Cw.3 PRZEKSZTAŁTNIKI ENERGOELEKTRONICZNE

1.Zasada działania, charakterystyki sposoby włączenia i wyłączenia tyrystora.

Tyrystor (rys. 1), zwany także sterowaną diodą krzemową, składa się z czterech warstw półprzewodnika PNPN (rys. 2b).

Rys 1. Przykłady typowych obudów tyrystorów: a) małej mocy; b) średniej mocy; c) dużej mocy

Rys. 2.Tyrystor: a) symbol: b), c) podstawowa struktura; d) model dwutranzystorowy

Napięcie zewnętrzne Uak, przykładane między anodę i katodę, polaryzuje złącza emiter-baza (P1N1) i baza-kolektor (N₁P₂) tranzystora T1 w przeciw­nych kierunkach. Gdy anoda ma potencjał ujemny względem katody, to złącze P1N1 jest spolaryzowane wstecznie, a złącze N1P2 w kierunku przewo­dzenia.

W kierunku wstecznym jest spolaryzowane również złącze P2N2. W ob­wodzie anoda-katoda płynie niewielki prąd wsteczny (rzędu mikroamperów — rys. 3). W miarę zwiększania napięcia U_AK przy pewnej jego warto­ści U_BR następuje przebicie złącza P1N1, a następnie P2N2. W tym stanie pracy, nazywanym stanem wstecznym lub zaworowym, tyrystor zachowuje się więc jak dioda spolaryzowana wstecznie.

Rys. 3. Charakterystyka prądowo-napięciowa tyrystora

* Dla tyrystorów polskie normy przyjmują ozna­czenia: U_T — napięcie przewodzenia, U_R — napięcie wsteczne, U_D — napięcie blokowania, I_T — prąd przewodzenia, I_R — prąd wsteczny, I₀ — prąd blokowania.

Przy polaryzacji anody napięciem dodatnim względem katody są moż­liwe dwa stany: blokowania i przewodzenia (rys. 3). Jeżeli napięcie U_gk jest mniejsze niż napięcie progowe złącza baza-emiter tranzystora T2 (P2N2), to złącze to również nie przewodzi. W obwodzie anoda-katoda płynie prąd o wartości zbliżonej do wartości prądu wstecznego. Stan ten nazywa się stanem blokowania.

Należy jednak zwrócić uwagę, iż tranzystory T1 i T2 są połączone tak, że prąd kolektora tranzystora T2 jest prądem bazy tranzystora T1. Podobnie, prąd kolektora tranzystora T1 łącznie z prądem bramki I_G wysterowuje bazę tranzystora T2.

Jeżeli prąd bazy tranzystora T1 wzrasta, to zwiększa się prąd kolektora tego tranzystora. Pociąga to za sobą wzrost prądu bazy T2, co z kolei powoduje wzrost prądu kolektora T2, wzrost prądu bazy T1 itd. Proces zachodzi więc „lawi­nowo". Występuje tu zatem dodatnie sprzężenie zwrotne. To sprzężenie zwrotne powoduje wprowadzenie obu tranzystorów w stan nasycenia. Złącze N₁P₂ traci wtedy właściwości blokujące przepływ prądu, a tyrystor przechodzi w stan przewodzenia.

W zakresie przełączania napięcie na tyrystorze maleje mimo wzrostu prądu. Odpowiada to ujemnej rezystancji dynamicznej w ob­wodzie (rys. 3).

W stanie przewodzenia, gdy oba tranzystory są w stanie nasycenia, prąd w obwodzie anoda-katoda ma wartość zależną głównie od impedancji ob­ciążenia. Spadek napięcia na tyrystorze ulega niewielkim zmianom, przy dużych zmianach prądu anoda-katoda.

Załączenie tyrystora, czyli przejście ze stanu blokowania w stan przewo­dzenia, jest możliwe po przekroczeniu określonej wartości napięcia i prądu anodowego.

Napięcie U(bo) (rys. 3) nazywa się napięciem przełączania, a odpowiadający mu prąd I(bo) — prądem przełączania, natomiast prąd I_Hs — prądem załączania.

Proces przełączania może być zainicjowany np. gwałtownym wzrostem napięcia anoda-katoda, wzrostem temperatury, oświetleniem struktury tyrys­tora itp. Najczęściej jednak w praktyce jest on wywołany przepływem prądu bramki I_G (wyzwalanie bramkowe). Wymaga to spolaryzowania złącza P2N2 w kierunku przewodzenia, a więc napięcie bramka-katoda powinno być większe niż napięcie progowe tego złącza. Napięcie przełączania U(_BO) jest funkcją prądu bramki (rys. 3).

Proces odwrotny — wyłączenie tyrystora, czyli przejście ze stanu przewo­dzenia w stan blokowania lub wsteczny, wymaga zmniejszenia prądu anodo­wego tyrystora do wartości tzw. prądu podtrzymania I_H (rys. 3) albo zmiany polaryzacji napięcia anoda-katoda.

W praktyce wykorzystuje się na ogół ten drugi sposób.

Ze względu na załączanie tyrystora jedną z ważniejszych charakterystyk jest charakterystyka napięciowo-prądowa obwodu bramki U_FG = f(I_fg), nazy­wana też charakterystyką przełączania prądem bramki (wyzwalania). Charak­terystykę tę (rys. 4) przedstawia się w postaci powierzchni zamkniętej, ograniczonej skrajnymi dla danego typu tyrystorów przebiegami. Powierzchnia taka obejmuje wszystkie egzemplarze danego typu tyrystora. Można w niej wyróżnić następujące obszary:

Rys. 4 Pole charakterystyk bramkowych tyrystora

1. Obszar nieprzełączania, czyli obszar zawierający takie wartości napięć i prą­dów bramkowych, które nie spowodują przełączenia żadnego egzemplarza tyrystora danego typu. Napięcie ograniczające ten obszar U_GD nazywa się napięciem nieprzełączającym bramki, a prąd I_GD — prądem nieprzełączającym bramki.

2. Obszar możliwych przełączeń, w którym można uzyskać przełączenie wybranych egzemplarzy tyrystorów określonego typu. Obszar ten jest ograniczony napięciem przełączającym bramki U_GT i prądem przełączającym bramki I_GD.

3. Obszar pewnych przełączeń, który wyznacza wartości napięć i prądów bramkowych, gwarantujących przełączenie ze stanu blokowania do stanu przewodzenia wszystkich egzemplarzy tyrystorów danego typu. Obszar ten jest ograniczony szczytowym napięciem przewodzenia bramki Ufgm, szczy­towym prądem przewodzenia bramki Ifgm i szczytowymi stratami mocy w bramce Pgm. Wartości napięcia i prądu bramki podczas przełączania należy dobierać tak, aby punkt pracy leżał w tym obszarze.

4. Obszar możliwych uszkodzeń obwodu bramkowego, który znajduje się poza krzywą szczytowych wartości strat mocy w bramce. Takie warunki pracy obwodu bramki powinny być wyeliminowane.

Przełączanie tyrystorów z jednego stanu w drugi nie zachodzi natychmiast, ale trwa określony czas. Procesy przejściowe podczas przełączania charak­teryzują czas załączania i czas wyłączania tyrystora. Czasy te dla większości tyrystorów są rzędu mikrosekund. Podczas przełączania stromość narastania prądu przewodzenia i stromość narastania napięcia blokowa­nia nie powinny przekraczać wartości krytycznych.

2.Zasada działania regulacji fazowej i grupowej.

Sygnał wyzwalający doprowadzony do obwo­du sterującego powinien mieć odpowiedni po­ziom wynikający z charakterystyk bramkowych tyrystora.

Sygnał (impuls) bramkowy

Rys. 5 Prądy sterowania tyrystorów: a) impulsy pojedynczy, b) grupy impulsów

Układy wyzwalania tyrystorów, ze względu na relacje cza­sowe między napięciem zasilającym regulator a czasem prze­wodzenia tyrystora, można podzielić na układy wyzwalania fazowego i grupowego. Ilustruje to poniższy rysunek.

Odbiornik energii włączony szeregowo z tyrystorem pobiera prąd ze źródła zasilania przez część dodatniego półokresu na­pięcia zasilającego. Wartość przesunięcia fazowego między przejściem przez zero napięcia zasilającego a momentem wy­zwolenia określa tzw. kąt zapłonu (opóźnienia wysterowania).

kąt przewodzenia

Rys. 6 Zasada regulacji fazowej

P/P_max = (π - α + 1/2sin2α)/ π

Zmieniając kąt zapłonu a w granicach od 0° do 180^o można zmieniać moc wydzielaną na odbiorniku w zakresie 0 - 50 % mocy maksymalnej. Stosując tyrystor z układem prostownika mostkowego albo tyrystor dwukierunkowy (triak) zakres regulacji mocy można roz­szerzyć od 0 do 100%. Idea regulacji fazowej jest szeroko wykorzystywana, pewną niedogodnością jest fakt, że prąd odbiornika zmienia się w spo­sób skokowy w momencie zapłonu, powodując powstawanie zakłóceń radioelektrycznych. Dlatego też dla odbiorników o większej mocy i dużej bezwładności stosuje się układy regu­lacji grupowej. Polega ona na takim sterowaniu triakiem, aby prąd odbiornika płynął przez pewną całkowitą liczbę okresów napięcia zasilającego, a załączenie i wyłączenie następowało w chwilach przejścia przez zero napięcia zasilającego. Unika się w tym przypadku skokowych zmian prądu.

Rys. 7 Zasada regulacji grupowej

3.Charakterystyka i zastosowanie symistora (triaka) oraz tyrystora MCT.

Uproszczoną strukturę blokową przedstawia poniższy rysunek.

Działanie triaka jest analogiczne do przeciwsobnego połączenia dwóch tyrystorów (SCR) - patrz poniższy rysunek.

Na rysunku bramki tyrystorów pokazane są oddzielnie dla każdego tyrystora. Triak posiada tylko jedną bramkę - włączenie następuje niezależnie od polaryzacji (w przeciwieństwie do tyrystora, który może być załączony tylko jeśli potencjał anody jest większy od potencjału katody).
Triak działa w obu kierunkach polaryzacji i zachowuje się jak tyrystor w dodatniej części swojej charakterystyki (stan blokowania bądź przewodzenia) - charakterystyka triaka jest symetryczną względem początku układu charakterystyką tyrystora:

Zobacz również: objaśnienie ważniejszych oznaczeń

Zakresy pracy triaka

Są cztery podstawowe zakresy pracy. Przedstawia je poniższy rysunek:

Najczęściej triaki pracują w ćwiartce I i III (QI, QIII), gdzie zasilanie bramki ma tą samą polaryzację co końcowka robocza (MT). Optymalna czułość bramki wynikająca ze struktury wewnętrznej traików przypada właśnie na QI i QIII.
Jeżeli jednak praca w tych zakresach nie jest możliwa, kolejnym korzystnym zakresem pracy są ćwiartki QII i QIII (bramka jest zasilana ujemnymi impulsami).

Zazwyczaj czułość bramki jest w przybliżeniu taka sama w QI i QII jednak w QII czułość prądu załączania jest niższa. Dlatego też, trudno jest załączyć triaki w ćwiartce QII kiedy prąd końcówki roboczej (głównej z ang. main terminal MT) ma małą wartość.

Czułość bramki jest najniższa w ćwiartce QIV, dlatego należy unikać pracy w np. QI i QIV.

4.Metody sterowania zaworami przekształtników.

Metody sterowania zaworami przekształtnika prądu stałego na prąd stały.

Przekształtnik jak sama nazwa wskazuje służy do przekształcania, przetwarzania prądu stałego na prąd stały lecz o innej wartości średniej napięcia.
Stałe napięcie wejściowe przekształcane jest na ciąg impulsów prostokątnych
o stałej amplitudzie.

Regulacji napięcia wyjściowego możemy dokonywać w następujące sposoby:

1. Przez zmianę częstotliwości przy stałym czasie trwania każdego pojedynczego impulsu - rysunek 8.

Rys. 8 Regulacja wartości średniej napięcia poprzez zmianę częstotliwości;

t_z = const., t_w = const, t_z + t_w = var, f = 1/(t_z + t_w) = var.

Przy niskiej częstotliwości przełączania występuje duża wartość składowej zmiennej: pulsacje napięcia i prądu.

2. Przez zmianę czasu trwania impulsów i stałej częstotliwości
   (modulacja szerokości impulsu - MSI, lub regulacja współczynnika wypełnienia - z ang. Pulse Width Modulation - PWM) - rysunek 9.

Rys. 9 Regulacja wartości średniej napięcia przez zmianę odstępu między impulsami;
t_z = var, t_w = const, t_z + t_w = const, f = 1/(t_z + t_w) = const.

Mała składowa zmienna występuje przy niskich i wysokich częstotliwościach przełączania. Zależność na wyjściu z metody PWM pokazuje rysunek 10.
Maksimum występuje przy współczynniku wypełnienia równym 50%.

3. Szerokości impulsów t_z są niezmienne, zaś zmienia się odstęp między nimi,
   tj. czas przerw (wyłączenia) t_w - rysunek 11.

Rys. 11 Regulacja średniej wartości napięcia przez zmianę okresów przerw między impulsami;

t_Z = const, t_W = var, t_Z + t_W = var, f = 1/(t_Z + t_W) = var.

4. Zmieniana szerokość impulsu t_Z i przerwy t_W - rysunek 12.

Rys. 12 Regulacja napięcia przez zmianę czasu załączania i wyłączania;

t_Z = var, t_W = var, t_Z + t_W = var, f = 1/(t_Z + t_W) = var.

Mogą też być różne kombinacje tych metod, ale w praktyce do regulacji prędkości obrotowej silnika prądu stałego najczęściej korzysta się z metody drugiej,
czyli regulacji impulsowej z bezpośrednim wymuszeniem prądu twornika, za pomocą tzw. regulatora PWM.

5.Zasada działania falownika 3-fazowego i prostownika sterowanego (regulatora mocy).

?

---