET, IGBT, IEGT– bipolární tranzistor řízený polem. Integrované výkonové polovodičové součástky - více polovod. součástek je integrováno do jednoho pouzdra. • • Výkonové moduly – pouzdro obsahuje více výkonových polovodičových součástek, zapojených tak, aby se běžná aplikace konstruovala s použitím menšího počtu součástek a redukovaly se tak náklady na montáž. Ostatní spínací výkonové integrované obvody – ke spínacímu polovodičovému prvku jsou připojeny další obvody, které mohou sloužit k ochraně spínače, galvanickému oddělení, k měření veličin, atd. 3

Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Oblasti použití výkonové elektroniky 4

Výkonová elektronika Vedení proudu v polovodiči Rozdělení pevných látek z hlediska měrného elektrického odporu: vodiče – vysoká hustota volných nosičů náboje, dobře vedou elektrický proud, měrný odpor velmi nízký - řádově = 10 -8 Ωm, malý vliv teploty na vodivost (kovy), nevodiče (izolanty) – velmi malá hustota volných nosičů náboje, elektrický proud vedou velmi špatně, měrný odpor řádově = 10 -12 16 Ωm. Velký vliv teploty na měrný odpor (plasty, keramika). polovodiče – hustota volných nosičů náboje závisí na mnoha činitelích, měrný odpor se pohybuje v širokých mezích = 10 -5~+8 Ωm, velký vliv teploty na měrný odpor. Polovodičové materiály – největší význam mají čisté látky (monokrystal křemíku nejčastěji, germanium, karbid křemíku, galium-arsenid). Různé polovodičové materiály ve svítivých diodách (LED), v širokém spektru barev, včetně infračervené a ultrafialové oblasti. Polovodičové monokrystaly se dopují vybranými chemickými prvky, kvůli požadované koncentraci volných nosičů náboje. Vodivost polovodiče roste přímo úměrně s koncentrací příměsí, které jsou při běžných teplotách (0 °C = 273 ° K) téměř všechny ionizovány, a stávají se tak zdrojem volných nosičů náboje. Vodivost polovodiče je tím možné nastavit v rozsahu mnoha řádů. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 5

Výkonové polovodičové součástky Jsou založené na bázi monokrystalu křemíku (Si). Krystalická struktura Si je nevodivá, všechny valenční elektrony jednotlivých atomů jsou navzájem pevně vázané kovalentní vazbou. Polovodič typu N - když je v této vazbě atom Si nahrazen atomem 5 -mocného prvku (antimonu Sb), jeden z jeho pěti valenčních elektronů nevytváří vazbu se sousedními atomy křemíku, ale působením elektrického pole E se pohybuje v mezimřížkovém prostoru (obr. 1 b). Znečisťující prvek - donor, s koncentrací 10 -7 10 -6. Polovodič typu P - pokud náhradu tvoří atom 3 -mocného prvku (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, znečisťující prvek - akceptor. Obr. 1 a) ideální krystalická struktura, b) struktura s příměsí Sb-typ N, c) struktura s příměsí B-typ P Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 6

Polovodičový přechod P-N přechod (S) - pokud jsou na jedné straně destičky monokrystalu Si donory a na druhé akceptory, vzniká na jejich rozhraní. 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. P-N přechod propouští proud pouze v jednom směru, má tedy ventilový charakter s usměrňovacím účinkem . Obr. 2 P-N přechod, vliv vnějšího napětí na závěrnou vrstvu a) propustný režim, b) závěrný režim přechodová oblast P N přechodová oblast N P a) Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů + b) 7

Výkonové polovodičové prvky Dioda - polovodičová nelineární součástka s jedním P-N přechodem a vlastnostmi danými voltampérovou charakteristikou. Propustná větev - kladné 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 - odpor samotného polovodičového materiálu. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 8

Polovodičové prvky - dioda Při jmenovitém proudu diody IFN je na ní úbytek napětí UFN (asi 1, 2 V). Vyšší proud než IFN - jen po určitou dobu. Přechod z propustného do závěrného stavu - přechodný děj vypnutí nebo komutace diody. Již při malém napětí UR dosáhne proud hodnotu klidového závěrného proudu I 0, který se už dále téměř nemění. Napětí U(BR) závěrný proud začne rychle narůstat. Roste i ztrátový výkon diody, mění se na teplo a dioda se zničí P-N přechod ztratí závěrné vlastnosti. Diody nesmí být ani krátkodobě zatěžované napětím větším než U(BR). Napětí nesmí překročit tyto hodnoty: - špičkové závěrné opakovatelné napětí URRM, vyskytující se každou půlperiodu, - špičkové závěrné neopakovatelné napětí URSM - závisí na vnějších vlivech. Napětí URRM a URSM - v katalogu jako jmenovité hodnoty. Pracovní napětí U - volí se jako polovina z rozsahu URRM. Jmenovitý proud diody INAV - střední hodnota půlvlny sinusového průběhu proudu, který teče diodou v jednocestném usměrňovači s ohmickou zátěží. Parametry polovodičových diod: URRM = 5000 V, INAV = 9000 A. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 9

Druhy diod Ochranné diody Speciální diody, lavinové a Zenerovy - 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 dosahuje značných hodnot při velkém rozsahu závěrného napětí 2 300 V. Lavinová dioda - klasická usměrňovací dioda, nejčastěji je používána v závěrném směru. V-A charakteristika se podobá charakteristice běžné diody. Zenerova dioda - stabilizátor napětí nebo ochranná dioda proti přechodnému přepětí. Ochranné diody - se liší od běžných Zenerových diod homogennějším křemíkovým materiálem, příznivějším rozložením proudu na povrchu čipu, jeho geometrií, kontaktováním a pouzdřením. Obchodní název TRANSZORB, ZAP, TRANSIL. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 10

Polovodičové prvky - tyristor Tyristor - spínací čtyřvrstvá polovodičová součástka se třemi P-N přechody. Na krajní vrstvě P je anoda A, na vrstvě N katoda K, řídící elektroda G připojená na vnitřní vrstvu P (typ PNPN) nebo N (typ NPNP). I. oblast - V-A charakteristika v závěrném směru - průběh jako u diody. Stejný význam mají i napětí URRM, URSM, U(BR)R. V závěrném směru neteče proud řídící elektrodou, zvyšuje se pak proud v závěrném směru a ztráty tyristoru, obr. 4 c. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 11

Vlastnosti tyristoru II. blokovací vlastnosti - připojení kladného napětí UD na anodu - přechody J 1, J 3 polarizované v propustném, přechod J 2 v závěrném směru. Tyristorem teče jen malý blokovací proud ID. Při zvyšováni blokovacího napětí UD a překročení napětí U(BO) proud ID rychle narůstá, otevře se blokující přechod J 2 a tyristor sepne. III. nežádoucí spínání. Běžný způsob spínání T je přivedení krátkého intenzivního proudového impulsu i. G z generátoru impulsů na řídící elektrodu, T sepne při nižším blokovacím napětí. Děj nevratný a T zůstává sepnutý i po zániku i. G. IV. po sepnutí T pracovní bod skokem přejde na propustnou charakteristiku, T teče proud IT a je na něm úbytek napětí UT (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, 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 - doba obnovení blokovací schopnosti, u rychlých T má hodnotu 10 -40 s. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 12

Vypínání tyristoru Obr. 5 a) Vypínání tyristoru, b) vliv zapojení tyristoru do elektrického obvodu s odporovou zátěží Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 13

Polovodičové prvky - GTO tyristor - spínací čtyřvrstvá polovodičová součástka se třemi P-N přechody. Speciální struktura a tvar vrstev - pomocí proudu řídící elektrody je možné GTO tyristor nejen zapnout, ale i vypnout. Náhradní model dvou tranzistorů PNP a NPN , činitelé proudového zesílení 1, 2 1. K sepnutí tyristorové struktury musí platit 1 + 2 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 2 tak, že bude 1 + 2 1 a struktura vypne. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 14

Polovodičové prvky - IGCT tyristory - Si tyristorová struktura, technologický základ 3 výkonových spínacích polovodičových součástek: klasických tyristorů (nelze vypnout řídícím impulsem), vypínacích tyristorů GTO a IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor). Zapínání - tyristorová struktura se zapíná řídícím proudovým impulsem IFG, přivedeným do báze náhradního tranzistoru VT 1. Po zapnutí VT 1 zapne i VT 2, tím se mezi nimi uzavře kladná zpětná vazba a struktura je ve stabilním zapnutém stavu. Vypnutí - dosáhne se zrušením kladné zpětné vazby mezi VT 1 a VT 2 tak, že je na řídící elektrodu G vzhledem ke katodě K přiloženo záporné napětí. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 15

Použití tyristorů Použití výkonových tyristorů GTO a IGCT - ve fázově řízených obvodech (řízené usměrňovače, střídavé regulátory, cyklokonvertory), uplatňují se hlavně jako bezkontaktní spínače proudů. Z měničů tyristory postupně vymizely ve prospěch tranzistorů IGBT a tyristorů GTO a IGCT. Vyrábějí se s rozsahem napětí až do UBRM = 12 k. V a se středním proudem až ITAV = 8 k. A. Vypínací časy 10 s, pracovní frekvence do 1 k. Hz. Tyristory GTO a IGCT se běžně používají v železniční trakci ve vyspělých státech (Japonsko, Korea, EU, vlak „Pendolino“ má měniče řízené tyristory GTO). Vypínací tyristory jsou v technologii levitujícího vlaku MAGLEV. ČD - technologie IGCT se uplatňuje při rekonstrukcích příměstských souprav na střídavých tratích 25 k. V – Brno a okolí. Menší trakční pohony – tramvaje, trolejbusy – v ČR tyristory GTO a IGCT se objevily jen sporadicky, v současnosti se u nových souprav objevují pohony na bázi tranzistorů IGBT. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 16

Tranzistory Bipolární tranzistor (současně existuje elektronový i děrový proud) je trojvrstvá polovodičová součástka struktury PNP nebo NPN, má 3 elektrody, bázi B, emitor E a kolektor C. Podstatou činnosti je tranzistorový jev - vysvětlení na tranzistoru NPN. Přechod emitorbáze je polarizovaný v propustném směru (napětí UC), v obvodě emitor-báze teče emitorový proud IE. Propustně polarizovaný přechod J 1 vstřikuje do vrstvy P minoritní elektrony, podstatná část se dostává do závěrně polarizovaného přechodu J 2 elektrony ovlivňují závěrné vlastnosti Tr a způsobují zvýšení kolektorového proudu IC. Změnou IE se ovládá výstupní kolektorový proud IC. Zapojení se společným emitorem - při IB=0 teče tranzistorem malý proud IC 0, který se s napětím UCE téměř nemění. Pro sepnutí s požadovaným proudem IC je nutné do báze Tr přivést proud IB = IC / h 21 E. Pro určitý IB=konst. se zvyšujícím se napětím UCE IC roste až do nasycení, pak je téměř konstantní. Tr jako zesilovač - pracovní bod (1) se pohybuje po odporové přímce RZ. Ztrátový výkon, přeměněný na teplo, PZ = UCE. IC je velký. Sepnutý Tr - bází teče dostatečný IB. Proudový zesilovací činitel - pro výkonové spínací Tr hodnota obvykle: h 21 E = IC/ IB 10 až 20. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 17

Zapojení bipolárního tranzistoru Tr se společným emitorem - bezkontaktní spínač, je základním prvkem všech logických obvodů pro ovládání elektrických pohonů a číslicových počítačů. Bipolární tranzistory - parametry UCE až 1200 V, IC až 400 A. Zapínací čas 3 s, vypínací čas 18 s, spínací frekvence několik k. Hz (3 k. Hz). Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 18

Statické V-A charakteristiky bipolárního tranzistoru Vzájemné vztahy mezi veličinami • vstupními: Ib, Ub, • výstupními: Ik, Uk. Vstupní charakteristika: Ub = f(Ib, Uk) ve III. Kvadrantu, Výstupní charakteristika: Ik = f(Ib, Uk). Kolektorové charakteristiky v I. kvadr. pro parametr Ib, Převodní charakter. ve II. kvadr. pro parametr Uk. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 19

Statické V-A charakteristiky bipolárního transformátoru Použití tranzistorů: • zesilování stejnosměrných i střídavých signálů, • spínání, • impedanční přizpůsobení • realizace logických funkcí Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 20

Funkce tranzistoru Tranzistor jako spínač Když se tranzistor zapojí podle schématu, bude malý proud tekoucí do báze IBE určovat, jestli bude sepnut větší proud ICE tekoucí ze zdroje do kolektoru. Aby tranzistor spínal a vypínal kolektorový proud, stačí do báze pustit výrazně menší proud. Tranzistor jako jednoduchý proudový zesilovač • Zesilovací činitel β popisuje, kolikrát tranzistor zesiluje proud. U běžného tranzistoru je β 50 - 150. • Když β = 100 a do B teče 1 m. A, dovolí tranzistor, aby z C do E teklo nejvýše 100 m. A. Přechod báze-emitor se chová jako dioda v otevřeném směru s úbytkem napětí 0, 6 V. Pokud bází protéká proud, je na ní vždy napětí o 0, 6 V vyšší než na emitoru. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 21

Unipolární tranzistor Unipolární (MOSFET) tranzistor - řízený elektrickým polem. Pracuje na principu řízené vodivosti kanálu, kterým protékají nosiče proudu jen jednoho typu. Výchozí materiál typu P, s difůzí vytvořenými ostrůvky typu N. Na ně jsou připojené přívodní elektrody S (Source-emitor) a D (Drain-kolektor). Povrch prvku je pokrytý velmi tenkou vrstvou kysličníku Si. O 2, kterým je odizolované hradlo G. Použití - jako universální polovodičový spínač pro aplikace s malým napětím a vysokou frekvencí (měniče stejnosměrného napětí, spínané zdroje pro VT, nízkonapěťové pohony). Vysoká spínací frekvence sníží velikost a cenu pasivních součástek (filtrační obvody a transformátory). Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 22

Porovnání vlastností uni - a bipolárních tranzistorů Výhody polem řízených tranzistorů proti bipolárním: 1. Vysoký vstupní odpor (109 až 1013 Ω), nulový vstupní proud, nulový vstupní příkon ve statickém režimu. 2. Výstupní obvod otevřeného tranzistoru se chová jako ohmický odpor, při malém proudu Ik je napětí Uk tranzistoru téměř nulové (RDS(on) < 1 Ω). 3. Možnost velmi velké hustoty integrace: a) mělká struktura - lze dosáhnout velké rozlišovací schopnosti při výrobě, b) velmi malý vstupní příkon umožňuje navrhnout i předchozí stupně na malý výkon a umístit je na malé ploše c) tím, že lze volit ochuzením či obohacením kanálu polohu charakteristiky pro UG = 0, zjednoduší se obvody pro nastavení a posouvání pracovního bodu. 4. Relativně malý vlastní šum, zejména u J-FETů, které pracují až do velmi vysokých frekvencí (20 GHz). Nevýhody MOS-FET: • nebezpečí snadného proražení řídicí elektrody, pokud není chráněna. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 23

Triak - pětivrstvá polovodičová součástka, má dvě výkonové elektrody A 1 a A 2 a řídící elektrodu G. Vede střídavý proud ve dvou směrech, do vodivého stavu se dostane řídícím signálem libovolné polarity. V-A charakteristika - 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. V obvodě se chová jako dvojice antiparalelně zapojených tyristorů s tím rozdílem, že musí vypnout během krátké doby v okolí přechodu anodového proudu nulou, použití omezené do kmitočtu asi 400 Hz. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 24

Diak - pětivrstvová struktura se čtyřmi přechody P-N a dvěma hlavními vývody A 1, A 2, (první a druhá anoda). Pokud by oba krajní přechody P-N nebyly zvláštně vyhotovené, na diaku by bylo v kladné i záporné půlperiodě napětí U 21. Krajní přechody P-N jsou proto částečně zkratované kovovými kontakty hlavních vývodů. Sepne po připojení dostatečně velkého kladného nebo záporného napětí U 21= U(B 01) nebo U 21 = U(B 02) - spínací napětí. V zapnutém stavu protéká diakem propustný proud, ohraničený vnějším odporem obvodu. Napětí na diaku je malé, dosahuje několik voltů. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 25

Optoelektronické prvky - mění elektrickou energii na světelnou nebo naopak. Přenos informací pomocí světelné energie - aplikace optoelektronických zařízení v dalších oborech (VT, automatizace v průmyslu, optická sdělovací technika). Základní prvky - polovodičové zdroje záření (elektroluminiscenční dioda, laserová dioda), mění přímo elektrickou energii na optickou a detektory záření (fotodioda, fototranzistor, fototyristor), mění energii optického záření na jinou měřitelnou veličinu. Fotoodpor - polykrystalický polovodič na bázi sirníku kademnatého. Vlivem vnitřního fotoelektrického jevu klesá při osvětlování odpor fotoodporu s lineární V-A charakteristikou. Různé hodnoty odporů, od několika set ohmů (měřeno pro 1000 lx) a výkonové zatížení od desítek m. W do 2 W. Zapojení ve stejnosměrných i střídavých obvodech, jsou spolehlivé a citlivé, s velkou časovou konstantou, proto jsou nevhodné pro použití v dynamickém režimu. Fototyristor - čtyřvrstvá křemíková trioda spínaná zářením o vlnové délce z oblasti infračerveného nebo viditelného záření nebo může být ovládaný řídící elektrodou jako běžný tyristor. Sepnutí - na danou plošku musí dopadnout určité množství světelné energie, asi 0, 7 až 10 m. V. cm-2. Velikost potřebného osvětlení klesá se zvyšujícím se anodovým napětím. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 26

Optoelektronické prvky Fotodioda - jeden P-N přechod. Chová se jako zdroj energie, přímo měnící světelnou energii na elektrickou. Používají se jako optoelektronické snímače různých neelektrických veličin (poloha, otáčky), jako čtecí zařízení a pod. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 27

Optoelektronické prvky Fototranzistor - optoelektronický prvek, jako fotodetektor použita báze a emitor tranzistoru. Proud vzniklý absorpcí dopadajícího záření je zesílen tranzistorovým jevem. Proudová citlivost 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 s optoelektronickým oddělením mezi vstupním a výstupním obvodem, řídícími obvody a výkonovými spínacími prvky. Řídící logika zajišťuje různé způsoby spínání zátěže. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 28

Integrované spínací moduly jsou náhradou klasických elektromechanických spínačů, • • • relé, stykačů. Používá se pro ně název Solid State Releay - SSR, který používá většina výrobců, překlad je asi polovodičová relé. Rozdělují se na moduly střídavé a stejnosměrné. Jsou vybaveny jednoduchou řídící logikou, galvanicky (opticky) oddělenou od výkonové části. Řídící signály přizpůsobeny TTL logice (Transistor-Logic, 5 V), takže je možné tyto moduly ovládat přímo z výstupů počítačů. Jako spínací prvky se používají všechny současné typy výkonových polovodičových součástek. Jednotlivé typy modulů se liší podle způsobu použití. Výhody SSR ve srovnání s mechanickým relé: - rychlejší reakce na řídící signál, - životnost – větší počet spínacích cyklů 108 vs. 106 - potlačení rušivých signálů, - vhodné do výbušného prostředí (při spínání nevzniká elektrická jiskra). Nevýhody SSR - úbytek napětí v sepnutém stavu, svodový proud ve vypnutém stavu, - méně odolné proti falešnému sepnutí, - vyšší cena. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 29

Integrované spínací moduly Střídavé moduly SSR Slouží ke spínání jednofázových a třífázových síťových napětí (do 1000 V, 50 Hz), v proudovém rozpětí 1 A 100 A. Podle způsobu spínání se dělí na: - střídavé moduly se spínáním v nule – přítomen řídící signál a síťové napětí prochází nulou. - střídavé moduly s analogovým spínáním - činnost podobná triakům s galvanicky odděleným řízením. Závislost mezi velikostí řídícího signálu a úhlem otevření je synchronizována a linearizována. Řídící signál - DC napětí 0÷ 5 V nebo proudová smyčka 4÷ 20 m. A. Používají se nejvíce v případech, kde je požadován měkký rozběh, (SOFT -START) nebo motory osvětlovacích lamp. Dobrá stabilita přenosu - modul lze použít jako regulátor v uzavřené regulační smyčce. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 30

Integrované spínací moduly - - 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 1 ms. Střídavé moduly se spínáním v maximu - spínají, když je přítomen řídící signál a je-li síťové napětí ve vrcholu. Stejnosměrné moduly Určeny pro spínání stejnosměrných výkonů, nejčastěji se používají pro řízení DC spotřebičů. Na rozdíl od střídavých modulů se dosahuje mnohem kratších dob sepnutí, přibližně do 100 s. Polovodičová relé postupně vytlačují v nových konstrukcích klasické elektromechanické spínače. Hlavní předností je podstatně větší životnost (109 spínacích cyklů). 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. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 31

Výkonová elektronika Výkonové inteligentní moduly Jedním z trendů současnosti je zkonstruovat součástku tak, aby byla funkční s minimálním počtem externích součástek. Výkonové zařízení (např. střídače) musí být konstruovány pro spolehlivý provoz, proto se doplňují o různé obvody, které zjišťují aktuální stav veličin na spínačích a signalizují různé poruchové stavy. Inteligentní výkonové moduly (IVM) - hybridní výkonové součástky, obsahující kromě výkonových spínačů (IGBT, MOSFET) i budící obvody - usnadňují řízení, dále ochranné obvody - vyhodnocují různé poruchové stavy, a podle toho sami upravují režim spínání součástky. Vyhodnocuje se nadproud, riziko zkratu a tepelné přetížení, různé logické chyby, včetně poruch napájení hlavního i řídícího obvodu. Moduly mohou obsahovat signalizační kontrolky, na zobrazení stavu. Mají kromě běžných silových a řídících vývodů výstup na některou průmyslovou komunikační sběrnici. IVM - střídače pro asynchronní motory běžných výkonů (1 100 k. W), obsahují mikropočítač. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 32

Výkonové moduly Základní účel integrace součástek v elektronice je hromadná výroba obvodů, kde se do jednoho pouzdra soustřeďuje několik polovodičových prvků, aby se zjednodušil návrh obvodu i montáž, zvýšila spolehlivost a snížila cena. Pro užití ve výkonové elektronice se vyrábí široké spektrum integrovaných obvodů s výkonovými spínači, obvykle podpořené dalšími podpůrnými prvky. Výkonové moduly obsahují dvojici tyristorů nebo diod určených pro konstrukci usměrňovacího můstku nebo soustavu tranzistorů IGBT nebo MOSFET v takové topologii, aby s minimálním množstvím jednotlivých dílů bylo možné sestavit standardní výkonový obvod (měnič, střídač). Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 33

Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů Děkuji za pozornost Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ. 1. 07/2. 2. 00/28. 0050 Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.