TELJESÍTMÉNYELEKTRONIKA AC Egyenirányító DC Váltakozó áramú szaggató Frekvenciaváltó Egyenáramú szaggató AC Váltóirányító (Inverter) DC
Félvezetők kristályszerkezete A kristályrácsban minen Si atomot négy szomszéos atom vesz körül A Si atom külső elektronhéján 4 vegyértékelektron van, ezek hozzák létre a kovalens kötést. A hőmérséklet növekeésével meginul a vegyértékelektronok kilépése a kötésből, az atomokban elektronhiány, lyuk keletkezik (termikus párképzőés), amely egy elektronnal találkozva megszűnik. A töltések újraegyesülése a rekombináció. 1: lyuk 2: szaba elektron A termikus töltéshorozók saját, intrinsic vezetést hoznak létre.
Félvezetők p-n átmenete Az n réteg onor atomjainak többségi töltéshorozó elektronjai a rétegek különböző töltéssűrűsége miatt iffúziós móon átvánorolnak a p rétegbe, a p rétegben lévő lyukak peig az n rétegbe vánorolnak a rétegek érintkezési felületénél. A rétegek átmeneténél a kétféle töltéshorozó találkozik és semlegesíti egymást, rekombináció jön létre. A határrétegben a szaba töltéshorozók megszűnnek, csak a helyhez kötött + és ionok által létesített tértöltési tartomány alakul ki. A tértöltés villamos teret hoz létre, amely elinítja a kisebbségi töltéshorozók csekély mértékű rift (soróási) áramát. A tértöltési tartomány szélessége 1-10 nm között van.
p-n átmenet záróirányú igénybevétele
p-n átmenet nyitóirányú igénybevétele
IF [ma] Félvezető ióa karakterisztikái Si ióa nyitóirányú karakterisztikája 0 400m 500m 600m 700m 800m F [V] Si ióa záróirányú karakterisztikája 7 6 5 4 3 2 1 R könyökpont I I R A Dióa rajzjele: A K A anó K kató Kb 0,4 V feszültség alatt gyakorlatilag nem folyik áram, utána exponenciálisan növekszik 0,7 V-ig, maj a nyitóirányú feszültséggel közel arányos a változása. A könyökpontig gyakorlatilag nem folyik áram, utána exponenciálisan növekszik a letörésig, ahol a rétegben folyó áram akár a kristály olvaását okozhatja, a félvezető tönkremegy.
Félvezető ióák jelleggörbéi Si és Ge rétegióa nyitó -és záróirányú jelleggörbéi. 0,3 A Ge ióa kisebb feszültségnél nyit, azonban nagyobb a nyitóirányú ellenállása, míg a Si ióa nagyobb feszültségnél nyit, e a nyitóirányú ellenállása kisebb, valamint jóval nagyobb záróirányú feszültséget visel el. A Si ióa záróirányú árama 2-3 nagyságrenel kisebb a Ge ióa záróirányú áramánál, azonkívül letörési feszültsége nagyobb a Ge ióáénál.
A ióák legfontosabb jellemzői: I n, névleges áram: a nyitó irányban tartósan megengehető legnagyobb szinusz félhullámú áram lineáris középértéke RRM, záró feszültség: a záró irányban megengeett legnagyobb perioikusan ismétlőő feszültség maximális értéke
Tirisztor
Különleges tirisztorok GTO (Gate-Turn-Off) Kikapcsolható tirisztor Triac, szimisztor Szimmetrikus tirisztor
NPN tranzisztor PN átmeneteinek előfeszítése Tranzisztorok rajzjelei, (iszkrét alkatrészként) B NPN E C B C E PNP Bipoláris tranzisztor A két PN átmenettel renelkező rétegtranzisztorokat bipoláris tranzisztornak nevezzük, a réteg sorrenjétől függően megkülönböztetünk NPN vagy PNP felépítésű tranzisztorokat. Kivezetéseit B, E, C betűkkel jelöljük. Jelentésük B bázis (alapréteg), E emitter (kibocsátó réteg), C kollektor (gyűjtő réteg). Az egyes rétegek különböző mértékben vannak szennyezve. Anyaguk elsősorban Si, szilícium, különleges célokra Ge anyagot is használnak. A tranzisztorok műköésének alapja az, hogy a B-E közötti átmenet nyitó irányban van előfeszítve, míg a B-C közötti átmenet záró irányban van előfeszítve. Az BE feszültség gyorsítja a töltéshorozókat, amelyek a bázisrétegbe jutnak, és a B-C réteg átmenetét elárasztják, az vezetővé válik, a töltéshorozók 95-99 %-a eljut a kollektorba. Az áramok kapcsolata: I E = I C +I B
Bipoláris tranzisztor jelleggörbéi közös emitterű kapcsolásban Bemeneti jelleggörbe Kimeneti jelleggörbe M I C CE I B CE Tranzisztor kapcsolóüzeme:
nipoláris tranzisztor: FET N csatornás térvezérlésű tranzisztor felépítése és rajzjele Gate G Drain D Source S A tranzisztor vezérlésében fontos szerepet játszik a villamos tér, emiatt Fiel Effect Transistor -FET térvezérlésű tranzisztor a neve, ezen kívül a terhelő áram csak egy azonos vezetési típusú, egyfajta rétegen hala keresztül: N vagy P rétegen folyik át, emiatt unipoláris tranzisztornak is nevezik. A rain csatlakozóra pozitív, a source pontra negatív feszültséget kapcsolva az N rétegen át elektronáram folyik. A kristályon feszültség esik, amely a PN átmeneteket záróirányban polarizálja. A záróréteges FET PN átmeneteit minig záróirányban kell előfeszíteni! Az elektronok csak a két záróréteg közti csatornában tunak áramlani. Ha a gate-re negatív feszültséget kapcsolunk, a záróréteg szélesebb, a csatorna szűkebb lesz, megnő az ellenállása. Az G feszültséggel a raináramot teljesítmény nélkül lehet vezérelni, mivel a gate-n áram nem folyik
N csatornás J - FET Bemeneti jelleggörbe Kimeneti jelleggörbe P
Különböző áramú tranzisztorok Különleges tranzisztorok: IGBT, MCT
Áramirányító kapcsolások Egyenirányító kapcsolások csoportosítása: Fázisszám (m): 1, 2, 3, 6... Útszám (s): 1, 2 Ütemszám(p): 1, 2, 3, 6 Vezérlési mó: Terhelés moellje: vezéreletlen (ióás) vezérelt (tirisztoros) R soros R o soros R L soros R L o párhuzamos R C
1F11Ü, D, R 1 π 2 = 2 sinωt ωt = =0, 45 π 0 ( ) = 1 π 2 eff 2 sin 2 ωtωt = =0, 707 2 0 I I = R eff = R eff zm = 2
2F12Ü, D, R 2 π 2 2 = 2 sinωt ωω= =0, 9 π 0 = 2 π 2 eff 2 sin 2 ωtωt = 0 zm =2 2 ( )
1F22Ü, D, R zm = 2
3F13Ü, D, R 5π 6 3 3 6 = 2 f sinωt ωt = f = 1,17 π 5π 6 = 3 3 3 eff 2 f 2 f 19 π 4π zm= 2 v= 6 6 6 2 ( ) sin ωt ωt = 1+ =1, f f f
3F26Ü, D, R 3 6 3 2 = 2 v sinωt ωt = v=1, 35v=2, 34 π π 3 3 = 6 3 3 eff 2 v sin 2 ωt ωt = 1+ v=1, 35v=2 34 π 3 2 ( ), zm= 2 v= 6 f f f
Tirisztoros egyenirányítók R terheléssel 1F11Ü, T, R α = 1 π 2 α sinωt ωt = 2 ( ) 1+ cosα = o 1+ cosα 2
2F12Ü, T, R α = 2 π 2 α sinωt ωt = 2 ( ) 1+ cosα = o 1+ cosα 2
3F13Ü, T, R 0 α π 6 folyamatos áramvezetés 5π + α 3 6 3 6 α = 2 f sinωt ωt = f cosα= π + α 6 o cosα
3F13Ü, T, R π 6 α 5π 6 szaggatott áramvezetés 3 π α = 2 π + α 6 f sinωt ωt
3F26Ü, T, R π 3 α + α 0 α π 3 folyamatos áramvezetés 6 3 3 6 α = 2 vsinωt ωt = f cosα= π π 3 + α 3 szaggatott áramvezetés 6 π α = 2 π + α 3 v o cosα sinωt ωt
1F11Ü, D, R - o α α1, 2= o arc sin 2 1 2 = ( 2 sinωt ωt + o( -α2+α 1) ) α 1 - o I = zm= 2 + R o
3F13Ü, D, R-o 3 α 2 2 f sinωt ωt + o( - α2+ α ) 3 = ( 1 ) α1
3F13Ü, T, R - o Az egyenirányított feszültség és áram iőfüggvénye különböző gyújtásszögek és különböző beiktatott egyenfeszültségek esetén
1F11Ü, D, R-L 2 u = u sinωt = i R +u L R +L i t i = R 2 2 +ω 2 L 2 (sin( ωt -φ)+sinφe R - L t ) = 1 α 0 v 2 sinωt ωt α v =f ( L R ) π α v I = R L = 0!!!
3F13Ü, D, R-L
1F11Ü, D, R-C i D = i + i C Ha D vezet: i = 2 sinωt R i C = 2ωCcosωt Vezetés vége: i D ( t 1 )=0 i D = 2 R (sinωt + ωrccosωt) t 1 = arc tg (- RC)
1F11Ü, D, R-C Ha D nem vezet: i = -i C u = 2sinωt 1 e t-t - 1 RC = 2 ωt1 ω t ( sin ωt ωt + ωt 2 cosωτ -1 cosωt 2 ωt-ωt - 1 sinωt1e ωrc ωt )= o ωt1 1 I = zm legfeljebb 2 2 R
R-L-o terhelés 2 u = u sinωt = i R +ul+ i R +L t o + o 1F11Ü, D 3F13Ü, D
Inverter üzem P = I egyenirányító váltóirányító P P > 0, < 0, I I > 0, > 0, > 0 < 0 Feltételei: a) legyen o b) > 90 o c) o < Folyamatos vezetés ( L>>R): = o cos
Egyenáramú szaggató Felaata: az egyenfeszültség lineáris középértékének változtatása Elvi kapcsolás: K u u T u T R T t t b t k R terhelés: hullámos feszültség és áram T = t b tb +t k Kapcsoló lehet: BJT, FET, GTO
Egyenáramú szaggató Hullámosság csökkentése: soros L (erősáramban) u T K t b u T t k L u T i T R i T R t Hullámosság csökkentése: - Aott kapcsolási frekvenciánál L/R növelésével - Aott L/R-nél a kapcsolási frekvencia növelésével
Váltakozó áramú szaggató Felaata: a váltakozó feszültség effektív értékének a változtatása
Kényszerkommutációs inverter R terhelés u R u i t
Kényszerkommutációs inverter R-L terhelés R u L u i t
A feszültség nagyságának változtatása u i u t t Korábbi kikapcsolás Azonos szélességű impulzusok u t Impulzus szélesség mouláció (ISZM vagy PWM)
Frekvenciaváltó - közvetlen (ciklokonverter) A és B háromfázisú, híkapcsolású, vezérelt egyenirányító
Közvetlen frekvenciaváltó iőfüggvényei Trapéz Szinusz
Frekvenciaváltó - közbenső egyenáramú körös