Teljesítményelektronika

Átírás

1 1 Elektronikus áramkörök és ipari elektronika Teljesítményelektronika Hajdú Bálint TELJESITMENYELEKTRONIKA /Hajdú Bálint/ Nagyáramú félvezetők Teljesitménydiódák A diódák villamos jellemzői Teljesitménydiódák veszteségei, hűtése Tirisztorok felépitése és működése Tirisztorok jellemző adatai, jelleg görbéi A tirisztorok veszteségei Teljesitménydiódák és tirisztorok szerkezeti felépitése Szimmetrikus tirisztor /triac/ Áramirányitók Váltakozóáramú szaggatók Egyenirányítók Egyenáramú szaggatók Váltó irányitók /inverterek/ 68

2 2 3. TELJESITMENYELEKTRONIKA A teljesitményelektronika, vagy más elnevezéssel erősáramú elektronika olyan elektronikus kapcsolásokkal, készülékekkel és berendezésekkel foglalkozik, amelyek a feszültség, áram, teljesítmény, vagy a felhasználási terület szempontból az erősáramú elektrotechnika területére tartoznak. Az elektronikát a régebbi berendezésekben a gáz vagy higanygőz töltésű, rácsvezérlésű vagy rácsvezérlés nélküli elektroncsövek, újabb berendezésekben a félvezető, elsősorban szilícium alapú diódák és tirisztorok, triac-ok, bizonyos korlátok között teljesitménytranzisztorok és egyéb félvezetőalapu alkatrészek képviselik. A teljesítményelektronika fejlődését ugrásszerűen meggyorsította a nagy kapcsolási teljesítményű, korszerű félvezető elemek megjelenése. Ezek lehetővé tették nagyon sok olyan területen a teljesítmény-elektronikai berendezések elterjedését, ahol a feladatokat eddig csak forgógépes átalakítókkal lehetett gazdaságosan megoldani. Ezenkívül lehetővé tették olyan feladatok megoldását is, amelyek a hagyományos elektrotechnika eszközeivel és módszereivel egyáltalán nem voltak megvalósíthatók. A teljesitményelektronikát gyakran áramirányitástechnikának, a teljesitményelektronikai berendezéseket pedig áramirányítóknak nevezik. Az erősáramú elektronikai kapcsolások, berendezések és a legfontosabb alkalmazások tárgyalása előtt a legfontosabb elektronikai építőelemeket, a félvezető teljesitménydiódát, a tirisztort és a triacot ismertetjük.

3 Nagyáramú félvezetők A teljesítményelektronika legfontosabb építőelemei a különböző félvezető eszközök. A nagyáramú diódák és a vezérelhető nagy teljesítményű félvezető elemek, a tirisztorok egyre nagyobb mértékben kiszorítják a hagyományos forgógépes átalakítókat és higanygőz töltésű csöveket Teljesítménydiódák Korábbi tanulmányaink során megismertük a különböző szennyezésű félvezető rétegekből felépülő diódák szerkezetét és működését. Mint láttuk, a félvezető diódák aktív része egy tiszta, négyvegyértékű kristályból - általában szilíciumból - kivágott néhány tized milliméter vastag lapka, amelynek felülete a dióda áramától függően, néhány mm 2 -től mm 2 - ig terjed. A lapka egyik oldalát igen csekély mennyiségű három vegyértékű anyaggal, pl. alumíniummal szennyezik, ezt nevezik P-tipusu, vagy akceptorszennyezésnek. A másik oldalt pedig öt vegyértékű anyaggal, pl. antimonnal szennyezik. Ez az N-tipusu, vagy donorszennyezés. A különböző típusú szennyezőrétegek határán kialakuló P-N átmenet rendelkezik a diódákra jellemző egyenirányító tulajdonsággal; vagyis, hogy a rákapcsolt feszültség polaritásától függően az áram útjával szemben nyitó- /kisellenállású/ vagy záróhatást /nagyellenállású/ fejtenek ki. Az erősáramú elektronikában alkalmazott félvezető eszközöket ügy kell kialakítani, hogy záróirányban minél nagyobb feszültséget lehessen rájuk kapcsolni, a nyitóirányban átfolyó áram viszont ne okozzon túlságosan nagy feszültségesést. Ez a két feltétel alapjában véve ellentmond egymásnak. Ha azt akarjuk, hogy a P-N átmeneten kicsi legyen a nyitóirányú

4 4 feszültségesés, az egymás melletti P és N rétegeket erősen szennyezni kell, mert így megnő a félvezető anyag vezetőképessége. Ez viszont azt eredményezi, hogy a záróréteg szélessége nagymértékben lecsökken, adott záróirányu feszültségnél nagy lesz a térerősség és hamar bekövetkezik az átütés. E két, egymásnak ellentmondó feltételt ügy lehet kielégíteni, hogy két, erősen szennyezett réteg közé gyengén szennyezett réteget iktatunk. Ezt a közbenső réteget S- rétegnek nevezzük /3.1. ábra/, melynek szerepét ügy is felfoghatjuk, mintha szigetelő réteget iktattunk volna a P és N réteg közé, hogy a zárófeszültség túlnyomó része erre a rétegre jusson, így csak lényegesen nagyobb külső feszültség hozhatja létre az átütéshez szükséges térerősséget. Nyitóirányban a vékony S-tartomány nem növeli jelentős mértékben az ellenállást, mert mindkét oldalról nagy mennyiségben áramlanak be a töltéshordozók ábra A diódák villamos jellemzői Záróirányu jellemzők. Ha a diódára záróirányu feszültséget kapcsolunk, az átmenetben záróréteg alakul ki. A feszültség hatására a zárórétegben csak akkora áram folyik, amely a hő hatására létrejövő töltésekkel arányos. A záróirányu áram a feszültséggel először nő, majd a telítési értéken állandósul. Ezt a telítési értéket megszabja a hőmérséklet és az adott hőmérséklethez tartozó kisebbségi töléshordozók

5 5 száma. Ha a zárófeszültség tovább növekszik, akkor a kristály belsejében a térerősség olyan nagy lesz, hogy a mozgó elektronok sebessége elérheti az ionizáláshoz szükséges értéket. Ezek az ionizációval létrejött töltéshordozók a záróáramot alig növekvő zárófeszültség mellett is rohamosan növelik és ezáltal a kristály szétrobbanhat. Azt a feszültséget, ahol bekövetkezik a záróáram rohamos növekedése, letörési feszültségnek nevezzük. A 3.2. ábra a dióda záróirányu jelleggörbéjét mutatja. Látható, hogy a jelleggörbe hőmérsékletfüggő. A hőmérséklet növekedésével a záróirányu telítési áram rohamosan, a dióda tönkremenetelét előidéző letörési feszültség kisebb mértékben nő. A záróáram és a feszültség szorzataként adódó veszteség nem oszlik el egyenletesen a kristály teljes felületén és ez helyi felmelegedést előidézve a kristályt tönkreteszi. A teljesitménydiódák záróirányu igénybevételének jellemzésére rendszerint két adatot szoktak megadni: a nem ismétlődő 3.2. ábra határfeszültséget /U RSM / és azt, amelyik periodikusan ismétlődhet /U RRM /. A diódák nem ismétlődő záróirányú határfeszültségét semmi körülmények között sem szabad túllépni. Ha az üzemi feszültség nagyobb, mint a diódára megengedett záróirányu feszültség, két vagy több diódát sorba kell kapcsolni. Ilyenkor a feszültség a záróirányu áramokkal fordított arányban oszlik meg rajtuk, tehát a kisebb záróáramú diódára nagyobb feszültség jut és fordítva. Mivel a záróirányu áram adott diódatípus esetén is példányonként különböző,

6 6 valamilyen módon gondoskodni kell a diódákon a feszültség egyenletes elosztásáról. Ezt olyan párhuzamos ellenállásosztóval lehet biztosítani, amelyen a záróirányu áramnál nagyságrenddel nagyobb áram folyik. /3.3. ábra/ Myitóirányu jellemzők. Ha a diódára nyitóirányú feszültséget /T F / kapcsolunk és a diódán átfolyó áramot /I F / a feszültség függvényében ábrázoljuk, a nyitóirányú jelleggörbét kapjuk. Mint a 3.4. ábrán látható, a nyitóirányú áram kb. 0,8 V feszültségig - a küszöbfeszültségig /U F0 / - kicsi, majd ezt követően rohamosan no. A diódák nyitóirányú jellemzésére általában megadják a dinamikus helyettesítő ellenállást, amely méréssel, vagy a nyitóirányú jelleggörbe alap-

7 7 Mint a jelleggörbéből látható, a hőmérséklet növekedésekor az U F0 küszöbfeszültség kissé csökken, a dinamikus helyettesítő ellenállás viszont kismértékben nő. Dinamikus jellemzők. A szilíciumdióda működési módjából következik, hogy ha áramvezetési állapotból zárási állapotba megy át, akkor a feszültség irányváltásakor a P-N átmenetben levő töltéshordozóknak ki kell ürülniük a zárórétegből ahhoz, hogy a dióda visszanyerhesse záróképességét. Ehhez azonban időre van szükség. A 3.5. ábrán egy nyitásból zárásba átváltó dióda áramának lefolyását látjuk az idő függvényében. A hálózati feszültség megfordulásakor az első pillanatban a diódán a feszültség polaritása nem fordul meg, mert a záróréteg rövid ideig kondenzátorként tárolja az ott levő töltéshordozókat ábra Rekombináció és a terhelésen történő kisülés után a záróréteg töltése megszűnik. A záróréteget ilyen módon elhagyó lyukak és elektronok a nyitóárammal ellentétes, vagyis záró irányú áramot idéznek elő, amely egy idő múlva a záróáram állandósult értékére esik vissza. Ez a folyamat néhány 10µs alatt játszódik le. A töltéstárolásból adódó záróáram-

8 8 növekedés csúcsértéke annál nagyobb lesz, minél nagyobb volt az átkapcsolás előtt a dióda nyitóárama és minél nagyobb az átkapcsolás sebessége. A záróirányú tehetetlenség a teljesítménydiódák alkalmazását khz frekvenciára korlátozza. A gyors áramváltozás a dióda áramkörében elhelyezett induktivitásokon a diódákra nézve veszélyes túlfeszültséget okozhat, amely tönkremenetelüket is előidézheti. Ez ellen ügy védekezhetünk, hogy a diódákkal párhuzamosan kapcsolunk egy megfelelően méretezett soros RC áramkört Teljesitménydiódák veszteségei, hűtése A félvezető diódákon üzem közben veszteségek keletkeznek, amelyek melegítik a diódák zárórétegét és amelyek elvezetéséről valamilyen módon gondoskodni kell. A zárófeszültség és záróirányu áram szorzatából adódó veszteség kicsi, a legtöbb esetben a teljes veszteségnek csupán néhány százaléka. A diódák veszteségének zöme a nyitóirányú áram által okozott feszültségesésből adódik. Nem követünk el nagy hibát, ha a diódán létrejövő feszültség-esést a küszöbfészültség - sziliciumdiódáknál 0,8 V körüli érték - és a dióda dinamikus helyettesitő ellenállásán fellépő feszültségesés összegeként számítjuk. Periodikus lefolyású áram esetén a nyitóirányú veszteség átlagértékét az alábbi kifejezés adja: Az összefüggésből látható, hogy a veszteség egyik része az áram középértékével /I K /, másik része az áram effektív értékének a négyzetével arányos. Egy 150 A-es dióda adatait véve alapul: U F0 = 0,8 V; R d = 10-3 Ω. Egyenirányítót t szinuszos áramalaknál, ha az

9 9 Látható, hogy a veszteség nagyobbik része az áram középértékével arányos. Névleges árammal történő terheléskor általában ez teszi ki. az összveszteség 60-8O %-át. Viszont a névlegesnél nagyobb terhelés esetén, ha az áram alakja változatlan, a veszteség első része arányosan, a második része viszont négyzetesen változik, Például háromszoros terhelés esetén a veszteség: tehát látható, hogy a nagyobbik részt most már a-z áram effektív értékétől függő rész adja. A diódákban a hővé alakuló veszteségi teljesítmény a P N átmenetben jön létre, amely a félvezető hőmérsékletét emeli. A keletkezett veszteség-meleg hővezetés útján távozik elsősorban a hűt8tönkön keresztül, amelyen a félvezető szilíciumlapka helyezkedik el /3.6. a/ ábra/. Hogy a hőleadás jobb legyen, a diódát hűtőlemezre, vagy bordázott hűtőtestre szerelik /3.6. b/ ábra/, a hűtőtestről a hőt a környező levegő veszi át. A hűtés javítására mesterséges légáramlást is szokás alkalmazni. Intenzívebb hűtés érhető el folyadékhűtésű - víz, olaj - hütőtestekkel. A félvezető kristály hőmérséklete addig emelkedik, amig a felületéről a környezetnek átadott hőteljesitmény /P hő / pontosan egyenlővé válik a kristályban fejlődő veszteségi teljesítménnyel /P v /. Hogy a félvezető veszteségi teljesítménye

10 10 Hodrarnlás útja és melegedése közötti összefüggést egyszerű alakban Írhassuk, fel, bevezetjük a hőellenállás /R hő / fogalmát, és az elektrotechnikában használatos áram és ellenállás fogalmának megfelelően értelmezzük a hővezetés és hőáram fogalmát. A 3.7. ábrán az A és B testet összekötjük egy hővezetővel /fémtesttel/, hogy hőátadás jöjjön közöttük létre. Ha az A test

11 ábra t A hőmérséklete magasabb a B test t B hőmérsékleténél, A-ból a hővezető közvetítésével hő áramlik B felé. A T idő alatt átáramló Q hőmennyiség és a T idő hányadosa a hőáram: A P hő hőáram egyenesen arányos a két test közötti t A -t B hőmérsékletkülönbséggel és fordítva arányos az A és B közötti hővezető anyag R hő hőellenállásával : Ebből az összefüggésből A hőellenállást tehát ügy kapjuk meg, hogy a két test hőmérséklet különbségét elosztjuk a hőárammal. A teljesítménydiódákkal kapcsolatban az érdekel bennünket, hogy a környezethez képest mennyire melegszik fel a félvezetőkristály P-N átmenete, a határréteg. A kristály és a környezet közötti R hőjk hőellenállást az

12 12 kifejezés adja, ahol t J a határréteg hőmérséklete, t K pedig a környezeti hőmérséklet. Minthogy egyensúlyi állapotban a leadott P hő hőáram megegyezik: a keletkezett P v veszteségi teljesítménnyel, felírhatjuk, hogy az utóbbi elvezetéséhez mekkora hőellenállású közegre van szükség: A hőellenállás egysége: C/W. Ha a diódát hűtőbordára szerelve használjuk, a kristály és a környezet közötti hőellenállást két részellenállásra bonthatjuk fel. Az egyik a határréteg és a dióda burája /háza/ közötti hőellenállás: R hőjb, az un. belső hőellenállás. Ezt általában megadják a diódák katalóguslapjain. A másik, a külső hőellenállás a dióda tok és a környezet közötti hőellenállás: R hőjb. A teljes hőellenállásnak ezt a részét tudjuk megfelelő hűtőfelületekkel és hűtőbordákkal csökkenteni, ezáltal a dióda által leadható hőteljesítményt növelni. A teljes hőellenállás a két részellenállás összegeként számítható: Tirisztorok felépítése és működése A teljesítményelektronikában a félvezető diódák mellett a leggyakrabban előforduló elektronikus eszköz a vezérelt

13 13 egyenirányítónak Is nevezett tirisztor. Az első tirisztort 1958-ban az Egyesült Államokban a General Electric cég állította elő és alkalmazta. A tirisztor az erősáramú elektronikában ugyanolyan forradalmi változásokat idézett elő, mint a híradástechnikában, egy évtizeddel előbb előállított tranzisztor. A tirisztor olyan szilícium alapanyagú félvezető eszköz, amelyik a diódákhoz hasonlóan egyik irányban zár - nem vezet áramot -, a másik irányban pedig zár vagy nyit, attól függően, hogy a vezérlőelektródája vezet-e áramot vagy nem. A tirisztorok aktív része a diódákéhoz hasonló félvezető kristály, amely négy - különböző szennyezettségü - rétegből épül fel. Az egyes rétegek sorrendje: P1 N1 - P2 - N2 /3.8. a/ ábra/. A két szélső /P1 és N2/ réteghez csatlakozó elektródák képezik a tirisztor anódját és katódját. A P2 réteghez csatlakozik a harmadik elektróda, amelyet vezérlő vagy kapu elektródának neveznek és általában G betűvel jelölnek. Az egyes rétegek szennyezettsége eltérő, a két szélső réteg erősebben, a két közbenső gyengébben szennyezett. Mint a 3.8. b/ ábra mutatja, az egymást követő P - N átmenetek alapján a tirisztort három, sorbakapcsolt diódával /D 1, D 2, D 3 / helyettesíthetjük. A D 1 dióda anódja alkotja a tirisztor anódját, a D 3 katódja a tirisztor katódját, a vezérlő elektróda pedig a D 2 és D 3 közös anódjához csatlakozik. A tirisztor működését ezek figyelembevételével az alábbiak szerint magyarázhatjuk, amikor az anódra,a katódhoz képest negatív feszültséget kapcsolunk, a középső, J 2 jelű átmenet nyitóirányú, a J 1 és J 3 átmenetek záróirányuak lesznek, így ezek az áramvezetést az anód és katód között gyakorlatilag megakadályozzák. Ha pozitív feszültséget adunk a katódhoz

14 14 képest az anódra, a J 1 és J 3 átmenetek lesznek nyitóiráriyuak t de a középső J 2 átmenet - záróirányu lévén a tirisztor továbbra is zárt /nem vezető/ állapotban marad. Ebből a lezárt állapotból a tirisztor kétféleképpen kapcsolható át vezető helyzetbe: - a pozitív anódfeszültség növelésével, - a vezérlő elektróda áramának megindításával. A 3.9. ábrán látható mérőáramkörnek megfelelően csatlakoztassunk a tirisztor anódjához az R 0 védőellenálláson keresztül változtatható feszültségű áramforrást /U 0 /. A G kapu-elektródára - ellenálláson át - szintén adjunk egyenfeszültséget /U G /. A tirisztor első mód szerinti bekapcsolásához szakítsuk meg a vezérlőelektróda áramkörét /I G = 0/ és változtassuk az anódfeszültség értékét.

15 ábra Miközben az anódfeszültséget 0-tól kiindulva folyamatosan növeljük, a tirisztoron csak a középső - N1-P2 - átmeneten kialakuló záróirányu áram folyik keresztül, a tirisztor te hát gyakorlatilag lezárt állapotban van. Mihelyt azonban a középső határréteg eléri a letörési feszültséget, az anódáram hirtelen megemelkedik, a tirisztor lavinaszerűen át kapcsol vezető állapotba. Azt az anódfeszültséget ahol ez a jelenség bekövetkezik, billenési feszültségnek /U /BO/ / nevezzük. Ebben a begyújtott állapotban az anódáramot csak az R 0 ellenállás korlátozza. Ha az anódáramot R 0 növelésével vagy az U 0 csökkentésével az I H tartóáram értékére csökkentjük, a tirisztor üzemszerűen az U /BO/ billenési feszültség túllépésének hatására kapcsoljon be, mert az tönkreteszi a tirisztort és a kapcsolás működésében is zavarokat idéz elő. A tirisztor második módszer szerinti bekapcsolásához adjunk a vezérlőelektródára a katódhoz képest pozitív feszültséget. Az így kialakuló - P2-N2 átmeneten átfolyó I G1 vezérlőáram hatására az N2 rétegből a P2 rétegbe átáram-

16 16 ló elektronok egy része bejut az M-P2 átmenetbe 6s csökkenti ez utóbbi záró hatását. Elegendően nagy vezérlőáram esetén teljesen megszűnik a középső P-N átmenet záró hatása és a tirisztor vezetni kezd, tehát bekapcsol. Erre akkor kerülhet sor, amikor az anód és katód közötti feszültség az adott I G1 gyujtóáramhoz tartozó billenési feszültséget eléri. Minél nagyobb a gyujtóáram, annál kisebb anód-katód feszültségnél indul meg a tirisztoron keresztül az áram /3.9. b/ ábra/. Másképpen kifejezve, adott U D anódfészültségnél meghatározott vezérlőárammal a tirisztort az áteresztési tartományba billenthetjük. Az ehhez szükséges vezérlőáram a legtöbb tirisztor esetén nagyon alacsony érték, mindössze néhány milliamper. Ezenkívül a vezérlőáramnak csak egészen rövid ideig, impulzusszerűen kell átfolynia a katód vezérlőelektróda átmeneten ahhoz, hogy a tirisztor bekapcsoljon, és a bekapcsolt állapot a vezérlő impulzus megszűnése után is fennmarad. Kikapcsoláshoz ismét az I H érték alá kell csökkenteni a tirisztoron, átfolyó áramot. Ha a tirisztorra váltakozó feszültséget kapcsolunk /3.10. ábra/, a vezérlő elektródára adott megfelelő áramimpulzusokkal azt is elérhetjük, hogy a. bekapcsolt állapot csak a pozitív félhullámok alatt jöjjön létre /amíg az anód a katódhoz képest pozitív potenciálon van/ ábra

17 ábra A nullátmenet pillanatában az áram mindig megszűnik, a tirisztor visszabillen a zárótartományba és a következő félhullám alatt egy újabb vezérlőimpulzus kapcsolja át a vezetésnek megfelelő állapotba. A vezérlöimpulzusok nullátmehethez viszonyított időbeli eltolásával - a gyújtási szöggel - folyamatosan lehet változtatni a bekapcsolt pillanatát, vagyis a közepes áramerősséget és a fogyasztói teljesítményt. A megfelelő időpontban kiadott gyujtóimpulzusok előállításáról egy külön áramkör, a gyújtó- vagy vezérlőáramkör gondoskodik Tirisztorok jellemző adatai, jelleggörbéi A tirisztor működése közben három stabil állapotban lehet: negatív irányban zárt, pozitív irányban zárt és nyitott /bekapcsolt - áramvezető/ állapotban. Ezeket az állapotokat szemléletesen tudjuk ábrázolni a feszültségáram jelleggörbéken /3.11. ábra/.

18 ábra a/ A tirisztor negatív irányban zárt állapota negatív anód-katód feszültség mellett az 1. számú jelleggörbének felel meg, a koordinátarendszer III. negyedében. Ebben az állapotban a tirisztoron csak a záró irányú áram folyik keresztül. A jellemző adatok: U /BR/ letörési feszültség, U RSM a nem ismételhető negatív zárófeszültség csúcsértéke. U RRM az ismételhető negatív zárófeszültség csúcsértéke, valamint az utóbbi esetben folyó záróirányu áram /I RRM /.

19 19 b./ A tirisztor pozitív irányban zárt /kikapcsolt/ állapota pozitív anód-katód feszültség mellett alakul ki, amely a koordinátarendszer I. negyedében látható. /A jelleggörbe 2. szakasza./ A jellemző adatok itt a következők: U /BO/ billenési feszültség, U DSM a nem ismételhető pozitív zárófeszültség csúcsértéke, U DRM, az ismételhető pozitív zárófeszültség csúcsértéke és az ekkor folyó I DRM záróáram.. c./ A bekapcsolt: állapotot az I. negyedben a jelleggörbe 3. szakasza jelenti., amely az I L bekapcsolási árammal kezdődik és a feszültség.nagyon kicsiny növelése is igen nagy áramemelkedést vált ki. Az átmenet a zárt állapotból a bekapcsolt állapotba a 4. jelleggörbeszakasz mentén történik. Amikor az anódáram a tartóárain alá csökken, a tirisztor ismét zárt állapotba kerül, kikapcsol, tehát megszűnik az anódáram. A tirisztorok előbbiekben leirt be- és kikapcsolása nem pillanatszerűen történik, hanem időben lejátszódó folyamatok. Ennek az a magyarázata, hogy az egyes üzemállapotokhoz a töltéshordozók más-más eloszlása tartozik a kristály belsejében, és a töltéshordozók eloszlásának, ill. sűrűségének változása meghatározott időt igényel. Az átmeneti folyamatok közben a tirisztor áramának és feszültségének lefolyása nagyon fontos a tirisztoros berendezés üzemeltetése szempontjából. Az átmeneti folyamatok a tirisztorra igen veszélyes igénybevételeket jelenthetnek és meghibásodásokat okozhatnak. Vezérlőárammal történő normális gyújtás esetén az anódfeszültség és az anódáram jellegzetes időbeli lefolyását láthatjuk a ábrán. A t = 0 időpontban bekövetkezett

20 ábra gyújtóimpulzus hatására t k késési idő után az anódfészültség gyorsan csökkenni, az anódáram nőni kezd. Ez a késési idő több körülménytől függ, szokásos értéke OO µs között van és nagysága csökken a vezérlőáram amplitúdójának, a vezérlőáram impulzus homlokmeredekségének, a tirisztorra kapcsolt nyitóirányú feszültségének és a kristályhőmérsékletnek a növekedésével. A t á átkapcsolási idő alatt az anódáram rohamosan nő és az anódfeszültség csökken. Ez az idő is csökken a gyujtóimpulzus amplitúdójának és homlokmeredekségének, továbbá a hőmérsékletnek a növekedésével. A legnagyobb befolyása azonban annak van, hogy milyen gyors az anódáram növekedése. Ha a terhelés induktív jellegű, az áramnövekedés lassabban következik be, az anódfészültség viszont gyorsan lecsökken. Ha azonban az anódáram gyorsan növekszik /pl. ha a terhelés kapacitív jellegű/, akkor kezdeti gyors csökkenés után az anódfeszültsóg csökkenése lelassul. Ha

21 21 az anódáram változása a megengedettnél nagyobb, a kristály térfogatának egy kis részében nagy veszteség lép fel, ami a kristályt nagyon felmelegíti, és a tirisztort tönkreteszi. Ezért a katalógusok előírják az időegységre eső anódáramváltozás legnagyobb értékét, amely általában A/µs között van. Az árammeredekséget - ha a terhelőkör által meghatározott érték a tirisztor szempontjából túlságosan nagy - a tirisztorral sorbakapcsolt fojtótekerccsel korlátozzák. A t t az un. szétterjedési idő, amely alatt az áramvezetés a 2 db P-N átmenet teljes felületére kiterjed. Ez elsősorban a kristály keresztmetszetétől és a vezórlőelektróda kialakításától függ. A gyujtóimpulzusnak - ahhoz, hogy a gyújtás biztosan bekövetkezzen - általában legalább olyan hosszúnak kell lennie, mint a teljes bekapcsolási idő. Erősen induktív terhelés esetén ennél sokkal hosszabb impulzusra van szükség, mert különben az anódáram nem lépi túl a tartóáram értékét és a tirisztor nem gyújt be. A gyujtóimpulzusnak azonban nem csak az időtartama lényeges, hanem feszültsége ill. árama is. A tirisztor vezérlőkörének jellemző mennyiségeit a vezérlőelektróda áram-feszültség jelleggörbéjében adják meg. Ez tulajdonképpen nem más, mint a vezérlőelektróda-katód közötti P-N átmenet nyitóirányú jelleggörbéje. Technológiai okok miatt adott tirisztortipusra vonatkozóan mind a vezérlőáram-vezérlőfeszültség jelleggörbék, mind a jelleggörbéken levő gyűjtóáramértékek erősen szórnak. A gyakorlat az, hogy egy-egy tirisztortipusra jelleggörbesávban

22 22 adják meg a vezérlőkör jelleggörbéinek szórási határait és ebben a /3.13- ábrán vonalkázva/ kijelölik a gyújtóáramok lehetséges értékeit. A gyújtóáram nagysága erősen hőmérsékletfüggő. Magasabb hőmérsékleten pl. l V-os vezérlőfeszültség esetén már kisebb gyújtóáram elegendő, mint alacsonyabb hőmérsékleten. Gyártásközbeni válogatással kijelölik a gyújtófeszültség, ill. gyújtóáram felső és alsó határait /b és a jelű görbe/. A jelleggörbe-sávban feltüntettük a megengedhető maximális vezérlőfeszültség U vmax = V/, a maxi- mális vezérlőáram /I vmax = = A/ és a maximális átlagos veszteségi teljesítmény /P Dmax = 0, 5... l W/ ábra értékét is. P Dmax. értéke a vezetési állapotban 100 %-os bekapcsolási időre vonatkozik, ez impulzusvezérlés esetén túlléphető. A túllépés megengedhető mértékére vagy a jelleggörbébe berajzolják a különböző bekapcsolási időkhöz tartozó veszteség értékét /3.13. ábra/, vagy megadják a disszipációs teljesítmény megengedhető legnagyobb pillanatértékét, ami általában 5 W-nál kisebb. A tirisztor vezérlőköri jelleggörbéjében megadják azt a legkisebb feszültség-, ill. áramértéket, amely értékek által határolt - az ábrán bevonalkázott - területen kívül eső vezérlőköri munkapontban az átkapcsolás mindig bekövetkezik, ha az anód-katód között a feszültség nagyobb mint az U T tar-

23 23 tófeszültség. A tirisztorok biztos bekapcsolásához a vezérlőkör feszültségét az áramát /ellenállását/ ügy kell meghatározni, hogy az áram és feszültség által meghatározott munkapont a bevonalkázott területen kívül /attól jobbra/ essen, a megengedhető maximális áram-, feszültség- és teljesítményértékeken pedig belül legyen /pl. a c egyenes mentén/. A tirisztor kikapcsolása - mint már említettük - csak az anódárain megszüntetésével, ill. egy kritikus érték /a tartóáram/ alá csökkentésével lehetséges. Amikor a tirisztor ára ma a kikapcsolás során zérusra csökken, a zárórétegben jelen levő felesleges töltéshordozók miatt éppen ügy vezető marad, mint ahogy ezt a diódáknál leírtuk, A ábrán bemutatjuk egy ellenállás terheléssel sorbakapcsolt tirisztor anódáramának és anódfeszültségének időbeli változását a kikapcsolás folyamán, ha feltételezzük, hogy az áramkör tápfeszültsége a szaggatott vonal szerint változik. Amint a t 0 időpontban az U T tápfeszültség csökkeni kezd, a tirisztoron átfolyó anódáram az ellenállásterhelés miatt vele együtt csökken. A t 1 időpontban a tápfeszültség negativvá válik és bár ez a tirisztor szempontjából záró irányt jelent, a töltéshordozókkal elárasztott átmenetek miatt az anódáram is megfordul. A negatív irányú árain kezdi kiüríteni a töltéshordozókat és elő ször a t 2 időpontban az U a anódfeszültség polaritást vált, majd t 4 időponttól az U a anódfeszültség gyorsan nő /az U T tápfeszültség értékéig/ és az I a anódáram negatív csucsértékéről a t 5 időpontig gyorsan lecsökken. Ezzel a tirisztor visszanyerte záróirányu szigetelőképességét. A t 1...t 5 idő tartam a t Rf záróirányu szabaddáválási idő. A t 5 időpontban a szabad töltéshordozók még nem tűntek el teljesen, tehát ha ekkor ismét pozitív feszültséget adnánk a tirisztorra, akkor az a pozitív anódáramot vezetni tudná. A vezető- /nyitó-/ irányú záróképességet a tirisztor csak a t 6 időpontban nyeri

24 ábra vissza. A t 1 t 6 idő a t f /nyitóirányú/szabadválási idő. Ha a terhelőkörben induktivitás is van, akkor az U a anód feszültség - a félvezető diódákhoz hasonlóan a t 4 időpont utáni hirtelen áramcsökkenés következtében a negatív tápfeszültségnél sokkal nagyobb csúcsértéket érhet el. A túlfeszültség káros hatása ellen a tirisztort is párhuzamosan kapcsolt RC áramkörrel lehet védeni. Ehhez a gyártó vállalatok katalógusaikban megadják a tárolt töltésmennyiséget. A t Rf záróirányu szabaddáválási idő ismerete fontos sorbakapcsolt tirisztorok esetén, mert a legkisebb szabaddáválási idejű tirisztorra átmenetileg nagy záróirányu túlfeszültség juthat és átütést is okozhat.

25 25 A t f szabaddáválási idő szokásos értéke µs, A kisebb értékek /kb. 30 µs-ig/ az un. gyors tirisztorokra vonatkoznak, amelyek váltóirányító kapcsolásokban és egyenáramú szaggatókban alkalmazhatók; a nagyobb értékek az un. hálózati tirisztorok esetében szokásosak, amelyeknek kikapcsolása után a szabaddáválási időnek sokszorosa telik el, mielőtt a tirisztor újból vezetőirányú feszültséget kap A tirisztorok veszteségei A tirisztor űzetne csak adott hőmérséklettartományban biztosított, ezért a terhelhetőséget, a megengedhető áramértékeket a maximális réteghőmérséklet, ill. a tirisztor veszteségei szabják meg. Ez utóbbi a következő összetevőkből áll. a./ Vezetőirányú veszteség a tirisztor bekapcsolt állapotában. A veszteségösszetevők közül ez a legjelentősebb, és döntően ez határozza meg a tirisztor összes veszteségét. Mivel bekapcsolt állapotban a tirisztorra jutó feszültség kicsi /l...2 V/, a veszteséget főként a vezetőirányú áram szabja meg. A vezetőirányú veszteség nagyságát a katalógusok az áram középértékének függvényében diagramban adják meg különböző áramvezetési szögekre vonatkoztatva /3.15. ábra/, ha a tápfeszültség frekvenciája 50 Hz. Hasonló jelleggörbében adják meg a veszteséget, ha az áram lefolyása négyszögimpulzus. b./ Vezetőirányú veszteség a tirisztor kikapcsolt állapotában. Ez a veszteségösszetevő általában elhanyagolható, mert a tirisztorra jutó feszültség több száz volt is lehet, de a maradékáram ua esetleg ma nagyságrendű.

26 26 c./ Záró Irányú veszteség. Szintén elhanyagolható, ha a vezérlőkörre nem jut vezetőirányú feszültség. Pozitív vezérlőfeszültség esetén ugyanis jelentősen megnő a záróirányú áram értéke és ezzel együtt a záróirányú veszteség is. A megnövekedett veszteség miatt nő a ábra réteghőmérséklet. A katalógusok megadják a pozitív vezérlőfeszültség miatt bekövetkező réteghőmérsékletnövekedést, ill. azt, hogy mennyire kell csökkenteni a környezeti hőmérsékletet változatlan áramterhelés esetén. d./ Vezérlőköri veszteségek. A tirisztor teljes vesztesége szempontjából nem jelentősek, azonban soha nem szabad túllépni a vezérlőkörre megengedhető és a katalógusokban megadott teljesítmény közepes, ill. pillanatértékét, mert a vezérlőkör meghibásodhat. e./ Átkapcsolást /be- és kikapcsolást/ veszteségek. Az átkapcsolást veszteségeket az áram és feszültség időbeli változásának ismeretében lehet meghatározni. A kikapcsolást veszteség általában egy-két nagyságrenddel kisebb, mint a bekapcsolási veszteség, ezért a gyakorlatban elhanyagolható. Mivel kisebb kapcsolási frekvencián a tirisztorok összvesztesége csak a vezetőirányú áramtól függ, a katalógusok a T t tokhőmérséklet függvényében megadják a tirisztor megengedhető áramának középértékét hálózati vezérlés, ill. négyszögimpulzus alakú áramra, különböző áramvezetési szög esetén/3.l6. ábra/. A megengedhető áram értéke természetesen függ a hűtés

27 27 módjától is, ezért a gyártó vállalatok külön diagramban tüntetik fel a természetes, ill. megadott mesterséges hűtéskor megengedhető áram középértékeket ábra 3.l.7. Teljesltménydiódák és tirisztorok szerkezeti felépítése Az erősáramú elektronika területén alkalmazott áramirányító elemek gyakorlatilag kivétel nélkül szilíciumalapúak. Szerkezetük kiinduló anyaga különleges technológiával előállított, nagytisztaságú, egykristály szerkezetű szilíciumrúd, amelynek átmérője az elérendő áramterhelhetőségtől függően néhány mm-től O mm-ig változhat. A szilícium rudat keresztirányban néhány tized milliméter vastagságú lapkákra szeletelik és annak két szembenálló felületén hozzák létre a különböző szennyezésű rétegeket. A P és N típusú rétegek kialakítása ötvözéssel vagy gáznemű közegből történő diffúzióval végezhető ügy, hogy pontosan előirt ideig meghatározott hőmérsékleten tartják. A tirisztorok gyártástechnológiája csak abban tér el a diódagyártás technológiájától, hogy váltakozva négy félvezető réteget kell kialakítani. Ha például N-típusú szennyezés

28 28 után erősebben P-típusú szennyezés ért a szilíciumot, a nagyobb koncentrációjú szennyezés határozza meg a vezetés jellegét. A ábrán egymás mellett mutatjuk be vázlatosan a diódák és tirisztorok gyártási folyamatát. Csiszolás n Kontaktus felvitele és antimon ln) szennyezés Vezérlő elektróda felvitele Tokozás ábra A szilícium üvegszerűen törékeny és nehezen forrasztható. A félvezető rétegekhez csatlakozó áramvezető kontaktusok felviteléhez ezért a felületeit galvanizálással vagy fémszórással aranyozzák. /Az arany nem befolyásolja a szilícium, vezetési jellegét, sőt a kisebbségi töltéshordozók élettartamának csökkentése révén a tulajdonságok javulnak./ Az így előkészített lapkát lágy vagy kemény forrasztással molibdén hordozólemezre rögzítik. A szilíciumlapkát ezt köve-

29 29 tőén a kerületén csiszolják, hogy az esetleges szennyeződésektől megszabadítsák. A felületet végül megfelelő szigetelőképességű és hőálló bevonattal látják el. Ez a szigetelőréteg igen fontos, hiszen a PN-átmenet néhány ezer volt zárófeszültsége alig néhány tized milliméter hosszú szakaszra jut. Az így kialakított félvezető szerkezetet gondosan óvni kell a környezet behatásaitól, ezért nemesgázzal kitöltött tokba helyezik. Az egyik megoldás szerint egyik oldalát vörösréz bázistönkhöz rögzítik, míg a másik oldalához nagy keresztmetszetű hajlékony kábel csatlakozik /3.18. a./ ábra/. A másik megoldás szerint két vezető lemez közé szorítják a szilíciumlapkát. Ez a tárcsaszerkezet /3-18. b./ ábra/ ábra

30 30 A főelektródák között kívül is megfelelő szigetelésre van szükség. Ezt a toksapkába iktatott üveg vagy porcelán szigetelőszakasz képviseli. A a./ ábra szerinti kiviteli formában a hajlékony kivezetés diódáknál akár anód-, akár katódkivezetés is lehet. A tirisztoroknak - szerkezeti okból mindig a katódja a nagy keresztmetszetű hajlékony kivezetés és emellett található a vezérlőelektróda szigetelt kivezetése. Az egyszerűbb csatlakozási lehetőség érdekében ezen kivül a katódhoz is kapcsolódik egy vékony, hajlékony vezeték, A bázis tönköt vagy rugós leszorítással, vagy az alján található menetes résszel rögzítik a hűtőtestre, amely a szerkezetben keletkezett hőt vezeti el. A b./ ábra szerinti tárcsaszerkezetet két hűtőtest közé szokták szorítani. A bázistönkön többnyire egy kis furatot is találunk a bázistönk hőmérsékletét mérő hőelem befogadására Szimmetrikus tirisztor /triac/ Az előző fejezetekben ismertetett tirisztor hátrányos tulajdonsága, hogy az; áramot csak egyik irányban tudja vezetni. Teljesítményelektronikai alkalmazásoknál azonban gyakran szükség vari arra, hogy az átfolyó áramot mindkét irányban változtatni tudjuk. Ezt a feladatot látja el a szimmetrikus tirisztor /rövidítve: szimisztor/, amelyet a külföldi szakirodalomban triacriak neveznek. Ez az elnevezés a TRIode AC semiconductor switch /= trióda típusú váltakozó áramú félvezető kapcsoló/ angol szavak megfelelő kezdőbetűiből összeállított rövidítés. A továbbiakban: a rövidség kedvéért mi is ezt az elnevezést használjuk.

31 31 A triac lényegében abban különbözik a tirisztortól, hogy pozitív és negatív vezérlőelektróda árammal egyaránt be lehet gyújtani ás bekapcsolás után mindkét irányban vezeti az áramot. Az első triacot - miként a tirisztort is - az amerikai General Electric cég hozta forgalomba 1964-ben. Az állandó fejlesztés eredményeként ma már 0, A áram- és V feszültségtartományban készülnek triacok. A triac elvi felépítését és áramköri jelölését mutatjuk be a a./ és b./ ábrán. Az A 1 és A 2 kivezetések a főelektródák, a G pedig a vezérlőelektróda. A váltakozó áramú működtetés miatt a főelektródákat nem lehet anódnak, ill. katódnak nevezni, mert ezek a fogalmak magukba foglalják az áram irányítottságát is. A c./ ábra a triac feszültségáram jelleggörbéjét tünteti fel ábra. A működés és a gyújtási módok tanulmányozása céljából az A 1 főcsatlakozást tekintjük vonatkoztatási pontnak és ehhez viszonyítjuk a vezérlőelektróda, valamint az A 2 feszültségét és polaritását. A váltakozó áramú táplálás következtében az A 2 mindkét előjelű feszültséget felveszi, miközben

32 32 a G-re egyaránt juttathatunk pozitív és negatív gyujtóimpulzus okát. Az U A2 főelektróda feszültség és U G vezérlőelektróda feszültség polaritásának ezek szerint négyféle kombinációja lehetséges és ennek megfelelően a triac az alábbi üzemi állapó tokban működhet: I. állapot : Az A 2 főelektróda az A 1 -hez viszonyítva pozitív, a vezérlőelektróda árama szintéri pozitív. Ebben az állapotban a triac mint a szokásos tirisztor működik, a P1-N1-P2- N2 rétegek aktívak. II. állapot : Az A 2 kivezetés az A 1 -hez viszonyítva pozitív, a vezórlőelektróda árama negatív. Ebben az állapotban a triacot ügy tekinthetjük, mint két párhuzamosan kapcsolódó tirisztort. Az egyik - a felület kisebb részt: kitevő P1-N1- P2 N2 rétegekből álló segédtirisztor a negatív gyújtóáram hatására aktivizálódik, majd ezt követően kialakul az A 2 -A 1. áram, amely kinyitja a nagyobb felületű P1-N1-P2-N2, un. főtirisztort, tehát a triac az A 1 -hez képest negatív polaritásu impulzussal begyújtható. III. állapot: Az A 2 kivezetés az A 1 -hez viszonyítva negatív és a vezérlőáram is negatív. Miután a főcsatlakozások polaritása most megfordul, az N4 réteg tölti be a katód, a P2 az anód, míg az N3 a vezérlőelektróda funkcióját. Ez utóbbira most az anódhoz /A 1 / képest negatív feszültséget kapcsolunk. Ebben az állapotban a triacnak közvetett vezérlőelektródája van: a kívülről rákényszerített vezérlőáram hatására a P2-N3 átmenet kinyit és elektronokat küld a P2-N1 átmenetbe, ezáltal beindítja a gyűjtési folyamatot. Ebben az állapotban a gyújtás feltétele, hogy a negatív I G vezérlőáram elegendően nagy legyen.

33 33 IV. állapot: Ilyenkor az A 1 főcsatlakozáshoz képest az A 2 negatív, a G vezérlése pedig pozitív polaritású, A P2-N2 átmenet nyitóirányú és elektronokat injektál, ezek elérik a P2- Nl átmenetet, amelyet fokozottabban kinyitnak, A P2-N1-P1-N4 szerkezeten átfolyó áram növekszik és a tirisztor bekapcsol. A ábrán, példaként egy közepes teljesítményű triac feszültség-áram jelleggörbéjét tüntettük fel a négy, előzőkben leirt üzemállapotra. I G = 0 esetén a triac mindkét polaritása főelektróda feszültség esetén zár, de ez nyilván nem haladhatja meg az U /BO/ billenési feszültséget. A a./ ábrán pozitív polaritású a vezérlőáram, a 3-2O. b./ ábrán pedig negatív polaritású. Az ábrákból kitűnik, hogy a vezérlés akkor optimális, ha váltakozó polaritású impulzusokkal történik; tehát az A 2 elektróda pozitív feszültségénél a vezérlőelektródára is pozitív impulzus jut és fordítva. A triac az áramot mindkét irányban vezeti, ezért nem kapcsolható ki. ügy, mint a közönséges tirisztor. Ha a feszültség polaritása megváltozik, a triac ellenkező irányban bekapcsol. A megbízható kikapcsoláshoz az áramot a tartóáramnál kisebb értékre kell csökkenteni.

34 34

35 35 Ellenőrző kérdések: 1. Mi az S réteg szerepe a teljesitménydiódákban? " 2. Melyek a teljesitménydiódák záró irányú jellemzői? 3. Melyek a teljesitménydiódák nyitóirányú jellemzői? 4. Milyen dinamikus tulajdonságaik vannak a teljesitménydiódáknak? 5. Miből adódnak a teljesitménydiódák veszteségei? 6. Milyen módszerekkel lehet csökkenteni a teljesitménydiódák melegedését? 7. Mit nevezünk hőellenállásnak, és mi a mértékegysége? 8. Milyen rétegekből épül fel a tirisztor'? 9. Hogyan hozhatjuk vezető állapotba a tirisztort? 10. Mit nevezünk a tirisztor billenési feszültségének? 11. Hogyan befolyásolja a gyujtóárám értéke a tirisztor gyújtási viszonyait? 12. Melyek a tirisztor stabil állapotai? 13. Milyen folyamat játszódik le a tirisztorban az átkapcsolási idő alatt? 14. Melyek a tirisztor vezérlőköri jellemzői? 15. Milyen folyamat játszódik le a tirisztorban a kikapcsolás során? l8. Milyen összetevőkből állnak a tirisztorok veszteségei? 17. Hogyan alakítják ki a teljesítménydiódák és tirisztorok szerkezetét? 18. Miben különbözik a triac a tirisztortól? 19. Milyen vezérlési állapotai vannak a triacnak? 20. Milyen mennyiségeket ábrázolnak a triac jelleggörbéi?

36 Áramirányítók A teljesttményelektronika jellegzetes berendezései az áramirányit ók, amelyek az előző fejezetben megismert nagyteljesítményű félvezető elemekből épülnek fel. A diódák, tirisztorok és triac-ok mellett azonban találunk bennük passzív áramköri elemeket is: ellenállásokat, kondenzátorokat, transzformátorokat és fojtótekercseket. A vezérelhető félvezető eszközökhöz vezériőáramkör is tartozik, amely a megfelelő időpontban a helyes működéshez szükséges vezérlőjeleket ál-litja elő. A korszerü vezérlőáramkörök egyebek mellett a tranzisztorokat és műveleti erősítőket is tartalmaznak. Az áramirányitó kapcsolások többféle feladatot látnak el. A váltakozó feszültség egyenfészültseggé való átalakitását végzik az egyenirányitók, az ellentétes folyamatot a váltóirányítók. Váltakozó feszültséget eltérő periódusszámú váltakozó feszültséggé alakítják, át a frekvenciaátalakitók; azonos periódusszámú, de más effektív értékű váltakozó feszültséggé a váltakozó áramú szaggatók. Egyenfészültséget más értékű egyenfészültseggé alakítanak át az egyenáramú szaggatók és az egyen/egyenfészültség átalakít ők. A. villamos energia áramirányitókkal történő átalakítási lehetőségeit szemlélteti a ábra ábra

37 Váltakozó áramú szaggatók A váltakozó áramú szaggatók olyan nagyteljesítményű elektronikus kapcsolók, amelyekkel váltakozó áramú körben az energiaáramlás megindítható /bekapcsolható/, ill. megszakítható /kikapcsolható/, vagy az áramló energia értéke folyamatosan változtatható. Egyfázisú váltakozó áramú szaggatók A a./ ábrán látható az egyik leggyakoribb ellenállásterhelésü egyfázisú váltakozó áramú szaggató. Eszerint az R terhelés ellenpárhuzamos tirisztorpáron át csatlakozik a váltakozó áramú hálózatra. Ha a T1 és T 2 tirisztorokat a megfelelő pozitív félhullám elején /a nullátmenetnél/ azonnal gyújtjuk, akkor a terhelés kapcsain a teljes hálózati feszültség megjelenik. Ha viszont a gyújtást a tápfeszültség nullátmeneteihez képest α 1 ill. α 2 szöggel

38 38 késleltetjük, az u R feszültség a b./ ábra szerint alakul, effektív.értéke jelentősen csökken. A feszültség effektív értéke jelentősen csökken. A feszültség effektív értéke: Az áram - az ellenállásterhelés jellegéből következően hűen követi a feszültséget. A a./ ábra egyfázisú takarékkapcsolásu váltakozó áramú szaggatókapcsolást mutat. A terhelésre jutó feszültség az egyfázisú diódás hidkapcsolásu egyenirányító egyenáramú körébe beiktatott egyetlen tirisztor vezérlésével változtatható. Az R terhelésen átfolyó áram olyan, mint a szimmetrikus vezérlésű váltakozó áramú szaggatónál. A pozitív félperiódusban a D 1 - Th D 3 - R elemeken, a negatív félperiódusban pedig az R D 2 - Th D 4 elemeken folyik áram. A terhelésen átfolyó áram /3.23- b./ ábra/ effektív értéke: a/ ábra

39 39 Háromfázisú váltakozó áramú szaggatók A háromfázisú kapcsolásokat három alcsoportba sorolhatjuk. A ábrán a szimmetrikus, teljesen vezérelt kapcsolásokat mutatjuk be: az a./ nullapontkivezetéses, a b./ és c./ ábra pedig nullapont kivezetés nélküli kapcsolást mutat. Látható, hogy a nullapont kivezetés nélküli kapcsolás mind csillagba, mind deltába kapcsolt terhelés táplálására alkalmas. A nullapont-kivezetéses kapcsolás előnye, hogy az egyes tirisztorok feszültség-igénybevétele kisebb.

40 40 A ábra szimmetrikus, un. félig vezérelt kapcsolást mutat. A terhelés mind csillagba, mind deltába kapcsolható. E kapcsolás hátránya, hogy a. tirisztorok feszültség-igénybevétele nagyobb, mint a teljesen vezérelt kapcsolásban. A ábrán két háromfázisú takarékkapcsolást tüntettünk fel. Az a./ ábra olyan kapcsolást mutat, amikor két fázisban van csak vezérelhető kapcsolóelem, míg a harmadik fázis közvetlenül a. terhelésre csatlakozik. A kapcsolás előnye, hogy felépítéséhez kevesebb tirisztor vagy triac, ill. vezérlőegység szükséges. Hátránya, ábra hogy a kapcsolóelemek szimmetrikus vezérlésekor a terhelés egyes fázisaira jutó feszültségek, ill. a fázisáramok nem azonos alakúak, effektív értékük jelentősen eltér. A tirisztorok aszimmetrikus vezérlésével az egyes fázisok feszültsége szimmetrikusabba tehető. a) ábra b) A b./ ábra olyan kapcsolást mutat, amelyikben a csillagpontot három-deltába kapcsolt tirisztorral képeztük ki. Ez

41 41 a megoldás csak akkor használható, ha a terhelés csillagpontja bontható. A ábrán feltüntetett kapcsolással összehasonlítva előnye, hogy a diódák elhagyhatók; hátránya, hogy tel jós kivezérléskor a tirisztorokon átfolyó áram középértéke 3/2-szer nagyobb. A két kapcsolásban a tirisztorok feszültség-igénybevétele azonos. Váltakozó áramú szaggatók álkalmazása A váltakozó áramú szaggatók alkalmazása nagyon sokrétű. Kontaktor jellegű és vezérelt kapcsolóként szakaszos üzemben gyakran használjak hevítőberendezésekben /ellenállás-kemencékben, háztartási fűtő- és főzőberendezésekben/, pont-és vonalhegesztő berendezésekben, továbbá egy- és háromfázisú váltakozó áramú motorok kapcsolására. A háromfázisú váltakozó áramú szaggatókkal nemcsak a motor be-, ill. kikapcsolása, hanem forgás-irányváltása is megvalósítható. A forgásirányváltoztatásra a ábrán mutatunk be két példát; az a./ ábra egy fázissorrend /forgásirány / változtatásra alkalmas teljesen vezérelhető szimmetrikus kapcsolót, a b./ ábra pedig egy ugyanezen célra alkalmas takarékkapcsolást mutat.

42 42 Szabályozott kapcsolóként a váltakozó áramú szaggatókat a váltakozó feszültségű fogyasztó teljesítményének folyamatos változtatására használják fényerősség-szabályozó berendezésekben, fűtőberendezésekben, pont- és vonalhegesztő berendezésekben, továbbá váltakozó áramú motorok fordulatszám, ill. nyomatékváltoztatására. Az elektronika elterjedésével egyre bővül a váltakozó áramú szaggatók alkalmazási területe is. A ábra váltakozó áramú feszültségstabilizátor elvi működését mutatja. Az a./ ábra szerinti kapcsolásban a hálózat váltakozó feszültsége egy autótranszformátorra jut, melynek szekunderoldali megcsapolásaihoz az R terhelés egy-egy ellenpárhuzamosan kapcsolt tirisztorpáron át csatlakozik. Ha az S 1 kapcsolót kapcsoljuk be folyamatosan, a kimeneti feszültség u' értékű /b. ábra/.. Aszerint, hogy a kimeneti feszültséget kisebb vagy nagyobb mértékben akarjuk növelni, egy periódus alatt későbben vagy korábban bekapcsoljuk az S kapcsolót, ezalatt a kimeneti feszültség u'' értékre növekszik. A tirisztorkapcsolók vezérlésekor arra kell ügyelni, hogy a megcsapolások között zárlat ne keletkezzék.

43 43 Induktivitást tartalmazó terhelés mellett a terhelés áramának és a feszültségnek a nullátmenete nem esik egybe, a feszültség és az áram között fáziseltolás van. Ez azt eredményezi, hogy a kimeneti feszültség nem lesz szinusz formájú, ügy szoktuk kifejezni, hogy felharmonikus összetevőket is tartalmaz. A felharmonikus tartalmát, vagyis a torzítás mértékét úgy lehet csökkenteni, hogy több megcsapolást helyezünk el az autótranszformátoron Egyenirányítók Az egyenirányítók feladata, hogy váltakozó áramú energiaforrásból egyenáramú energiát állítsanak elő. Az egyenirányítókat alapjában véve több részegységre lehet bontani /3.29. ábra/: a tápláló hálózatot legtöbbször egyenirányító transzformátoron> át kapcsoljuk az egyenirányító elemekből felépített kapcsolási elrendezésre. Az egyen irányító transzformátorok felépítése sok esetben eltér a szokásos hálózati transzformátorokétól, ezért használjuk az "egyenirányító" jelzőt. E transzformátorok egyik feladata az, hogy az adott ipari váltakozó áramú hálózat feszültségét a szolgáltatandó egyenfeszültséghez illesszék, egyben a két rendszert egymástól elszigeteljék. Szűróinduktivltás ábra

44 44 További feladatuk még, hogy az egyenirányító kapcsolás számára a hálózat fázisszámától eltérő fázisszámú feszültségrendszert hozzanak létre. A tulajdonképpeni egyenirányító kapcsolást az egyenirányitó elemek alkotják. Ezek lehetnek vezérlés nélküli vagy vezérelhető elemek /diódák, tirisztorok vagy triac-ok/. Maga az egyenirányító kapcsolás ettől függően vagy vezéreletlen egyén irányító, amelyben az egyenfeszültség arányos a váltakozó feszültséggel, vagy vezérelt egyénirányi tó, ez esetben az egyenfeszültség a váltakozó feszültséggel arányos maximális értéktől kiindulva folyamatosan csökkenthető. Az egyenirányítók által szolgáltatott egyenfeszültség - különösen a vezérelt egyenirányító kapcsolásokban - hullámos. Ennek csökkentésére az egyenirányítókhoz szűrőegység is tartozik. A szűrőket kondenzátorokból és fojtótekercsekből épí tik fel. Az egyenirányítókat kapcsolási elrendezésük szerint különbözőképpen osztályozhatjuk. Megadhatjuk az egyenirányító fázisszámát, útszámát és ütemszámát, A fázisszám az egyenirányító transzformátor primer tekercseléséhez csatlakozó váltakozó áramú hálózat fázisszáma. Ebből a szempontból tehát az egyenirányítók egy- vagy háromfázisúak. Az útszám arra vonatkozik, hogy az adott kapcsolásban a transzformátor szekunder tekercsében egy- vagy két irányban folyhat áram. Az egyutas kapcsolásokban egy szekunder tekercshez egyetlen egyenirányító elem csatlakozik, míg a kétutas kapcsolásokban a tekercshez csatlakozó, de ellenkező irányban vezető elemek mindkét irányban lehetővé teszik az áramvezetést. Az egyenirányító ütemszámát a ábra alapján a következőképpen értelmezzük:

45 45 kapcsolásban hullámzik. A hálózati feszültség egy periódusára eső hullámok adják az egyenirányító kapcsolás p ütemszámát. /Az ábrán látható esetben p = 6/. A legfontosabb egyenirányí tó kapcsolások vizsgálatát ennek az osztályozásnak az alap ábra ján végezzük. A vezéreletlen egyenirányító kapcsolások a működési mód szempontjából a vezérelt egyenirányítók határesetének tekinthetők, ezért ezeket külön nem tárgyaljuk. Egyfázisú, egyutas, együtemű egyenirányító /1F1U1Ü/ Az egyenirányító kapcsolási rajzát, a kialakuló feszültség- és áramformákat a ábra mutatja. A terhelést az R ellenállás képviseli. A T tirisztort a feszültség pozitív nullátmenetéhez képest α szöggel késleltetve gyújtjuk. A tirisztor bekapcsolása előtt a terhelésen nem folyik Áram, a váltakozó feszültség pozitív anódfeszültségként a tirisztorra jut. A bekapcsolás pillanatában meginduló áram az egyenlet szerint a feszültséggel együtt ωt = szögnél zérusra csökken. A tirisztor ekkor kikapcsol és negatív anód-feszültség jut rá az egész negatív félperiódusban. Az áram

46 ábra legközelebb /2 + α/ szögnél indul meg ismét. Az áramkörben folyó egyenáramot és a terhelésre jutó egyenfeszültségét a középérték jellemzi. Ennek nagyságát az u, feszültséggörbe alatti terület egy teljes periódusra vett átlagértéke adja. Ebben az esetben A gyújtás legkorábban akkor következhet be, amikor a tirisztorra a teljes pozitív félperiódus jut, tehát a legkisebb gyújtásszög α = 0. Itt indul meg az áramvezetés akkor is, ha tirisztor helyett dióda van az áramkörben, tehát az egyenirányító vezéreletlen. Az egyenfeszültség ekkor a legnagyobb : U k0 = 0,45 U SZ A fenti összefüggések arra az ideális esetre vonatkoznak, amikor az egyenirányító transzformátor és az egyenirányító elemek /tirisztor vagy dióda/ járulékos hatásait /szekunder tekercs ohmos ellenállása, a tirisztor, ill. dióda vezetőirányú ellenállása stb./ figyelmen kívül hagytuk.