ELEKTRONICKÉ SPÍNAČE

Transcription

1 Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta Katedra experimentálnej elektrotechniky ELEKTRONICKÉ SPÍNAČE Matúš HULÁK 2008

2 Elektronické spínače BAKALÁRSKA PRÁCA MATÚŠ HULÁK ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra experimentálnej elektrotechniky Študijný odbor: TELEKOMUNIKÁCIE Vedúci bakalárskej práce: doc. Ing. Zdeněk Dostál, CSc. Stupeň kvalifikácie: bakalár (Bc.) Dátum odovzdania bakalárskej práce: LIPTOVSKÝ MIKULÁŠ 2008

3 ABSTRAKT Cieľom bakalárskej práce bolo navrhnúť a vytvoriť moduly elektronických spínačov s použitím riadených polovodičových súčiastok tyristor, triak a neriadenej súčiastky diak. Pre riadenie súčiastok tyristor a triak som zvolil metódu vertikálneho riadenia, pri ktorej tyristor a triak zapíname zvýšením strednej hodnoty riadiaceho prúdu. Pre diak je metódou zapínania zvýšenie napätia nad hodnotu blokovacieho napätia. Výsledkom tejto práce sú moduly elektronických spínačov a charakteristiky, ktoré vyplynuli z uskutočnených meraní závislostí blokovacích napätí od riadiacich prúdov pri tyristore a triaku. Pri diaku je to priebeh napätia pri procese spínania. Súčasťou bakalárskej práce sú aj návody na laboratórne merania. Kľúčové slová: Tyristor. Triak. Diak. Proces spínania. Vertikálne riadenie ABSTRACT The aim of thesis was to design and create modules of electronic switchers with using controlled semiconductor components thyristor, triac and uncontrolled component diac. For thyristor and triac, I have chosen method of vertical controlling, which is turning on thyristor and triac by raising the middle value of controlling current. Method for switching on diac is the raising of voltage over the value of blocking voltage. Results of this thesis are modules of electronic switchers and characteristics, which follow from an realized measuring of dependencies between blocking voltages from controlling currents on thyristor and triac. For diac it is behavior of voltage in a process of switching. The thesis includes also instructions how to make protocol of measuring. Keywords: Thyristor. Triac. Diac. Process of switching. Vertical controlling. ANOTAČNÝ ZÁZNAM Cieľom práce bolo nahrnutie metód spínania elektronických polovodičových súčiastok a vytvorenie modulov na spínanie, tyristora, triaku a diaku, a aj vytvorenie návodu na laboratórne meranie na týchto moduloch.

4 OBSAH 1. ÚVOD 1 2. CIEĽ RIEŠENIA 3 3. PROCESY SPÍNANIA U VYBRANÝCH POLOVODIČOVÝCH PRVKOV Tyristor Triak Diak NÁVRH METÓD ELEKTRONICKÉHO SPÍNANIA Tyristorový modul elektronického spínača Návrh metódy spínania tyristora Návrh obvodu tyristorového spínača Konštrukcia modulu tyristorového spínača Namerané parametre tyristorového spínača Triakový modul elektronického spínača Návrh metódy spínania triaku Návrh obvodu triakového spínača Konštrukcia modulu triakového spínača Namerané parametre triakového spínača Modul s diakovým spínačom Návrh metódy spínania diaku Návrh obvodu diakového spínača Konštrukcia modulu diakového spínača Namerané parametre diakového spínača ZÁVER ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY VYHLÁSENIE O SAMOSTASTNOSTI VYPRACOVANIA BAKALÁRSKEJ PRÁCE POĎAKOVANIE 54 ZOZNAM OBRÁZKOV A TABULIEK

5 Obr : Prevádzkové stavy tyristora str. 4 Obr.3.1.2: Štruktúra tyristoru a schematická značka tyristora str. 5 Obr : Riadiaci obvod tyristora str. 5 Obr : Prechody v štruktúre tyristora str. 6 Obr : Statická charakteristika tyristora str. 7 Obr : Prahové napätie tyristora str. 8 Obr : Prierazné napätie U (BR) str. 9 Obr : Antiparalelné zapojenie dvoch tyristorov str. 10 Obr.3.2.2: Štruktúra triaku obsahujúca fiktívne pomocné tyristory str. 11 Obr : Štruktúra a schematická značka diaku str. 12 Obr.3.3.2: Tunelová charakteristika krajných PN prechodov str. 13 Obr.3.3.3: Voltampérova charakteristika diaku str. 13 Obr : Horizontálne riadenie tyristora str. 16 Obr : Časový priebeh riadiaceho prúdu a stredná hodnota I GAV str. 16 Obr : Vertikálne riadenie tyristora str. 17 Obr : Schéma zapojenia tyristora str. 20 Obr : Doska plošného spoja tyristorového spínača str. 22 Obr : Vrchná doska modulu tyristorového spínača str. 23 Obr : Schéma zapojenia prístrojov pri meraní závislosti na tyristore str. 24 Obr : Proces zapínania tyristora zobrazený na osciloskope str. 27 Obr : Graf závislosti spínacieho napätie tyristora na veľkosti riadiaceho... str. 29 Obr : Horizontálne riadenie triaku str. 30 Obr : Vertikálne riadenie triaku str. 31 Obr : Schéma zapojenia triaku str. 33 Obr : Doska plošného spoja triakového spínača str. 35 Obr : Vrchná doska modulu triakového spínača str.36

6 Obr : Schéma zapojenia prístrojov pri meraní závislosti na triaku str. 37 Obr : Proces zapínania tyristora zobrazený na osciloskope str. 40 Obr : Graf závislosti spínacieho napätie triaku na veľkosti riadiaceho... str. 42 Obr : Schémy zapojenia diakov v obvodoch str. 43 Obr : dosky plošných spojov diakových spínačov str. 45 Obr : Vrchná doska modulu diakového spínača str. 46 Obr : Schéma zapojenia prístrojov pri meraní parametrov na obvode 1. str. 47 Obr : Závislosť napätia na diaku od vstupného napätia str.49 Obr : Závislosť napätia na žiarovke od vstupného napätia str. 49 Obr : Závislosť celkového prúdu od vstupného napätia str. 50 Obr Schéma zapojenia prístrojov pri meraní parametrov na obvode 2. str. 50 Tab. 1.: Meranie závislosti spínacieho napätie tyristora na veľkosti riadiaceho... str. 28 Tab. 2.: Meranie závislosti spínacieho napätie triaku na veľkosti riadiaceho... str. 26 Tab. 3.: Závislosť napätia na diaku a žiarovke od vstupného napätia str. 48 Tab. 4.: Priebeh napätia a prúdu na diaku v obvode 2 str. 51 ZOZNAM SKRATIEK A SYMBOLOV A ampér,

7 A 1,2 BP G i A i celk i d I FG I G i G I GAV I GT I H I R i R i T I TAV I TSM J n K ma PVC R 1 R 2 r T R Z U U (BR) U (TO) U 21 u A u d U FD U G U GT U R elektródy triaku, Bakalárska práca, riadiaca elektróda, anódový prúd, celkový prúd, prúd prechádzajúci diakom, špičkový prúd riadiacej elektródy, riadiaci prúd, riadiaci prúd, stredná hodnota riadiaceho prúdu, zapínací prúd, prídržný prúd, záverný zostatkový prúd, záverný prúd, priepustný prúd tyristora, stredná hodnota priepustného prúdu, neperiodický špičkový prúd, označenie prechodu v štruktúre polovodiča, katóda, miliampér, polyvinylchlorid, rezistor, potenciometer, diferenciálny odpor, zaťažovací odpor, napätie, prierazné napätie, prahové napätie, napätie zdroja, anódové napätie, napätie na diaku, priepustné napätie vo vypnutom stave, jednosmerné napätie riadiaceho obvodu, zapínacie napätie, špičkové záverné napätie,

8 u R U T u T u vst u ž V V N V Np V P V Pp W x Z α Ω kω záverné napätie, úbytok napätia v zapnutom stave, priepustné napätie tyristora, vstupné napätie, napätie na žiarovke, volt, fiktívny tyristor, pomocný tyristor, fiktívny tyristor, pomocný tyristor, Watt, označenie osi, záťaž, označenie uhla, jednotka odporu - ohm, kilo ohm. SLOVNÍK TERMÍNOV Rekombinácia - znovu zoskupenie a zánik voľných nosičov náboja.

9 1. ÚVOD V dnešnej dome je použitie elektronických spínačov veľmi rozšírené. Uplatnenie je rozmanité, od mikroelektroniky, po výkonovú elektroniku. Úlohou týchto prvkov je zabezpečiť dokonalé vodivé spojenie dvoch vodičov. Pred nástupov polovodičov sa takmer výlučne používali mechanické spínače, ktoré umožňovali spojenie a prerušenie vodiča podľa potreby. Problémy týchto spínačov boli najmä v tom, že na zopnutie bolo potrebné vynaložiť menšiu či väčšiu silu, aby sa prekonal určitý mechanický odpor a spínač sa prepol do požadovanej polohy. Ďalším problémom boli kontakty tohto spínača, ktoré boli vyhotovené z medi či mosadze. U týchto kovov dochádza k povrchovej korózii a pri zoxidovaných kontaktoch dochádzalo k vzniku prechodových odporov. Iným, takisto dôležitým problémom, je rýchlosť spínania, ktorá je závislá od fyzickej sily vyvinutej buď človekom obsluhujúcim toto zariadenie, alebo od inej mechanickej časti, ktorá ovláda spínač. Okrem týchto problémov dochádza ešte k opotrebovaniu spínača, najmä jeho mechanických častí, ale aj kovových kontaktov, najmä trením a opaľovaním. Druhým typom spínaču je elektromechanické relé, ktoré do určitej miery riešilo rýchlosť spínania, nie však úplne. Toto relé môže byť ovládané pomocou riadiaceho obvodu, ktorý by vyrábal impulzy, ktoré by prepínali relé do vzopnutého, resp. rozopnutého stavu. Týmto sa dá dosiahnuť rýchlosť spínania oveľa väčšia ako pri čisto mechanickom spínači. Neodstránilo sa však mechanické opotrebovanie kovových kontaktov, či ich zaoxidovanie a vznik prechodových odporov. Problém bol pri opotrebovaní spínacieho relé, ktoré bolo pri zhoršení funkcie nutné vymeniť. Životnosť tohto relé bola tým kratšia, čím bola vyššia frekvencia spínania. S nástupom polovodičov vznikli nové spínacie prvky elektronické. Boli to napríklad spínacie diódy, ale najmä tranzistor. Tranzistor od svojho vzniku nahradil takmer všetky elektrónky, čím sa podstatne zmenšili elektronické zariadenia. Tranzistor slúžia najmä ako riadiaci prvok v obvodoch, dokáže plynule regulovať elektrický výkon. Ďalším spínacím prvkom je tyristor, ktorého základ môžme nájsť v konštrukcii tranzistoru. Jeho použitie je do istej miery podobné ako u tranzistora, tyristor ale nedokáže plynule regulovať elektrický výkon. Tyristor sa svojou funkciou viac podobá mechanickému spínaču, rýchlosť spínania je však neporovnateľná s mechanickým alebo elektromechanickým spínačom. Jednou zo základných vlastností tyristorov je, že po 1

10 pripojení do obvodu so striedavým napätím, tento prvok zápornú polovlnu odfiltruje podobne ako dióda. Pokiaľ by sme nechceli polovlnu odfiltrovať, mohli by sme použiť triak. Triak má veľmi podobné vlastnosti ako tyristor, funguje pre obidve polovlny, teda pre kladný aj záporný priebeh striedavého napätia a prúdu. Diak je ďalší z polovodičových spínacích prvkov, ktorý funguje ako istá napäťová zábrana v tom zmysle, že sa otvára a stáva sa vodivým až pri určitej hodnote napätia. Tranzistory a ostatné polovodičové prvky sa používajú v integrovaných obvodoch ako spínače alebo prepínače, napríklad v rôznych pamätiach, registroch atď. V tejto práci sa budeme venovať práve posledným trom spomínaným spínacím prvkom - tyristoru, triaku a diaku. Hlavnými požiadavkami na spínacie prvky sú spoľahlivosť, odolnosť, dlhá životnosť, kvalita a v neposlednom rade cena, ktorá je ale pri dnešných technologických a technických znalostiach, najmä pri hromadnej výrobe omnoho nižšia ako v minulosti a tým sú aj dostupnejšie a viac rozšírené [2]. 2

11 2. CIEĽ RIEŠENIA Cieľom bakalárskej práce je navrhnutie laboratórnych modulov, na ktorých bude možné demonštrovať spínací jav na tyristore, triaku a diaku. Ukázať priebeh spínacích charakteristík jednotlivých súčiastok, ich vzájomných závislostí a vyhotovenie zvolených modulov podľa návrhov. Taktiež vyhotovenie návrhov zadaní pre laboratórne cvičenia, podľa ktorých študenti budú postupovať pri meraní a spracovávaní protokolov. 3

12 3. PROCESY SPÍNANIA U VYBRANÝCH POLOVODIČOVÝCH PRVKOV V ďalších kapitolách tejto Bakalárskej práce (BP) sa budem venovať trom typom vybraných elektronických spínacích prvkov a to tyristoru, triaku a diaku. Nebudem sa snažiť o detailný popis ich funkcie, ale iba o ich základnú charakteristiku, základné vlastnosti a spôsoby spínania, z ktorých budem vychádzať pri konkrétnych riešeniach vytvorenia modulov, na ktorých bude možnosť ich charakteristiky principiálne zmerať a demonštrovať samotný spínací dej. 3.1 TYRISTOR Tyristor je elektronická súčiastka, ktorá slúži k spínanie prúdu, najčastejšie vo výkonových obvodoch. Jeho funkcia by sa dala prirovnať k riadiacemu ventilu. Tyristor predstavuje určitú vylepšenú diódu. Funkcia tyristoru je veľmi podobná funkcii diódy. Na obrázku sú vyznačené všetky prevádzkové stavy tyristoru. Tyristor je polarizovaný záverne a) neprepúšťa prúd žiarovka nesvieti rovnako ako pri dióde. Zopne sa tyristor, je polarizovaný v priepustnom smere b) správa sa opäť rovnako ako dióda. Kladný pól vonkajšieho zdroja je pripojený na anódu žiarovka svieti. Na rozdiel od diódy je však tyristor schopný blokovať (nachádzať sa v blokovacom stave), pokiaľ je na anódu privádzané kladné napätie vonkajšieho zdroja, ale na riadiacej elektróde G nie je privedený žiadny impulz žiarovka nesvieti, na tyristore sa objavuje blokovacie napätie, katóda tyristoru je záporná oproti anóde c) [7]. Obr Prevádzkové stavy tyristora 4

13 Štruktúra tyristoru je vytvorená na kremíkovom kryštály, vykazujúcim štyri oblasti rôznej vodivosti. Jeho usporiadanie je schematicky znázornené na obrázku Oblasti typu P a N sa striedajú, pričom vonkajšia oblasť P je pripojená na anódu, vonkajšia oblasť N na katódu a riadiaca elektróda G je spojená s vnútornou oblasťou typu P [3,4,5,7]. Obr Štruktúra tyristoru a schematická značka tyristora Stavy tyristoru si jednoducho priblížime na principiálnom modeli riadiaceho obvodu tyristoru. Prechod z blokovacieho stavu do priepustného sa nazýva zopnutie tyristoru. Tento stav dosiahneme tak, že na riadiaci obvod tyristoru (obr ) pripojíme pomocné napätie (riadiace), ktoré vyvolá v elektróde G prúd I G : v pracovnom obvode je zapojený zdroj jednosmerného napätia U a zaťažovací odpor R Z, v riadiacom obvode pomocné jednosmerné napätie U G, ktoré vyvolá prúd, vstupujúci do riadiacej elektródy G a vystupujúci katódou K späť do zdroja U G. Elektródu pripájame na kladný pól U G, katóda je spojená s jeho záporným pólom [7]. Obr Riadiaci obvod tyristora 5

14 V štruktúre tyristora sa nachádzajú 3 prechody medzi vrstvami P a N (obr ): Obr Prechody v štruktúre tyristora Prechod J 3 pôsobí ako riadiaci prechod emitor-báza tranzistoru. Je silne dotovaný, a preto vykazuje značnú elektrickú vodivosť. Prechod J 2 určuje blokovaciu schopnosť tyristoru. Prechod J 1 určuje záverné vlastnosti tyristora. Prechody J 3 a J 1 sú v závernom stave polarizované rovnako, prechod J 3 však vplyvom silnej dotácie a tým malým odporom ku zväčšeniu maximálneho prístupného záverného napätia neprispieva. Celé záverné napätie zachytí prechod J 1. Pokiaľ narastá záverné napätie prechodu PN, vzrastá aj intenzita elektrického poľa pôsobiaceho v oblasti prechodu. Po dosiahnutí kritickej hodnoty nastáva elektrický prieraz prechodu a záverný prúd vzrastá. Po dosiahnutí kritickej hodnoty na prechode J 2, prúd prechádzajúci prechodom pôsobí ako riadiaci prúd tyristoru, teda po prekročení kritickej hodnoty tyristor zopne a napätie na prechode J 2 sa zrúti [4,7]. Pokiaľ chceme aby priepustný prúd klesol na nulu, musíme odstrániť značné množstvo nosičov náboja, zaplavujúcich jeho vnútornú štruktúru. Nevodivý stav môžme dosiahnuť tak, že tyristorom nebude prechádzať žiadny prúd, alebo na tyristor pripojíme záverné napätie. Každá z týchto možností vyžaduje zásah do pracovného obvodu. V prvom prípade je možné pracovný obvod prerušiť a prúd klesne na nulu. Nastane rekombinácia voľných nosičov. V druhom prípade zmeníme polaritu napätia 6

15 v pracovnom obvode, pričom nastane odčerpanie značného množstva nosičov náboja vplyvom napätia zdroja, ostatok zanikne vplyvom rekombinácie. Nie je možné znížiť priepustný prúd prerušením riadiaceho obvodu. Pokiaľ sa tyristor zapol, nie je potrebné, aby elektródou G pretekal ďalší prúd. Na to, aby sa tyristor zapol, nie je potrebné aby riadiacim obvodom pretekal prúd stále. Ak raz tyristor zopne už nie je potrebné aby cez riadiaci obvod pretekal prúd. Toto zopnutie sa nazýva Impulzové riadenie tyristora. K zopnutiu je potrebný len krátky prúdový impulz i G [4,5,7]. Ak porovnáme riadenie tranzistora a tyristora, tranzistor riadime spojito - zväčšovaním riadiaceho prúdu zväčšujeme výstupný prúd tranzistora, zmenšovaním riadiaceho prúdu zmenšujeme výstupný prúd. Na tyristore nedokážeme nastaviť istú hodnotu priepustnosti zmenením veľkosti riadiaceho prúdu i G. Ak zapneme tyristor krátkym impulzom i G, v pracovnom obvode sa objavia hodnoty priepustnosti určené napájacím napätím a záťažou. Tyristor teda riadime nespojito. Tyristor sa môže nachádzať v troch rôznych pracovných stavoch: priepustnom, závernom a blokovacom. Jeho statická charakteristika má preto tri vetvy (obr ) [3,5,6,7]. Obr Statická charakteristika tyristora 7

16 Záverná charakteristika prebieha rovnako ako pri záverne polarizovanej dióde. Pre kladné hodnoty napätia na tyristore má voltampérova charakteristika dve vetvy: priepustnú a blokovaciu. Priepustná charakteristika má takmer priamkový priebeh, pričom prúd i T rýchlo stúpa aj pri malom zväčšení napätia u T. Sklon priepustnej charakteristiky udáva diferenciálny odpor tyristoru, ktorý má byť pre správnu funkciu čo najmenší. Priebeh priepustnej vetvy je teda určený hodnotou prahového napätia U (TO) a diferenciálnym odporom r T (obr ) [7]. Obr Prahové napätie tyristora r T ut U ( TO) = (1) i T kde r T je diferenciálny odpor tyristora; u T U (T0) i T je napätie na tyristore; je prahové napätie; je prúd prechádzajúci tyristorom; 8

17 Diferenciálny odpor predstavuje odpor tyristoru v priepustnom smere, závisí na rozmeroch a elektrickej vodivosti materiálov, z ktorých je tyristor vyrobený. Podľa druhu konštrukcie býva odpor r T = 0,1 až 0,001 Ω. Záverná charakteristika popisuje správanie tyristoru v závernom stave, kedy je riadiaci obvod rozpojený. Na charakteristike si môžme všimnúť dve oblasti (obr ): Obr Prierazné napätie U (BR) V prvej sa záverný prúd s rastúcim napätím u R priveľmi nezväčšuje (oblasť I.), v druhej (oblasť II.) aj minimálne zvýšenie napätia vyvolá prudký nárast záverného prúdu. Rozhranie týchto oblastí je tvorené prierazným napätím U (BR), ktoré tvorí maximálnu hodnotu záverného napätia, ktoré môžeme priložiť na daný tyristor [7]. 3.2 TRIAK Funkcia triaku vychádza z rovnakých fyzikálnych zákonitostí ako funkcia tyristoru. Hlavný rozdiel je vo väčšom počte spôsobov, ktorými je možné triak zapnúť. Po pripojení tyristora do obvodu striedavého napätia je schopný prepúšťať prúd iba jedným smerom. Zmenou fázy riadiacich impulzov tyristora i G dosiahneme zmenu strednej hodnoty usmerneného prúdu. Tento tyristor plní dve úlohy: usmerňuje a riadi strednú hodnotu prúdu, ktorý ním prechádza. Pokiaľ spotrebiči nezáleží či ním prechádza jednosmerný alebo striedavý prúd, môžeme použiť tyristor. Pokiaľ by bolo usmernenie nežiaduce, je tu možnosť použitia zapojenie dvoch antiparalelných tyristorov, kde je možné potrebné riadiace impulzy odoberať napríklad zo sekundárneho vinutia transformátora. Potom spotrebičom (záťaž Z) prechádza prúd obidvoma smermi Obr.3.2.1) [7]. 9

18 Obr Antiparalelné zapojenie dvoch tyristorov Toto zapojenie dvoch tyristorov je možné nahradiť jednoduchším a oveľa lacnejším spôsobom, a to triakom. Triak plní funkciu dvoch antiparalelných tyristorov, avšak musí mať viac ako dvojnásobnú plochu prechodov PN ako triak, pretože čím väčšia polovodičová štruktúra, tým zložitejší odvod tepla. Je možné vytvoriť dva typy štruktúr triaku: a) štruktúru NPNPN, alebo b) PNPNP. Z pohľadu funkcie súčiastky je použitie obidvoch štruktúr rovnocenné, napriek tomu je výhodnejšie použiť usporiadanie NPNPN, a to z výrobných dôvodov. Existujú štyri možné spôsoby zapnutia triaku: Možnosť I: Anóda A 2 kladná oproti anóde A 1, na riadiacu elektródu privádzame kladné napätie. Možnosť II: Anóda A 2 kladná oproti anóde A 1, riadiace napätie je záporné. Možnosť III: Anóda A 2 záporná oproti anóde A 1, riadiace napätie je záporné. Možnosť IV: Anóda A 2 záporná oproti anóde A 1, riadiace napätie je kladné. Je možné sa stretnúť aj s iným označením týchto možností, najmä v cudzojazyčnej literatúre, a to: I. normal plus, II. normal minus, III. anti minus, IV. anti plus [5,7]. 10

19 Obr Štruktúra triaku obsahujúca fiktívne pomocné tyristory Možnosť I. popisuje zapínanie fiktívneho tyristora V N. Tyristor zapíname pomocou kladného riadiaceho impulzu do elektródy. Po ukončení spínacieho procesu klesne záverné napätie na nepatrnú hodnotu a tyristorom V N prechádza zaťažovací prúd. Tyristor V P je polarizovaný záverne, ale jeho záverné napätie má hodnotu úbytku v priepustnom smere tyristoru V N. Možnosť III. popisuje zapínanie fiktívneho tranzistoru V P. zapínanie prebieha tak, ako keby sme priviedli záporný riadiaci prúd na elektródu, umiestnenú v strednej vrstve vodivosti N. Štruktúra triaku (Obr ) [7] obsahuje pridané dve ďalšie vodivosti typu N. dosiahli sme tak triak, ktorý tvoria dve dvojice antiparalelných tyristorov, ktoré majú na hornej strane spojené spoločným kontaktom (anóda A 1 ). Pri zapnutí podľa možnosti I. prechádza do vodivého stavu tyristor V N. Pri zapnutí podľa možnosti II. prechádza do vodivého stavu tyristor V Np. Pri zapnutí podľa možnosti III. Sa zapína tyristor V P, a pri možnosti IV. Je to tyristor V Pp. Detaily zapínania triaku, teda konkrétna zvolená metóda, bude rozobraná podrobnejšie ďalšej kapitole. 11

20 3.3 DIAK Triak je možné zapnúť pôsobením dostatočne veľkého riadiaceho prúdu. Jednou z možností zapnutia tyristoru je priviesť vyššie ako blokovacie spínacie napätie medzi anódu a katódu, takže tyristor spína, aj keď je riadiaci prúd i G nulový. Rovnaký spôsob je možné použiť pri zapínaní triaku pri obidvoch polaritách napätia medzi elektródami A 1 a A 2. pokiaľ je toto zapínanie pre konkrétne aplikácie vyhovujúce, nemusí sa používať riadiaca elektróda. Týmto spôsobom dostaneme elektronickú súčiastku diak (obojsmerný diódový tyristor). Principiálna štruktúra a schematická značka diaku sú uvedené na obrázku (Obr.3.3.1) [7]. Obr Štruktúra a schematická značka diaku Štruktúra diaku je päťvrstvová, so štyrmi prechodmi PN a dvoma hlavnými vývodmi A 1 a A 2 (prvá anóda a druhá anóda). Krajné prechody PN môžu byť tunelové s voltampérovou charakteristikou podľa Obr [4], alebo sú čiastočne skratované kovovými kontaktmi hlavných vývodov (Obr.3.3.1). 12

21 Obr Tunelová charakteristika krajných PN prechodov Po pripojení dostatočne veľkého kladného alebo záporného napätia U 21 = U (BO1), prípadne U 21 = U (BO2), ktoré sa nazýva spínacie napätie, sa diak zapína. V zapnutom stave preteká cez diak priepustný prúd, ktorý je ohraničený vonkajším odporom obvodu. Napätie na diaku je vtedy relatívne malé, dosahuje niekoľko voltov. Voltampérova charakteristika diaku má osobitý tvar (Obr.3.3.3) [4,7]. Obr Voltampérova charakteristika diaku 13

22 Nevýhodou diaku je, že okamih kedy súčiastkou začína pretekať priepustný prúd, je daný iba hodnotou napätia medzi elektródami. Táto nevýhoda sa nevyskytuje pri riadených polovodičových súčiastkach (presnejšie riaditeľných ), ako sú napríklad tranzistor, tyristor a triak, i keď tyristor a triak nie sú úplne riaditeľne, keďže ich pomocná elektróda, nazývaná hradlo alebo riadiaca elektróda, umožňuje iba ich zapnutie alebo vypnutie. 14

23 4. NÁVRH METÓD ELEKTRONICKÉHO SPÍNANIA Táto kapitola sa venuje samotnému návrhu metódy elektronického spínania, nie však konkrétnej realizácii obvodu spínača. Dopĺňa vlastnosti spomenuté v predchádzajúcich kapitolách, ktoré sú však už účelovo použité pre budúci návrh modulov, ktoré budú vychádzať práve z týchto vlastností. Pri návrhu obvodov a modulov elektronických spínačov som vychádzal z troch hlavných zásad: 1. Bezpečnosť týka sa hlavné použitých napätí a prúdov, prípadne zabezpečením pred možnosťou kontaktu so živými vodičmi. 2. Dostupnosť súčiastok snažil som sa použiť súčiastky, ktoré sa dajú bežne zakúpiť, prípadne nahradiť inými súčiastkami daného druhu podobných parametrov 3. Jednoduchosť vychádzal som z čo najjednoduchšej aplikácie polovodičových prvkov a čo najmenšieho počtu použitých súčiastok V ďalších podkapitolách sa budem venovať konkrétnym riešeniam jednotlivých modulov, ktoré budú slúžiť na demonštrovanie spínacieho deja pri vybraných polovodičových prvkov. 4.1 TYRISTOROVÝ MODUL ELEKTRONICKÉHO SPÍNAČA Tyristor patrí medzi riaditeľné elektronické súčiastky, a jeho základná vlastnosť je, že odreže jednu polovlnu sínusovky, podobne ako dióda NÁVRH METÓDY SPÍNANIA TYRISTORA Mal som možnosť použiť dva najčastejšie spôsoby riadenia tyristora: Prvou možnosťou je horizontálne riadenie, pri ktorom sa tyristor spína impulzmi riadiaceho prúdu i G. pri tomto riadení dochádza k vodorovnému posúvaniu impulzov, v smere osi x (Obr ) [7], kde x = ω t (2) 15

24 Môžeme nastaviť ľubovoľnú hodnotu medzi krajným α = 0 kedy je stredná hodnota prúdu I TAV maximálna a α = 180 (= π), kedy menovitý prúd I TAV = 0. Obr Horizontálne riadenie tyristora Pre bežné zapnutie je potrebné, aby impulz riadiaceho napätia u G aj prúdu i G mal istú minimálnu hodnotu zapínacieho napätia U GT a prúdu I GT. Ďalšou podmienkou je, že nosiče náboja musia prechádzať riadiacim obvodom určitú dobu, až po ktorej začína prebiehať zapínací dej samočinne ďalej. Tieto impulzy preto musia mať istú strednú hodnotu I GAV (Obr ) [5, 7]. 16

25 Obr Časový priebeh riadiaceho prúdu a stredná hodnota I GAV Prúdový impulz musí riadiacou elektródou prechádzať približne 100 µs [7]. Počas tejto doby musí priepustný prúd dosiahnuť hodnotu prídržného prúdu I H, ktorý udáva minimálnu hodnotu, pod ktorú keď sa i G dostane, tyristor prejde do blokovacieho stavu. Druhou možnosťou je vertikálne riadenie tyristora. Pre riadenie môjho modulu som zvolil práve túto možnosť riadenia z toho dôvodu, že je menej používaná ako predchádzajúca metóda riadenia. Pri tejto možnosti meníme veľkosť strednej hodnoty priepustného prúdu tým spôsobom, že meníme veľkosť riadiaceho prúdu (Obr ) [6]. Obr Vertikálne riadenie tyristora Zväčšovaním riadiaceho prúdu dochádza k skoršiemu zapnutiu tyristora, čím stúpa stredná hodnota priepustného prúdu I TAV. Toto riadenie ma jednu charakteristickú vlastnosť, ktorou je možnosť zmeny riadiaceho uhlu iba v intervale 0 až 90. Väčší uhol už nie je stabilný a nastaví sa buď na hodnotu 90 alebo 180. Práve pre toto obmedzenie je táto metóda menej používaná [5, 7]. 17

26 4.1.2 NÁVRH OBVODU TYRISTOROVÉHO SPÍNAČA Ako som už v predchádzajúcom spomenul, pri návrhu obvodu som vychádzal najmä z jednoduchosti, dostupnosti súčiastok a v neposlednom rade z bezpečnosti pri práci s prípravkami v laboratóriu. K dispozícii som mal rad tyristorov z výrobného programu Tesla [1] (príloha A): KT 505 Medzné hodnoty: Menovitý prúd I TAV = 1 A (bez chladenia menej ako 0,4 A) Neperiodický špičkový prúd Špičkový prúd riadiacej elektródy I TSM = 15 A I FG = 0,1 A Priepustné napätie vo vypnutom stave U FD = 400 V Špičkové záverné napätie Spínacie napätie Prierazné napätie Záverný zostatkový prúd Prídržný prúd Spínací prúd riadiacej elektródy Úbytok napätia v zapnutom stave U R = 400 V U B0 = 480 V U (BR) = 480 V I R = 0,5 ma I Hmax = 17 ma I GTmax = 10 ma U Tmax = 1,7 V KT 702 Medzné hodnoty: Menovitý prúd Neperiodický špičkový prúd Špičkový prúd riadiacej elektródy I TAV = 15 A I TSM = 120 A I FG = 2 A Priepustné napätie vo vypnutom stave U FD = 100 V 18

27 Špičkové záverné napätie Spínacie napätie Prierazné napätie Záverný zostatkový prúd Prídržný prúd Spínací prúd riadiacej elektródy Úbytok napätia v zapnutom stave U R = 100 V U B0 = 120 V U (BR) = 120 V I R = 3 ma I Hmax = 50 ma I GTmax = 40 ma U Tmax = 1,7 V KT 714 Medzné hodnoty: Menovitý prúd Neperiodický špičkový prúd Špičkový prúd riadiacej elektródy I TAV = 3 A I TSM = 40 A I FG = 0,2 A Priepustné napätie vo vypnutom stave U FD = 400 V Špičkové záverné napätie Spínacie napätie Prierazné napätie Záverný zostatkový prúd Prídržný prúd Spínací prúd riadiacej elektródy Úbytok napätia v zapnutom stave U R = 400 V U B0 = 480 V U (BR) = 480 V I R = 0,5 ma I Hmax = 20 ma I GTmax = 15 ma U Tmax = 2 V Ako najvhodnejšiu súčiastku pre daný obvod som vybral tyristor Tesla KT714. Jeho menovitý prúd I TAV = 3A bez potreby dodatočného chladenia, jeho záverné napätie je 400V a k prierazu dochádza až pri 480V, čo je pre potreby môjho obvodu značne predimenzované, ale zároveň má dostatočne veľkú rezervu, aby nedošlo k jeho poškodeniu. 19

28 Veľkosť napájacieho napätia obvodu som musel prispôsobiť podmienkam školského laboratória. Keďže som sa chcel vyhnúť tomu, aby študenti pracovali so sieťovým napätím, rozhodol som sa použiť ako zdroj striedavého napätia transformátor o veľkosti napätia 50V a zároveň dostatočným prúdom. Po zvážení som zvolil ako záťaž do obvodu dve v sérii zapojené automobilové žiarovky, každú určenú pre 24V elektroinštaláciu a výkone 21W Tento typ žiaroviek je bežne dostupný ako žiarovky určené pre smerová svetlá nákladných automobilov, preto v prípade vypálenie nebude problém s ich náhradou. Schéma obvodu elektronického spínača je na Obr Obr Schéma zapojenia tyristora Použité súčiastky: Tyristor... Potenciometer R 2... Rezistor R 1... KT714 10kΩ / 0,25W lineárny 4k7 Žiarovky... 2x 24V/21W 20

29 Hlavné problémy boli v nastavení správnych hodnôt súčiastok. Prvý problém bol, aby v krajnom bode potenciometra nedošlo k jeho poškodeniu. Druhý problém bol v nastavení správneho rozsahu riadiaceho prúdu i G. Maximálny prúd riadiacej elektródy je podľa katalógu 15mA, teda veľkosť odporu R 1 som vypočítal ako podiel napájacieho napätia a maximálneho riadiaceho prúdu: unap 50 R 1 = = = 3333, 3 [ Ω] (3) 3 i G Pri použití rezistora hodnoty 3333,3 Ω by sa hodnoty riadiaceho prúdu blížili k maximu. Preto som rozhodol o použití väčšieho odporu, a to 4700 vtedy dosiahne maximálnu hodnotu: Ω. Riadiaci prúd i u = R 50 3 [ A] 10, [ ma] vst G = = 10, (4) Neskorším odskúšaním tejto hodnoty odporu sa ukázalo, že pre úplné otvorenie tyristora bola táto hodnota riadiaceho prúdu dostačujúca. Lineárny potenciometer R 2 slúži ako jednoduchý delič. Pri polohe bežca v minimálnej hodnote odporu preteká do tyristora prúd približne 10,6 ma (rovnica 3). V polohe bežca, kedy je hodnota odporu maximálna preteká tyristorom riadiaci prúd, ktorý nie je dostačujúci na otvorenie tyristora. Plynulou reguláciu potenciometra dochádza k zvyšovaniu riadiaceho prúdu až do hodnoty spínacieho prúdu I GT. Vtedy tyristor zapína a môžeme na ho vertikálne riadiť. Minimálny prúd riadiaceho obvodu, pokiaľ je na potenciometri nastavená teoretická maximálna hodnota odporu, je vyjadrený rovnicou 4: i u 50 3 [ A] = 3, [ ma] vst G = = = 3, R1 + R max (5) 21

30 4.1.3 KONŠTRUKCIA MODULU TYRISTOROVÉHO SPÍNAČA Pri konštrukcii modulu tyristorového spínača som vychádzal najmä z jednoduchosti a prehľadnosti schémy. Samotné elektronické súčiastky som umiestnil na vyleptanú dosku plošného spoja, ktorá je na obrázku Obr a) b) Obr Doska plošného spoja tyristorového spínača 22

31 Na obrázku Obr a) je doska plošného spoja tyristorového spínača pri pohľade zhora s rozmiestnením jednotlivých súčiastok. Na Obr b) je rovnaká doska plošného spoja z pohľadu zospodu, tak ako som plošný spoj nakreslil na kuprextit a vyleptal v roztoku. Jednotlivé kontakty sú označené číselne a korešpondujú s označím zdierok na no vrchnej doske modulu spínača, ktorá je naznačená na obrázku Obr Obr Vrchná doska modulu tyristorového spínača Toto číselné značenie sa nachádza iba na návrhu vrchnej dosky, na samotnej doske čísla zdierok uvedené nie sú. Funkcie jednotlivých zdierok: 1,2 pripojenie voltmetra pri meraní napätia na tyristore, 3,8 pripojenie osciloskopu pre pozorovanie spínacieho deja, 4,7 pripojenie záťaže, 9,10 pripojenie ampérmetra pre meranie prúdu pretekajúceho tyristorom, 12,13 pripojenie zdroja striedavého napätia a prúdu, 17,18 pripojenie ampérmetra pre meranie riadiaceho prúdu tyristora, 19 svorka je prepojená s riadiacou elektródou, 23

32 11,14 sú svorky pripojené k vývodom potenciometra, slúžia iba pre prípadné kontrolné merania, 20,23 slúžia na pripojenie záťaže k obvodu, 21,22 pripojenie voltmetra na meranie napätia a záťaži, prípadne osciloskopu. Zdriekry 24,25 tvoria vstup usmerňovača a zdierky 26,27 jeho usmernený výstup. Tento usmerňovač je galvanicky oddelený a je možné ho do obvodu pripojiť premostením zdierok 4-24,7-25,26-20 a v module sa nachádza čisto len na prípadnú demonštráciu, jeho zaradenie do obvodu má za následok potlačenie takzvaného žmurkania žiaroviek. Usmerňovač pozostáva zo štyroch usmerňovacích diód, každá určená pre maximálny prúd 1A a vyhladzovacieho elektrolytického kondenzátora 470µF/63V. Potenciometer je z konštrukčných dôvodov pripevnený na vrchnú dosku a s kontaktmi A,S,E je prepojený izolovaným lankovým vodičom o priereze 0,75 mm 2. rovnakým vodičom sú prepojené všetky kontakty so zdierkami. Samotná doska plošného spoja tyristorového spínača, usmerňovač sú umiestnené v plechovej krabici, na ktorej vrchu je priskrutkovaná PVC doska so zdierkami a naznačenou schémou spínača NAMERANÉ PARAMETRE TYRISTOROVÉHO SPÍNAČA Možnosti prístrojov dostupných v laboratóriu mi neumožnili zmerať voltampérovú charakteristiku tyristora. K dispozícii som mal len osciloskop, ručičkové voltmetre, ampérmetre a digitálne multimetre. Tieto prístroje mi však dovolili zobraziť samotný spínací dej a tak isto zmerať závislosť spínacieho napätia tyristora od veľkosti riadiaceho prúdu prechádzajúcim riadiacou elektródou G. Modul tyristorového spínača som zapojil podľa Obr Na meranie spínacieho napätia (v meraní označeného ako u A, napätie na anóde) som použil digitálny voltmeter pre striedavé napätia najmä kvôli rozdielnym hodnotám v rádoch. Na meranie riadiaceho prúdu i G som použil ručičkový ampérmeter s malým rozsahom. Na meranie prúdu pretekajúceho tyristorom a vlastne aj záťažou, som použil analógový ručičkový 24

33 ampérmeter. Na zdierky podľa schémy som pripojil osciloskop, ktorý zobrazuje spínací dej a vertikálnu riadenie tyristora. Obr Schéma zapojenia prístrojov pri meraní závislosti na tyristore Na vstup som pripojil zdroj striedavého napätia 50 V. Osciloskop som pripojil cez delič v pomere 1:10 pre lepšie zobrazenie. Na potenciometri R 2 som pomaly posúval bežca z polohy maximálneho odporu smerom k minimálnemu. Tým som dosiahol zvyšovanie riadiaceho prúdu i G pretekajúceho elektródou G. Otváranie tyristora je naznačené na Obr a)-d). Na obrázku a) je znázornený zatvorený tyristor, na obrázku b) je práve v bode kedy dochádza k jeho otvoreniu, a na obrázku c) a d) je znázornený spôsob vertikálneho riadenia. Je vidieť že tyristor zapína v polovici sínusovky, teda od

34 a) b) 26

35 c) d) Obr a)-d) Proces zapínania tyristora zobrazený na osciloskope Nameranie závislosti spínacieho napätia tyristora od veľkosti riadiaceho prúdu som použil transformátor ako zdroj striedavého napätia 50 V, ktorý bol napojený na sieťový 27

36 plynule regulovateľný autotransformátor 0-250V. Nastavil som hodnotu autotransformátora na 230 V, potenciometrom nastavil približný bod tesne pred otvorením tyristora, a tieto hodnoty riadiaceho prúdu i G, spínacieho napätia U (B0) v meraní ako u A a celkový prúd pretekajúci tyristorom i A zapísal do tabuľky 1. Ďalej som potenciometrom nastavil hodnotu i G = 4 ma, autotransformátorom som znížil napätie až na hodnotu kedy sa tyristor opäť zatvoril a našiel bod tesne pred otvorením. Tieto hodnoty som zapísal do tabuľky a pokračoval rovnakým spôsobom pre hodnotu i G = 5 ma. Ďalšie hodnoty riadiaceho prúdu som už nastaviť nemohol, keďže mi to nedovolilo dimenzovanie obvodu spínača. Tabuľka1. - Meranie závislosti spínacieho napätie tyristora na veľkosti riadiaceho prúdu číslo merania i G [ma] u A [V] i A [ma] ,5 140 Nepodarilo sa mi zmerať spínacie napätia pre hodnoty riadiaceho prúdu nižšie ako 3mA, a to z dôvodu používanie zdroja s nízkym napätím iba 50V, keďže katalógová hodnota pre tento tyristor je spínacie napätie 480V pre nulový riadiaci prúd (príloha A). Na Obr je graf závislosti spínacieho napätia od veľkosti riadiaceho prúdu. Keďže jednou zo základných vlastností tyristora je orezanie jednej polovlny sínusovky, svietia žiarovky iba na polovičný výkon, teda preteká nimi polovičný prúd na aký bol obvod navrhovaný a aj riadiacim obvodom preteká polovičný prúd. Toto som urobil zámerne a navrhol som rovnaký obvod aj pre triak, aby bolo možné porovnať ich vzájomné vlastnosti a spôsob spínania a riadenia. 28

37 u A [V] i G [ma] 6 Obr Graf závislosti spínacieho napätie tyristora na veľkosti riadiaceho prúdu 4.2 TRIAKOVÝ MODUL ELEKTRONICKÉHO SPÍNAČA Triak patrí rovnako do kategórie riaditeľných súčiastok, rozdiel od tyristora je v jeho funkcii, keďže prepúšťa obidve polovlny sínusovky NÁVRH METÓDY SPÍNANIA TRIAKU Triak v svojej podstate je zlozený z dvoch antiparalelných tyristorov, preto aj jeho spôsoby riadenia sú totožné so spôsobmi riadenia tyristora. Mal som teda opäť dve možnosti riadenia triaku. Prvá možnosť bola horizontálne riadenie triaku, teda posúvanie riadiacich impulzov podľa rovnice 2. po osi x, pričom môžeme nastaviť ľubovoľnú hodnotu v rozmedzí α = 0 až 180 (0 až π). Tyristor riadime v rámci jednej polovlny sínusovky, triak v obidvoch polovlnách (Obr ) [5,7]. 29

38 Obr Horizontálne riadenie triaku Platia tu rovnaké podmienky zapnutia ako pri tyristore, a teda aby impulz riadiaceho napätia u G aj prúdu i G mal istú minimálnu hodnotu zapínacieho napätia U GT a prúdu I GT. Rovnako platí aj podmienka, že nosiče náboja musia prechádzať riadiacim obvodom určitú dobu po ktorej začne samočinne prebiehať zapínací dej. Rovnako aj pri triaku musí počas tejto doby priepustný prúd dosiahnuť hodnoty prídržného prúdu I H, pokiaľ túto hodnotu nedosiahne, triak prejde do blokovacieho stavu. Druhá možnosť bola vertikálne riadenie triaku. Rovnako ako pri tyristore som zvolil túto možnosť riadenia, aby bola možnosť navzájom porovnať spínanie triaku a tyristora. Pri tejto možnosti, ako som spomenul v kapitole 4.1.1, meníme veľkosť strednej hodnoty priepustného prúdu zmenou veľkosti riadiaceho prúdu (Obr ) [5,7]. 30

39 Obr Vertikálne riadenie triaku Rovnako ako pri tyristore, zväčšovaním riadiaceho prúdu dochádza ku skoršiemu zapnutiu tyristora, čím stúpne stredná hodnota prúdu I TAV. Ibaže všetky hodnoty pri triaku sú dvojnásobné oproti tyristoru, keďže triak pracuje o obidvoma polovlnami, kladnou aj zápornou, súčasne. Charakteristická vlastnosť tohto riadenia ostáva zachovaná, a teda zmeny riadiaceho uhlu sú iba v intervale 0 až

40 4.2.2 NÁVRH OBVODU TRIAKOVÉHO SPÍNAČA Predchádzajúci obvod pre tyristor sa možno zdal predimenzovaný, ale už pri návrhu toho obvodu som počítal stým, že použijem rovnaké obvody spínačov s rovnako dimenzovanými súčiastkami. K dispozícii som už nemal žiadne triaky zo zásob výrobného programu Tesly, preto som musel vybrať triak bežne dostupný a približne rovnako dimenzovaný ako som tyristor KT714. vyberiem tri z možností ktoré som mal (príloha B, C): Z 0107 DA Medzné hodnoty: Menovitý prúd Neperiodický špičkový prúd Špičkový prúd riadiacej elektródy Špičkové záverné napätie Spínacie napätie Prierazné napätie Záverný zostatkový prúd Prídržný prúd Spínací prúd riadiacej elektródy Úbytok napätia v zapnutom stave I TAV = 0,8 A I TSM = 8 A I FG = 1 A U R = 400 V U B0 = 400 V U (BR) = 400 V I R = 0,2 ma I Hmax = 10 ma I GTmax = 5 ma U Tmax = 1,5 V TIC 206M Medzné hodnoty: Menovitý prúd Neperiodický špičkový prúd Špičkový prúd riadiacej elektródy Špičkové záverné napätie I TAV = 4 A I TSM = 25 A I FG = ±0,2 A U R = 600 V 32

41 Spínacie napätie Prierazné napätie Prídržný prúd Spínací prúd riadiacej elektródy Úbytok napätia v zapnutom stave U B0 = 600 V U (BR) = 600 V I Hmax = 30 ma I GTmax = 15 ma U Tmax = 1,3 až 2,2 V Ako vhodnejší som vybral TIC 206M. Je síce dimenzovaný až na 600V ale jeho menovitý prúd I TAV = 4 A, ale keďže takýto prúd ním prechádzať nebude, nebude ani potrebné ho dodatočne chladiť. Opäť je súčiastka voči obvodu v ktorom bude použitá značne predimenzovaná, ale tým je zároveň chránená voči poškodeniu. Tak ako v prípade tyristora, som zvolil ako napájanie zdroj striedavého napätie 50V. Ako záťaž som použil dve v sérii zapojené 24V žiarovky, tentoraz však o výkone 5W, a to z dôvodu, že po zapojení usmerňovača, ktorý je aj tu súčasťou modulu, celkový prúd prekročil 1A, a aby som predišiel zničeniu usmerňovača, zvolil som slabšie žiarovky. Schéma obvodu elektronického spínača je na Obr

42 Obr Schéma zapojenia triaku Použité súčiastky: Tyristor... Potenciometer R 2... Rezistor R 1... TIC 206M 10kΩ / 0,25W lineárny 4k7 Žiarovky... 2x 24V/5W Nastavenie súčiastok pre obvod triaku je totožné s obvodom pre tyristor, preto platia vzťahy ktoré som uviedol v kapitole Maximálnu hodnotu riadiaceho prúdu udáva rovnica 4. Táto hodnota je postačujúca pre otvorenie triaku, aj keď to nie je maximálna hodnota riadiaceho prúdu, ktorú dovoľuje triak TIC 206M KONŠTRUKCIA MODULU TRIAKOVÉHO SPÍNAČA Konštrukcia modulu triakového spínača je podobná ako modulu tyristorového spínača. Rozdiel je v doske plošného spoja, čo vyplynulo z odlišnej konštrukcie triaku. Schéma plošného spoja triakového spínača je na Obr

43 a) b) Obr Doska plošného spoja triakového spínača Na obrázku Obr a) je doska plošného spoja tyristorového spínača pri pohľade zhora s rozmiestnením jednotlivých súčiastok. Na Obr b) spodná strana dosky plošného spoja, so šablónou pre predkreslenie spojov na kuprextit a následné vyleptanie. Čísla jednotlivých kontaktov opäť odkazujú na označenie zdierok podľa Obr Toto označenie sa nachádza opäť len na obrázku, slúži len na konštrukčný účel a na samotnom module sa nenachádza. Funkcie jednotlivých zdierok: 1,2 pripojenie voltmetra pri meraní napätia na tyristore, 3,8 pripojenie osciloskopu pre pozorovanie spínacieho deja, 4,7 pripojenie záťaže, 9,10 pripojenie ampérmetra pre meranie prúdu pretekajúceho tyristorom, 12,13 pripojenie zdroja striedavého napätia a prúdu, 17,18 pripojenie ampérmetra pre meranie riadiaceho prúdu tyristora, 19 svorka je prepojená s riadiacou elektródou, 35

44 11,14 sú svorky pripojené k vývodom potenciometra, slúžia iba pre prípadné kontrolné merania, 20,23 slúžia na pripojenie záťaže k obvodu, 21,22 pripojenie voltmetra na meranie napätia a záťaži, prípadne osciloskopu. Obr Vrchná doska modulu triakového spínača Rovnako ako pri module s tyristorom, aj v tomto prípade je usmerňovač zabudovaný len pre prípadnú demonštráciu usmerňovacieho deja. Taktiež je galvanicky oddelený od ostatných obvodov a jeho pripojenie a aj použitie súčiastok je rovnaké ako je popísané v kapitole Potenciometer je rovnako pripevnený na vrchnej doske a je s k obvodu prepojený pomocou izolovaného lankového vodiča o priereze 0,75 mm 2 s kontaktmi A, S, E na doske plošného spoja. Týmto vodičom sú pripojené aj všetky ostatné kontakty. Krabica, v ktorej je plošný spoj spínača a usmerňovač umiestnený, sa od krabice s tyristorom líši iba v značke zobrazenej na vrchnej doske a použitej záťaži. 36

45 4.2.4 NAMERANÉ PARAMETRE TRIAKOVÉHO SPÍNAČA Na tomto type elektronického spínača som meral rovnakú závislosť ako na tyristorovom spínači, a to závislosť veľkosti spínacieho napätia triaku od veľkosti riadiaceho prúdu prechádzajúceho riadiacou elektródou G. Modul triakového spínača som zapojil rovnako ako modul tyristorového spínača, toto zapojenie je znázornené na Obr Obr Schéma zapojenia prístrojov pri meraní závislosti na triaku Na vstup modulu som pripojil opäť zdroj striedavého napätia 50 V. Osciloskop som pripojil cez delič napätia v pomere 1:10 pre lepšie zobrazenie. Rovnako ako pri tyristore som na potenciometri R 2 pomaly posúval bežca z polohy maximálneho odporu smerom k minimálnemu. Tým som dosiahol zvyšovanie riadiaceho prúdu i G pretekajúceho elektródou G. Otváranie triaku je naznačené na Obr a)-e). Na obrázku a) je triak zatvorený, na obrázku b) a c) dochádza k otvoreniu zápornej sínusovky ako prvej, na obrázku d) už sa triak otvára aj pre kladnú sínusovku a na obrázku e) je už úplne otvorený pre obidve polovlny. 37

46 a) b) 38

47 c) d) 39

48 e) Obr a)-e) Proces zapínania tyristora zobrazený na osciloskope Spôsob akým som meral závislosť spínacieho napätia od veľkosti riadiaceho prúdu je popísaný v kapitole Rozdiel je v rozsahu regulácie riadiaceho prúdu. Prvá hodnota bola i G = 1 ma, ďalšia bola pre i G = 1,5 ma a podobne až do i G = 10 ma. Namerané hodnoty som zapísal do tabuľky 2. Z rovnakého dôvodu ako v predchádzajúcom meraní, sa mi nepodarilo zmerať veľkosť napätia pre I G = 0. Používané napájacie napätie 50V toto neumožňovalo. Na Obr je znázornený graf závislosti spínacieho napätia od veľkosti riadiaceho prúdu. Ako som už spomínal v predchádzajúcom, triak vďaka svojej funkcii, umožnil aby žiarovky svietili na svoj plný výkon, keďže na rozdiel od tyristora neorezal jednu polovlnu a teda neznížil ich výkon na polovicu. 40

49 Tabuľka 2. - Meranie závislosti spínacieho napätie triaku na veľkosti riadiaceho prúdu číslo merania i G [ma] u A [V] i A [ma] ,5 33, , , , , , , , , , ,5 6, , , , ,5 5,

50 u A [V] i G [ma] Obr Graf závislosti spínacieho napätie triaku na veľkosti riadiaceho prúdu 4.3 MODUL S DIAKOVÝM SPÍNAČOM Ďalšou spínacou súčiastkou je diak. Ten patrí medzi neriadené polovodičové súčiastky, číže jeho bod zapnutia je daný jeho výrobou NÁVRH METÓDY SPÍNANIA DIAKU Zvolil som teda metódu spínania tak, že pomocou autotransformátora som zvyšoval napätie až došlo ku zapnutiu diaku. Po zopnutí diaku ním prechádza záporný prúd ako je vidieť z voltampérovej charakteristiky (Obr.3.3.3) [5]. 42

51 Ak napájacie napätie U nedosiahne hodnotu spínacieho napätie U (B0), diak ostane zavretý a má veľký odpor, podobne ako dióda v závernom smere. Diakom v tomto blokovacom stave prechádza len minoritný prúd. Pokiaľ U bude väčšie ako U (B0), nastane nedeštruktívny prieraz a odpor diaku sa náhle zmenší, napätie klesne a vzrastie prúd. Diak prejde vo vodivého stavu, ktorý je charakterizovaný strmým vzrastom prúdu a poklesom napätia na svorkách diaku [5] NÁVRH OBVODU DIAKOVÉHO SPÍNAČA Na demonštráciu funkcie diaku som použil dva nezávislé obvody spínača (Obr ) Obr Schémy zapojenia diakov v obvodoch Na obrázku a) je obvod ktorý je napájaný zo sieťového autotrasnformátora 0 až 230 Voltov. V obvode je ako záťaž použitá v sérii zapojená žiarovka 230V o výkone 25W. regulovaním vstupného napätia od nulovej hodnoty po najvyššiu, dosiahneme otvorenie zapnutie diaku, pri určitom napätí. 43

52 Na obrázku b) je druhý obvod s použitím diaku, ktorý slúži len na demonštrovanie priebehu napätia a prúdu. Diak je pripojený cez napäťový delič a regulovaním potenciometra dochádza k zvyšovaniu napätia, čo má za následok otvorenie diaku. Pre obidva obvody som použil diak ER900 (príloha D), ktorý sa mi ako jediný podarilo zakúpiť. Použité súčiastky: Obvod 1 Obvod 2 Diak ER900 Diak ER900 Žiarovka 230V/25W Rezistor R 1 50kΩ Potenciometer R 2 47kΩ lineárny ER900 Medzné hodnoty: Maximálny prúd po zapnutí Spínacie napätie I max = 2 A U (B0) = 25 až 36 V Spínací prúd I (B0)max = 50 µa Pre obvod 2 platí, že ak bude potenciometer v hornej krajnej polohe, bude diakom pretekať maximálny prúd i d2max : = 230 [ A] (6) i d 2 max = 4, V obvode 2 na (Obr b), pokiaľ bude na potenciometri bežec dolnej krajnej polohe (podľa obrázka), diakom bude prechádzať iba minoritný prúd a úbytok napätia bude priveľký aby sa diak otvoril. Keď budeme posúvať bežca do hornej krajnej polohy, úbytok napätia bude klesať a diakom bude pretekať väčší prúd, rovnako aj napätie na ňom bude rásť až do hodnoty napätia, kedy bude otvorený. Vtedy bude už rásť iba prúd, ktorý nim preteká, napätie sa zvyšovať už nebude. 44

53 4.3.3 KONŠTRUKCIA MODULU DIAKOVÉHO SPÍNAČA Na konštrukciu modulu som zvolil rovnakú krabicu ako pre tyristor a triak. Do tejto krabice som zabudoval obidve dosky plošného spoja (Obr ). Obr dosky plošných spojov diakových spínačov Na obrázku a) je vrchný pohľad na dosku s rozmiestnením súčiastok obvodu 1. (Obr a ), na obrázku c) je spodná strana dosky obvodu 1. pripravená na leptanie. Na obrázku b) je vrchná strana dosky plošného spoja obvodu 2. (Obr b), na obrázku d) je spodná strana tejto dosky pripravená na vyleptanie. Označenie kontaktov korešponduje s označením kontaktov vrchnej dosky modulu (Obr ), opäť len na nákrese, na samotnej doske nie. 45

54 Obr Vrchná doska modulu diakového spínača Pripojenie kontaktov: Obvod 1 1,12 pripojenie zdroja, 2,3 pripojenie ampérmetra, 5,6 pripojenie diaku, 4,7 pripojenie voltmetra, 9,10 pripojenie žiarovky, 8,11 pripojenie voltmetra. Obvod 2 1,10 pripojenie zdroja, 2,3 pripojenie ampérmetra, 4,7 pripojenie diaku, 5,6 pripojenie voltmetra, 8,9 pripojenie rezistora R 1, A,S,E pripojenie potenciometra R 2. Pri montáži tohto modulu som vyrobil bočnú ochranu proti prípadnému dotyku so živými časťami vo vnútri modulu, nakoľko tento modul pracuje so sieťovým napätím. 46

55 4.3.4 NAMERANÉ PARAMETRE DIAKOVÉHO SPÍNAČA Na obvode 1. modulu diakového spínača som meral závislosť veľkosti napätia na diaku a na žiarovke, od veľkosti napájacieho napätia, ktoré som menil od 5 V, čo bola najnižšia hodnota ktorú autotransformátor umožňoval nastaviť, až po hodnotu 240 V, čo bola hodnota pre ktorú bola žiarovka vyrobená. Schéma zapojenia prístrojov je na Obr Hodnoty ktoré som nameral, sú uvedené v tabuľke 3. Obr Schéma zapojenia prístrojov pri meraní parametrov na obvode 1. Zvyšovaním vstupného napätia u vst od minimálnej hodnoty umožňujúcej autotransformátorom, vzrastalo úmerne sním aj napätie na diaku u d1. Keď napätie na diaku dosiahlo hranicu 20,1 V, pomaly začal obvodom pretekať prúd a diak sa začínal otvárať. Keď napätie na diaku dosiahlo 24,8 V, diak prešiel do otvoreného stavu a napätie na ňom začalo klesať. Napätie na žiarovke u ž bolo nulové až kým sa diak nezačal otvárať a potom už len plynule vzrastalo s rastúcim vstupným napätím. Prúd i celk., ktorý pretekal obvodom, mal podobný priebeh ako napätie u ž. Tieto závislosti sú naznačené na obr až obr Nepresnosti a výkyvy zobrazené na grafe boli pravdepodobne spôsobené nepresnosťou pri meraní. 47

56 Tabuľka 3. Závislosť napätia na diaku a žiarovke od vstupného napätia u vst [V] i celk [ma] u d1 [V] u ž [V] ,5 7 20,1 1,7 25,5 20,2 20,3 5 28, ,8 6 30, , , , , , , , , , , , , , ,

57 u d1 [V] u vst [V] Obr Závislosť napätia na diaku od vstupného napätia u ž [V] u vst [V] Obr Závislosť napätia na žiarovke od vstupného napätia 49

58 i celk [ma] u vst [V] Obr Závislosť celkového prúdu od vstupného napätia Z nameraných údajov sa podarilo overiť otváracie napätie diaku, ktoré podľa katalógovej hodnoty malo byť 25-36V. V tomto prípade som nameral hodnotu 24,8V, čo sa približuje katalógovej (príloha B,D). Na obvod 2 som pripojil meracie prístroje podľa obr Obr Schéma zapojenia prístrojov pri meraní parametrov na obvode 2. 50

59 Modul som pripojil na sieťové napätie a potenciometer nastavil do krajnej polohy maximálneho odporu. Postupne som otáčal potenciometrom, na voltmetri rástlo napätie, pre ktoré som každé 1 až 2 volty odčítal hodnotu prúdu pretekajúcu diakom a zapísal do tabuľky 4. Pokračoval som až do maximálnej hodnoty, ktorá bola daná rozsahom potenciometra. Tabuľka 4. Priebeh napätia a prúdu na diaku v obvode 2 u d2 [V] i d2 [µa] u d2 [V] i d2 [µa] 0,015 1,4 0,3 1,5 1 1,4 2 1,5 2,8 1,5 3,6 1,5 6 1,6 9,5 1, ,3 17,6 2,4 19 2,5 22,5 2, , , , , , , , , ,5 44 Napätie na diaku,po dosiahnutia hodnoty pre ktorú sa otvoril, prestalo narastať a ustálilo sa na hodnote 27.8V. prúd pretekajúci diakom dosiahol maximálnu hodnotu 3,63mA, čo je hodnota nižšia od vypočítanej (rovnica 6). Toto bolo spôsobené pravdepodobne vnútorným odporom diaku, ktorý sa prejavil pri meraní nízkych hodnôt prúdov. 51

60 5. ZÁVER Cieľom tejto bakalárskej práce bolo zadefinovanie procesov spínania u polovodičových spínacích prvkov tyristor, triak a diak, bližšie špecifikovanie ich riadenia pri procese spínania a vytvorenie funkčných modelov, kde by sa tieto spínacie procesy dali znázorniť a merať. Navrhol som konkrétne metódy riadenia týchto prvkov, aplikoval ich na konkrétne zapojenia pre tyristor, triak a diak, pričom som vytvoril 3 moduly. Prvý z nich obsahuje tyristor riadený vertikálne, druhý modul obsahuje triak rovnako riadený vertikálne a tretí modul obsahuje dva obvody na demonštráciu procesu spínania u diaku. Na module s tyristorom som uskutočnil merania, výsledkom ktorých je tabuľka nameraných hodnôt a graf závislosti veľkosti blokovacieho napätia na elektródach tyristora od veľkosti riadiaceho prúdu prechádzajúceho riadiacou elektródou. Na module obsahujúcom triak som rovnako uskutočnil merania, výsledkom ktorých je tabuľka nameraných hodnôt a graf závislosti veľkosti blokovacieho napätia triaku od veľkosti riadiaceho prúdu prechádzajúceho riadiacou elektródou. Tie dva moduly sú zhotovené z rovnakých súčiastok o rovnakých parametroch, s výnimkou samotných spínacích prvkov, čo má slúžiť pre porovnanie ich rozdielnych a zhodných vlastností. Na module s diakmi, prvý obvod slúži na demonštráciu priebehov napätí na diaku a na záťaži, druhý obvod demonštruje len samotný proces spínania so zameraním sa na spínacie napätie a prúd prechádzajúci samotným diakom. Súčasťou práce je aj príloha E, ktorá bude slúžiť ako návod na meranie na moduloch v školskom laboratóriu. Ďalšie riešenie zadanej témy by mohlo byť zostrojenie modulov s horizontálnym riadením spínacích prvkov tyristora a triaku. Záver začať na novej stránke. 52

61 6. ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY [1] BÉM, J. Československé polovodičové súčiastky. Praha: SNTL, 1971 [2] GROSZ, A., NASCHKE, J. Základní součástky elektronických obvodů (diskrétni převažně pasivní). Liptovský Mikuláš: VVTŠ, s. [3] MICHALÍK, J., PAVLÁSEK, P. Elektrotechnika pre študijný odbor Prevádzka a ekonomika cestnej a mestskej dopravy. Bratislava: ALFA, s. [4] OETTER, J. Výkonová elektronika pre elektrické pohony. Bratislava: ALFA, s. [5] PIŠTORA, J. Elektronické prvky. Ostrava: Vysoká škola báňská v Ostravě, s. [6] STRÁNSKÝ, J., a kol. Polovodičová technika I. Praha: SNTL, s. [7] SUCHÁNEK, V., a kol. Dioda, tranzistor a tyristor názorně. Praha: SNTL, s. ISBN

62 7. VYHLÁSENIE O SAMOSTASTNOSTI VYPRACOVANIA BAKALÁRSKEJ PRÁCE ČESTNÉ VYHLÁSENIE Vyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod odborným vedením vedúceho bakalárskej práce doc. Ing. Zdeňka Dostála, CSc. a používal som len literatúru uvedenú v práci. Súhlasím so zapožičiavaním bakalárskej práce. V Liptovskom Mikuláši dňa podpis diplomanta 8. POĎAKOVANIE Chcel by som sa poďakovať vedúcemu bakalárskej práce, pánovi doc. Ing. Zdeňkovi Dostálovi, CSc., za poskytnutie materiálnej, technickej a odbornej podpory pri riešení bakalárskej práce, ako aj za možnosť používania školského laboratória. 54

63 Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta Katedra experimentálnej elektrotechniky ELEKTRONICKÉ SPÍNAČE Prílohová časť Matúš HULÁK 2008 ZOZNAM PRÍLOH

64 1) Príloha A: Katalógový list polovodičových súčiastok Tesla z roku ) Príloha B: Katalógový list s polovodičových súčiastok SOS electronic s.r.o. 3) Príloha C: Katalógový list triaku TIC206M od Power Innovations Ltd. z roku ) Príloha D: Katalógový list diaku ER900 od STMicroelectronics z roku ) Príloha E: Návod na meranie elektronických spínačov Príloha A Katalógový list polovodičových súčiastok Tesla z roku 1985

65 Príloha B Katalógový list s polovodičových súčiastok SOS electronic s.r.o.

66 Príloha C Katalógový list triaku TIC206M od Power Innovations Limited z roku 1997

67 1

68 2

69 3

70 4

71 5 Príloha D Katalógový list diaku ER900 od STMicroelectronics z roku 2001

72 1

73 2

74 3

75 4

76 5

77 Príloha E Návod na laboratórne meranie Úloha: Meranie na elektronických spínačoch Zadanie: A. Zmerajte závislosť veľkosti blokovacieho napätie od veľkosti riadiaceho prúdu na tyristore. Vytvorte graf závislosti blokovacieho napätia od veľkosti riadiaceho prúdu. B. Zmerajte závislosť veľkosti blokovacieho napätie od veľkosti riadiaceho prúdu na triaku. Vytvorte graf závislosti blokovacieho napätia od veľkosti riadiaceho prúdu. C. Zmerajte priebehy napätí na diaku a záťaži pri procese spínania. Teoretický rozbor: Tyristor a triak patria medzi riaditeľné elektronické prvky. Ich otvorenie dosiahneme dvoma spôsobmi. Buď posúvaním riadiacich impulzov po časovej osi horizontálne riadenie, alebo zväčšovaním veľkosti amplitúdy riadiaceho prúdu, čím zvýšime veľkosť strednej hodnoty prúdu, ktorá spôsobí otváranie tyristora vertikálne riadenie (obr.1). a) b) obr.1 a) vertikálne riadenie tyristora, b) vertikálne riadenie triaku 1

78 Tyristor odfiltruje jednu polovlnu sínusovky na rozdiel od triaku, ktorý prepustí obidve polovlny a teda hodnoty napätia na záťaži a aj veľkosť riadiaceho prúdu sú dvojnásobné oproti tyristoru. Diak patrí medzi neriadené polovodičové spínacie prvky, a jeho zapnutie závisí od veľkosti napätia na jeho elektródach. Keď napätie dosiahne hodnotu väčšiu ako je hodnota blokovacieho napätie U(B0), diak prejde do zapnutého stavu. Voltampérova charakteristika diaku e na obr.2. obr. 2 V-A charakteristika diaku Schémy zapojenia: obr.3 Zapojenie meracích prístrojov tyristor 2

79 obr.4 Zapojenie meracích prístrojov triak Postup merania: obr.5 zapojenie meracích prístrojov diak Zadanie A: Prístroje zapojte podľa obr.3. a prepojte obvod spínača so zdierkami záťaže podľa obrázka. Zdroj 50V pripojte na autotransformátor, aby bolo možné regulovať veľkosť napájacieho napätia. Nastavte na potenciometri minimálnu hodnotu riadiaceho prúdu. Postupne zvyšujte riadiaci prúd až do okamihu, kedy sa tyristor začne zapínať. Nájdite okamih tesne pred otvorením, hodnotu riadiaceho prúdu i G [ma] a hodnotu napätia na tyristore u A [V] zaznačte do tabuľky. Na potenciometri nastavte hodnotu asi 4 [ma] a na autotransformátore pomaly uberte napätie až kým sa tyristor nevypne. Nájdite hodnotu tesne pred zapnutím a znovu zaznačte hodnoty riadiaceho prúdu a anódového napätia na tyristore. Toto opakujte pokiaľ to regulácia prúdu umožní. Vytvorte graf závislosti veľkosti blokovacieho napätia na tyristore u A (u (BO) ) od veľkosti riadiaceho prúdu i G. Zadanie B: 3

80 Prístroje zapojte podľa obr.4 a postupujte rovnako ako pri zadaní A, ale zvoľte krok zvyšovania riadiaceho prúdu o 0,5 [ma]. Vytvorte graf závislosti veľkosti blokovacieho napätia na triaku u A (u (BO) ) od veľkosti riadiaceho prúdu i G. Zadanie C: Najskôr zapojte prístroje podľa obr.5 Obvod 1. Autotransformátor nastavte na minimálnu hodnotu a údaje vstupného napätia u vst [V], napätia na dikau1 u d1 [V], napätia na žiarovke u ž [V] zapíšte do tabuľky. V rozsahu vstupného napätia 0 až 20V zvoľte krok merania 5V, v rozsahu 20 až 30V krok 2V, v rozsahu 30 až 50 V krok 5V, v rozsahu 50 až 100V krok 10V a rozsahu 100 až 240V krok 20V. neprekračujte hodnotu napätia na ktorú je konštruovaná žiarovka. Pri meraní podľa obr.5 Obvod 2. pripojte modul na zdroj sieťového napätia 230V. Potenciometer nastavte do krajnej polohy, kedy bude na diaku2 minimálne napätie. Hodnotu napätia na diaku2 u d2 [V] a hodnotu prúdu prechádzajúceho cez diak2 i d2 [µa] zapíšte do tabuľky Slovne vyhodnoťte priebehy napätí a prúdov na obidvoch diakoch. 4