otazkyTisk

Vypracovanie otázok BVEL 2006-2007

1. Historický vývoj výkonovej elektroniky:
1882- počiatky objevu usmernovaču , učinek obloku na ortutových úparach
1903- prvi ortutový usmernovač (MHD,vlaky, elektorlyza)
1945- tiralot (vybojka se žhavenou katodou)
1950- objev polovodiču (Ge, Si)
sučasná vykonová el umožnuje: bezstratove rizeni, bezkontaktni spinani, lepši parametry

Historický přehled a mezní parametry vysokonapěťových tranzistorů:
Bipolární tranistor BT: 1979: Vznik prvního skutečně vysokonapěťového tranzistoru
Vysokonapěťový MOS-FET: 1983: Vznik (Siemens):
Vypínatelný tyristor GTO (Gate-Turn-Off): 1983: Vznik (Toshiba),
Tranzistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor): 1985: Objev (Toshiba).

2. Fyzikálna podstata PN prechodu. Štruktúry diódy, tyristoru a výkonového tranzistora:
Přechody PN, NP - přechody mezi stejnorodými materiály z různým typem vodivosti. Tyto
přechody můžeme podle poměru koncentrace příměsí na obou stranách přechodu dále rozdělit na
souměrné, kde koncentrace donorů na straně N a akceptorů na straně P je přibližně stejná (ND
Η NA), a nesouměrné, kde je dotace príměsí na jedné straně přechodu výrazně vyšší.
Vo valencnom pase su 4 e. Pocet e vo valenc. pasme udava fyzik. vlastnost prvku. Prvok je nevodivy
pri teplote -2730C. Pri normalnej teplote je prvok vodivy lebo e odskoci od miesta vzniku a na jeho
mieste vznikne diera. Ak na kremik prilozime zdroj DC nap. vznikne elektronovy a dierovy prud- je
to vlastny polovodic. Nevlastny – jedno jadro nahradime 5-mocnnym prvkom antimonom



3. Statické vlastnosti diódy, tyristora a výkonového tranzistora. Definícia dôležitých hodnôt
statických charakteristík:

Bipolární tranzistory
Mezní parametry:
Závěrná napětí měřená staticky: UCB 0, UCE X (nebo UCE V), UCE S, UCE R, UCE 0.
Význam indexů:
0 -nezapojena zbývající elektroda.
X (neboV) -přechod B-E polarizován v závěrném směru napětím UBE = −5V.
S -(short) přechod B-E zkratován.
R -přechod B-E překlenut odporem RBE = 10 až 100Ω

Skupina závěrných napětí UCB 0, UCE X, UCE S bývá číselně téměř shodná a definuje tzv. napěťovou třídu
tranzistoru (např. 1000V). Pozor, UCE 0 bývá podstatně nižší (např. 350V).

Mezní proudy:
IC -jmenovitý, typový, trvalý stejnosměrný (při dobrém chladiči), špičkový opakovatelný
(při úmyslně poddimenzovaném chladiči).
ICM -špičkový neopakovatelný, jednorázový, havarijní (ve smyslu jednorázového „pokusu o
vypnutí“ havarijního zkratového proudu). Obvykle bývá ICM = 2 IC.

Statické parametry:
h21E (hFE) - proudový zesilovací činitel, měřeno při IC, UCE = 2 nebo 5V.
UCE SAT -saturační napětí, měřeno při IC, +IB1.
UBE SAT -saturační napětí, měřeno při IC, +IB1.

Tranzistory MOS-FET
Mezní parametry:
U(BR)DS S -závěrné (průrazné) napětí.
Indexy: BR (Break), DS (Drain - Source, kolektor - emitor), S (short) značí, že při měření
je řídicí elektroda zkratována s emitorem.
UGS MAX -maximální (průrazné) napětí řídicí elektrody. Bývá obvykle UGS MAX = ±20V.
Mezní proudy:
ID -jmenovitý, typový, trvalý stejnosměrný (při dobrém chladiči), špičkový opakovatelný
(při úmyslně poddimenzovaném chladiči).
IDM -špičkový neopakovatelný, jednorázový, havarijní (ve smyslu jednorázového „pokusu o
vypnutí“ havarijního zkratového proudu). Často není uveden.
PD MAX -maximální ztrátový výkon,

Statické parametry:
RDS (on) -odpor v sepnutém stavu.
UGS (th) -prahové napětí řídicí elektrody (Threshold-voltage).

Tranzistory IGBT
Mezní parametry:
UCE S -závěrné napětí. S (short) značí, že při měření je řídicí elektroda zkratována s emitorem.
UGE MAX -maximální (průrazné) napětí řídicí elektrody. Bývá obvykle UGE MAX = ±20V.
Mezní proudy:
IC -jmenovitý, typový, trvalý stejnosměrný (při dobrém chladiči), špičkový opakovatelný
(při úmyslně poddimenzovaném chladiči).
ICM -špičkový neopakovatelný, jednorázový, havarijní (ve smyslu jednorázového „pokusu o
vypnutí“ havarijního zkratového proudu). Obvykle bývá ICM = 2 IC.
Statické parametry:
UCE SAT -saturační napětí, měřeno při IC, UGE = +15V.
UGE (th) -prahové napětí řídicí elektrody (Threshold-voltage), bývá +4 až +6V.

Dioda
Parammetre
Up – prahové napätie
Ubr – prierazne napätie
If – priepustny prud
Ir – záverný pud
Tetha j – teplota priechodu
Urrm -. Maxiamlne dovolene opakovatelne napätie
Ursm – nap kt mozeme dosiahnut len kratkodobo

Staticke parameter:
Staticky odpor Rs

Tyristor:
Parametre:
IL – pridrzny I
IV – vratny I
Up – prahové napätie
Ubr – prierazne napätie
If – priepustny prud
Ir – záverný pud
tzap – zapinaci cas > cas kt uplynie od zac riadiaceho impuilzu do okamihu kedy nap na tyr poklesne
na 10% povodnej hodnoty
tvyp – vypinaci cas > je pozadovana najmensia hodnota casu odstupu pocitana od prechodu I nulou
do casu ked je opat dovolene pripojene blokove nap.
kriticka strmost narastu priepustneho I(charakterizuje I zatazitelnost tyr v priebehu zapinania) a
kriticka strmost narastu blokovacieho napatia

Staticke parametre : ??? ??? ?

4. Dynamické vlastnosti diódy, tyristora a výkonového tranzistora, prvky meničov pri
extrémnych kmitočtoch:

Bipolární tranzistory
toff = ts + tf -celková vypínací doba = doba přesahu + doba poklesu (storage time + fall time), měřeno
při IC, +IB1, −IB2 (+IB1 je kladný budicí proud, −IsB2 je špičková hodnota (kolem 3A)
záporného odsávacího proudu odsávaného z báze během doby toff).
ton -zapínací doba.

Tranzistory MOS-FET
toff = ts + tf -celková vypínací doba = doba přesahu + doba poklesu (storage time + fall time), měřeno
při ID, při budicím napětí buď UGS = ±15V, nebo UGS = +15V a 0V (popř. +12V, nebo
+5V u tzv. Logic-level tranzistorů). Pozor, doba toff je výrazně závislá na odporu RG, který
je zapojen do série s řídicí elektrodou. Je nutno dodržovat výrobcem doporučenou
hodnotu. Ta souvisí se vstupní kapacitou řídicí elektrody.
CGS -vstupní kapacita řídicí elektrody, mezi G-S.
ton -zapínací doba.

Tranzistory IGBT
toff = ts + tf -celková vypínací doba = doba přesahu + doba poklesu (storage time + fall time), měřeno
při IC, při budicím napětí UGE = ±15V. Pozor, doba toff je výrazně závislá na odporu RG,
který je zapojen do série s řídicí elektrodou. Je nutno dodržovat výrobcem doporučenou
hodnotu. Ta souvisí se vstupní kapacitou řídicí elektrody.
CGE -vstupní kapacita řídicí elektrody, mezi G-E.
ton -zapínací doba.

Nulová dioda spolupracující s tranzistorem:
trr, Qrr, Irr -zotavovací doba, zotav. náboj, resp. špičková hodnota zotav. proudu.

Dioda
Dynamické vlastnosti diódy pri nízkych frekvenciách v elektrickom obvode vyjadríme vzťahom pre
diferenciálny odpor diódy:
dI
dUr = .
Pri vysokých frekvenciách jej vlastnosti vyjadrujeme cez náhradné obvody.

Tyristor:
Chovanie tyr, pri prechode z blokoveho stavu do priepustneho a pri navrate z priepustneho do
blokoveho, pri rychlo klesajucom priepustnom I a pri velkych strmostiach blok nap, opisuju
dynamicke vlastnosti.
tzap – zapinaci cas > cas kt uplynie od zac riadiaceho impuilzu do okamihu kedy nap na tyr poklesne
na 10% povodnej hodnoty
tvyp – vypinaci cas > je pozadovana najmensia hodnota casu odstupu pocitana od prechodu I nulou
do casu ked je opat dovolene pripojene blokove nap.
kriticka strmost narastu priepustneho I(charakterizuje I zatazitelnost tyr v priebehu zapinania) a
kriticka strmost narastu blokovacieho napatia

Prvky menicov pracujuce pri extremnych kmitoctoch:
Pracuju s f mensou ako 50 alebo vacsou ako 400Hz
Pre 50Hz: musime dat pozor na I, ten ma taktiez male f, a kolise aj teplota PN = prvok sa moze
znicit mechanicky, tzv tepelna diletacia. Riesenie: vyssia I zatazitelnost alebo I musi byt mensi teda
menej ho zatazovat.
Pre vacsie ako 400Hz: vdaka zapinacim stratam, ktore normalne neuvazujeme, teraz musime,
branime prvky rovanko ako pri 50Hz

5. Zvláštne prvky. Prúdová a napäťová zaťažiteľnosť prvkov:
Tyristor GTO- vypinatelny tyristor, ma rovnake vlastnosti ako normalny tyristor. Vie vsak vypnut i
zapornym impulzom do riadiacej elektrody.Je plne riaditelny.Itrm- najvecsia opakovatelna hodnota
vypinatelneho prudu. Vypnutie vecsieho prudu vede k zniceniu prvku Vyhoda: jednoduchusie silove
schemy, nevyhoda: potebuje vacsi vykon, je citlivejsi na prepätie, ma mensie zaverne schopnosti
Vysokonapetovy tyristor- ma velke Urrm a Udrm hodnoty od 1500V pokazia sa vsak dynamicke
vlastnosti
Rychly tyristor- ma kvalitne dynamicke vlastnosti. Je vsak len na male napetia a prudy
Foto tyristor- Spina svetelnym oziarenim (plosky na puzdre)
tyristor GATT- je rychlejsi nez rychly, coho sa dosahuje zapor. Impulzom do riadiacej elekrody.
Zpetne priepustny tyristor RCT- v jednom smere sa chova ako tyristor a v druhom ako dioda.
Bezpotencialovy modul- dvojica polov. Prvkov nabite epoxidom

Zenerova dioda: sluzi k stabilizacii elektronickych obvodsov, vdaka svojej zavernej charakteristike
Kapacitna dioda: (varicap) vykazuje zavislost kapacity v spatnom smere PN priechodu
Tunelova dioda: pouziva sa vo vf oscilatoroch ako zosilnovaci prvok

Prudova zatazitelnost je omedzena max. strednym priepustnym prudom
Napätova je urcena opakovatelnym zavernym spickovym napetim ktore nesmie byt prekrocene.
Stratový vykon nesmie spôsobiť nahratie súčiastky na teplotu nad 140C. V priepustnom smere
dimenzujeme suc na strednu hodnotu I, v závernom smere na max. hod. U.

6. Paralelné a sériové radenie prvkov:
Sériovým a paralelním řazením usměrňovačů se dá zvyšovat výkon soustavy a vhodným zapojením
střídavé části měniče také snížit střídavou složku stejnosměrného napětí.

Sériové radenie:
Používá se v případě potřeby většího stejnosměrného napětí než je schopen s
danou úrovní velikosti střídavého napětí poskytnout jeden šestipulsní usměrňovač.

Dochází k součtu dvou šestipulsních stejnosměrných napětí s fázovým posunem /6. Potřebný
fázový posun je zajištěn zapojením sekundárních vinutí transformátoru. Jedno vinutí je zapojeno do
trojuhelníka a druhé do hvězdy. Aby střední hodnota stejnosměrného napětí každého usměrňovače
byla stejná, musí být fázové vinutí sekundární části zapojené do trojúhelníka navinuto na napětí 3
krát větší než fáze vinutí, které je zapojeno do hvězdy.
Paralelné radenie:
Používá se v případě, že stejnosměrná zátěž potřebuje větší proud než je schopen dodat jeden
šestipulsní usměrňovač Stejné uspořádání sekundárního vinutí napájecího transformátoru i v
tomto případě znamená, že fázový posun mezi okamžitými hodnotami stejnosměrných napětí
obou usměrňovačů ud1 a ud2 je /6.Nestejné okamžité hodnoty těchto napětí nedovolují přímé
paralelní spojení obou usměrňovačů. Používá se tlumivka T , která přebírá rozdíl obou napětí.
Výsledný průběh okamžité hodnoty stejnosměrného napětí ud je také 12-tipulsní s malou
hodnotou střídavé složky.



Řazením usměrňovačů do série nebo paralelně lze zvyšovat výkon soustavy, zmenšovat zvlnění
stejnosměrného napětí, snižovat obsah vyšších harmonických proudu tekoucího ze střídavé napájecí
sítě a také zlepšovat účiník.


Radenie prvkov:
Seriove radenie: pre vacsie U, problem: nerovnake VA charakteristiky(male rozdiely), riesenie
problemu: zaradit k diode paralelne C alebo RC(r a c seriovo)
Paralelne radenie: pre vacsi I, problem: nerovnake VA charakteristiky(male rozdiely), riesenie
problemu: vyberat prvky s najmensimi rozptylmi, zaradit do serie k prvku maly rezistor(miliohm),
vyrovnavacie trafo(balancny trafo), zvacsit pocet prvkov zapojenych paralelne


Balancny trafo.

7. Základne pojmy usmerňovačov. Rozdelenie usmerňovačov podľa počtu fáz, spôsobu
zapojenia, pracovných stavov a podľa priebehu usmerneného napätia. Uhol riadenia, uhol
zopnutia. Riaditeľnosť usmerňovačov:
Usměrňovač je polovodičový měnič, který vhodným spínáním polovodičových prvků provádí
přeměnu střídavé elektrické energie na energii stejnosměrnou. Stejnosměrnou elektrickou energii
potřebujeme v celé řadě případů.
- pro napájení stejnosměrných regulovaných pohonů
- pro napájení trakčních vedení městských i dálkových
- pro elektrochemické procesy při výrobě hliníku, mědi i jiných látek

Je zřejmé, že usměrňovač je připojen ke střídavé síti nejčastěji přes transformátor nebo reaktor,
vlastní usměrňovač může mít různou strukturu. Může být vybaven řídicím obvodem, kterým řídíme
velikost stejnosměrného napětí, má vždy různé provozní ochrany.
Střídavá síť bývá téměř vždy jednofázová nebo vícefázová nejčastěji s kmitočtem f = 50 Hz a s
efektivními hodnotami napětí normalizovaných velikostí. Mohou nastat případy, kdy tomu tak také
není.
Zátěž usměrňovače Z bývá v aplikacích výkonové elektroniky jakákoliv kombinace odporu R,
indukčnosti L a protinapětí Ui.

Usměrňovače s fázovým řízením:
Pracují na principu úmyslného a plynule nastavitelného zpoždění průtoku proudu vzhledem k bodu
přirozené komutace. Základními polovodičovými prvky jsou neříditelmá dioda a poloříditelný
tyristor.
Podle počtu fází dělíme usměrňovače na:
- jednofázové
- vícefázové
Podle průběhu usměrňeného napětí jsou usměrňovače:
- jednopulsní
-dvoupulsní
- trojpulsní
- šestipulsní
Podle způsobu řízení známe usměrňovače:
- neřízené - jsou tvořeny neříditelnými prvky,nemají řídicí
obvody
- polořízené - mají jak neříditelné tak poloříditelné prvky
-plně řízené - tvoří je pouze prvky poloříditelné
Podle směru toku energie je možné usměrňovače rozdělit na:
-jednokvadrantové
-dvoukvadrantové
-čtyřkvadrantové

Usměrňovače pulsně řízené:
Pracují na zcela jiném principu než usměrňovače s fázovým řízením. Základní stavební prvek musí
být vždy plně říditelný a tím je výkonový tranzistor.
Podle směru toku energie je dělíme na usměrňovače :
-s jedním směrem toku energie
- s oběma směry toku energie
Podle počtu fází střídavého napájecího napětí známe :
- jednofázové
- trojfázové
Podle typu se dělí na
- napěťové
- proudové

Hodnota řídicího úhlu α ovlivňuje amplitudu každé harmincke.
Vzorec: omegatz=PI/2 –Pi/p + alfa,, α− Úhel řízení ,,ωtz- úhel zapnutí


8. Riadený usmerňovač p = 1. Priebeh okamžitých hodnôt jednosmerného prúdu a napätia pri
ľubovoľnej kombinácií záťaže R, L, Ui s nulovou diódou a bez nulovej diódy. Výpočet
striedavých hodnôt prúdu a napätia:

BVEL = cvicenia

9. Riadený usmerňovač p = 2. Priebeh okamžitých hodnôt jednosmerného prúdu
a napätia pri ľubovoľnej kombinácií záťaže R, L, Ui s nulovou diódou a bez nulovej diódy.
Výpočet striedavých hodnôt prúdu a napätia:
Nesymetrické zapojenie symetricke zapojenie



priebehy – nesymetrický symetrický



RLUi:


Spojite:

R:
L:

Zátěž R,L,Ui a usměrňovač s nulovou diodou


10. Riadený usmerňovač p = 3. Priebeh okamžitých hodnôt jednosmerného prúdu
a napätia pri ľubovoľnej kombinácií záťaže R, L, Ui s nulovou diódou a bez nulovej diódy.
Výpočet striedavých hodnôt prúdu a napätia:
3p riadený USM (R,L,Ui,D0) priebehy : spojite a nespojite


3p riadený USM (R,L,Ui) Zobraz. okamžitých hod. jed. vel. v SPOJITÝCH A NESPOJITÝCH I


3p riadený USM (R)
Spojité I Nespojité I

3p riadený USM (L)
Priebeh ud,id pre α=120 Priebeh ud,id pre α=90

3p riadený USM (L,Ui)
Priebeh okam jednosmer ud;id zaťažovacia char


VZORCE

11. Riadený usmerňovač p = 6. Priebeh okamžitých hodnôt jednosmerného prúdu
a napätia pri ľubovoľnej kombinácií záťaže R, L, Ui s nulovou diódou a bez nulove