1. Narysować charakterystykę statyczną diody mocy. Nazwać części (obszary) charakterystyki. Podać typową wartość napięcia przewodzenia diody przy prądzie znamionowym oraz wartość prądu wstecznego przy maksymalnym powtarzalnym napięciu wstecznym U_RRM.

Typowa wartość napięcia przewodzenia przy prądzie przewodzenia U_F(I_N) wynosi 1-1,6 V max 2V.

Wartość prądu wstecznego I_RM (U_RRM ) wynosi dla diody wysokonapięciowej 1-10mA

2. Co to jest triak? Narysować symbol, nazwać elektrody i podać zastosowania. Zaznaczyć obwód sterujący i główny oraz możliwe kierunki prądów w tych obwodach.

Triak, element półprzewodnikowy należący do rodziny tyrystorów. Ma pięciowarstwową strukturę n-p-n-p-n, pod względem funkcjonalnym jest odpowiednikiem dwóch tyrystorów połączonych antyrównolegle (przeciwsobnie i równolegle).

Triak ma trzy końcówki, 2 anody A1 i A2 (oznaczane też MT1 i MT2) oraz bramkę G. Triaki stosowane są w obwodach prądu zmiennego przewodzą prąd w obu kierunkach, triak włączany jest prądem bramki, wyłącza się gdy natężenie prądu jest równe zero. Używane są jako łączniki dwukierunkowe, przekaźniki oraz regulatory mocy.

Uproszczoną strukturę blokową przedstawia poniższy rysunek.

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

triaki stosuje się szeroko w urządzeniach z regulacją fazy oraz jako tanie bezstykowe łączniki mocy.

Częstym przypadkiem zastosowania triaka jest układ regulacji natężenia oświetlenia. Układ z triakiem jest układem bardziej ekonomicznym, gdyż zawiera mniejszą liczbę elementów niż układ z konwencjonalnym tyrystorem.

Kierunki prądów w obwodach:

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.

3. Podać symbol graficzny tyrystora (SCR), nazwać jego elektrody, oznaczyć obwody: główny i sterujący oraz kierunek prądu w tych obwodach przy przewodzeniu.

Obwód sterujacy to bramka-katoda

4. Jakie wielkości należy zmierzyć w celu wyliczenia współczynnika kształtu i tętnień. Naszkicować schematy układów pomiarowych.

współczynnik tętnień napięcia współczynnik tętnień prądu

współczynnik kształtu napięcia współczynnik kształtu prądu

7. Narysować kompletną charakterystykę statyczną tyrystora. Podać typową wartość (rząd) prądu wstecznego średniego (20-100A) tyrystora przy maksymalnym powtarzalnym napięciu wstecznym U_RRM.

typową wartość (rząd) prądu wstecznego średniego (20-100A) tyrystora przy maksymalnym powtarzalnym napięciu wstecznym URRM %u2013 10mA

8. Narysować schematy układów pomiarowych charakterystyk przewodzenia i zaporowych (blokowania) tyrystorów i diod. Wyjaśnić zasadę włączania przyrządów pomiarowych (dokładny pomiar napięcia lub prądu).

UPPN - układ poprawnego pomiaru napiecia

UPPP - uklad poprawnego pomiaru pradu

Male rezystancje oplaca sie mierzyc metoda poprawnego pomiaru napiecia gdyz blad metody wzgledny(%) wynosi: (Rx/Rv)*100%. gdzie Rv jest rezystancja zastosowanego woltomierza.
Natomiast duze rezystancje oplaca sie mierzyc ukladem poprawnego pomiaru napiecia gdyz blad metody wzgledny(%) wynosi:
(Ra/Rx)*100%. , gdzie Ra jest rezystancja amperomierza.
Do wyboru odpowiedniej metody moze posluzyc wzor na rezystancje graniczna zastosowanego rezystora: Rx=√Ra*RV (Ra i Rv sa pod pierwiastkiem)

9. Narysować układ do pomiaru charakterystyk elementów półprzewodnikowych metodą zmiennoprądową, objaśnić jego działanie.

W przedstawionym na rysunku układzie za pomocą rezystora R₁ mierzymy na kanale X oscyloskopu wartość prądu płynącego przez badany element, natomiast z zacisku Y odczytujemy wartość panującego na elemencie napięcia. Jako wynik otrzymujemy pełną charakterystykę statyczną badanego elementu na ekranie oscyloskopu.

 Pomiar charakterystyk metodą prądu zmiennego posiada kilka zalet. Po pierwsze za jednym połączeniem układu możemy odczytać jednocześnie charakterystyki przewodzenia, zaporową oraz blokowania . Drugą zaletą układu zmiennoprądowego jest łatwość uzyskania stosunkowo dużych mocy układów zasilających w porównaniu z metodami stałoprądowymi.

11. Dla układów prostownika 1-fazowego półokresowego z obciążeniem: a) R, b) RL, c) RLE+, d) RLE-, narysować przebiegi prądu i napięcia obciążenia i_d, u_d. To samo zadamie wykonać dla wszystkich typów obciążenia z diodą zerową.

Prostownik jednopulsowy, jednokierunkowy, obciążenie rezystancyjne

Prostownik jednopulsowy, jednokierunkowy, obciążenie RL

Prostownik jednopulsowy, jednokierunkowy, obciążenie RLE+ (przeciwnie do kierunku prądu)

Prostownik jednopulsowy, jednokierunkowy, obciążenie RLE- (zgodnie z kierunkiem prądu)

Prostownik jednopulsowy, jednokierunkowy, obciążenie RL i diodą zerową (rozładowczą)

12. Zadanie 11 wykonać dla przypadku prostownika sterowanego 1-pulsowego dla kąta opóźnienia wysterowania: a) = 30, b) = 60 , c) = 90 , d) = 150

Rys.4 i_d u_d - obciążenie R - kąt opóźnienia =0

Rys.5 i_d u_d - obciążenie RL - kąt opóźnienia =0

Rys.6 i_d u_d - obciążenie RLD - kąt opóźnienia =0

Rys.7 i_d u_d - obciążenie R - kąt opóźnienia =30

Rys.8 i_d u_d - obciążenie RL - kąt opóźnienia =30

Rys.9 i_d u_d - obciążenie RLD - kąt opóźnienia =30

Rys.10 i_d u_d - obciążenie R - kąt opóźnienia =60

Rys.11 i_d u_d - obciążenie RL - kąt opóźnienia =60

Rys.12 i_d u_d - obciążenie RLD - kąt opóźnienia =60

Rys.13 i_d u_d - obciążenie R - kąt opóźnienia =90

Rys.14 i_d u_d - obciążenie RL - kąt opóźnienia =90

Rys.15 i_d u_d - obciążenie RLD - kąt opóźnienia =90

Rys.16 i_d u_d - obciążenie R - kąt opóźnienia =150

Rys.17 i_d u_d - obciążenie RL - kąt opóźnienia =150

Rys.18 i_d u_d - obciążenie RLD - kąt opóźnienia =150

18. Podać ogólną definicję wartości średniej przebiegu okresowego. Zastosować wzór całkowy dla napięcia prostownika:

a) niesterowanego 1-pulsowego, obc. R

c) niesterowanego 1-pulsowego z obciążeniem RL+D

f) niesterowanego całookresowego z obciążeniem R

g) niesterowanego 3-pulsowego

h) niesterowanego 6-pulsowego

Wartością średnią przebiegu okresowego nazywa się średnią arytmetyczną wartości bezwzględnych tego przebiegu w ciągu jednego okresu lub mówiąc inaczej- średnią arytmetyczną tylko jednej połówki przebiegu.

Wartość średnia przebiegu okresowego W_AV (average value ) nazywamy całkę za okres z przebiegu okresowego

wartość średnia całookresowa

wartość średnia okresowa

Ad a)

Ad c)

Ad h)

Gdzie:

_w - kąt wyłączenia

_z - kąt załączenia

ά - kąt opóźnienia

Wartość średnia służy do scharakteryzowania napięcia wyprostowanego prostownika .

Wartość średnia dla idealnego sygnału sinusoidalnego wynosi 0

a) niesterowanego 1-pulsowego, obc. R

c) niesterowanego 1-pulsowego z obciążeniem RL+D

f) niesterowanego całookresowego z obciążeniem R

g) niesterowanego 3-pulsowego

Prostowniki trójfazowe

Podstawowymi układami są układy trójpulsowe i sześciopulsowe.

Jest to układ trójfazowy z wyprowadzonym przewodem zerowym. W uzwojeniu dowolnej fazy prąd może płynąć tylko w jednym kierunku, zatem układ ten jest klasyfikowany do grupy układów jednokierunkowych.

W przedziale jednego okresu napięcia źródła występują trzy pulsy napięcia wyprostowanego - stąd nazwa układ trójpulsowy. Ponieważ katody wszystkich zaworów są zwarte, więc w dowolnej chwili przewodzi ten zawór, którego anoda ma wyższy potencjał niż pozostałe. Powoduje to cykliczne przewodzenie zaworów kolejnych faz. Każdy zawór przewodzi przez jedną trzecią okresu. Wygodnie jest przedstawić odpowiedni wycinek sinusoidalny jak na rys.c, w celu obliczenia wartości średniej napięcia wyprostowanego

Prostownik trójpulsowy: a) model obwodowy prostownika, b) przebieg napięcia wyprostowanego, c) napięcie wyprostowane w przedziale jednego impulsu

h) niesterowanego 6-pulsowego

19. Podać ogólną definicję wartości skutecznej przebiegu okresowego. Zastosować ją do przebiegów napięcia prostownika:

a) niesterowanego 1-pulsowego, obc. R

c) niesterowanego 1-pulsowego z obciążeniem RL+D

g) niesterowanego 3-pulsowego

h) niesterowanego 6-pulsowego

Wartość skuteczna napięcia okresowo zmiennego u(t) jest równa wartości napięcia stałego, które doprowadzone do zacisków niezmiennej rezystancji R spowoduje wydzielenie w czasie T takiej samej ilości ciepła Q jak dane napięcie zmienne:

Na podstawie powyższego wartość skuteczna napięcia wynosi:

Wartość skuteczna jest to wartość średniokwadratowa z sygnału okresowego

A: a

C:

21. Podać definicję współczynnika kształtu napięcia k przebiegów okresowych, współczynników tętnień i współczynnika zawartości harmonicznych dla przebiegów wyjściowych prostowników

Dla którego z prostowników jednofazowych (pół- lub całookresowego) współczynniki te są większe?

• definicja współczynnika kształtu napięcia k przebiegów okresowych:

Zawartość tętnień w wyprostowanym napięciu może być także scharakteryzowana przez

współczynnik kształtu zdefiniowany jako stosunek wartości skutecznej do średniej napięcia wyprostowanego

• 
  
  współczynników tętnień:

Zawartość tętnień (ripple) w wyprostowanym napięciu definiowana jest jako różnica

pomiędzy maksymalną i minimalną wartością chwilową (instantaneous value). W czasie

jednego cyklu maksymalna wartość napięcia wyprostowanego występuje dla ωt = π /2, a

minimalna dla ωt = π /2 ± π /q:

Definiując współczynnik tętnień jako wartość" napięcia międzyszczytowego względem

wartości średniej otrzymuje się:

Co, po odpowiednich podstawieniach, daje

• współczynnika zawartości harmonicznych dla przebiegów wyjściowych prostowników

Rozwinięcie wyprostowanego napięcia w szereg Fouriera zawiera, poza wartością średnią

napięcia Ud(AV), składowe zmienne o częstotliwościach qω, 2qω... A ogólnie kqω (gdzie k jest dodatnią liczbą całkowitą). Dla chwili czasowej t rozwinięcie napięcia w szereg harmoniczny można zapisać jako

współczynnik zawartości harmonicznych

gdzie Udkq jest wartością skuteczną k-tej harmonicznej. Podstawiając Ud w miejsce szeregu

otrzymuje się

24. Narysować symbol graficzny tranzystora IGBT, podać jego zastosowanie oraz typowe w układach energoelektronicznych, dopuszczalne stany pracy. Jak wprowadzić tranzystor IGBT w stan nasycenia?

Ze względu na swoje zalety: prostotę i małe moce obwodów sterowania oraz duże

częstotliwości przełączeń tranzystory IGBT znajdują szerokie zastosowanie w układach

energoelektronicznych o mocach do około 200 kW. Można przypuszczać, że w wyniku postępu

technologicznego prowadzącego do zwiększania maksymalnych napięć i prądów tranzystorów

IGBT, będą one stopniowo zastępować tyrystory GTO w obszarach najwyższych mocy.

Zastosowanie IGBT

• M.in. w falownikach jako łącznik, umożliwia załączanie prądów do 1 kA i blokowanie napięć do 6 kV;

• W samochodach hybrydowych (Toyota Prius);

• Tranzystory IGBT mogą pracować przy częstotliwości rzędu 40 kHz. Dzięki temu można znacznie zmniejszyć gabaryty transformatorów stosowanych w przekształtnikach, zmniejszyć straty łączeniowe a także ustawić częstotliwość łączeń powyżej pasma akustycznego dla uniknięcia kłopotliwych i nieprzyjaznych dźwięków towarzyszących pracy dawniej budowanych układów.

Łączy zalety dwóch typów tranzystorów: łatwość sterowania tranzystorów polowych i wysokie napięcie przebicia oraz szybkość przełączania tranzystorów bipolarnych. Jest wykorzystywany m.in. w falownikach jako łącznik, umożliwia załączanie prądów do 1 kA i blokowanie napięć do 6 kV.

25. Narysować symbol graficzny tranzystora złączowego (BJT), podać jego zastosowanie oraz typowe w układach energoelektronicznych, dopuszczalne stany pracy. Jak wprowadzić tranzystor BJT w stan nasycenia? Narysować układ Darlingtona i podać jego zalety.

Zastosowanie tranzystorów bipolarnych w elektronice:

- radioodbiorniki, telewizory, komputery,

- czujniki fotoelektryczne,

- w układach pomiarowych,

- w połączeniu z kondensatorem stanowi element pamięci półprzewodnikowej

Rozróżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego:

• stan zatkania (odcięcia): złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym,

• stan nasycenia: złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia,

• stan aktywny: złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia, zaś złącze CB zaporowo,

• stan aktywny inwersyjny (krócej: inwersyjny): BE zaporowo, CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym).

Wprowadzenie w stan nasycenia

Suma napięć chwilowych w obwodzie kolektorowym jest stała i wynosi U_CC

Jeżeli zwiększymy prąd bazy i_B oraz napięcie u_BE, to wzrośnie prąd kolektorowy i_C, a wraz z nim także napięcie na rezystorze R_C. Wzrost tego napięcia oznacza zgodnie z powyższym równaniem spadek zaporowego napięcia na złączu kolektorowym, a dokładniej: spadek jego wartości bezwzględnej |u_BC|. Podczas wzrostu i_C przy U_CC = const dojdzie do takiej sytuacji, że na złączu B-C pojawi się napięcie zerowe, a przy dalszym, już niewielkim wzroście i_C, złącze zostanie przepolaryzowane w kierunku przewodzenia: u_BC > 0 . Są to warunki dla stanu nasycenia tranzystora. W tym stanie prąd kolektora przestaje być kontrolowany przez i_B.

W miarę gdy UCE maleje tranzystor wychodzi z obszaru pracy aktywnej (złącze B-C jest coraz słabiej polaryzowane w kierunku zaporowym, gdyż maleje |UCB|=|UCE-UBE|), osiąga wartość UCB=0 a potem UBC>0 i przy UCE<=UBE pracuje w stanie nasycenia.

Układ Darlingtona

Układ Darlington umozliwia uzyskanie dużego wzmocnienia prądowego przy stosunkowo małym współczynniku wzmocnienia każdego z tranzystorów.

26. Narysować symbol graficzny tranzystora MOSFET, podać jego zastosowanie oraz typowe w układach energoelektronicznych, dopuszczalne stany pracy. Który z jego parametrów decyduje o napięciu przewodzenia?

Zasada działania

Tranzystor MOS polaryzuje się tak, żeby jeden rodzaj nośników (nie ma nośników większościowych i mniejszościowych - elektrony w kanale typu N, dziury w kanale typu P) płynęły od źródła do drenu.

Wyróżnia się dwa zakresy pracy:

1. zakres nienasycenia (liniowy, triodowy)

2. zakres nasycenia (pentodowy)

Zakres pracy tranzystora determinuje napięcie dren-źródło (U_DS) - jeśli jest ono większe od napięcia nasycenia (U_DSsat), wówczas tranzystor znajduje się w zakresie nasycenia.

Zakres nienasycenia

U_DS < U_DSsat

Jeśli napięcie bramka-źródło U_GS jest mniejsze od napięcia progowego (tworzenia kanału) U_T, to prąd dren-źródło jest zerowy. Gdy napięcie progowe zostanie przekroczone wówczas na skutek działania pola elektrycznego przy powierzchni półprzewodnika powstaje warstwa inwersyjna - warstwa półprzewodnika o przeciwnym typie przewodnictwa niż podłoże. Warstwa inwersyjna ma więc taki sam typ przewodnictwa jak obszary drenu i źródła, możliwy jest więc przepływ prądu od drenu do źródła. Warstwa inwersyjna tworzy kanał.

Tak jest w przypadku tranzystorów z kanałem indukowanym, natomiast w tranzystorach z kanałem wbudowanym istnieje on nawet przy zerowym napięciu U_GS.

W zakresie nienasycenia zależność prądu drenu od napięcia bramka-źródło wyraża przybliżony wzór:

gdzie β - współczynnik transkonduktancji, parametr zależny od tranzystora. Dla niewielkich napięć drenu zależność ta jest liniowa.

Zakres nasycenia

Gdy kanał już istnieje, zwiększanie napięcia dren-źródło powoduje zwiększanie prądu drenu. To z kolei powoduje odkładanie się pewnego napięcia na niezerowej rezystancji kanału. Napięcie to powoduje zmniejszenie różnicy potencjałów między bramką a kanałem, czego wynikiem jest zawężenie warstwy inwersyjnej. A że różnica potencjałów rośnie od źródła do drenu, również przekrój kanału maleje w tym samym kierunku - w obszarze przy drenie kanał uzyskuje najmniejszy przekrój.

Jeśli U_DS przekroczy wartość U_DSsat to w pobliżu drenu kanał zniknie, w jego miejsce pojawi się obszar zubożały, mający bardzo dużą rezystancję (wraz ze wzrostem napięcie dren-źródło obszar zubożały rozszerza się) i wówczas praktycznie całe napięcie U_DS odkłada się na warstwie zubożałej.

Najprostszy model tranzystora przyjmuje, że napięcie nasycenia
. W zakresie nasycenia prąd drenu jest zależny od napięcia U_GS, zależność tą przybliża się wzorem:

gdzie β - współczynnik transkonduktancji, parametr zależny od tranzystora.

Podstawowe parametry tranzystora

Podstawowymi parametrami opisującymi tranzystor typu MOS są:

• transkonduktancja [S (Simens)]. Określa jak zmiany napięcia bramka-źródło wpływają na prąd drenu, na charakterystyce przejściowej określa jej nachylenie.

• parametry graniczne - maksymalne napięcia i prądy elektrod, maksymalna moc tracona - określają zakres bezpiecznej pracy elementu.

• napięcie odcięcia [V] - określa napięcia bramka-źródło dla którego zanika prąd drenu. Dla tranzystorów wzbogacanych jest zawsze dodatnie, dla zubożonych zawsze ujemne.

• napięcie włączenia [V] - określa wartość napięcia sterującego dla którego oporność tranzystor jest nasycony, a oporność kanału nie zależy od napięcia dren - źródło. Parametr jest bardzo istotny w zastosowaniach impulsowych - w tym stanie oporność kanału jest minimalna.

• oporność włączenia [Ω] - określa oporność kanału tranzystora w stanie nasycenia.

• czas włączenia i czas wyłączenia [ns (nanosekundy)] - czasy po którym tranzystor z pełnego zatkania przejdzie w stan nasycenia lub ze stanu pełnego nasycenia do stanu zatkania. Bardzo istotne w pracy impulsowej.

• pojemność bramki [pF (pikofarady)]

27. Narysować schemat układu pomiarowego umożliwiającego wyznaczenie współczynnika mocy układu prostowniczego jedno- i trójfazowego.

Współczynnik mocy (ang. power factor) - cosφ jest miarą wykorzystania energii.

Moc czynną, bierną i pozorną można przedstawić graficznie w postaci trójkąta prostokątnego, zwanego trójkątem mocy. Z trójkąta tego wynika, że współczynnik mocy jest stosunkiem mocy czynnej do pozornej:

28. Narysować typowy przebieg charakterystyki bramkowej tyrystora. Podać i wyjaśnić różnicę pomiędzy tą charakterystyką a typową charakterystyką diody półprzewodnikowej.

Tyrystor jest elementem półprzewodnikowym o strukturze 4 warstwowej p.n.p.n. tworzącej trzy złącza p-n wewnątrz jednego elementu.

Złącza zewnętrzne „ p” i „ n „ zawierają silne domieszkowanie nośników jednego typu dzięki czemu posiadają bardzo małą rezystywność, która pozwala na dostarczanie dużej ilości ładunków do warstw środkowych .

Ze względu na znaczne domieszkowanie złącze to nie wykazuje wyraźnych cech zaworowych

Złącze bramka - katoda ma na ogół słabe właściwości prostujące (rys. 5). Charakteryzuje się ono również stosunkowo małym napięciem przebicia lawinowego przy polaryzacji wstecznej.

Ponieważ charakterystyki bramkowe wskazują stosunkowo duży rozrzut technologiczny, katalogowe charakterystyki napięciowo-prądowe bramki tyrystora przedstawione są zawsze w postaci dwóch krzywych granicznych między którymi powinna leżeć charakterystyka dowolnie wybranego egzemplarza tyrystora danego typu.

22. Narysować obszar występowania charakterystyk bramki tyrystora, zaznaczyć na nim obszary: niepewnych i pewnych załączeń, oraz parametry dopuszczalne.

gdzie :		-	Maksymalna wartość prądu bramki
		-	Maksymalna wartość napięcia bramki
		-	Dopuszczalne starty mocy w bramce

I_fgm- max. Prąd przewodzenia bramki

I_GT- przełączający prąd bramki

I_GD- nieprzełączający prąd bramki

U_GD- nieprzełączające napięcie bramki

U_GT- przełączające napięcie bramki

U_fgm- szczytowe napięcie przewodzenia bramki

A - zakres pewnych załączeń

B- zakres możliwych załączeń

1 - obszar nieprzełączania tyrystora: obejmuje takie wartości napiec i prądów

bramkowych , przy których żaden tyrystor

danego typu nie zostanie załączony.

2 - obszar możliwych przełączeń: tylko niektóre tyrystory danego typu mogą zostać

załączone, zależy od temperatury struktury

złączowej T_j

3 - obszar pewnych załączeń tyrystora: obejmuje takie wartości napięć i prądów bramki

Przy których jest zagwarantowana załączenie

każdego tyrystora danego typu.

30. Jakie jest typowe napięcie nasycenia nowych tranzystorów IGBT? Porównać je z napięciem przewodzenia tyrystorów, tranzystorów MOSFET oraz tranzystorów bipolarnych mocy.

IGBT - 2,5-3V

Tyrystor - 1-2V

MOSFET - 3-5V

BJT - 1,5-2V

31. Wymienić znane łączniki (elementy) energoelektroniczne, podać sposób sterowania (rodzaje sygnałów sterujących) oraz przedziały parametrów statycznych (prądów i napięć) produkowanych współcześnie przyrządów.

Łączniki energoelektroniczne to elementy mocy służące do pracy dwustanowej - przełączającej. Cechują sie parametrami zbliżonymi do łącznika idealnego : napięcie przewodzenia bliskie zeru, nieznaczny prąd w stanie wyłączonym, wysokie napięcie przebicia , niewielkie starty mocy oraz krótki czasy przełączania.

Do elementów tych zaliczamy elementy elektroniczne o mocy znamionowej od 1 W i prądzie znamionowym 1 A .

Przyrządy pόłprzewodnikowe mogą załączać napięcia do kilku kilowatόw oraz przewodzą prądy do kilku kiloamperόw. Wśrόd pόłprzewodnikowych elementόw energoelektronicznych można wymienić diodę złączowa, tranzystor bipolarny, tranzystor MOS, tranzystor IGBT, tyrystor triodowy, tyrystor wyłączalny GTO.

Tranzystor bipolarny złączowy BJT

Posiada korzystnie niskie (1.5 - 2.0V) napięcie w stanie przewodzenia, dzięki czemu ma niskie straty przewodzenia. W celu utrzymania go w stanie przewodzenia konieczny jest ciągły przepływ prądu w obwodzie sterującym (baza-emiter). Wymaga to dość złożonych układów sterujących. Tranzystory te znajdują zastosowanie w układach przełączających pracujących z małą i średnią częst. (kilka kHz) przy znacznych, przekraczających 1kA prądach i napięciach powyżej 1kV

I_C - powyżej 1 kA

U_BR - powyżej 1 kV Sterowanie prądowe przepływ prądu w obwodzie sterującym

Polowe tranzystory mocy (MOSFET)

Są one sterowane napięciowo, prąd obwodu głównego „dren-żródło” jest regulowany napięciem „bramka-żródło” o wartości kilku do kilkunastu woltów. Napięcie przewodzenia tranzystorów wysokonapięciowych osiąga wartość kilkunastu woltów.

I _D - powyżej 1 kA

U_DSS - powyżej 1 kV Sterowanie napięciowe

Tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT)

• Obecnie produkowane sa tranzystory o bardzo szerokim zakresie pradów (pojedyncze ampery do tysiąca amperów) i napięć (do1200V). Kolejna trzecia generacja tych tranzystorów umożliwia ich przełączanie z częst. do 80kHz a ich napięcie przewodzenia obniżono do 2.5-3V. Przemienniki częstotliwości i falowniki do regulacji silników prądu przemiennego przeznaczone do napędów trakcyjnych i przemysłowych;

• Przekształtniki impulsowe (czopery) stosowane zwłaszcza w napędach prądu stałego w elektrycznej trakcji kolejowej i miejskiej;

• Źródła bezprzerwowego zasilania.

I _C - powyżej 1 kA

U_BR - powyżej 1 kV Sterowanie napięciowe

Tyrystor MCT

Proces wyłączania przeprowadza się w nich przez załączenie tranzystora FET zwierającego zlącze baza-emiter.Zdolnosc wyłączania- 120A przy temp. złącza do 150 `C. W tyrystorze P-MCT tranzystor załączający z kanałem P załączany jest ujemnym napięćiem w celu wprowadzenia ładunku w obszar bazy dolnego tranzystora co powoduje zatrzaśnięcie tyrystora.

Półprzewodnikowa dioda mocy : I_F(AV) - to rząd kilka tysięcy Amperów

U_RRM - to rząd kilku tysięcy woltów - niesterowana

Tyrystor SCR trójelektrodowy : I_DN- kilka amperów do kilka tysięcy amperów

U_RRM =U_DRM- to rząd od kilkunastu do kilku tysięcy woltów sterowanie prądowe ( 20 mA - 50 mA )

Tyrystor symetryczny TRIAK: parametry zbilzone do tyrystora SCR

32. Narysować układ prostownika trójpulsowego i układ prostownika sześciopulsowego, oznaczyć grupy komutacyjne, wymienić cechy każdego z nich.

. Prostownik 3-pulsowy, obciążenie RLE zjawisko komutacji.

Napięcie średnie wyprostowane-przebieg impulsowy, odbiornik RL

Napięcie średnie wyprostowane-przebieg ciągłe, odbiornik dowolny

Rys. Obwód komutacji i przebiegi czasowe

Komutacja prosta prądu odbiornika odbywa między tyrystorami dwóch faz.

Komutacja złożona prądu odbiornika między tyrystorami trzech faz

Prostownik 6-pulsowy, 6-fazowy.

Zastosowanie: Do uzyskania niskiego napięcia wyprostowanego z małą stratą.

Napięcie średnie wyprostowane-przebieg impulsowy, odbiornik R

Napięcie średnie wyprostowane-przebieg impulsowy, odbiornik R

(T1, T2, T3 - grupa katodowa) i tyrystory o połączonych anodach (T4, T5, T6 - grupa anodowa).

36. Podać definicje: kąta załączenia
,

kata opóźnienia wysterowania α,

kąta przewodzenia λ.

w układach prostowniczych.

Kąt załączania
 (trigger angle) jest to kąt pomiędzy początkiem półfali prostowanego napięcia a początkiem przewodzenia prądu przez tyrystor.

Kąt opóźnienia wysterowania zapłonu α, (delay angle) jest to kąt pomiędzy punktem komutacji naturalnej a początkiem przewodzenia prądu przez tyrystor.

Kąt przewodzenia λjest to kąt pomiędzy początkiem i końcem przewodzenia prądu przez tyrystor, lub inaczej, różnica kątów wyłączenia i załączenia.

37. Na przykładzie prostownika 3-pulsowego niesterowanego zilustrować zjawisko komutacji.

Komutacją w układach przekształtnikowych nazywamy zjawisko przejmowania przewodzenia prądu odbiornika od jednego zaworu przez drugi zawór. Rozróżniamy komutację zewnętrzną wywołaną bądź napięciem sieci, bądź napięciem obciążenia, którym może być np. maszyna elektryczna lub obwód rezonansowy oraz komutację wewnętrzną wymuszoną napięciem kondensatora lub przez sam przyrząd półprzewodnikowy (np. tranzystor lub tyrystor GTO). Wyłączenie prądu płynącego w obwodzie tyrystora konwencjonalnego wymaga obecności pomocniczego obwodu komutacyjnego, który przejmuje prąd przewodzenia przez tyrystor główny i polaryzuje go w kierunku wstecznym przez czas dłuższy niż czas wyłączenia tyrystora. W tym czasie prąd obciążenia płynie w obwodzie komutacyjnym. Do wymuszonego wyłączenia tyrystorów stosuje się dwa podstawowe układy komutacji:

a) Układ komutacji wymuszonej - równoległy

Układy komutacji równoległej, które umożliwiają prądową, prąd obciążenia i_O jest przejmowany przez obwód komutacji w wyniku czego prąd tyrystora głównego Ty osiąga wartość mniejszą od wartości prądu podtrzymania przewodzenia.

b) Układ komutacji wymuszonej - szeregowy
Układy komutacji szeregowej, które wprowadzają do gałęzi tyrystorowej napięcie przeciwdziałające przepływowi prądu " i0", zwykle za pośrednictwem transformatora o odpowiednio dobrej przekładni.

Największe znaczenie praktyczne mają kondensatorowe układy komutacji wewnętrznej, w których wymuszone wyłączenie tyrystora głównego Ty1 uzyskuje się w wyniku załączenia tyrystora komutacyjnego Ty2 za pośrednictwem uprzednio naładowanego kondensatora C.

Dzięki zastosowaniu w obwodach głównych w pełni sterowanych przyrządów półprzewodnikowych (np. tranzystorów lub tyrystorów GTO) eliminuje się konieczność wprowadzenia obwodów komutacyjnych do niektórych przekształtników (falowniki i przekształtniki) prądu stałego, wpływa to znacznie na uproszczenia struktury obwodów energetycznych w urządzeniach energoelektronicznych.

38. Wymienić parametry obwodu prostowniczego mające wpływ ( , ) na wartość kąta komutacji w układach prostowniczych. Jakie są skutki zjawiska komutacji dla wartości prądu i napięcia obciążenia prostownika. Jaka jest wartość napięcia obciążenia w czasie komutacji prostej?

Komutacja jest to proces ( .DEF. jak w poprzednim pytaniu )

Kąt komutacji jest odzwierciedleniem czasu komutacji ( czas od początku komutacji do czasu kiedy prąd na zaworze spadnie do zera )

Wartość kąta komutacji zależy ( normalna praca kilkanaście stopni elektrycznych) :

1. wprost proporcjonalnie od indukcyjności komutacyjnych ( indukcyjność uzwojeń transformatora , obwodu zasilającego i obwodu odbiornika )

2. prądu obciążenia

3. Kąta załączenia tyrystora _z

W czasie komutacji następuje spadek średniej wartości napięcia wyprostowanego U_d(AV) oraz prądu ??? wyprostowanego I_d(AV)

W czasie komutacji napięcie na odbiorniku wynosi

40. Wymienić zastosowania jednofazowych i trójfazowych sterowników mocy,

Sterowniki mocy są to układy energoelektroniczne służące do regulacji mocy elektrycznej przesyłanej do odbiorników prądu przemiennego.

Wytwarzane są jako jedno lub trójfazowe.

Sterowniki mocy jednofazowe: - zakres stosowania to moc rzędu kilka watów do kilku kilowatów

a-Regulacja prędkości obrotowej silników komutatorowych

b- regulacja oświetlenia

c- część wykonawcza układów sterowania lub automatycznej regulacji temperatury

Sterowniki mocy trójfazowe : - zakres stosowania to moc rzędu powyżej kilka kilowatów

1. Człony wykonawcze układów miękkiego startu silników indukcyjnych

( zastępują przełączniki gwiazda - trójkąt )

43. Przedstawić sposoby realizacji układu tyrystorowego sterownika mocy.

Sterownik jednofazowy składa się z elektronicznego układu wyzwolenia bramkowego i łącznika tyrystorowego(rodzaje pokazane wyżej)

Schemat blokowy jednofazowego sterownika mocy

46. Narysować możliwe schematy połączeń obciążenia trójfazowego sterownika mocy.

URRM

a) układ darlingtona dla tranzystorów n-p-n

b) układ darlingtona dla tranzystorów p-n-p

stosunek wartości skutecznej składowej zmiennej napięcia wyjściowego do wartości składowej stałej wartości średniej napięcia na wyjściu prostownika

Wartość napięcia międzyszczytowego względem wartości średniej

---