Prostowniki. Symbole graficzne prostowników niesterowanych i sterowanych używane na schematach blokowych

Transkrypt

1 Prostowniki Prostowniki są układami przekształcającymi napięcia przemienne na napięcia jednego znaku, które po dalszym odfiltrowaniu mogą być zamienione na napięcia stałe. Najczęściej wejściowym napięciem przemiennym jest napięcie sieciowe: 230 V, 50 Hz prostowniki jednofazowe; 400 V, 50 Hz prostowniki trójfazowe. Symbole graficzne prostowników niesterowanych i sterowanych używane na schematach blokowych Elektronika Jakub Dawidziuk piątek, 2 października 2015

2 Prostowniki jednofazowe i trójfazowe prostowniki przekształcają napięcie przemienne na napięcie stałe, wartość stałego napięcia wyjściowego jest regulowana przez ustalenie odpowiedniego wejściowego napięcia przemiennego lub za pomocą prostownika sterowanego, dzielone są na układy niesterowane i sterowane: jednofazowe jednopołówkowe (półokresowe, jednopulsowe-1p), jednofazowe dwupołówkowe (całookresowe, dwupulsowe-2p), trójfazowe wielopulsowe (3P, 6P, 12P, 18P, 24P, 36P i 48P). P liczba pulsów napięcia wyjściowego, Np. 24P prostownik 24-pulsowy. Do zasilania urządzeń elektronicznych stosowane są zazwyczaj prostowniki jednofazowe, zasilane z jednofazowej sieci prądu przemiennego (230 V, 50 Hz). Elektronika Jakub Dawidziuk piątek, 2 października 2015

3 Zastosowania prostowników zasilanie urządzeń trakcji elektrycznej (napędy i podstacje zasilające trakcja kolejowa 3000 V; metro 750 V; tramwaj, trolejbus 600 V), zasilanie urządzeń spawalniczych i galwanotechnicznych, regulowane napędy z silnikami prądu stałego, układy elektryczne samochodów, stabilizowane źródła napięcia i prądu. Nazwa ''prostownik'' jest używana w języku potocznym jako określenie ładowarki akumulatorów samochodowych. Technicznie nie jest to określenie poprawne, ponieważ ładowarki składają się z transformatora, prostownika (często sterowanego), układu regulującego, itd.)

4 Prostownik jednofazowy jednopołówkowy. Obciążenie rezystancyjne (R) u=u m sinωt u U i = = m sin ωt R R dla 0 < ωt < π i = 0 dla π ωt 2π wartość średnia = składowa stała U 0sr = 1 2π π 0 ud( ωt) = U m 2π π 0 sin ωtd( ωt) = U π m wartość skuteczna U π = U m sin ωtd( ωt) = 2π 0 U 2 m

5 Prostownik jednopołówkowy z filtrem (obc. RC) Pojemność kondensatora Q C = Q = CU U Prąd płynący przez kondensator zależy od szybkości zmian napięcia dq du C dq Q = ponieważ = I = du I = def I = C dt dt dt t dt podstawiając oznaczenia przyjęte na rysunkach otrzymamy I 0 T = C U C = I 0 T U = I 0 f U

6 Ładowanie baterii z prostownika jednopołówkowego start dioda przewodzi jeżeli wartości chwilowe napięcia wejściowego przekroczą napięcie baterii, (b) Przebiegi napięć i prądu dioda jest blokowana w czasie kiedy wartości chwilowe napięcia zasilającego są niższe od napięcia baterii, kształt prądu diody powtarza kształt napięcia wymuszającego jego przepływ.

7 Prostownik jednofazowy dwupołówkowy U π 1 0sr = U 2 m sin ωtd( ωt) = U m π π 0

8 Prostownik mostkowy dwupołówkowy może być użyty bez transformatora diody przewodzą podczas dodatnich i ujemnych półfal napięcia zasilającego, pojemność kondensatora filtrującego dwa razy mniejsza niż w 1f, dla tych samych Io i U (dlaczego?) u s

9 Prostownik mostkowy z transformatorem N zero sieci masa elektroniki Izolacja (rozdzielenie galwaniczne) sieci zasilającej od urządzenia elektronicznego.

10 Prostownik dwupołówkowy z wyprowadzonym punktem środkowym transformatora układ wymaga transformatora z wyprowadzonym punktem środkowym prostowana jest zarówno dodatnia i ujemna fala napięcia zasilającego gabaryty transformatora są dwa razy mniejsze w porównaniu z prostownikiem jednofazowym dla takich samych I 0 i pulsacji u wy

11 Prostownik napięć symetrycznych na wyjściu napięcia symetryczne względem masy (dodatnie i ujemne o jednakowej wartości bezwzględnej), dobra sprawność ponieważ wykorzystywane są obie połówki okresu sygnału wejściowego we wszystkich uzwojeniach transformatora.

12 Przebiegi napięć na wyjściach elementów prostownika

13 Schemat zasilania sieci trakcyjnej

14 Prostownik jednofazowy półokresowy U sr π 1 = 2π U α m sinωtd( ωt) = U m 2π ( 1+ cosα )

15 Prostowniki sterowane Wszystkie prostowniki mogą być używane również w postaci '''prostowników sterowanych'''. W prostownikach takich diody prostownicze zastępuje się tyrystorami prostowniczymi, które sterowane są za pomocą odpowiednich układów analogowych lub cyfrowych. Prostowniki sterowane są stosowane wszędzie tam, gdzie wymagana jest płynna regulacja mocy wyjściowej urządzenia - takie rozwiązanie jest szeroko stosowane np. w spawarkach transformatorowych lub automatycznych ładowarkach akumulatorów samochodowych. Elektronika Jakub Dawidziuk piątek, 2 października 2015

16 POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA Temat i plan wykładu WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY Diody Zenera, Schottky ego, SiC charakterystyki prądowo-napięciowe, parametry podstawowe układy z diodami Zenera złącza metal-półprzewodnik diody Schottky ego diody z węglika krzemu SiC ELEKTRONIKIA Jakub Dawidziuk piątek, 2 października 2015

17 Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera

18 Stabilizator napięcia stałego z diodą Zenera U WE =IR+U Z I=(U WE U Z )/R a) schemat, b) charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera.

19 Wartości katalogowe U Z - napięcie Zenera r z - rezystancja różniczkowa (Zenera) I zmax - prąd maksymalny P zmax maksymalna moc rozproszenia P zmax = I zmax U z

20 Diody Zenera. Stabilizatory parametryczne. Stabilizatory parametryczne stosowane są zazwyczaj tylko przy małych mocach wyjściowych i niezbyt wygórowanych wymaganiach jakościowych. Charakteryzują się one małą sprawnością, a ich współczynniki stabilizacji mają umiarkowaną wartość przy zmianach obciążenia i napięcia wejściowego. Wartość napięcia stabilizowanego jak i prądu wyjściowego zależą głównie od parametrów elementu nieliniowego. Jest to istotna wada tego typu układów ponieważ w przypadku konieczności zmiany tych wielkości, konieczna jest wymiana elementu nieliniowego (diody Zenera).

21 Złącze metal-półprzewodnik dioda Schottky ego Po zetknięciu metalu i półprzewodnika układ dąży do równowagi termodynamicznej poprzez przegrupowanie e-. Ponieważ Wme > Wpp, to wiecej e- będzie przepływać z pp do me niż odwrotnie. po stronie metalu pojawia się cienka warstwa ładunku ujemnego, a po stronie pp znacznie szersza warstwa ładunku dodatniego, dipolowa warstwa ładunku przestrzennego bariera potencjału jest równa różnicy potencjałów wyjścia elektronów (Vme Vpp) złacze prostujace => dioda Schottky ego +A -K obniża się bariera potencjału i elektrony płyną z pp do me A K nie następuje gromadzenie nośników mniejszościowych brak pojemności dyfuzyjnej dobre właściwości impulsowe

22 Złącze metal-półprzewodnik Złacze metal - półprzewodnik Charakterystyka pradowo - napieciowa złacza metal półprzewodnik może byc: a) liniowa i symetryczna (złącze omowe) Rodzaj złacza zaley od: - różnicy prac wyjscia elektronu z metalu i półprzewodnika - stanów powierzchniowych półprzewodnika kontakty i doprowadzenia przyrządów pp mała rezystancja b) nieliniowa i niesymetryczna (złacze prostujace) dioda Schottky ego

23 Tranzystor Schottky ego Tranzystor Schottky ego

24 Przyrządy półprzewodnikowe z węglika krzemu (SiC) Po raz pierwszy krystaliczny węglik krzemu (SiC), nazwany inaczej karborundem, otrzymano w 1892 roku. William Shockley nazwał węglik krzemu idealnym półprzewodnikiem i już w 1950 roku był przekonany, że zamieni on krzem, ze względu na swoje unikalne właściwości fizyczne. Węglik krzemu jest półprzewodnikiem ze skośną przerwą energetyczną (niewielkie w nim jest prawdopodobieństwo wystąpienia rekombinacji promienistej), z szerokością pasma zabronionego od 2,4 do 3,3 ev (krzem 1,12 ev ), co oznacza szerszy, praktycznie do 600 С, zakres temperatur roboczych i mały prąd wsteczny (mniejszy od 70 ua ). Węglik krzemu charakteryzuje wysoka przewodność cieplna (na poziomie miedzi), co ułatwia odprowadzenie ciepła, obniżając dwukrotnie opór cieplny kryształu SiC w porównaniu z Si. Ponieważ węglik krzemu posiada blisko dziesięciokrotnie wyższą wartość krytyczną pola elektrycznego, to napięcie przebicia dla węglika krzemu może być dziesięć razy wyższe niż dla krzemu.

25 Przyrządy półprzewodnikowe z węglika krzemu SiC Przedstawione właściwości gwarantują perspektywiczne wykorzystanie tego materiału w urządzeniach elektronicznych i energoelektronicznych pracujących w wysokiej temperaturze oraz odpornych na promieniowanie radioaktywne (np. w technice motoryzacyjnej, nuklearnej i kosmicznej). Układy energoelektroniczne realizowane przy użyciu przyrządów z węglika krzemu będą charakteryzować się zwiększonymi gęstościami mocy, wyższą sprawnością energetyczną, wyższymi częstotliwościami pracy oraz będą zdolne do pracy w środowiskach ekstremalnych, w których urządzenia wykorzystujące przyrządy krzemowe nie są w stanie działać

26 Charakterystyki przejściowego prądu wstecznego

27 Zależność ładunku przejściowego od szybkości zmian prądu diody

28 Przyrządy półprzewodnikowe z węglika krzemu SiC W diodach mocy wykonanych z SiC w temperaturze pokojowej praktycznie nie występują prądy wsteczne. Dzięki szybszemu odzyskiwaniu właściwości zaworowych przez diody zwrotne (czasy wyłączania mniejsze od 1 ns i pomijalnie małe ładunki wsteczne), mniejsze straty mocy wydzielają się zarówno w diodach jak i współpracujących z nimi tranzystorach. Wysoka gęstość mocy diod SiC pozwala na zwiększenie częstotliwości łączeń, poprawienie jakości energii wejściowej i wyjściowej układów, co umożliwi zmniejszenie gabarytów elementów indukcyjnych. Zmaleją również zakłócenia powodowane przez diody zwrotne, co pozwoli uprościć konfiguracje filtrów zasilaczy i zmniejszyć ich gabaryty.

29 Porównanie strat mocy z diodami Si i SiC

30 Zasilacze napięcia stałego Zasilacz napięcia (prądu) stałego - transformatorowy, zbudowany jest z: transformatora zmieniającego napięcie zasilające (np. 230 V) na żądane napięcie (np. 24 V). Napięcie to jest prostowane poprzez diodę (prostownik półokresowy) lub mostek Graetza składający się z czterech diod (prostownik pełnookresowy). Wyprostowane napięcie może być wygładzone poprzez filtry składające się z cewki, opornika, dławika i kondensatorów elektrolitycznych i stabilizowane za pomocą scalonych układów stabilizujących. Popularne zasilacze transformatorowe występują najczęściej w obudowie zawierającej wtyk sieciowy i są wkładane bezpośrednio do gniazda sieciowego.