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

Polovodičové prvky v usměrňovačích OB21-OP-EL-ELN-JANC-U-2-005

Polovodičové prvky v usměrňovačích V polovodičových usměrňovačích se dnes používají moderní prvky. Jedná se především o polovodičové diody a v řízených usměrňovačích se používají tyristory, diaky a triaky. Usměrňovače mohou být v provedení jak jednofázovém, tak i ve vícefázovém – nejčastěji ve třífázovém.

Polovodičové prvky v usměrňovačích Jako polovodičové diody se používají plošné diody. Jedná se zpravidla o křemíkové diody a používají se od malých proudů v řádu miliampér až po výkonové křemíkové diody, které jsou schopné usměrňovat proudy až v řádech stovek ampér. Základem plošných diod je destička z křemíku typu N, ve které se difúzní technologií vytvoří vrstva typu P. Křemíková destička je připájena na kovovou podložku, která pomáhá odvádět teplo.

Polovodičové prvky v usměrňovačích Použití usměrňovacích plošných diod je široké. Od využití ve sdělovací technice, spotřební elektronice až po výkonové usměrňovače v dopravě (trolejbusy, lokomotivy). Dnes jsou často polovodičové diody používané v zapojeních s neřízeným usměrňovačem nahrazovány modernejšími prvky jako jsou tyristory a triaky v zapojeních se řízeným usměrňovačem.

Polovodičové prvky v usměrňovačích Tyto řízené usměrňovače umožňují regulovat bezztrátově napětí a výkon dodávaný do zátěže usměrňovače. Tyristory a triaky se používají i v dalších řídících a automatizačních obvodech např. na řízení motorů, na spínání výkonu. V těchto obvodech nahrazují elektromechanické stykače, jističe, relé, vypínače atd.

Polovodičové prvky v usměrňovačích Při srovnání s elektromechanickými spínači jsou tyristorové spínače výhodné: tam kde je velká četnost spínání, v korozním a výbušném prostředí a na těch místech, kde se požaduje velká spolehlivost spínače.

Tyristor Jedná se o základní součástku řízených usměrňovačů. Jeho funkce je založena na tzv. tyristorovém jevu, tj. lavinovém přechodu z blokovacího do propustného stavu. Tyristor je vlastně spojení dvou bipolárních tranzistorů ve čtyřvrstvé struktuře s třemi přechody PN.

Tyristor Tyto přechody ovlivňují činnost součástky ve třech základních stavech, které jsou: závěrný stav blokovací (vypnutý) stav propustný (sepnutý) stav V praxi je možné konstruovat tyristory typu PNPN a NPNP. Oba typy se rozlišují podle toho, ke které vrstvě je připojena řídící elektroda — buď k vnitřní vrstvě P nebo N.

Tyristor Obr.1 Tyristor PNPN - základní uspořádání vrstev a jejich schematické značení

Tyristor V praxi se používá pouze struktura PNPN, poněvadž u struktury NPNP se z fyzikálně technologických důvodů nedaří dosahovat potřebných parametrů.

Princip řízeného usměrňovače Podstata řízení výkonu zátěže spočívá v tom, že proud protéká příslušným spotřebičem jen po čas půlperiody napájecího napětí. Tento interval je určen časovým úsekem, po který je tyristor vodivý. Okamžik zapnutí můžeme řídit buď ručně nebo je odvozen z požadovaných podmínek, a pak se o zapnutí starají řídící obvody.

Princip řízeného usměrňovače 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 tyristorů 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.

Princip řízeného usměrňovače Obr.2 Princip řízeného usměrňovače GI - generátor spouštěcích impulsů Y - úhel otevření

Triak Triak je jednoslovný název pro obousměrný triodový tyristor neboli pětivrstvý triodový tyristor. Jedná se tedy o pětivrstvou součástku NPNPN (PNPNP se z technologických důvodů nepoužívá). Vývoj triaku byl motivován snahou nahradit antiparalelní zapojení dvou tyristorů jediným prvkem. 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.

Obr.3 Pětivrstvá struktura: a) princip, b) princip zkratování krajních přechodů PN, c) reálná struktura triaku NPNPN s přídavnou elektrodou AG, d) schematická značka

Triak Triak může spínat střídavý proud procházející mezi hlavními elektrodami A: a A2 a řídí se proudem libovolné polarity mezi elektrodou a řídící elektrodou (G). Triaky se používají v malovýkonových obvodech spotřební elektroniky jako různé regulátory výkonu.

Diak (spínací třívrstvá dioda) 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.

Diak (spínací třívrstvá dioda) 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.

Diak (spínací třívrstvá dioda) 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.

Diak (spínací třívrstvá dioda) Obr.4 Diak a) princip b) V-A charakteristika c) schematická značka

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 D. Mayer: Úvod do teorie elektrických obvodů, SNTL Praha /ALFA Bratislava 1978