Energoelektronika
Elektrotechnika III rok
Przerywacz prądu stałego
Instrukcja do ćwiczenia
© Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH
Kraków 2006
Energoelektronika
Elektrotechnika III rok
Przerywacz prądu stałego
Instrukcja do ćwiczenia
© Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH
Kraków 2006
PRZERYWACZ PRĄDU STAŁEGO
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006
1
Wprowadzenie
Przerywacze prądu stałego służą do przekształcania energii elektrycznej napięcia stałego na
energię elektryczną napięcia stałego o innej, najczęściej regulowanej, wartości.
Konieczność regulacji napięcia stałego występuje najczęściej w przypadku współpracy
urządzenia zasilanego napięciem stałym o regulowanej wartości (przeważnie silnika prądu stałego)
z siecią prądu stałego (np. siecią trakcyjną).
W przypadku konieczności obniżenia napięcia stałego stosuje się szeregowe włączenie
elementu regulacyjnego o zmiennej rezystancji w obwód zasilania obciążenia (przeważnie silnika).
Element regulacyjny sprzęga źródło zasilania z obciążeniem. Tę koncepcję regulacji, gdy
obciążeniem jest silnik prądu stałego, pokazuje rysunek 1.
U
Z
M
U
O
U
r
R = var
r
Rys. 1. Idea regulacji napięcia stałego
Od dziesięcioleci jako element regulacyjny były i często są nadal stosowane rezystory.
W zależności od rezystancji rezystora regulacyjnego R
r
następuje podział napięcia zasilania U
z
na napięcie odkładające się na obciążeniu U
o
i napięcie na rezystorze regulacyjnym U
r
. Mimo
prostoty takiego rozwiązania, podstawową jego wadą jest niska sprawność regulacji. Straty mocy P
r
na elemencie regulacyjnym wynoszą (1)
r
r
r
I
U
P
⋅
=
(1)
gdzie:
U
r
– napięcie na elemencie regulacyjnym,
I
r
– prąd płynący przez element regulacyjny.
Z równanie (1) wynika, że sprawność układu jest szczególnie mała, gdy obciążenie wymaga
zasilania napięciem niskim w stosunku do napięcia zasilania przy dużym poborze prądu. Taka
sytuacja ma miejsce w przypadku rozruchu silnika prądu stałego lub konieczności jego pracy z małą
prędkością pod obciążeniem.
Dla zapewnienia wysokiej sprawności przekształcania energii elektrycznej, układ i sposób
regulacji napięcia powinien zapewnić małe straty mocy na elemencie regulacyjnym. Warunek ten
można spełnić, jeśli element regulacyjny będzie pracował jako przerywacz. Wtedy, gdy element
regulacyjny jest załączony (przerywacz zwarty), panuje na nim napięcie bliskie zero, mimo
płynącego przezeń prądu. W stanie wyłączenia na zaciskach przerywacza występuje napięcie, ale
prąd płynący przez przerywacz ma wartość prawie równą zero. W obu tych przypadkach moc
tracona w elemencie regulacyjnym, będąca iloczynem napięcia na jego zaciskach i prądu płynącego
przez element, jest bliska zero.
Upowszechnienie regulacji napięcia stałego za pomocą przerywaczy nastąpiło z chwilą
pojawienia się w pełni sterowalnych elementów energoelektronicznych odpowiednio dużej mocy,
które mogą pełnić funkcję kluczy półprzewodnikowych. W przerywaczach prądu stałego jako
klucze stosuję najczęściej następujące w pełni sterowalne elementy półprzewodnikowe:
• tranzystory bipolarne,
• tranzystory polowy typu MOS,
• tranzystory IGBT,
PRZERYWACZ PRĄDU STAŁEGO
2
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006
• tyrystory wyłączalne GTO.
Tranzystory bipolarne i polowe są stosowane przeważnie w układach małych mocy (rzędu
kilku kilowatów), tranzystory IGBT – w układach większych mocy, natomiast tyrystory GTO
znajdują zastosowanie w układach największych mocy.
Tyrystory SCR, jako elementy półsterowalne, obecnie nie znajdują zastosowania
w przerywaczach prądu stałego ze względu na konieczność budowy układów wymuszonego
wyłączania tyrystora, co obniżą sprawność układu, komplikuje układ sterowania i podnosi koszt
przekształtnika. Tyrystory SCR były w przeszłości (do połowy lat osiemdziesiątych XX wieku)
stosowane w przerywaczach, ponieważ wtedy były to jedyne elementy półprzewodnikowe dużej
mocy.
PRZERYWACZ PRĄDU STAŁEGO
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006
3
Przerywacz prądu stałego
Zasada pracy
Schemat przerywacza prądu stałego obniżającego napięcie przedstawiono na rysunku 2.
O
K
L
D
R
U
Z
i
i
D
i
K
u
O
E
u
K
Rys. 2. Schemat przerywacza prądu stałego obniżającego napięcie
W cyklu pracy przerywacza można wyróżnić dwa stany: stan zwarcia klucza K i stan otwarcia
klucza K.
W czasie, kiedy klucz K jest zwarty, prąd obciążenia i
o
płynie ze źródła zasilania przez klucz
do obciążenia. Prąd płynący przez klucz i
K
jest równy prądowi obciążenia i
o
. Prąd obciążenia i
o
ma
kształt wykładniczy, gdyż obciążenie o charakterze RLE jest zasilane ze źródła napięcia stałego.
Napięcie na u
o
obciążeniu jest równe napięciu zasilania U
z
.
Rozwarcie klucza K powoduje przełączenie (komutację) prądu obciążenia i
o
na diodę
rozładowczą D. W czasie, kiedy klucz jest rozwarty, prąd obciążenia płynie pod wpływem napięcia
samoindukcji występującego na indukcyjności obciążenia L. Następuje wtedy oddawanie energii
zgromadzonej w polu magnetycznym indukcyjności L. Energia ta jest rozpraszana na rezystancji
obciążenia R i ewentualnie przekształcana na pracę mechaniczną, jeśli obciążeniem jest silnik. Prąd
płynący przez diodę D i
D
jest wtedy równy prądowi obciążenia i
o
. Podobnie jak poprzednio prąd
obciążenia ma charakter wykładniczy. Napięcie na obciążeniu u
o
jest równe zero.
Dobór okresu impulsowania przerywacza w stosunku do stałej czasowej obciążenia ma istotny
wpływ na ciągłość prądu obciążenia oraz wielkość składowej zmiennej.
Analiza teoretyczna pracy przerywacza
Podstawową analizę pracy przerywacza można łatwo przeprowadzić po przyjęciu
następujących założeń:
• parametry obciążenia są stałe,
• źródło zasilania jest idealnym źródłem napięcia stałego (stała wartość napięcia, zerowa
rezystancja i indukcyjność wewnętrzna),
• klucz półprzewodnikowy i dioda rozładowcza są idealnymi łącznikami (zerowa
rezystancja w stanie załączenia, nieskończona – w stanie wyłączenia, zerowe czasy
przełączania łącznika),
• prąd obciążenia jest ciągły.
Przebiegi napięć i prądów w układzie przedstawiono na rysunku 3.
PRZERYWACZ PRĄDU STAŁEGO
4
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006
a.
Komutacja
D --> K
u
O
i
O
i
D
i
K
t
t
t
t
T
wT
I
O
U
Z
I
D0
I
K0
2
∆I
O
I
K0
I
D0
Komutacja
K --> D
u
K
t
U
Z
b.
u
O
i
O
i
D
i
K
t
t
t
t
T
wT
I
O
U
Z
E
I
D0
I
D0
u
K
t
U
Z
U -E
Z
p
τ
Rys. 3. Prądy i napięcia w przerywaczu prądu stałego przy ciągłym (a)
i przerywanym (b) prądzie w obciążeniu
Napięcie średnie na obciążeniu
Średnią wartość napięcia obciążenia U
o
można obliczyć następująco (2):
z
z
z
t
z
T
o
o
U
w
U
T
t
dt
U
T
dt
u
T
U
z
=
=
=
=
∫
∫
0
0
1
1
(2)
gdzie
T
t
w
z
=
jest współczynnikiem wypełnienia impulsów, równym stosunkowi czasu załączenia
klucza
t
z
do okresu impulsowania
T.
Z definicji współczynnika wypełnienia wynikają dwie podstawowe metody regulacji średniej
wartości napięcia obciążenia:
PRZERYWACZ PRĄDU STAŁEGO
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006
5
• modulacja częstotliwości, kiedy czas załączenia klucza jest stały (t
z
= const), a zmienny
jest okres (a przez to częstotliwość) impulsowania
T. Metoda ta daje liniową zależność
wartości średniej napięcia od częstotliwości, ponieważ:
f
U
t
U
T
t
U
z
z
z
z
o
=
=
(3)
gdzie
f jest częstotliwością impulsowania.
Równanie (3) ma sens, jeśli spełniony jest warunek, że
z
t
f
1
≤
.
• modulacja szerokości impulsów (PWM), kiedy okres załączania klucza jest stały
(
const
=
T
), a zmienny jest czas załączania klucza t
z
. W tym przypadku, zależność
wartości średniej napięcia od czasu załączenia jest też liniowa (patrz równanie (2)).
Stosowane w praktyce częstotliwości impulsowania klucza w przerywaczach wahają się od
kilkuset herców w przerywaczach dużej mocy budowanych w oparciu tyrystory GTO do około
2 MHz w przypadku układów małej mocy z kluczami tranzystorowymi polowymi typu MOS.
Wynika to z własności kluczy półprzewodnikowych, których czasy załączania i wyłączania maleją
ze wzrostem dopuszczalnego prądu i napięcia klucza.
Przebiegi prądów w układzie
W celu wyznaczenia przebiegów prądu w układzie należy rozwiązać równania napięciowe (4a)
i (4b). Równanie (4a) opisuje układ w stanie załączenia klucza, a (4b) w czasie, gdy klucz jest
wyłączony.
( )
( )
z
K
K
U
E
t
Ri
dt
t
di
L
=
+
+
(4a)
( )
( )
0
=
+
+
E
t
Ri
dt
t
di
L
D
D
(4b)
Rozwiązując równania (4a) i (4b) otrzymuje się funkcje opisujące czasowe przebiegi prądu
klucza i
K
(5a) i prądu diody i
D
(5b). Prąd w obciążeniu i
o
jest sumą prądu klucza i
K
i prądu diody i
D
.
Poszczególne przebiegi prądów i
K
i i
D
są opisane we własnym układzie współrzędnych, w którym
odliczanie czasu rozpoczyna się w momencie załączenia klucza lub diody.
( )
o
o
T
t
K
T
t
z
K
e
I
e
R
E
U
t
i
−
−
+
−
−
=
0
1
(5a)
( )
o
o
T
t
D
T
t
D
e
I
e
R
E
t
i
−
−
+
−
−
=
0
1
(5b)
gdzie:
R
L
T
o
=
stała czasowa obwodu obciążenia,
L
, R indukcyjność i rezystancja obciążenia,
I
K0
wartość początkowa prądu klucza w momencie załączenia klucza,
I
D0
wartość początkowa prądu diody w momencie wyłączenia klucza.
Równania (5a) i (5b) można przedstawić w bardziej przejrzystej postaci, gdy czas i stałą
czasową obciążenia wyrazi się w wielkościach względnych.
PRZERYWACZ PRĄDU STAŁEGO
6
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006
Jeżeli względny czas τ i względną stałą czasową obciążenia γ zdefiniować jako (6):
T
t
=
τ
o
T
T
=
γ
(6)
gdzie:
T
okres
impulsowania,
T
o
stała czasowa obciążenia,
τ
względny czas,
γ
odwrotność względnej stałej czasowej obciążenia,
to równania (5a) i (5b) można przedstawić w postaci (7a) i (7b):
( )
(
)
τγ
τγ
τ
−
−
+
−
−
=
e
I
e
R
E
U
i
K
z
K
0
1
(7a)
( )
(
)
τγ
τγ
τ
−
−
+
−
−
=
e
I
e
R
E
i
D
D
0
1
(7b)
Aby wyznaczyć wartości początkowe prądów klucza i diody należy rozwiązać równania (7a)
i (7b) dla pewnych szczególnych chwil czasu, pamiętając, że każde z tych równań opisuje prąd
w niezależnym układzie współrzędnych, w którym czas rozpoczyna się w chwili przełączenia
klucza.
Jeżeli do równania (7a) podstawić czas względny
w
=
τ
to wyraża ono prąd końcowy klucza,
który jest jednocześnie prądem początkowym diody. Gdy do równania (7b) podstawić czas
względny
w
−
=1
τ
to określa ono prąd końcowy diody, który jest jednocześnie prądem
początkowym klucza. Po podstawieniu odpowiednich wartości czasu τ otrzymuje się (8a) i (8b):
( )
0
D
K
I
w
i
=
(8a)
(
)
0
1
K
D
I
w
i
=
−
(8b)
Rozwiązując powyższy układ równań otrzymuje się (9a) i (9b):
(
)
R
E
e
e
e
R
U
I
w
z
K
−
−
−
=
−
−
−
−
γ
γ
γ
1
1
0
(9a)
R
E
e
e
R
U
I
w
z
D
−
−
−
=
−
−
γ
γ
1
1
0
(9b)
W przypadku małej stałej czasowej obciążenia w stosunku do okresu impulsowania (względnej
stałej czasowej) i małej wartościach prądu obciążenia, w czasie, kiedy klucz jest wyłączony, prąd
w obciążeniu może spaść do zera przed ponownym załączeniem klucza. W obciążeniu płynie wtedy
prąd nieciągły zwany też prądem przerywanym.
W zakresie prądów przerywanych wartości prądów początkowych klucza i diody można
przedstawić następująco ((10.a) i (10.b)):
0
0
=
K
I
(10a)
( )
(
)
γ
w
z
K
D
e
R
E
U
w
i
I
−
−
−
=
=
1
0
(10b)
Podstawiając do równań (7a) i (7b) warunki początkowe (10a) i (10b) można wyznaczyć
przebiegi czasowe prądów klucza i diody w zakresie przewodzenia przerywanego. Przedstawiają to
równania (11a) i (11b):
PRZERYWACZ PRĄDU STAŁEGO
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006
7
( )
(
)
τγ
τ
−
−
−
=
e
R
E
U
i
z
K
1
(11a)
( )
(
)
(
)
τγ
γ
τγ
τ
−
−
−
−
−
+
−
−
=
e
e
R
E
U
e
R
E
i
w
z
D
1
1
(11b)
Równanie (11b) obowiązuje dla czasu względnego τ < 1–w, w którym przez diodę płynie prąd.
Czas przewodzenia diody można obliczyć przyrównując lewą stronę równania (11b) do zera
i rozwiązując go ze względu na τ. Po rozwiązaniu otrzymuje się (12).
(
)
−
−
+
=
−
γ
γ
τ
w
z
p
e
E
U
1
1
1
ln
1
(12)
Składowa zmienna prądu
Na właściwą pracę niektórych rodzajów obciążeń np. silników prądu stałego duży wpływ ma
wielkość składowej zmiennej w prądzie obciążenia. Wartość szczytową składowej zmiennej prądu
obciążenia (13) można obliczyć korzystając z zależności (9a) i (9b):
( )
(
)
(
)
(
)
(
)
γ
γ
γ
−
−
−
−
−
−
−
=
−
=
∆
e
e
e
R
U
I
I
w
I
w
w
z
K
D
o
1
2
1
1
2
1
0
0
(13)
Różniczkując (13) względem współczynnika wypełnienia w i przyrównując otrzymaną funkcję
do zera można pokazać, że wartość szczytowa składowej zmiennej osiąga maksimum dla
współczynnika wypełnienia w = 0.5. Maksimum to wynosi (14):
( )
(
)
(
)
γ
γ
−
−
−
−
=
∆
=
∆
e
e
R
U
I
I
z
o
o
1
2
1
5
.
0
2
2
max
(14)
Analizując zależności (13) i (14) można zauważyć, że:
• wielkość składowej zmiennej w prądzie obciążenia nie zależy od napięcia wewnętrznego
obciążenia E (np. od SEM silnika),
• wielkość składowej zmiennej prądu zależy od stałej czasowej obciążenia T
o
oraz
częstotliwości impulsowania 1/T. Zwiększanie stałej czasowej obciążenia lub
częstotliwości impulsowania prowadzi do zmniejszenia składowej zmiennej prądu
obciążenia.
Powyższe stwierdzenia stanowią wskazówkę dla projektantów, jak dobierać elementy
przerywacza pod kątem zmniejszenia składowej zmiennej prądu do wymaganego poziomu.
Zwiększenie indukcyjności obciążenia wiąże się najczęściej z koniecznością instalacji dodatkowego
dławika włączonego szeregowo z obciążeniem, co zwiększa liczbę elementów układu, koszty
urządzenia oraz obniża sprawność całego układu. Zwiększanie częstotliwości impulsowania klucza
jest ograniczone parametrami zastosowanych kluczy (czasami załączania i wyłączania) i pociąga za
sobą wzrost mocy traconej w kluczu. Konieczne jest zastosowanie skuteczniejszego układu
chłodzenia klucza albo zastosowanie kluczy o krótszych czasach przełączania (a więc droższych).
Średni prąd obciążenia
Wartość średnią prądu w obciążeniu można wyznaczyć z zależności (15):
( )
( )
R
E
U
w
d
i
d
i
I
z
w
D
w
K
o
−
=
+
=
∫
∫
−
τ
τ
τ
τ
1
0
0
(15)
Jak widać, zgodnie z prawem Ohma, średni prąd w obciążeniu jest równy ilorazowi średniego
napięcia w obwodzie przez rezystancję.
PRZERYWACZ PRĄDU STAŁEGO
8
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006
Komutacja
Komutacja jest procesem przejmowania prądu z jednej gałęzi obwodu do drugiej.
W przerywaczu prądu stałego komutacja występuje dwa razy na jeden cykl pracy przerywacza,
w chwilach załączania i wyłączania klucza (patrz rysunek 3a). W czasie komutacji prąd
w obwodzie płynie jednocześnie przez klucz i diodę. O komutacji można mówić tylko w przypadku
pracy przerywacza w zakresie ciągłego prądu w obciążeniu.
Na przebiegi prądów w czasie komutacji duży wpływ ma rezystancja R
z
i indukcyjność L
z
źródła zasilania (łącznie z linią zasilającą), którą pominięto podczas analizy teoretycznej
przerywacza. Na rysunku 4 przedstawiono schemat przerywacza uwzględniający elementy
i warunki panujące w układzie w czasie komutacji.
K
L
D
R
i
D
i
K
u
O
E
L
Rz
z
O
i =const
u
K
U
Z
U
Lz
Rys. 4. Schemat przerywacza prądu stałego w czasie komutacji
Do analizy zjawiska komutacji można założyć, że w czasie komutacji prąd w obciążeniu jest
stały (i
o
= const). W rzeczywistych układach czas komutacji wynosi maksymalnie kilkanaście
mikrosekund. Czas ten jest dużo mniejszy od stałej czasowej obciążenia, co pozwala przyjąć takie
założenie bez popełniania istotnego błędu.
Komutacja klucz–dioda
Komutacja klucz–dioda rozpoczyna się w chwili wyłączenia klucza. Prąd i
K
płynący przez
klucz oraz rezystancję i indukcyjność źródła zasilania maleje, a prąd i
D
w diodzie zaczyna narastać.
Prądy klucza i
K
i diody i
D
zmieniają się wykładniczo w ten sposób, że ich suma będąca prądem
obciążenia jest stała. Ilustruje to rysunek 5.
t
t
u
K
i , i
K D
i
K
i
D
i
O
U
z
u
Lz
t
0
Rys. 5. Prądy i napięcia w czasie komutacji klucz–dioda
PRZERYWACZ PRĄDU STAŁEGO
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006
9
Stała czasowa T
off
, z jaką zmieniają się prądy klucza i diody, zależy od indukcyjności (L
z
)
i rezystancji (R
z
) źródła oraz w dużej mierze od rezystancji klucza w czasie jego wyłączania R
Toff
(równanie 16). Rezystancja ta zależy od właściwości klucza, jego parametrów i sposobu jego
sterowania. Jest ona dużo większa od rezystancji źródła, co powoduje znaczące zmniejszenie stałej
czasowej obwodu, w którym następuje przepływ prądu klucza, w stosunku do stałej czasowej
źródła zasilania.
Toff
z
z
off
R
R
L
T
+
=
(16)
Zmniejszanie się prądu klucza i
K
z dużą prędkością powoduje powstanie na indukcyjności
zasilania L
z
napięcia samoindukcji u
Lz
. Na kluczu pojawia się wtedy impuls napięcia (przepięcie),
którego wartość jest sumą napięć U
z
i u
Lz
(w czasie komutacji napięcie na obciążeniu wynosi zero,
ponieważ przewodzi dioda D). Przepięcie to osiąga znaczne wartości, nawet rzędu 2 – 3 krotnej
wartości napięcia zasilania. Może być powodem uszkodzenia klucza. W celu obniżenia wielkości
przepięcia na kluczu stosuje tłumiki przepięć równolegle włączone do kluczem. Najczęściej
stosowanymi tłumikami przepięć są elementy nieliniowe takie jak diody Zenera (w układach małej
mocy) i warystory.
Komutacja dioda–klucz
Komutacja prądu pomiędzy diodą i kluczem rozpoczyna się chwili załączenia klucza. Prąd i
K
płynący przez klucz rośnie wykładniczo ze stałą czasową zdeterminowaną rezystancją
i indukcyjnością obwodu zasilania (R
z
i L
z
) oraz rezystancją klucza w stanie załączenia (R
T
). Prąd
płynący przez diodę i
D
maleje z tą samą stałą czasową, gdyż suma prądów klucza i
T
i diody i
D
jest
prądem obciążenia i
o
– stałym w czasie trwania komutacji. Ilustruje to rysunek 6.
t
i , i
K D
i
D
i
K
i
O
Q
rr
I
Kmax
t
0
Rys. 6. Prądy i napięcia w czasie komutacji dioda–klucz
Prąd diody i
D
po przejściu przez zero zmienia kierunek i płynie przez diodę w kierunku
zaporowym (od katody do anody). Prąd ten jest wynikiem odprowadzania ładunku resztkowego ze
złącza p–n diody przed uzyskaniem przez nią własności zaporowych. Po odprowadzeniu ładunku
resztkowego ze złącza diody, prąd wsteczny gwałtownie (z dużą pochodną) zanika do zera
z powodu wyczerpania się nośników w złączu. Ładunek resztkowy diody Q
rr
reprezentowany jest
przez pole pomiędzy osią czasu a krzywą przebiegu prądu wstecznego diody (zakreskowane pole na
rysunku 6).
W czasie przepływu prądu wstecznego przez diodę, prądy obciążenia i
o
i diody i
D
dodają się
dając w wyniku prąd klucza i
K
. W tym czasie przez klucz przepływa impuls prądu o znacznej
wartości I
Kmax
, która może 2 – 3 razy przekraczać prąd klucza w stanie ustalonym (po komutacji).
Ten impuls prądu może przyczynić się do uszkodzenia klucza w wyniku przekroczenia
maksymalnego powtarzalnego prądu klucza (mimo, że średni prąd klucza będzie dużo poniżej
dopuszczalnego prądu średniego).
PRZERYWACZ PRĄDU STAŁEGO
10
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006
Ładunek resztkowy diody Qrr jest bardzo ważnym parametrem określającym własności
dynamiczne diody. Oprócz parametrów napięciowych i prądowych diody, określa on w dużym
stopniu jej przydatność do stosowania w przerywaczach.
Wielkość i kształt impulsu prądu wstecznego ma negatywny wpływ na:
• zakłócenia elektromagnetyczne emitowane przez przerywacz w wyniku z dużej pochodnej
zaniku prądu wstecznego do zera,
• prąd klucza, w którym pojawia się impuls prądu mogący go uszkodzić.
Z wyżej wymienionych powodów istotne jest, aby wielkość impulsu prądu wstecznego była
możliwie mała.
Na wielkość i kształt impulsu prądu wstecznego diody największy wpływ ma:
• rodzaj użytej diody: dioda prostownicza zwykła (ang.: rectifier diode), dioda szybka (ang.:
fast recovery diode) albo dioda Schottky’ego (ang.: Schottky diode),
• indukcyjność zasilania L
z
,
Zwykła dioda prostownicza i dioda szybka są diodami złączowymi. Złącze diody prostowniczej
szybkiej jest ubożej domieszkowane pierwiastkami decydującymi o typie przewodnictwa
półprzewodnika (p albo n), co powoduje kilkukrotne zmniejszenie ładunku resztkowego złącza
w stosunku do diody prostowniczej takiej samej wielkości. Negatywnym skutkiem tego zabiegu jest
większe napięcie przewodzenia diod szybkich złączowych, które wynosi 1–1,3 V (dla diod
prostowniczych napięcie to wynosi około 0,7 V).
Dioda Schottky’ego jest diodą opartą na złączu metal–półprzewodnik. Ma ona bardzo dobre
własności w kierunku przewodzenia – mała napięcie przewodzenia rzędu 0,2 V i praktycznie
zerowy ładunek resztkowy. Wadą tych diod jest ograniczony zakres maksymalnych napięć (do
około 200 V) i prądów (do około 300 A), dla których diody Schottky’ego są dostępne.
Rysunek 7a ilustruje przebieg prądu diody i
D
w przypadku użycia diody prostowniczej (linia
przerywana) i diody szybkiej (linia ciągła) jako diody rozładowczej.
a.
t
i
D
i
O
dioda szybka
dioda prostownicza
b.
t
i
D
i
O
L
Z1
L
Z2
L <L
Z1 Z2
Rys. 7. Prąd diody rozładowczej w czasie wyłączania w zależności od
a. rodzaju diody, b. indukcyjności źródła zasilania
Drugim ważnym czynnikiem wpływającym na przebieg prądu wstecznego diody jest
indukcyjność źródła zasilania L
z
. Wzrost tej indukcyjności powoduje wzrost stałej czasowej, z jaką
zmienia się prąd diody. Ładunek resztkowy złącza diody jest odprowadzany dłużej, co skutkuje
zmniejszeniem maksymalnej wartości impulsu prądu wstecznego. Rysunek 7b ilustruje przebieg
prądu diody i
D
w przypadku różnych wartości indukcyjności źródła zasilania.
PRZERYWACZ PRĄDU STAŁEGO
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006
11
Opis stanowiska
Rysunek 8 przedstawia wygląd tablicy pomiarowej stanowiska przerywacza prądu stałego.
Rys. 8. Wygląd tablicy pomiarowej stanowiska
Na tablicy pomiarowej linią pogrubioną jest narysowany obwód mocy przerywacza, a linią
cienką obwody sterujące i pomocnicze.
Obwód mocy jest zasilany napięciem stałym 24 V z zasilacza. W obwodzie mocy można
wyróżnić:
• dławik Lz włączony w obwód zasilania przerywacza, pełniący rolę indukcyjności źródła
zasilania. Gniazda GLz umożliwiają wyeliminowanie indukcyjności źródła z obwodu
zasilania i tym samym obserwację przebiegów napięć i prądów w przerywaczu dla dwóch
różnych indukcyjności źródła zasilania.
• Mierniki MA i MV do pomiaru średniej wartości prądu i napięcia na obciążeniu.
• Rezystor R i indukcyjność L stanowią obciążenie przerywacza. Obciążenie jest
umieszczone na zewnątrz tablicy i dołączone do przerywacza do gniazd GO. Pomocnicze
gniazda GO1 są przeznaczone do podłączenia sond oscyloskopu do obserwacji napięcia na
obciążeniu.
• Dioda Dsz (dioda szybka) i dioda D (zwykła prostownicza) pełnią funkcje diody
rozładowczej. Dioda szybka Dsz jest włączona do obwodu stale, natomiast diodę zwykłą D
można włączyć do obwodu łącząc gniazda GD. Pozwala to na obserwację przebiegów
napięć i prądów w przerywaczu dla różnych rodzajów diod rozładowczych. Diody Dsz i D
PRZERYWACZ PRĄDU STAŁEGO
12
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006
są diodami o takich samych podstawowych parametrach prądowo–napięciowych
(maksymalne napięcie wsteczne – 200 V, maksymalny prąd przewodzenia – 20 A). Stąd
obserwowane różnice w przebiegach prądów w czasie załączania i wyłączania diod są
wynikiem różnic w konstrukcji diody prostowniczej i szybkiej, a nie wielkości złącza
diody.
• Boczniki B1, B2 i B3 są przeznaczone do obserwacji przebiegów prądów: klucza, diody
rozładowczej i obciążenia za pomocą oscyloskopu.
• Tranzystor bipolarny TM pełni rolę klucza. Podstawowe parametry tranzystora TM to:
maksymalne napięcie kolektor–emiter – 200 V, maksymalny prąd kolektora – 30 A.
Maksymalne napięcie kolektor–emiter klucza jest na tyle duże, że bezpieczna jest praca
przerywacza bez włączonej diody Dz do tłumienia przepięć.
• Gniazdo GK służy do podłączenia sondy oscyloskopu do obserwacji przebiegu napięcia na
kluczu.
• Dioda Zenera Dz jest pełni rolę tłumika przepięć na kluczu. W celu włączenia diody Dz
w obwód klucza należy połączyć ze sobą gniazda GDz.
• Gniazda GM są połączone z ujemnym biegunem źródła zasilania i masą obwodu
sterującego.
• Przełącznik P służy do wyboru rodzaju modulacji impulsów sterujących kluczem.
W lewym położeniu przełącznika wybrana jest modulacja częstotliwości, w prawym –
modulacja szerokości impulsów.
• Potencjometr Częstotliwość służy do regulacji częstotliwości impulsów sterujących
kluczem w zakresie od 0 do 2 kHz w trybie modulacji częstotliwości i modulacji
szerokości impulsów.
• Potencjometr Wypełnienie służy do zmiany czasu trwania (szerokości) impulsów
sterujących klucz w przypadku pracy w trybie modulacji szerokości impulsów.
Pozostałe, nieopisane wyżej elementy na tablicy sterującej stanowią obwody pomocnicze
i sterujące kluczem.
Uwaga!
Wszystkie punkty pomiarowe umieszczone na tablicy stanowiska nie wzajemnie
separowane galwanicznie. W czasie podłączania sond oscyloskopu należy zachować
ostrożność, aby nie spowodować zwarcia w obwodzie.
PRZERYWACZ PRĄDU STAŁEGO
Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2006
13
Program ćwiczenia
1. Obserwacja
przebiegów
napięć i prądów w przerywaczu.
Uruchomić przerywacz ustawiając parametry impulsowania tak, aby w obciążeniu płynął prąd
ciągły. Za pomocą oscyloskopu zaobserwować:
− prąd i napięcie na obciążeniu (u
o
, i
o
),
− prądy klucza i diody rozładowczej (i
K
, i
D
),
− napięcie na kluczu (u
K
).
Zaobserwować wyżej wymieniony przebiegi również przy przerywanym prądzie w obciążeniu.
2. Przełącznik rodzaju sterowania ustawić w położenie „Częstotliwość”. Sondy oscyloskopu
podłączyć do obserwacji napięcia na obciążeniu (1. kanał) i prądu obciążenia (2. kanał).
Załączyć przerywacz. Do regulacji częstotliwości impulsowania klucza używać potencjometru
„Częstotliwość”.
Dla kilku wartości częstotliwości pracy klucza należy odczytywać:
− okres impulsowania klucza (na oscyloskopie),
− średnie napięcie na obciążeniu (na woltomierzu),
− wartość międzyszczytową prądu obciążenia (na oscyloskopie).
Korzystając z danych pomiarowych należy sporządzić charakterystyki:
− napięcia średniego na obciążeniu w funkcji częstotliwości impulsowania,
− wartości międzyszczytowej prądu w obciążeniu w funkcji częstotliwości impulsowania.
Skomentować otrzymane charakterystyki.
3. Przełącznik rodzaju sterowania ustawić w położenie „Wypełnienie”. Sondy oscyloskopu
podłączyć do obserwacji napięcia na obciążeniu (1. kanał) i prądu obciążenia (2. kanał).
Załączyć przerywacz. Za pomocą potencjometru „Częstotliwość” ustawić częstotliwość pracy
przerywacza równą 1 kHz. Do regulacji czasu trwania impulsów sterujących klucz używać
potencjometru „Wypełnienie”.
Dla kilku wartości czasów załączenia klucza należy odczytywać:
− współczynnik wypełnienia załączenia klucza (na oscyloskopie),
− średnie napięcie na obciążeniu (na woltomierzu),
− wartość międzyszczytową prądu obciążenia (na oscyloskopie).
Korzystając z danych pomiarowych należy sporządzić charakterystyki:
− napięcia średniego na obciążeniu w funkcji współczynnika wypełnienia,
− wartości międzyszczytowej prądu w obciążeniu w funkcji współczynnika wypełnienia.
Skomentować otrzymane charakterystyki.
4. Komutacja w przerywaczu prądu stałego.
Sondy oscyloskopu podłączyć do boczników w obwodzie klucza (1. kanał) i diody
rozładowczej (2. kanał).
Zaobserwować przebiegi prądów w czasie komutacji dioda–klucz i klucz–dioda. Zmierzyć
czasy komutacji.
W czasie komutacji dioda–klucz (wyłączanie diody) przeprowadzić obserwacje prądu diody dla
diody prostowniczej i szybkiej oraz dla różnych wartości indukcyjności zasilania. W każdym
przypadku zmierzyć szczytową wartość impulsu prądu wstecznego i czas komutacji.
Skomentować poszczególne przebiegi.
5. Przepięcia na kluczu.
Sondę oscyloskopu podłączyć klucza, aby móc obserwować napięcie między kolektorem
i emiterem tranzystora kluczującego.
Obserwować przebieg napięcia na kluczu u
K
przy wyłączonej i włączonej dodatkowej
indukcyjności L
z
. Zmierzyć wielkość przepięć. Powtórzyć obserwację i pomiary po włączeniu
równolegle do klucza diody Zenera tłumiącej przepięcia.