Elektrotechnika Pednka 11 Vkonov elektronika Dioda tyristor triak

Elektrotechnika Přednáška 11. – Výkonová elektronika Dioda, tyristor, triak, tranzistor – použití Měniče el. výkonu – AC/DC (usměrňovače), DC/AC (střídače), DC/DC, AC/AC (měniče kmitočtu) Miroslav Novák © 2012, rev. 2017 Tento materiál vznikl za podpory projektu Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů.

Výkonová elektronika Zabývá se přeměnou, řízením a úpravou elektrického výkonu Řízením myslíme kontrolovanou změnu napěťových/proudových poměrů a charakteru proudu střídavý/stejnosměrný případně frekvence Požadavkem je vysoká účinnost konverze Zařízením výkonové elektroniky – provozní jednotka, zpracovává příkon ze vstupu (el. síť, akumulátor, fotovoltaický článek, …) na výstup (zátěž). Obecně se nazývá měnič. Výkonové hladiny m. W až 100 MW Výstup Vstup DC proud AC proud DC proud Stejnosměrný měnič Střídač (inverter) (DC/DC converter) AC proud Usměrňovač Střídavý měnič řízený i neřízený (rectifier) (AC converter) Frekvenční měnič

Přeměna elektrického výkonu Spojitá regulace (proměnným rezistorem = velké ztráty) (transformátorem s proměnnou odbočkou = efektivní, ale omezená dynamika) Nutné spínání a vypínání proudu Nespojitá regulace = rychlé zapínání a vypínání = ve stavu sepnutí nebo vypnutí jsou minimální ztráty Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 3

Polovodiče – prvky na rozhraní kovů a nekovů C, Si, Ge, Sn Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 4

Dioda Obsahuje jeden PN přechod Oblasti P a N vytvořeny dotováním základního polovodičového materiálu (Si) donory (např. P, In) Uprostřed vzniká oblast prostorového náboje Zapojme diodu v závěrném směru – elektrostatické síly rozšiřují oblast prostorového náboje – dioda nevede (až na parazitní proud způsobený nečistotami polovodiče) Při překročení průrazného napětí dojde k prudkému nárůstu proudu – hrozí výkonové zničení = přehřátí Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 5

Dioda Zapojme diodu v propustném směru – elektrostatické síly zaplní oblast prostorového náboje – dioda vede K zaplnění je potřeba překonat prahové napětí 0, 7 V pro Si diody Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 6

Dioda Různé typy • Usměrňovací – velký IF, UBR • Shottkyho (N+kov) – velmi rychlé zotavení – pro spínané zdroje • Zenerova/lavinová – malé a definované UBR – pro stabilizaci napětí • PIN – velmi rychlé – telekomunikace • LED – při rekombinaci V PN přechodu dochází k vyzáření světla. . . Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 7

Dioda jako usměrňovač Vhodným zapojením do obvodu dojde k usměrnění procházejícího proudu • jedno-cestný usměrňovač • dvou-cestný • Gretzův můstek Zapojením kondenzátoru na výstup dojde k vyhlazení C = ( Im· 0, 5·T ) / (Um - Ux) Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 8

Rozdíl mezi dvojcestným a můstkový zapojením je v úbytku na diodách a vinutí Pozor! U můstkový zapojení není ani + ani – pól výstupu spojen s uzlem transformátoru. Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 9

RL zátěž Při napájení induktivní zátěže (cívky) dochází vlivem posunu proudu za napětím díky akumulaci energie v cívce ke změně průběhů Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 10

Tyristor 4 vrstvá součástka – řízená dioda • závěrný stav (stejné jak u diody) • blokovací stav (nová funkce) • propustný stav (stejné jak u diody) Pro řízené usměrňovače – DC motory Spínání velkých výkonů – až několik k. V při k. A Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 11

Triak Antiparalelně spojené tyristory Pro řízení AC výkonu (pouze menší proudy) Vysavače, vrtačky, stmívače pro žárovky Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 12

Tranzistor Třívrstvá součástka • spínací režim – jako tyristor, ale jde i vypnout • spojitý režim – analogové zesilovače Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 13

Střídač Mění stejnosměrný proud na střídavý Nutné spínací prvky Vhodným zapojením se otáčí směr proudu Střídavý proud můžeme transformovat použití: 230 V AC v automobilu nebo vlaku, fotovoltaická elektrárna Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 14

Typy modulace výstupního napětí střídačem Unipolární - Střídá sepnutí úhlopříčky s nulovým vektorem Bipolární - Střídá obě úhlopříčky, nepoužívá nulový vektor Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 15

PWM – pulse width modulation Změnou poměru dob sepnutí a vypnutí = střída signálu, lze řídit velikost proudu v obvodu (indukčnost zátěže, např. motoru -> proud je integrálem napětí -> z obdélníků se stávají trojúhelníky) Můžeme generovat libovolný průběh (mírně zubatý) – nejčastěji sinusovku Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 16

DC/DC měnič rozstřídat nebo rozsekat proud – transformovat nebo indukovat – usměrnit Varianty: snižující (Buck), zvyšující (Boost), obojetný (Buck-boost), Flyback, s půlmůstkem, půným můstkem, push-pull, nábojová pumpa, . . . základní deska PC – napětí procesor nabíječky baterií výpočetní technika spotřební elektronika snižující (Buck) Jednoduchý měnič DC/DC boost. Výstupní napětí bez stabilizace je kolem 100 V na prázdno. Po zatížení napětí klesá Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 17

Frekvenční měnič Usměrňovač – meziobvod (proudový s cívkou nebo napěťový s kondenzátorem) – střídač Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 18

3 f modulace tranzistorů 3 půl-můstky Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 19

Shrnutí Známe principy a charakteristiku • • diody tyristoru triaku malinko tranzistoru Víme jak funguje • • usměrňovač střídač DC/DC konvertor frekvenční měnič Víme co je PWM Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 20

Literatura TKOTZ, Klaus a kol. Příručka pro elektrotechnika. Europa-Sobotáles, Praha, 2006. 2. dopl. vyd. 623 s. ISBN 80 -86706 -13 -3 Spousty materiálů na webu Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů 21

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.