1 Przyrządy półprzewodnikowe mocy

Przyrządy półprzewodnikowe mocy (skrótowo ppm), inaczej nazywane też zaworami półprzewodnikowymi są to wszystkie elementy półprzewodnikowe, pracujące jako przyrządy dwustanowe (stan włączenia i stan wyłączenia). Jest to podstawowa i najważniejsza cecha różniąca je od typowych elementów elektronicznych. Dzięki pracy dwustanowej uzyskuje się zdecydowanie mniejsze straty mocy na zaworze. Zadaniem ppm jest przetwarzanie oraz sterowanie przepływem energii elektrycznej

Przyrządy półprzewodnikowe mocy wykonywane są z wykorzystaniem technologii bipolarnej, MOS oraz hybrydowej do pracy przy dużych napięciach oraz prądach obciążenia. Jak dotąd nie została precyzyjnie wyznaczona dolna granica napięć oraz prądów znamionowych poniżej której dane elementy nie będą traktowane jako półprzewodnikowe przyrządy mocy. Ogólnie można ją wyznaczyć na poziomie prądów znamionowych rzędu 1 ampera. Współcześnie produkowane ppm wykonywane są z monokryształów krzemu. W zależności od rodzaju elementu wykonane są z wykorzystaniem jednego lub większej liczby złączy półprzewodnikowych p-n (wykazują one własności zaworowe tzn. przy wyższym potencjale na warstwie p i mniejszym na warstwie n mają niewielką wartość oporu elektrycznego, natomiast przy polaryzacji odwrotnej opór ten wzrasta o kilkanaście rzędów wielkości).

Stan zaporowy (zaworowy, wyłączenia) – stan elementu, w którym oporność pomiędzy jego połączeniami wyjściowymi jest stosunkowo duża.
Stan przewodzenia (włączenia) – stan elementu, w którym rezystancja pomiędzy jego połączeniami wyjściowymi jest stosunkowo niewielka.
Stan blokowania - odpowiada polaryzacji przewodzenia tyrystora. Pomimo polaryzacji anoda-katoda w kierunku przewodzenia, prąd przez tyrystor nie płynie, ponieważ złącze j2 jest spolaryzowane zaporowo blokując przepływ prądu. Dopiero odpowiednio duże napięcie U_T powoduje przełączenie tyrystora w stan przewodzenia.
a) dioda prostownicza (mocy)

Jest elementem dwukońcówkowym, przy czym końcówka dołączona do obszaru n nazywa się katodą, a do obszaru p – anodą. Element ten charakteryzuje się jednokierunkowym przepływem prądu – od anody do katody, w drugą stronę prąd nie płynie (zawór elektryczny). Diody te są elementami nieliniowymi.
Dioda przeznaczona głównie do prostowania prądu przemiennego, jej główną cechą jest możliwość przewodzenia prądu o dużym natężeniu.

Parametry charakterystyczne:
- napięcie przewodzenia U_F przy określonym prądzie przewodzenia I_F (maksymalnym prądzie wyprostowanym I_o, prądzie znamionowym – I_FM)
- prąd wsteczny I_R przy szczytowym napięciu wstecznym pracy U_RWM

U_R – napięcie wsteczne
I_R – prąd wsteczny
U_RWM – szczytowe napięcie wsteczne pracy
U_F – napięcie diody w kierunku przewodzenia (napięcie przewodzenia)
I_F – prąd diody w kierunku przewodzenia (prąd przewodzenia)
I₀ – prąd wyjściowy (wyprostowany)


Modele diody

I_F – prąd przewodzenia diody
U_F – napięcie przewodzenia
U_R – napięcie wsteczne (napięcie pomiędzy anodą i katodą w stanie zatkania)
I_F(AV)M -
U_F0 -

b) tyrystory sieciowe – SCR (triodowy blokujący wstecznie, zwykły)

Tyrystor SCR jest to konwencjonalny tyrystor blokujący wstecz. Jest przyrządem półprzewodnikowym o strukturze czterowarstwowej typu p-n-p-n. Impedancja tyrystora w trakcie blokowania osiąga 10⁹ Ω, a prąd blokowania jest rzędu mikroamperów lub miliamperów. Załączanie przeprowadza się przez podanie impulsu prądu bramkowego, a wyłączanie przez zanik prądu w obwodzie głównym. Tyrystor może pracować zarówno w obwodzie prądu przemiennego (o komutacji naturalnej), jak i prądu stałego (o komutacji wymuszonej).

anoda - elektroda, przez którą prąd elektryczny wpływa do urządzenia
katoda -  elektroda, przez którą z urządzenia wypływa prąd elektryczny


Parametry:
- I_T(AV)M – prąd graniczny, maksymalny średni prąd przewodzenia
- U_RRM – maksymalne, szczytowe napięcie wsteczne
- U_DRM – maksymalne, szczytowe napięcie blokowania
- I_T(RMS) – skuteczny prąd przewodzenia
- I_TM – wartość szczytowa prądu przewodzenia
- I_TSM – niepowtarzalny, szczytowy prąd przewodzenia
- I_H – prąd wyłączania (minimalna wartość prądu przewodzenia płynącego przez tyrystor, niezbędna do utrzymania stanu przewodzenia)
- I_L – prąd załączania

Większość tyrystorów produkowanych obecnie, charakteryzuje się symetrią stanu blokowania oraz zaporowego, czyli U_RRM= U_DRM oraz I_RRM= I_DRM.

Bramka będąca elektrodą sterującą jest umieszczona centralnie na płytce krzemowej. Przełączanie tyrystora ze stanu blokowania do stanu przewodzenia następuje po doprowadzeniu do bramki niewielkiego impulsu prądowego o amplitudzie od kilku do kilkudziesięciu miliamperów. Warunkiem przełączenia w trwały stan przewodzenia jest osiągnięcie przez prąd główny tyrystora wartości większej od prądu I_H, nazywanego prądem podtrzymania przewodzenia lub prądem wyłączania.

Tyrystor przewodzi w kierunku od anody do katody. Jeżeli anoda jest o dodatnim potencjale względem katody, to złącza skrajne typu p-n są spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze środkowe n-p w kierunku zaporowym.

Dopóki do bramki nie doprowadzi się napięcia, tyrystor nie przewodzi prądu. Doprowadzenie do bramki dodatniego napięcia względem katody spowoduje przepływ prądu bramkowego i właściwości zaporowe środkowego złącza zanikają w ciągu kilku mikrosekund.

Charakterystyka obwodu bramkowego tyrystora.
U_G – napięcie bramki
I_G – prąd przełączający bramki

Przebiegi w procesach łączeniowych.

I_T – prąd przewodzenia
U_T – napięcie blokowania
$\frac{dI_{T}}{\text{dt}} - \ $ krytyczna stromość z jaką narasta prąd przewodzenia
$\frac{dU_{T}}{\text{dt}} - \ $ krytyczna stromość, z jaką narasta napięcie blokowania
t_GT - czas załączania. Jest to czas w jakim tyrystor przechodzi ze stanu blokowania w stan przewodzenia
t_q - czas wyłączania. Jest to czas w którym tyrystor odzyskuje swe właściwości blokujące
Q_rr – ładunek przejściowy tyrystora
U_RM – szczytowe napięcie wsteczne
I_GT – prąd przełączający bramki

c) Tranzystor CMOS

d) Tranzystor IGBT (bipolarny z izolowaną bramką)


U_GT – napięcie bramka-emiter (powinno być U_GE)
źródło – odpowiednik emitera
dren – odpowiednik kolektora

Tranzystor bipolarny z izolowaną bramką. Powstał przez połączenie w obszarze monolitycznego materiału półprzewodnikowego tranzystora bipolarnego z tranzystorem polowym typu MOS. Dzięki czemu może pracować w układach o mocy nawet kilkuset kilowatów i pracujących z częstotliwością przełączania siegającą 20 kHz. Prądy znamionowe mogą mieć wartość do 1kA, a maksymalne dopuszczalne wartości blokowanego napięcia przekraczają 2 kV. Zaletami IGBT jest łatwość sterowania go przez zmianę potencjału izolowanej bramki. Wadą IGBT jest spadek napięcia występujący na nich w stanie przewodzenia.

Tranzystor MOSFET steruje bazą tranzystora bipolarnego, zapewniając szybkie przechodzenie od stanu blokowania do przewodzenia i na odwrót. W tranzystorze IGBT największa część prądu drenu płynie przez kanał tranzystora MOSFET. Stan blokowania IGBT występuje gdy napięcie między bramką a źródłem jest niższe od wartości progowej U_GE(th), wielkości znanej z tranzystora MOSFET. Dołączone napięcie dren-źródło powoduje przepływ bardzo małego prądu upływu.

Jeśli napięcie bramka-źródło przekroczy wartość progową U_GE(th) tranzystora MOSFET struktury IGBT to zaczyna on przewodzić – płynie prąd drenu określony napięciem kolektor-emiter oraz wartością napięcia sterującego U_GE.

2. Ochrona (zabezpieczenia) napięciowa i prądowa tyrystorów
Tyrystory są bardzo wrażliwe na przepięcia. Nawet krótkotrwałe przepięcie może spowodować uszkodzenie tyrystora. Ograniczenie i tłumienie przepięć wymaga stosowania dodatkowych elementów i układów.

Zabezpieczenia przed przepięciami komutacyjnymi.
Komutacja to przenoszenie prądu z jednej gałęzi do drugiej. Powstają przy szybkim zmniejszaniu się prądu w indukcyjnym obwodzie zawierającym wyłączany przyrząd.

Stosuje się człony RC, które przyłącza się równolegle do tyrystorów – służą do tłumienia przepięć.

I_D - szczytowy powtarzalny prąd płynący przy wyłączonym tyrystorze w kierunku przewodzenia
Zabezpieczenia przed przepięciami łączeniowymi.
Przepięcia powstają w wyniku szybkich zmian prądu w obwodach elektrycznych z indukcyjnością.
W praktyce najczęściej przyczyną jest wyłączenie prądów indukcyjnych.
Do ochrony zaworów stosuje się elementy nieliniowe, ograniczające przepięcia, lub człony RC, działające tłumiąco na przepięcia. Do elementów nieliniowych należą: odgromniki i ograniczniki napięcia.
Zadaniem członów tłumiących (RC) jest przejmowanie energii magnetycznej, która następnie jest rozpraszana w elementach rezystancyjnych.
Człon RC wraz z indukcyjnością wyłączanego transformatora L_μ tworzy obwód tłumiący rezonansu szeregowego.
I_μ – prąd magnesujący

Zabezpieczenie od stromości narastania napięcia.




Dzięki przyłączeniu diody D bocznikującej rezystor obwodu tłumiącego RC uzyskuje się ograniczenie początkowej stromości dodatniego napięcia anodowego, bez narażenia tyrystora na udar prądu rozładowania kondensatora. Aby uniknąć również zagrożenia wskutek impulsu przejściowego prądu wstecznego, który wystąpi przy skokowej zmianie polaryzacji diody z kierunku przewodzenia na kierunek wsteczny (w chwili załączenia tyrystora), w obwodzie tłumiącym RCD zaleca się stosowanie diody szybkiej o krótkim czasie odzyskiwania zdolności zaworowej.

Zabezpieczenie od stromości narastania prądu.

W szereg z tranzystorem łączącym bazę tranzystora sterowanego z ujemną sekcją źródła w miejsce rezystora włącza się często dławik o indukcyjności dobranej tak, by ograniczyć stromość narastania prądu, co poprawia przebiegi prądu tranzystora w procesie wyłączania.
Zabezpieczenia przed przeciążeniami prądowymi i zwarciami.

•Szybkie bezpieczniki topikowe (diody energetyczne, tyrystory)
•Szybkie wyłączniki zwarciowe (układy dużej mocy)
•Układy ochrony aktywnej (GTO, BJT, IGBT, CMOS)

Do ochrony przed skutkami zwarcia stosuje się bezpieczniki topikowe o charakterystyce odpowiednio dobranej do właściwości przyrządów półprzewodnikowych - są to bezpieczniki o działaniu szybkim. Bezpieczniki dla tyrystorów ograniczają w znacznym stopniu nie tylko prąd, lecz i parametr przeciążeniowy I²t, charakteryzujący dopuszczalny impuls prądu.

I_TOV -

I²t = ∫₀^T/2i²dt – parametr przeciążeniowy służący do doboru zabezpieczeń

3. Układy sterowania bramkowego tyrystorów (sterowniki tyrystorów).

Sygnały bramkowe tyrystorów SCR i ich odmian są prądowymi impulsami pojedynczymi lub powtarzającymi się okresowo. Podstawowe parametry tych impulsów to:
- I_G - wartość szczytowa sygnału (impulsów prądowych) – określana przez najmniejszą wartość I_Gmin
- t_gr – czas narastania sygnału od 0,1 do 0,9 I_Gmin
- t_gs – czas opadania sygnału od 0,9 do 0,1 I_Gmin

Czas trwania impulsów w przekształtnikach sieciowych zwykle wynosi t_gi = 15÷40 μs. Czasem do zapewnienia poprawnej pracy układu zostaje on zwiększony do 100÷500 μs lub nawet kilku milisekund.

Sygnały sterujące (bramkowe) są wytwarzane w układach nazywanych sterownikami i są doprowadzone do bramek tyrystorów. Sterowniki tyrystorów są wykonywane w technice analogowej lub cyfrowej. Bywają budowane jako zespoły złożone z elementów dyskretnych (pojedynczych tranzystorów i elementów biernych) albo jako specjalizowane elementy scalone.


b) Charakterystyka impulsu bramkowego.

i_G – prąd bramki
I_GT – prąd przełączający bramki
i_GMAX – maksymalny prąd bramki

4. Prostowniki i falowniki sieciowe:
- prostowniki niesterowane (diodowe), praca na obciążenie o charakterze R,RL,RLE,
- prostowniki sterowane fazowo, przebiegi czasowe napięć prądów wejściowych i wyjściowych, OK
- prostowniki półsterowne (z diodami zerowymi),
- zjawisko komutacji i jego wpływ na charakterystyki prostownika,
- charakterystyki wyjściowe, (napięciowo – prądowe), OK
- praca falownikowa prostowników sterowanych
- zastosowanie prostowników

Prostownik jest układem przekształcającym napięcie przemienne na napięcie jednego znaku, które po dalszym odfiltrowaniu może być zamienione na napięcie stałe. Najczęściej wejściowym napięciem przemiennym jest napięcie sieciowe:
• 230 V, 50 Hz – prostowniki jednofazowe;
• 400 V, 50 Hz – prostowniki trójfazowe.


Falownik to urządzenie elektryczne zamieniające prąd stały, którym jest zasilane, na prąd przemienny o regulowanej częstotliwości wyjściowej. Jeśli w falowniku zastosuje się modulację szerokości impulsów (PWM, MSI), to równocześnie ze zmianą częstotliwości można regulować wartość skuteczną napięcia wyjściowego.

a₁) prostowniki niesterowane (diodowe), praca na obciążenie o charakterze R
Prostownik diodowy jest przekształtnikiem napięcia przemiennego na napięcie stałe nieregulowane.

i_d = i₁

U_d – napięcie odbiornika
R₀ – rezystancja obciążenia
u_F -

a₂) prostowniki niesterowane (diodowe), praca na obciążenie o charakterze RL


ωL₀ > R₀
i_d = i₁

a₃) prostowniki niesterowane (diodowe), praca na obciążenie o charakterze RLE

a₄) prostowniki niesterowane (diodowe), praca na obciążenie o charakterze RLE + D0

b) prostowniki sterowane (tyrystorowe) fazowo, przebiegi czasowe napięć prądów wejściowych i wyjściowych
Prostownik tyrystorowy jest tyrystorowym przekształtnikiem napięcia przemiennego na napięcie stałe, umożliwiającym regulację napięcia stłaego od zerowej wartości średniej do wartości maksymalnej. Regulacja napięcia stałego jesr realizowana przez sterowanie fazowe tyrystorów.

Prostownik tyrystorowy jednopulsowy jednofazowy na obciążenie RL
Tyrystor jest polaryzowany w kierunku przewodzenia w czasie występowania dodatniej połówki fali napięcia zasilania – wtedy po podaniu impulsu sterującego bramki tyrystor wejdzie w stan przewodzenia.

Prostownik tyrystorowy 2-pulsowy jednofazowy
Prostownik, którego napięcie i prąd wyjściowy zawiera w okresie napięcia linii zasilającej dwa impulsy, nazywa się prostownikiem dwupulsowym.






Prostownik tyrystorowy 3-pulsowy
Prostownik trójpulsowy w sieci trójfazowej jest odpowiednikiem prostownika jednopulsowego w sieci jednofazowej. Prostownik trójpulsowy może być zasilany przez transformator trójfazowy z wyprowadzonym przewodem neutralnym, lub prez dławiki sieciowe, bezpośrednio z linii trójfazowej z przewodem nautralnym.

Prostownik tyrystorowy mostkowy 2-pulsowy jednofazowy


Prostownik tyrystorowy 6-pulsowy

Napięcie na odbiorniku:


Prostowniki tyrystorowe 12-pulsowe

c) prostowniki półsterowne (z diodami zerowymi) (prostownik tyrystorowo-diodowy)
W przypadku gdy nie jest wymagana praca falownikowa, można stosować prostowniki półsterowne. Na rysunku pokazano układ z dwoma tyrystorami w grupie katodowej. Po załączeniu tyrystora T1 prąd odbiornika płynie przez tyrystor T1, odbiornik, diodę D2 i uzwojenie transformatora, a po przejściu napięcia przez zero – w obwodzie T1, D1, aż do momentu załączenia T2. Włączenie diody zerowej D0 o małym napięciu pozwala na uniknięcie zjawiska podobnego do przewrotu falownika. Gałęzie są złożone z szeregowo połączonych tyrystorów i diod.

d) zjawisko komutacji i jego wpływ na charakterystyki prostownika





Zależność kąta komutacji γ₀od kąta sterowania α.

f) praca falownikowa prostowników sterowanych

Praca falownikowa ma miejsce w przypadku hamowania maszyny prądu stałego. Energia mechaniczna napędu jest zamieniania na energię prądu stałego, a następnie przez prostownik, pracujący falownikowo, na energię prądu przemiennego i oddawana di sieci prądu przemiennego. Warunkiem przejścia prostownika do pracy falownikowej jest zmiana kierunku źródła prądu stałego E, opóźnienie kąta załączenia tyrystora oraz istnienie, w sieci prądu przemiennego, odbiornika zdolnego do przyjęcia mocy oddawanej przez falownik energii.


g) zastosowanie prostowników
Prostowniki są stosowane w energetyce, zasilaniu maszyn i urządzeń (np. w lokomotywach elektrycznych), w galwanotechnice oraz w większości urządzeń elektronicznych zasilanych z sieci energetycznej lub jakimkolwiek napięciem przemiennym (np. układy elektryczne samochodów). Prostownikiem jest również detektor diodowy wykorzystywany do detekcji sygnału radiowego zmodulowanego AM lub FM.

5. Sterowniki i łączniki prądu przemiennego:
- sterowniki jednofazowe,
- sterowniki trójfazowe
- zastosowania sterowników i łączników prądu przemiennego

Sterowniki prądu przemiennego służą do przekształcania przebiegów prądu przemiennego na przebiegi prądu przemiennego o innych parametrach i dlatego czasem są nazywane regulatorami prądu przemiennego. Są to układy umożliwiające bezstopniową regulację wartości skutecznej napięcia i prądu oraz mocy czynnej odbiornika.

Elementy półprzewodnikowe stosowane z sterownikach

a) sterowniki jednofazowe


Odwrotnie równoległy układ połączeń dwóch zaworów sterowanych T1 i T2 można użyć do bezstopniowej regulacji prądu przemiennego.

i_o – prąd odbiornika

b) sterowniki trójfazowe
Układy trójfazowe zazwyczaj są kojarzone w gwiazdę z przewodem neutralnym lub bez przewodu neutralnego w trójkąt. Najczęściej stosowane jest sterowanie fazowe symetryczne, zapewniające przepływ prądu bez składowej stałej i harmonicznych parzystych.

Sterownik trójfazowy z przewodem neutralnym.

c) zastosowania sterowników i łączników prądu przemiennego
- do regulacji mocy grzejników oporowych
- do regulacji natężenia oświetlenia
- do regulacji wartości skutecznej pierwszej harmonicznej napięcia silników indukcyjnychw czasie rozruchu (układ y miękkiego rozruchu)
- do regulacji indukcyjnego prądu biernego w kompensatorach mocy biernej
- jako sterowniki-łączniki transformatorów zgrzewarek oporowych

6. Przekształtniki impulsowe prądu stałego:
- przekształtniki obniżające napięcie,
- przekształtniki podwyższające napięcie,
- przekształtniki dwu i czterokwadrantowe,
- zastosowanie tyrystorów SCR do budowy sterowników i łączników prądu stałego (sterowniki z komutacją impulsową
- zastosowanie przekształtników impulsowych

W wielu układach wymagane jest zasilanie obwodów prądu stałego napięciem o płynnie regulowanej wartości średniej z sieci lub źrodła autonomicznego prądu stałego o wartosci stałej (nieregulowanej). Regulacja napięcia może odbywac się zarówno w dół (przekształtniki obniżające napięcie), jak i w górę (przekształtniki podwyższające napięcie). W celu regulacji średniej wartości napięcia stałego stosuje się powszechnie sterowanie impulsowe. W przypadku zasilania układów z sieci prądu przemiennego bardzo często wykorzystuje się również metody impulsowej regulacji napięcia stałewgo. Wted y najczęściej napięcie prądu przemiennego jets prostowane przez niesterowany prostownik diodowy wyposażony w filtr wyjściowy, a następnie regulowane za pomocą przekształtnika impulsowego.

a) przekształtniki obniżające napięcie

Schemat tranzystorowego (IGBT) przekształtnika impulsowego obniżającego napięcie.
u_GT – impuls sterujący
T – przerywacz tranzystorowy
C_F – kondensator filtra
i_o – prąd obciążenia
i_T – prąd tranzystora
i_D0 – prąd diody zerowej
L_F -
i_S -
U_d – napięcie źródła zasilania

Zasada działania: polega na formowaniu średniej wartości napięcia wyjściowego za pomocą ciągu impulsów o amplitudzie równej napięciu zasilającemu, poprzez regulację szerokości bądż częstotliwości tych impulsów (modulacja impulsowa). Do formowania impulsów napięcia wyjściowego służą ukłądu przerywaczy energoelektronicznych pracujących w jednym z dwóch stanów:
- przewodzenia (U=₀, I=I_o)
- blokowania (U=U₁, I=0)

W stanie przewodzenia przerywacza spadek napięcia występujący na jego zaciskach jest bliski zeru, natomiast prąd jest równy prądowi obciążenia.
W stanie blokowania napięcie na zaciskach przerywacza jest równe napięciu zasilania, natomiast prąd przerywacza jest równy zeru.

Jako przerywacze stosowane sa różne przyrządy półprzewodnikowe:
- tyrystory SCR wyposażone w obwody komutacji wymuszonej (rzadko używane)
- tyrystory GTO
- tranzystoru bipolarne
- tranzystory IGBT
- tranzystory polowe MOSFET









Jeżeli napięcie wejściowe jest stałe i nie ulega zmianiom (u_d = U_d = const) to upraszcza się i średnia wartośc napięcia obciążenia wynosi:

t_p – czas przewodzenia tranzystora
tw – czas wyłączenia tranzystora
ϒ =$\frac{t_{p}}{T_{o}}$ – współczynnik wypełnienia impulsu
T_o – okres modulacji
f_o – częstotliwośc modulacji

Ze wzoru wynika, że średnią wartośc napięcia obciążenia można regulować zmieniając odpowiednio współczynnik wyspełnienia impulsów ϒ w zakresie 0 ≤ ϒ ≤ 1.

Sposoby modulacji impulsów:
- modulacja szerokości impulsów (MSI) – T_o = const, t_p = var, f_o = $\frac{1}{T_{o}}\ $= const.
- modulacja częstotliwości impulsów – t_p = const, t_w = var -> T_o = var -> f_o = var (stosowana rzadko)
- modulacja szerokościowo-częstotliwościowa – t_p = var, t_w = var, T_o = var.




Przebieg względnej wartości tętnienia prądu $\frac{I_{o}}{I_{\text{omax}}}$ w zależności od współczynnika wypełnienia impulsów ϒ wynosi:

Jeżeli I_o > ΔI_o to prad będzie ciągły.
Jeżeli I_o < ΔI_o to prad będzie nieciągły.





Charakterystyki zewnętrzne przekształtnika impulsowego

Przebiegi prądów ciągłych.

Względna wartość średniego prądu obciążenia, dla którego spełnione są warunki ciągłości wynosi:

gdzie prąd zwarcia I_zw:


Przebiegi dla prądów nieciągłych.

Po wyłączeniu przekształtnika prąd płynący przez diodę zwrotną osiąga wartość równą zeru. W czasie (t_w – t_D0) kiedy prąd obciążenia jest równy zeru, napięcie obciążenia jest równe chwilowej wartości siły elektormotorycznej E_o.

Średnia wartość prądu:

Względna wartość prądu obciążenia:

$\frac{U_{o}}{U_{d}}$ – względna wartość napięcia obciążenia

Charakterystyka zewnętrzna przy wartościach względnych w zakresie prądów ciągłych i przerywanych:

ϒ – współczynnik wypełnienia impulsów

b) przekształtniki podwyższające napięcie (dwukwadrantowy)

Schemat tranzystorowego sterownika dwukwadrantowego obniżająco-podwyższającego napięcie.

Sterownik impulsowy może również podwyższać napięcie stałe. Układ do podwyższania napięcia jest stosowany w impulsowych układach napędowych prądu stałego w hamowaniu odzyskowym oraz wtedy, kiedy jest konieczna stabilizacja napięcia na poziomie wyższym od napięcia źródła zasilania.
Układ przekształtnika działa poprawnie gdy U_d ≥ E_o. Tranzystor T1 i dioda T2 tworzą parę przyrządów wchodząCą w skłąd przekształtnika obniżającego napięcie. Tranzystor T2 i dioda D2 tworzą natomiast parę przyrządów podwyższających napięcie.

Sterowanie sterownikiem może odbywać się:
- rozdzielnie – polega na podawaniu impulsów sterujących bramkami tranzystorów T1 i T2 w sposób rozdzielny, tj. kiedy układ obniża napięcie jest sterowany tylko tranzystor T1, a tranzystor T2 jest zablokowany. Jeśli układ podwyższa napięcie wenętrzne E_o do poziomu U_d jest sterowany tylko tranzystor T2, natomiast T1 jest zablokowany.
- wspólne – polega na sterowaniu bazami obu tranzystorów T1 i T2.

I_o – prąd obciążenia
I_d – prąd sieci
U_d – napięcie sieci
E_o - źrodło


















Przebiegi napięcia i prądu w układzie sterownika obniżająco-podwyższającego napięcie podczas:
a – obniżania napięcia, b - równowagi, c – podwyższania napięcia

Zewnętrzne charakterystyki dwukwadrantowego przeksztatłnika obniżająco-podwyższającego napięcie:
1 – sterowanie wspólne, 2 – sterowanie rozdzielne

Charakterystyki sterowania wspólnego przedstawiono liniami ciągłymi, a sterowania rozdzielnego przerywanymi.
W obszarach prądów ciągłych charakterystyki dwóch sposobów sterowania są takie same.


c) przekształtniki czterokwadrantowe


W celu zapewnienia pracy we wszystkich ćwiartkach układu stosuje się układy mostkowe przekształtników. Układ mostkowy przekształtnika składa się z czterech tranzystorów T1-T4 i czterech diod D1-D4 połączonych odwrotnie równolegle z tranzystorami.

Przekształtnik mostkowy może być sterowany:
- symetrycznie – załączone są okresowo dwa zawory leżące w różnych gałęziach (np.: T1, T4 a następnie T2, T3). Napięcie na obciążeniu po załączeniu T1, T4 ma wartość równą +U_d – po załączeniu T2, T3 wartość –U_d.
- niesymetrycznie






















Charakterystyki zewnętrzne mostkowego czterokwadrantowego układu impulsowegi przy różnych sposobach sterowania.

Sterownik mostkowy może służyć do formowania napięcia przemiennego z napięcia pradu stałego. Może również pełnić rolę przekształtnika napięcia przemiennego w napięcie stałe.

d)