Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu Orbis pictus 21. století

Polovodičové spínací prvky OB21-OP-EL-ZEL-JANC-U-1-003

Polovodičové spínače Mezi polovodičové spínače můžeme zařadit elektronické prvky, které se chovají jako vypínače v obvodu. Jsou spínány řídícím napětím nebo proudem a to tak, že malým napětím nebo proudem spínají proud větší, případně umožňují vybrat určitý směr cesty signálu. Mezi polovodičové spínače můžeme zařadit následující elektronické prvky: Diody a tranzistory Tyristory Triaky a diaky Solid state relé

Diody U diody lze předpokládat, že se chová jako spínač řízený napětím, t.j. že jí prochází proud pouze tehdy, je-li polarizována v přímém směru. Při polarizaci ve zpětném směru neprochází diodou žádný proud.

Diody Polaritní selekce je znázorněná na obr. 1. umožňuje, aby při kladné svorce 1 procházel proud zátěží RZ1 a při opačné polaritě napětí procházel proud zátěží RZ2. Obr. 1 Polaritní selekce

Ovládání dvou zvonků po jednom vedení Diody Praktické využití polaritní selekce je na obr. 2. Při stisknutí tlačítka A1 prochází proud při kladných půlvlnách napájecího napětí diodami D1 a D2 do zvonku Z1. Stisknutím tlačítka A2 se uzavře proudový obvod pro zvonek Z2 při záporných půlvlnách napájecího napětí přes diody D3 a D4. Obr. 2 Ovládání dvou zvonků po jednom vedení

Diody Diodové hradlové obvody se používají tam, kde je nutné, aby proud procházel obvodem pouze při splnění určitých podmínek. Tyto obvody se používají pro vytváření logických součtů a součinů. Směrovací obvody zajišťují cestu signálu jen jedním stanoveným směrem. Jako příklad těchto obvodů lze uvést diodové směrovací matice, které se používají v dekódovacích obvodech.

Obr. 4 Tranzistor jako spínač Tranzistory U tranzistorových spínačů pracuje tranzistor ve spínacím režimu. Obvykle se využívá zapojení bipolárního tranzistoru v zapojení se společným emitorem, kdy malým proudem v obvodu báze je spínán daleko větší proud v kolektorovém obvodu tranzistoru. Obr. 4 Tranzistor jako spínač

Tranzistory Na rozdíl od spínače muže bipolární tranzistor spínat napětí a proud pouze v jednom směru. Výhodou tranzistoru oproti mechanickému spínači (nebo relé) je mnohem vyšší spínací frekvence – až MHz, (mechanické spínače pouze Hz), prakticky neomezený počet sepnutí a menší řídící proud, než například u relé. Naopak, tranzistor a všechny polovodičové součástky jsou náchylnější ke zničení nadproudem nebo přepětím. Pří spínání induktivní zátěže (např. cívka relé) by při rozepnutí tranzistoru mohlo dojít k jeho zničeni indukovaným napětím, proto se do obvodu musí zařadit prvek omezující indukované napětí, nejčastěji zpětná (nulová) dioda.

Tyristory Tyristor lze považovat za základní součástku řízených usměrňovačů. Jeho funkce je založena na tzv. tyristorovém jevu, tj. lavinovitém přechodu z blokovacího do propustného stavu. Tyristor je vlastně spojení dvou bipolárních tranzistorů ve čtyřvrstvé struktuře se třemi přechody PN. Tyto přechody ovlivňují činnost součástky ve třech základních stavech, které jsou:  závěrný stav blokovací (vypnutý) stav propustný (sepnutý) stav

Tyristory Podle počtu vývodů můžeme tyto součástky rozdělit na: diodové tyristory — mají dva hlavní vývody (A—K, A1— A2). Jejich sepnutí se uskutečňuje zvýšením blokovacího napětí nad hodnotu blokovacího spínacího napětí UB0 nebo světelným signálem. Diodové tyristory jsou vyráběny jako nevýkonové součástky a v aplikacích se používají v pomocných a ovládacích obvodech triodových tyristorů.

Tyristory triodové tyristory - mají dva hlavní a jeden řídící vývod G, který pomocí proudového signálu převede tyristor z blokovacího do zapnutého stavu (zapnutí tímto způsobem je u těchto součástek převažující). Triodové tyristory se nejvíce používají jak ve výkonových, tak nevýkonových aplikacích. tetrodové tyristory - mají dva hlavní a dva pomocné vývody, které slouží k zapínání (popř. vypínání) řídícím proudem obou polarit. Obr. 6 Průběhy voltampérových charakteristik tří skupin tyristorových součástek

Tyristory GI - generátor spouštěcích impulsů Ψ - úhel otevření Obr. 7 Princip řízeného usměrňovače

Tyristory Vlastní činnost je následující: pokud se nepřivede spouštěcí impuls, je tyristor nevodivý, obvodem neprochází proud, na zátěži nevzniká úbytek napětí a příkon ve spotřebiči je nulový. Celé napětí drží tyristor. Po sepnutí napětí na tyristoru poklesne na zanedbatelnou hodnotu a prakticky celá hodnota napájecího napětí se objeví na zátěži. Tento stav trvá tak dlouho, než napájecí proud poklesne pod hodnotu přídržného proudu IH. Tím dojde k vypnutí tyristorů, zaniká proud v obvodu a do zátěže přestává být dodáván příkon.

Triaky Triak je jednoslovný název pro obousměrný triodový tyristor neboli pětivrstvý triodový tyristor. Jedná se tedy o pětivrstvou součástku NPNPN. Oproti dvěma diskrétním antiparalelním tyristorům se však u triaku uplatňují některé nové jevy, jako například, že se tato součástka může spínat i záporným řídícím signálem, takže se může použít pro spínání střídavého napětí. Triak může spínat střídavý proud procházející mezi hlavními elektrodami A1 a A2 a řídí se proudem libovolné polarity mezi elektrodou a řídící elektrodou (G).

Triaky Obvykle se nedoporučuje spínání záporného napětí záporným proudem hradla. Pětivrstvý triak se vypíná podobně jako triodový tyristor poklesem proudu v sepnutém stavu pod hodnotu vratného proudu IH. Triaky se používají v malovýkonových obvodech spotřební elektroniky jako různé regulátory výkonu, ve výkonových obvodech střídavého proudu se využívají ke spínání.

Diaky Jedná se vlastně o symetrický lavinový tranzistor. Nemá řídící elektrodu a je spínán překročením blokovacího napětí UB0, a to jak kladné, tak i záporné polarity. Vyznačuje se symetrickou V-A charakteristikou s oblastí záporného diferenciálního odporu, ale s dosti značným úbytkem napětí v propustném směru.

Diaky Diak a) princip b) V-A charakteristika c) schematická značka

Diaky Přivedeme-li na diak vnější napětí bez přihlédnutí na jeho polaritu — jeden z jeho přechodů PN je polarizován v přímém směru a druhý ve směru závěrném. Jakmile však přiložené napětí dosáhne hodnoty U (B0)+ , menšinové nosiče injektované z přechodu PN polarizovaného v přímém směru dosáhnou ochuzenou oblast přechodu PN, který je polarizován v závěrném směru, a vyvolají zde lavinové násobení nosičů. Prudce vzroste procházející proud a napětí na diaku poklesne.

Diaky Diaky se používají k ochraně při přepětí (např. tranzistorů MOS) a pro řídící obvody tyristorů a triaků, přičemž řídící obvody vycházejí velmi jednoduché a plně vyhovující pro jednodušší aplikace.

Solid state relé Solid state relé (SSR, anglicky Solid state relay) je polovodičový spínací prvek používaný v elektrotechnice nejčastěji jako náhražka elektromagnetického relé nebo stykače. Někdy proto bývá nazýváno jako polovodičové relé. Neobsahuje (na rozdíl od elmag. relé nebo stykače) žádné pohyblivé součásti, které se při častém spínání mohou opotřebit a navíc vydávají hluk. Další výhodou jsou obvykle menší rozměry součastky při stejném spínaném výkonu. Neposlední výhodu je vyšší rychlost přepínání oproti výše zmíněným elektromechanickým prvkům

Solid state relé Nevýhodou je naopak vyšší úbytek napětí na spínacím prvku a obvykle nutnost tento prvek chladit přídavným pasivním chladičem. Další nevýhodou, související s nižším rozšířením SSR v praxi, je vyšší cena oproti běžně používaným relátkům a stykačům. Solid state relé se s výhodou používá například při automatizovaném řízení elektroohřevu, kdy je topné těleso spínáno a vypínáno v krátkých proměnlivých intervalech za účelem dosažení požadované teploty.

Solid state relé Jednofázové solid state relé spínané stejnosměrným napětím 4 až 32 V. Analogicky ke stykači, dolní svorky A1 a A2 reprezentují „cívku“ (řídící signál), zatímco horní svorky L1 a T1 představují spínaný kontakt.

Děkuji za pozornost Ing. Ladislav Jančařík

Literatura J. Chlup, L. Keszegh: Elektronika pro silnoproudé obory, SNTL Praha 1989 M. Bezděk: Elektronika I, KOPP České Budějovice 2002 www.wikipedia.cz