1
Elektronikus
áramkörök
és ipari elektronika
Teljesítményelektronika
© Hajdú Bálint 1999
3. TELJESITMENYELEKTRONIKA /Hajdú Bálint/ 2
3.1. Nagyáramú félvezetők 3
3.1.1. Teljesitménydiódák 3
3-1.2. A diódák villamos jellemzői 4
3.1.3. Teljesitménydiódák veszteségei, hűtése 8
3-1.4. Tirisztorok felépitése és működése 12
3.1.5. Tirisztorok jellemző adatai, jelleg
görbéi 17
3.1.6. A tirisztorok veszteségei 25
3.1.7. Teljesitménydiódák és tirisztorok
szerkezeti felépitése 27
3.1.8. Szimmetrikus tirisztor /triac/ 30
3.2. Áramirányitók 36
3.2.1. Váltakozóáramú szaggatók 37
3.2.2. Egyenirányítók 43
3.2.3. Egyenáramú szaggatók 64
3.2.4. Váltó irányitók /inverterek/ 68
2
3. TELJESITMENYELEKTRONIKA
A teljesitményelektronika, vagy más elnevezéssel
erősáramú elektronika olyan elektronikus kapcsolásokkal,
készülékekkel és berendezésekkel foglalkozik, amelyek a
feszültség, áram, teljesítmény, vagy a felhasználási
terület szempontból az erősáramú elektrotechnika
területére tartoznak. Az elektronikát a régebbi
berendezésekben a gáz vagy higanygőz töltésű,
rácsvezérlésű vagy rácsvezérlés nélküli elektroncsövek,
újabb berendezésekben a félvezető, elsősorban szilícium
alapú diódák és tirisztorok, triac-ok, bizonyos korlátok
között teljesitménytranzisztorok és egyéb félvezetőalapu
alkatrészek képviselik.
A teljesítményelektronika fejlődését ugrásszerűen
meggyorsította a nagy kapcsolási teljesítményű, korszerű
félvezető elemek megjelenése. Ezek lehetővé tették nagyon
sok olyan területen a teljesítmény-elektronikai
berendezések elterjedését, ahol a feladatokat eddig csak
forgógépes átalakítókkal lehetett gazdaságosan megoldani.
Ezenkívül lehetővé tették olyan feladatok megoldását is,
amelyek a hagyományos elektrotechnika eszközeivel és
módszereivel egyáltalán nem voltak megvalósíthatók.
A teljesitményelektronikát gyakran áramirányitás-
technikának, a teljesitményelektronikai berendezéseket
pedig áramirányítóknak nevezik.
Az erősáramú elektronikai kapcsolások, berendezések és
a legfontosabb alkalmazások tárgyalása előtt a
legfontosabb elektronikai építőelemeket, a félvezető
teljesitménydiódát, a tirisztort és a triacot ismertetjük.
3
3.1. Nagyáramú félvezetők
A teljesítményelektronika legfontosabb építőelemei a
különböző félvezető eszközök. A nagyáramú diódák és a
vezérelhető nagy teljesítményű félvezető elemek, a
tirisztorok egyre nagyobb mértékben kiszorítják a
hagyományos forgógépes átalakítókat és higanygőz
töltésű csöveket.
3.1.1. Teljesítménydiódák
Korábbi tanulmányaink során megismertük a különböző
szennyezésű félvezető rétegekből felépülő diódák
szerkezetét és működését. Mint láttuk, a félvezető
diódák aktív része egy tiszta, négyvegyértékű
kristályból - általában szilíciumból -
kivágott néhány tized milliméter vastag lapka, amelynek
felülete a dióda áramától függően, néhány mm2 -től 100-
200 mm2 -
ig terjed. A lapka egyik oldalát igen csekély
mennyiségű három vegyértékű anyaggal, pl. alumíniummal
szennyezik, ezt nevezik P-tipusu, vagy
akceptorszennyezésnek. A másik oldalt pedig öt
vegyértékű anyaggal, pl. antimonnal szennyezik. Ez az
N-tipusu, vagy donorszennyezés. A különböző típusú
szennyezőrétegek határán kialakuló P-N átmenet
rendelkezik a diódákra jellemző egyenirányító
tulajdonsággal; vagyis, hogy a rákapcsolt feszültség
polaritásától függően az áram útjával szemben nyitó-
/kisellenállású/ vagy záróhatást /nagyellenállású/
fejtenek ki.
Az erősáramú elektronikában alkalmazott félvezető
eszközöket ügy kell kialakítani, hogy záróirányban
minél nagyobb feszültséget lehessen rájuk kapcsolni, a
nyitóirányban átfolyó áram viszont ne okozzon
túlságosan nagy feszültségesést. Ez a két feltétel
alapjában véve ellentmond egymásnak. Ha azt akarjuk, hogy
a P-N átmeneten kicsi legyen a nyitóirányú
4
feszültségesés, az egymás melletti P és N rétegeket erősen
szennyezni kell, mert így megnő a félvezető anyag vezetőké-
pessége. Ez viszont azt eredményezi, hogy a záróréteg széles-
sége nagymértékben lecsökken, adott záróirányu feszültségnél
nagy lesz a térerősség és hamar bekövetkezik az átütés.
E két, egymásnak ellentmondó feltételt ügy lehet kielé-
gíteni, hogy két, erősen szennyezett réteg közé gyengén
szennyezett réteget iktatunk. Ezt a közbenső réteget S-
rétegnek nevezzük /3.1. ábra/, melynek szerepét ügy is
felfoghatjuk, mintha szigetelő réteget iktattunk volna a P és
N réteg közé, hogy a zárófeszültség túlnyomó része erre a
rétegre jusson, így csak lényegesen nagyobb külső feszültség
hozhatja létre az átütéshez szükséges térerősséget.
Nyitóirányban a vékony S-tartomány
nem növeli jelentős mértékben az
ellenállást, mert mindkét oldalról
nagy mennyiségben áramlanak be a
töltéshordozók.
3
3.1 ábra
3.1.2 A diódák villamos jellemzői
Záróirányu jellemzők. Ha a diódára záróirányu feszültséget
kapcsolunk, az átmenetben záróréteg alakul ki. A feszültség
hatására a zárórétegben csak akkora áram folyik, amely a hő
hatására létrejövő töltésekkel arányos. A záróirányu áram a
feszültséggel először nő, majd a telítési értéken
állandósul. Ezt a telítési értéket megszabja a hőmérséklet és
az adott hőmérséklethez tartozó kisebbségi töléshordozók
5
száma. Ha a zárófeszültség tovább növekszik, akkor a
kristály belsejében a térerősség olyan nagy lesz, hogy a
mozgó elektronok sebessége elérheti az ionizáláshoz
szükséges értéket. Ezek az ionizációval létrejött
töltéshordozók a záróáramot alig növekvő zárófeszültség
mellett is rohamosan növelik és ezáltal a kristály
szétrobbanhat. Azt a feszültséget, ahol bekövetkezik a
záróáram rohamos növekedése, letörési feszültségnek
nevezzük. A 3.2. ábra a dióda záróirányu jelleggörbéjét
mutatja. Látható, hogy a jelleggörbe hőmérsékletfüggő. A
hőmérséklet növekedésével a záróirányu telítési áram roha-
mosan, a dióda tönkremenetelét előidéző letörési
feszültség kisebb mértékben nő.
A záróáram és a feszültség
szorzataként adódó veszteség nem
oszlik el egyenletesen a kristály
teljes felületén és ez helyi fel-
melegedést előidézve a kristályt
tönkreteszi.
A teljesitménydiódák záró-
irányu igénybevételének jellemzésére rendszerint két
adatot szoktak megadni: a nem ismétlődő
határfeszültséget /URSM/ és azt, amelyik
periodikusan ismétlődhet /URRM/. A diódák nem ismétlődő
záróirányú határfeszültségét semmi körülmények között sem
szabad túllépni.
Ha az üzemi feszültség nagyobb, mint a diódára
megengedett záróirányu feszültség, két vagy több diódát
sorba kell kapcsolni. Ilyenkor a feszültség a záróirányu
áramokkal fordított arányban oszlik meg rajtuk, tehát a
kisebb záróáramú diódára nagyobb feszültség jut és
fordítva. Mivel a záróirányu áram adott diódatípus esetén
is példányonként különböző,
3.2. ábra
6
valamilyen módon gondoskodni kell a diódákon a
feszültség egyenletes elosztásáról. Ezt olyan
párhuzamos ellenállásosztóval lehet biztosítani,
amelyen a záróirányu áramnál nagyságrenddel nagyobb
áram folyik. /3.3. ábra/
Myitóirányu jellemzők. Ha a diódára nyitóirányú
feszültséget /TF/ kapcsolunk és a diódán átfolyó áramot
/IF/ a feszültség függvényében ábrázoljuk, a nyitóirányú
jelleggörbét kapjuk. Mint a 3.4. ábrán látható, a
nyitóirányú áram kb. 0,8 V feszültségig - a
küszöbfeszültségig /UF0/ - kicsi, majd ezt követően
rohamosan no. A diódák nyitóirányú jellemzésére általában
megadják a dinamikus helyettesítő ellenállást, amely
méréssel, vagy a nyitóirányú jelleggörbe alap-
7
Mint a jelleggörbéből látható, a hőmérséklet
növekedésekor az UF0 küszöbfeszültség kissé csökken, a
dinamikus helyettesítő ellenállás viszont kismértékben nő.
Dinamikus jellemzők. A szilíciumdióda működési
módjából következik, hogy ha áramvezetési állapotból
zárási állapotba megy át, akkor a feszültség
irányváltásakor a P-N átmenetben levő töltéshordozóknak ki
kell ürülniük a zárórétegből ahhoz, hogy a dióda
visszanyerhesse záróképességét. Ehhez azonban időre van
szükség. A 3.5. ábrán egy nyitásból zárásba átváltó dióda
áramának lefolyását látjuk az idő függvényében. A
hálózati feszültség megfordulásakor az első pillanatban a
diódán a feszültség polaritása nem fordul meg, mert a
záróréteg rövid ideig kondenzátorként tárolja az ott levő
töltéshordozókat.
3.5. ábra
Rekombináció és a terhelésen történő kisülés után a
záróréteg töltése megszűnik. A záróréteget ilyen módon
elhagyó lyukak és elektronok a nyitóárammal ellentétes,
vagyis záró irányú áramot idéznek elő, amely egy idő múlva
a záróáram állandósult értékére esik vissza. Ez a
folyamat néhány 10µs alatt játszódik le. A
töltéstárolásból adódó záróáram-
8
növekedés csúcsértéke annál nagyobb lesz, minél nagyobb volt
az átkapcsolás előtt a dióda nyitóárama és minél nagyobb az
átkapcsolás sebessége. A záróirányú tehetetlenség a teljesít-
ménydiódák alkalmazását 1...10 kHz frekvenciára korlátozza.
A gyors áramváltozás a dióda áramkörében elhelyezett induk-
tivitásokon a diódákra nézve veszélyes túlfeszültséget okoz-
hat, amely tönkremenetelüket is előidézheti. Ez ellen ügy
védekezhetünk, hogy a diódákkal párhuzamosan kapcsolunk egy
megfelelően méretezett soros RC áramkört.
3.1.3. Teljesitménydiódák veszteségei, hűtése
A félvezető diódákon üzem közben veszteségek keletkeznek,
amelyek melegítik a diódák zárórétegét és amelyek elvezeté-
séről valamilyen módon gondoskodni kell. A zárófeszültség és
záróirányu áram szorzatából adódó veszteség kicsi, a legtöbb
esetben a teljes veszteségnek csupán néhány százaléka. A di-
ódák veszteségének zöme a nyitóirányú áram által okozott fe-
szültségesésből adódik. Nem követünk el nagy hibát, ha a
diódán létrejövő feszültség-esést a küszöbfészültség - szili-
ciumdiódáknál 0,8 V körüli érték - és a dióda dinamikus he-
lyettesitő ellenállásán fellépő feszültségesés összegeként
számítjuk. Periodikus lefolyású áram esetén a nyitóirányú
veszteség átlagértékét az alábbi kifejezés adja:
Az összefüggésből látható, hogy a veszteség egyik része az
áram középértékével /IK/, másik része az áram effektív
értékének a négyzetével arányos.
Egy 150 A-es dióda adatait véve alapul: UF0 = 0,8 V;
Rd = 10-3 Ω. Egyenirányítót t szinuszos áramalaknál, ha az
9
Látható, hogy a veszteség nagyobbik része az áram
középértékével arányos. Névleges árammal történő
terheléskor általában ez teszi ki. az összveszteség 60-8O
%-át. Viszont a névlegesnél nagyobb terhelés esetén, ha az
áram alakja változatlan, a veszteség első része
arányosan, a második része viszont négyzetesen változik,
Például háromszoros terhelés esetén a veszteség:
tehát látható, hogy a nagyobbik részt most már a-z áram
effektív értékétől függő rész adja.
A diódákban a hővé alakuló veszteségi teljesítmény a P—
N átmenetben jön létre, amely a félvezető hőmérsékletét
emeli. A keletkezett veszteség-meleg hővezetés útján távozik
elsősorban a hűt8tönkön keresztül, amelyen a félvezető
szilíciumlapka helyezkedik el /3.6. a/ ábra/. Hogy a
hőleadás jobb legyen, a diódát hűtőlemezre, vagy bordázott
hűtőtestre szerelik /3.6. b/ ábra/, a hűtőtestről a hőt a
környező levegő veszi át. A hűtés javítására mesterséges
légáramlást is szokás alkalmazni. Intenzívebb hűtés érhető
el folyadékhűtésű
- víz, olaj - hütőtestekkel.
A félvezető kristály hőmérséklete addig emelkedik, amig
a felületéről a környezetnek átadott hőteljesitmény /Phő/
pontosan egyenlővé válik a kristályban fejlődő veszteségi
teljesítménnyel /Pv /. Hogy a félvezető veszteségi
teljesítménye
10
Hodrarnlás útja
és melegedése közötti összefüggést egyszerű alakban Ír-
hassuk, fel, bevezetjük a hőellenállás /Rhő/ fogalmát, és az
elektrotechnikában használatos áram és ellenállás
fogalmának megfelelően értelmezzük a hővezetés és hőáram
fogalmát. A 3.7. ábrán az A és B testet összekötjük egy
hővezetővel /fémtesttel/, hogy hőátadás jöjjön közöttük
létre. Ha az A test
11
3.7. ábra
tA hőmérséklete magasabb a B test tB hőmérsékleténél, A-ból
a hővezető közvetítésével hő áramlik B felé. A T idő alatt
átáramló Q hőmennyiség és a T idő hányadosa a hőáram:
A Phő hőáram egyenesen arányos a két test közötti tA-tB
hőmérsékletkülönbséggel és fordítva arányos az A és B kö-
zötti hővezető anyag Rhő hőellenállásával :
A hőellenállást tehát ügy kapjuk meg, hogy a két
test hőmérséklet különbségét elosztjuk a hőárammal.
A teljesítménydiódákkal kapcsolatban az érdekel
bennünket, hogy a környezethez képest mennyire melegszik
fel a félvezetőkristály P-N átmenete, a határréteg. A
kristály és a környezet közötti RhőJK hőellenállást az
Ebből az összefüggésből
12
kifejezés adja, ahol tJ a határréteg hőmérséklete, tK
pedig a környezeti hőmérséklet.
Minthogy egyensúlyi állapotban a leadott Phő hőáram meg-
egyezik: a keletkezett Pv veszteségi teljesítménnyel,
felírhatjuk, hogy az utóbbi elvezetéséhez mekkora
hőellenállású közegre van szükség:
A hőellenállás egysége: °C/W.
Ha a diódát hűtőbordára szerelve használjuk, a
kristály és a környezet közötti hőellenállást két
részellenállásra bonthatjuk fel. Az egyik a határréteg és a
dióda burája /háza/ közötti hőellenállás: RhőJB, az un.
belső hőellenállás. Ezt általában megadják a diódák
katalóguslapjain. A másik, a külső hőellenállás a dióda
tok és a környezet közötti hőellenállás: RhőJB . A teljes
hőellenállásnak ezt a részét tudjuk megfelelő
hűtőfelületekkel és hűtőbordákkal csökkenteni, ezáltal a
dióda által leadható hőteljesítményt növelni.
A teljes hőellenállás a két részellenállás
összegeként számítható:
3.1.4. Tirisztorok felépítése és működése
A teljesítményelektronikában a félvezető diódák mellett
a leggyakrabban előforduló elektronikus eszköz a vezérelt
13
egyenirányítónak Is nevezett tirisztor. Az első tirisztort
1958-ban az Egyesült Államokban a General Electric cég
állította elő és alkalmazta. A tirisztor az erősáramú
elektronikában ugyanolyan forradalmi változásokat idézett
elő, mint a híradástechnikában, egy évtizeddel előbb
előállított tranzisztor.
A tirisztor olyan szilícium alapanyagú félvezető
eszköz, amelyik a diódákhoz hasonlóan egyik irányban zár -
nem vezet áramot -, a másik irányban pedig zár vagy nyit,
attól függően, hogy a vezérlőelektródája vezet-e áramot
vagy nem.
A tirisztorok aktív része a diódákéhoz hasonló
félvezető kristály, amely négy - különböző szennyezettségü
- rétegből épül fel. Az egyes rétegek sorrendje: P1 – N1 -
P2 - N2
/3.8. a/ ábra/. A két szélső /P1 és N2/ réteghez
csatlakozó elektródák képezik a tirisztor anódját és
katódját. A P2 réteghez csatlakozik a harmadik elektróda,
amelyet vezérlő vagy kapu elektródának neveznek és
általában G betűvel jelölnek. Az egyes rétegek
szennyezettsége eltérő, a két szélső réteg erősebben, a
két közbenső gyengébben szennyezett.
Mint a 3.8. b/ ábra mutatja, az egymást követő P - N
átmenetek alapján a tirisztort három, sorbakapcsolt
diódával /D1, D2, D3 / helyettesíthetjük. A D1 dióda anódja
alkotja a tirisztor anódját, a D3 katódja a tirisztor
katódját, a vezérlő elektróda pedig a D2 és D3 közös
anódjához csatlakozik. A tirisztor működését ezek
figyelembevételével az alábbiak szerint magyarázhatjuk,
amikor az anódra,a katódhoz képest negatív feszültséget
kapcsolunk, a középső, J2 jelű átmenet nyitóirányú, a J1
és J3 átmenetek záróirányuak lesznek, így ezek az
áramvezetést az anód és katód között gyakorlatilag
megakadályozzák. Ha pozitív feszültséget adunk a katódhoz
14
képest az anódra, a J1 és J3 átmenetek lesznek
nyitóiráriyuakt de a középső – J2 átmenet - záróirányu
lévén a tirisztor továbbra is zárt /nem vezető/
állapotban marad.
Ebből a lezárt állapotból a tirisztor kétféleképpen
kapcsolható át vezető helyzetbe:
- a pozitív anódfeszültség növelésével,
- a vezérlő elektróda áramának megindításával.
A 3.9. ábrán látható mérőáramkörnek megfelelően csatla-
koztassunk a tirisztor anódjához az R0 védőellenálláson ke-
resztül változtatható feszültségű áramforrást /U0/. A G
kapu-elektródára - ellenálláson át - szintén adjunk
egyenfeszültséget /UG /. A tirisztor első mód szerinti
bekapcsolásához szakítsuk meg a vezérlőelektróda áramkörét
/IG = 0/ és változtassuk az anódfeszültség értékét.
15
3.9. ábra
Miközben az anódfeszültséget 0-tól kiindulva folyamatosan
növeljük, a tirisztoron csak a középső - N1-P2 - átmeneten
kialakuló záróirányu áram folyik keresztül, a tirisztor te
hát gyakorlatilag lezárt állapotban van. Mihelyt azonban a
középső határréteg eléri a letörési feszültséget, az anód-
áram hirtelen megemelkedik, a tirisztor lavinaszerűen át
kapcsol vezető állapotba. Azt az anódfeszültséget ahol ez
a jelenség bekövetkezik, billenési feszültségnek /U/BO//
nevezzük. Ebben a begyújtott állapotban az anódáramot csak
az R0 ellenállás korlátozza. Ha az anódáramot R0 növelésé-
vel vagy az U0 csökkentésével az IH tartóáram értékére
csökkentjük, a tirisztor üzemszerűen az U/BO/ billenési
feszültség túllépésének hatására kapcsoljon be, mert az
tönkreteszi a tirisztort és a kapcsolás működésében is
zavarokat idéz elő.
A tirisztor második módszer szerinti bekapcsolásához
adjunk a vezérlőelektródára a katódhoz képest pozitív fe-
szültséget. Az így kialakuló - P2-N2 átmeneten átfolyó –
IG1 vezérlőáram hatására az N2 rétegből a P2 rétegbe
átáram-
16
ló elektronok egy része bejut az M-P2 átmenetbe 6s
csökkenti ez utóbbi záró hatását. Elegendően nagy
vezérlőáram esetén teljesen megszűnik a középső P-N
átmenet záró hatása és a tirisztor vezetni kezd, tehát
bekapcsol.
Erre akkor kerülhet sor, amikor az anód és katód közötti
feszültség az adott IG1 gyujtóáramhoz tartozó billenési
feszültséget eléri. Minél nagyobb a gyujtóáram, annál kisebb
anód-katód feszültségnél indul meg a tirisztoron
keresztül az áram /3.9. b/ ábra/. Másképpen kifejezve,
adott UD anódfészültségnél meghatározott vezérlőárammal a
tirisztort az áteresztési tartományba billenthetjük. Az
ehhez szükséges vezérlőáram a legtöbb tirisztor esetén
nagyon alacsony érték, mindössze néhány milliamper.
Ezenkívül a vezérlőáramnak csak egészen rövid ideig,
impulzusszerűen kell átfolynia a katód—vezérlőelektróda
átmeneten ahhoz, hogy a tirisztor bekapcsoljon, és a
bekapcsolt állapot a vezérlő impulzus megszűnése után is
fennmarad. Kikapcsoláshoz ismét az IH érték alá kell
csökkenteni a tirisztoron, átfolyó áramot.
Ha a tirisztorra váltakozó feszültséget kapcsolunk
/3.10. ábra/, a vezérlő elektródára adott megfelelő
áramimpulzusokkal azt is elérhetjük, hogy a. bekapcsolt
állapot csak a pozitív félhullámok alatt jöjjön létre
/amíg az anód a katódhoz képest pozitív potenciálon van/.
3.10. ábra
17
3.10. ábra
A nullátmenet pillanatában az áram mindig megszűnik, a
tirisztor visszabillen a zárótartományba és a következő fél-
hullám alatt egy újabb vezérlőimpulzus kapcsolja át a
vezetésnek megfelelő állapotba. A vezérlöimpulzusok
nullátmehethez viszonyított időbeli eltolásával - a
gyújtási szöggel - folyamatosan lehet változtatni a
bekapcsolt pillanatát, vagyis a közepes áramerősséget és a
fogyasztói teljesítményt. A megfelelő időpontban kiadott
gyujtóimpulzusok előállításáról egy külön áramkör, a
gyújtó- vagy vezérlőáramkör gondoskodik.
3.1.5. Tirisztorok jellemző adatai, jelleggörbéi
A tirisztor működése közben három stabil állapotban
lehet: negatív irányban zárt, pozitív irányban zárt és
nyitott /bekapcsolt - áramvezető/ állapotban. Ezeket az
állapotokat szemléletesen tudjuk ábrázolni a feszültség-
áram jelleggörbéken /3.11. ábra/.
18
3.11. ábra
a/ A tirisztor negatív irányban zárt állapota negatív
anód-katód feszültség mellett az 1. számú jelleggörbének
felel meg, a koordinátarendszer III. negyedében. Ebben az
állapotban a tirisztoron csak a záró irányú áram folyik ke-
resztül. A jellemző adatok: U/BR/ letörési feszültség, URSM a
nem ismételhető negatív zárófeszültség csúcsértéke. URRM
az ismételhető negatív zárófeszültség csúcsértéke, valamint
az utóbbi esetben folyó záróirányu áram /IRRM/.
19
b./ A tirisztor pozitív irányban zárt /kikapcsolt/
állapota pozitív anód-katód feszültség mellett alakul ki,
amely a koordinátarendszer I. negyedében látható. /A
jelleggörbe 2. szakasza./ A jellemző adatok itt a következők:
U/BO/ billenési feszültség, UDSM a nem ismételhető pozitív
zárófeszültség csúcsértéke, UDRM , az ismételhető pozitív
zárófeszültség csúcsértéke és az ekkor folyó IDRM záróáram.
.
c./ A bekapcsolt: állapotot az I. negyedben a
jelleggörbe 3. szakasza jelenti., amely az IL bekapcsolási
árammal kezdődik és a feszültség .nagyon kicsiny növelése is
igen nagy áramemelkedést vált ki. Az átmenet a zárt
állapotból a bekapcsolt állapotba a 4. jelleggörbeszakasz
mentén történik. Amikor az anódáram a tartóárain alá
csökken, a tirisztor ismét zárt állapotba kerül, kikapcsol,
tehát megszűnik az anódáram.
A tirisztorok előbbiekben leirt be- és kikapcsolása nem
pillanatszerűen történik, hanem időben lejátszódó folyama-
tok. Ennek az a magyarázata, hogy az egyes
üzemállapotokhoz a töltéshordozók más-más eloszlása
tartozik a kristály belsejében, és a töltéshordozók
eloszlásának, ill. sűrűségének változása meghatározott
időt igényel. Az átmeneti folyamatok közben a tirisztor
áramának és feszültségének lefolyása nagyon fontos a
tirisztoros berendezés üzemeltetése szempontjából. Az
átmeneti folyamatok a tirisztorra igen veszélyes
igénybevételeket jelenthetnek és meghibásodásokat okoz-
hatnak.
Vezérlőárammal történő normális gyújtás esetén az
anódfeszültség és az anódáram jellegzetes időbeli
lefolyását láthatjuk a 3.12. ábrán. A t = 0 időpontban
bekövetkezett
20
3.12. ábra
gyújtóimpulzus hatására tk késési idő után az
anódfészültség gyorsan csökkenni, az anódáram nőni
kezd. Ez a késési idő több körülménytől függ, szokásos
értéke 100...3OO µs között van és nagysága csökken a
vezérlőáram amplitúdójának, a vezérlőáram impulzus
homlokmeredekségének, a tirisztorra kapcsolt
nyitóirányú feszültségének és a kristályhőmérsékletnek a
növekedésével.
A tá átkapcsolási idő alatt az anódáram rohamosan nő
és az anódfeszültség csökken. Ez az idő is csökken a
gyujtóimpulzus amplitúdójának és homlokmeredekségének,
továbbá a hőmérsékletnek a növekedésével. A legnagyobb
befolyása azonban annak van, hogy milyen gyors az
anódáram növekedése. Ha a terhelés induktív jellegű, az
áramnövekedés lassabban következik be, az
anódfészültség viszont gyorsan lecsökken. Ha azonban az
anódáram gyorsan növekszik /pl. ha a terhelés kapacitív
jellegű/, akkor kezdeti gyors csökkenés után az
anódfeszültsóg csökkenése lelassul. Ha
21
az anódáram változása a megengedettnél nagyobb, a kristály
térfogatának egy kis részében nagy veszteség lép fel, ami a
kristályt nagyon felmelegíti, és a tirisztort tönkreteszi.
Ezért a katalógusok előírják az időegységre eső
anódáramváltozás legnagyobb értékét, amely általában
20...200 A/µs között van.
Az árammeredekséget - ha a terhelőkör által
meghatározott érték a tirisztor szempontjából túlságosan
nagy - a tirisztorral sorbakapcsolt fojtótekerccsel
korlátozzák.
A tt az un. szétterjedési idő, amely alatt az
áramvezetés a 2 db P-N átmenet teljes felületére
kiterjed. Ez elsősorban a kristály keresztmetszetétől és
a vezórlőelektróda kialakításától függ.
A gyujtóimpulzusnak - ahhoz, hogy a gyújtás biztosan
bekövetkezzen - általában legalább olyan hosszúnak kell
lennie, mint a teljes bekapcsolási idő. Erősen induktív
terhelés esetén ennél sokkal hosszabb impulzusra van
szükség, mert különben az anódáram nem lépi túl a
tartóáram értékét és a tirisztor nem gyújt be.
A gyujtóimpulzusnak azonban nem csak az időtartama
lényeges, hanem feszültsége ill. árama is. A tirisztor
vezérlőkörének jellemző mennyiségeit a vezérlőelektróda
áram-feszültség jelleggörbéjében adják meg. Ez
tulajdonképpen nem más, mint a vezérlőelektróda-katód
közötti P-N átmenet nyitóirányú jelleggörbéje.
Technológiai okok miatt adott tirisztortipusra
vonatkozóan mind a vezérlőáram-vezérlőfeszültség
jelleggörbék, mind a jelleggörbéken levő
gyűjtóáramértékek erősen szórnak. A gyakorlat az, hogy
egy-egy tirisztortipusra jelleggörbesávban
22
adják meg a vezérlőkör jelleggörbéinek szórási határait és
ebben a /3.13- ábrán vonalkázva/ kijelölik a gyújtóáramok
lehetséges értékeit. A gyújtóáram nagysága erősen
hőmérsékletfüggő. Magasabb hőmérsékleten pl.
l V-os vezérlőfeszültség esetén már kisebb gyújtóáram
elegendő, mint alacsonyabb hőmérsékleten.
Gyártásközbeni válogatással
kijelölik a
gyújtófeszültség, ill.
gyújtóáram felső és alsó
határait /b és a jelű
görbe/. A jelleggörbe-sávban
feltüntettük a megengedhető
maximális vezérlőfeszültség
Uvmax = 6...10 V/, a maxi-
mális vezérlőáram /Ivmax=
= 1...2 A/ és a maximális
átlagos veszteségi telje-
sítmény /PDmax = 0 , 5 . . . l W/
értékét is.
P . értéke a vezetési állapotban 100 %-os bekapcsolási Dmax
időre vonatkozik, ez impulzusvezérlés esetén túlléphető. A
túllépés megengedhető mértékére vagy a jelleggörbébe be-
rajzolják a különböző bekapcsolási időkhöz tartozó veszte-
ség értékét /3.13. ábra/, vagy megadják a disszipációs tel-
jesítmény megengedhető legnagyobb pillanatértékét, ami ál-
talában 5 W-nál kisebb.
A tirisztor vezérlőköri jelleggörbéjében megadják azt a
legkisebb feszültség-, ill. áramértéket, amely értékek által
határolt - az ábrán bevonalkázott - területen kívül eső ve-
zérlőköri munkapontban az átkapcsolás mindig bekövetkezik,
ha az anód-katód között a feszültség nagyobb mint az UT
tar-
ábra 3.13.
23
tófeszültség. A tirisztorok biztos bekapcsolásához a vezérlőkör
feszültségét az áramát /ellenállását/ ügy kell meghatározni, hogy
az áram és feszültség által meghatározott munkapont a
bevonalkázott területen kívül /attól jobbra/ essen, a megengedhető
maximális áram-, feszültség- és teljesítményértékeken pedig belül
legyen /pl. a c egyenes mentén/.
A tirisztor kikapcsolása - mint már említettük - csak az
anódárain megszüntetésével, ill. egy kritikus érték /a tartó-
áram/ alá csökkentésével lehetséges. Amikor a tirisztor ára
ma a kikapcsolás során zérusra csökken, a zárórétegben jelen
levő felesleges töltéshordozók miatt éppen ügy vezető marad,
mint ahogy ezt a diódáknál leírtuk, A 3.14. ábrán bemutatjuk
egy ellenállás terheléssel sorbakapcsolt tirisztor anódára-
mának és anódfeszültségének időbeli változását a kikapcsolás
folyamán, ha feltételezzük, hogy az áramkör tápfeszültsége
a szaggatott vonal szerint változik. Amint a t0 időpontban
az UT tápfeszültség csökkeni kezd, a tirisztoron átfolyó
anódáram az ellenállásterhelés miatt vele együtt csökken. A
t1 időpontban a tápfeszültség negativvá válik és bár ez a
tirisztor szempontjából záró irányt jelent, a töltéshordozók-
kal elárasztott átmenetek miatt az anódáram is megfordul. A
negatív irányú árain kezdi kiüríteni a töltéshordozókat és elő
ször a t2 időpontban az Ua anódfeszültség polaritást vált,
majd t4 időponttól az Ua anódfeszültség gyorsan nő /az UT
tápfeszültség értékéig/ és az Ia anódáram negatív csucsérté-
kéről a t5 időpontig gyorsan lecsökken. Ezzel a tirisztor
visszanyerte záróirányu szigetelőképességét. A t1...t5 idő
tartam a tRf záróirányu szabaddáválási idő. A t5 időpontban
a szabad töltéshordozók még nem tűntek el teljesen, tehát ha
ekkor ismét pozitív feszültséget adnánk a tirisztorra, akkor az a
pozitív anódáramot vezetni tudná. A vezető- /nyitó-/ irányú
záróképességet a tirisztor csak a t6 időpontban nyeri
24
3.14. ábra
vissza. A t1…t6 idő a tf /nyitóirányú/szabadválási idő.
Ha a terhelőkörben induktivitás is van, akkor az Ua anód—
feszültség - a félvezető diódákhoz hasonlóan — a t4 időpont
utáni hirtelen áramcsökkenés következtében a negatív tápfe-
szültségnél sokkal nagyobb csúcsértéket érhet el. A túlfe-
szültség káros hatása ellen a tirisztort is párhuzamosan
kapcsolt RC áramkörrel lehet védeni. Ehhez a gyártó
vállalatok katalógusaikban megadják a tárolt
töltésmennyiséget. A tRf záróirányu szabaddáválási idő
ismerete fontos sorbakapcsolt tirisztorok esetén, mert a
legkisebb szabaddáválási idejű tirisztorra átmenetileg nagy
záróirányu túlfeszültség juthat és átütést is okozhat.
25
A tf szabaddáválási idő szokásos értéke 5...150 µs, A
kisebb értékek /kb. 30 µs-ig/ az un. gyors tirisztorokra
vonatkoznak, amelyek váltóirányító kapcsolásokban és
egyenáramú szaggatókban alkalmazhatók; a nagyobb értékek
az un. hálózati tirisztorok esetében szokásosak,
amelyeknek kikapcsolása után a szabaddáválási időnek
sokszorosa telik el, mielőtt a tirisztor újból
vezetőirányú feszültséget kap.
3.1.6. A__ tirisztorok veszteségei
A tirisztor űzetne csak adott hőmérséklettartományban
biztosított, ezért a terhelhetőséget, a megengedhető
áramértékeket a maximális réteghőmérséklet, ill. a
tirisztor veszteségei szabják meg. Ez utóbbi a következő
összetevőkből áll.
a./ Vezetőirányú veszteség a tirisztor bekapcsolt álla-
potában. A veszteségösszetevők közül ez a legjelentősebb,
és döntően ez határozza meg a tirisztor összes veszteségét.
Mivel bekapcsolt állapotban a tirisztorra jutó feszültség
kicsi /l...2 V/, a veszteséget főként a vezetőirányú áram
szabja meg. A vezetőirányú veszteség nagyságát a
katalógusok az áram középértékének függvényében
diagramban adják meg különböző áramvezetési szögekre
vonatkoztatva /3.15. ábra/, ha a tápfeszültség
frekvenciája 50 Hz. Hasonló jelleggörbében adják meg a
veszteséget, ha az áram lefolyása négyszögimpulzus.
b./ Vezetőirányú veszteség a tirisztor kikapcsolt
állapotában. Ez a veszteségösszetevő általában
elhanyagolható, mert a tirisztorra jutó feszültség több
száz volt is lehet, de a maradékáram uA esetleg mA
nagyságrendű.
26
c./ Záró Irányú veszteség.
Szintén elhanyagolható, ha a
vezérlőkörre nem jut
vezetőirányú feszültség.
Pozitív vezérlőfeszültség
esetén ugyanis jelentősen
megnő a záróirányú áram értéke
és ezzel együtt a záróirányú
veszteség is. A megnövekedett
veszteség miatt nő a
réteghőmérséklet. A kataló-
gusok megadják a pozitív
vezérlőfeszültség miatt
bekövetkező
réteghőmérsékletnövekedést, ill. azt, hogy mennyire kell
csökkenteni a környezeti hőmérsékletet változatlan áramter-
helés esetén.
d./ Vezérlőköri veszteségek. A tirisztor teljes veszte-
sége szempontjából nem jelentősek, azonban soha nem szabad
túllépni a vezérlőkörre megengedhető és a katalógusokban
megadott teljesítmény közepes, ill. pillanatértékét, mert
a vezérlőkör meghibásodhat.
e./ Átkapcsolást /be- és kikapcsolást/ veszteségek. Az
átkapcsolást veszteségeket az áram és feszültség időbeli
változásának ismeretében lehet meghatározni. A kikapcsolást
veszteség általában egy-két nagyságrenddel kisebb, mint a
bekapcsolási veszteség, ezért a gyakorlatban
elhanyagolható. Mivel kisebb kapcsolási frekvencián a
tirisztorok összvesztesége csak a vezetőirányú áramtól
függ, a katalógusok a Tt tokhőmérséklet függvényében
megadják a tirisztor megengedhető áramának középértékét
hálózati vezérlés, ill. négyszögimpulzus alakú áramra,
különböző áramvezetési szög esetén/3.l6. ábra/. A
megengedhető áram értéke természetesen függ a hűtés
3.15. ábra
27
módjától is, ezért a
gyártó vállalatok külön
diagramban tüntetik fel a
természetes, ill. megadott
mesterséges hűtéskor
megengedhető áram
középértékeket.
3.16. ábra
3.l.7. Teljesltménydiódák és tirisztorok
szerkezeti felépítése
Az erősáramú elektronika területén alkalmazott
áramirányító elemek gyakorlatilag kivétel nélkül
szilíciumalapúak. Szerkezetük kiinduló anyaga különleges
technológiával előállított, nagytisztaságú, egykristály
szerkezetű szilíciumrúd, amelynek átmérője az elérendő
áramterhelhetőségtől függően néhány mm-től 40...10O mm-ig
változhat. A szilícium rudat keresztirányban néhány tized
milliméter vastagságú lapkákra szeletelik és annak két
szembenálló felületén hozzák létre a különböző
szennyezésű rétegeket. A P és N típusú rétegek
kialakítása ötvözéssel vagy gáznemű közegből történő
diffúzióval végezhető ügy, hogy pontosan előirt ideig
meghatározott hőmérsékleten tartják.
A tirisztorok gyártástechnológiája csak abban tér el a
diódagyártás technológiájától, hogy váltakozva négy
félvezető réteget kell kialakítani. Ha például N-típusú
szennyezés
28
után erősebben P-típusú szennyezés ért a szilíciumot, a
nagyobb koncentrációjú szennyezés határozza meg a vezetés
jellegét. A 3.17. ábrán egymás mellett mutatjuk be
vázlatosan a diódák és tirisztorok gyártási folyamatát.
•n
Vezérlő elektróda felvitele
Tokozás
3-17. ábra
A szilícium üvegszerűen törékeny és nehezen
forrasztható. A félvezető rétegekhez csatlakozó
áramvezető kontaktusok felviteléhez ezért a felületeit
galvanizálással vagy fémszórással aranyozzák. /Az arany
nem befolyásolja a szilícium, vezetési jellegét, sőt a
kisebbségi töltéshordozók élettartamának csökkentése révén
a tulajdonságok javulnak./ Az így előkészített lapkát lágy
vagy kemény forrasztással molibdén hordozólemezre
rögzítik. A szilíciumlapkát ezt köve-
Csiszolás
Kontaktus felvitele és antimon ln) szennyezés
29
tőén a kerületén csiszolják, hogy az esetleges
szennyeződésektől megszabadítsák. A felületet végül
megfelelő szigetelőképességű és hőálló bevonattal látják
el. Ez a szigetelőréteg igen fontos, hiszen a PN-átmenet
néhány ezer volt zárófeszültsége alig néhány tized
milliméter hosszú szakaszra jut.
Az így kialakított félvezető szerkezetet gondosan
óvni kell a környezet behatásaitól, ezért nemesgázzal
kitöltött tokba helyezik. Az egyik megoldás szerint egyik
oldalát vörösréz bázistönkhöz rögzítik, míg a másik
oldalához nagy keresztmetszetű hajlékony kábel
csatlakozik /3.18. a./ ábra/. A másik megoldás szerint
két vezető lemez közé szorítják a szilíciumlapkát. Ez a
tárcsaszerkezet /3-18. b./ ábra/.
3.18. ábra
30
A főelektródák között kívül is megfelelő szigetelésre van
szükség. Ezt a toksapkába iktatott üveg vagy porcelán szige-
telőszakasz képviseli. A 3.18. a./ ábra szerinti kiviteli
formában a hajlékony kivezetés diódáknál akár anód-, akár
katódkivezetés is lehet. A tirisztoroknak - szerkezeti okból
mindig a katódja a nagy keresztmetszetű hajlékony kivezetés
és emellett található a vezérlőelektróda szigetelt kivezeté-
se. Az egyszerűbb csatlakozási lehetőség érdekében ezen ki-
vül a katódhoz is kapcsolódik egy vékony, hajlékony vezeték,
A bázis tönköt vagy rugós leszorítással, vagy az alján talál-
ható menetes résszel rögzítik a hűtőtestre, amely a szerke-
zetben keletkezett hőt vezeti el. A 3.18. b./ ábra szerinti
tárcsaszerkezetet két hűtőtest közé szokták szorítani. A bá-
zistönkön többnyire egy kis furatot is találunk a bázistönk
hőmérsékletét mérő hőelem befogadására.
3.1.8. Szimmetrikus tirisztor /triac/
Az előző fejezetekben ismertetett tirisztor hátrányos tu-
lajdonsága, hogy az; áramot csak egyik irányban tudja vezet-
ni. Teljesítményelektronikai alkalmazásoknál azonban gyakran
szükség vari arra, hogy az átfolyó áramot mindkét irányban
változtatni tudjuk. Ezt a feladatot látja el a szimmetrikus
tirisztor /rövidítve: szimisztor/, amelyet a külföldi
szakirodalomban triacriak neveznek. Ez az elnevezés a TRIode
AC semiconductor switch /= trióda típusú váltakozó áramú
félvezető kapcsoló/ angol szavak megfelelő kezdőbetűiből
összeállított rövidítés. A továbbiakban: a rövidség kedvéért mi is
ezt az elnevezést használjuk.
31
A triac lényegében abban különbözik a tirisztortól, hogy
pozitív és negatív vezérlőelektróda árammal egyaránt be lehet
gyújtani ás bekapcsolás után mindkét irányban vezeti az
áramot. Az első triacot - miként a tirisztort is - az ameri-
kai General Electric cég hozta forgalomba 1964-ben. Az állandó
fejlesztés eredményeként ma már 0,5-..300 A áram- és 50...
1200 V feszültségtartományban készülnek triacok.
A triac elvi felépítését és áramköri jelölését mutatjuk be
a 3.19. a./ és b./ ábrán. Az A1 és A2 kivezetések a fő-
elektródák, a G pedig a vezérlőelektróda. A váltakozó áramú
működtetés miatt a főelektródákat nem lehet anódnak, ill.
katódnak nevezni, mert ezek a fogalmak magukba foglalják az
áram irányítottságát is. A 3-19- c./ ábra a triac feszültség-
áram jelleggörbéjét tünteti fel.
•
3.19. ábra
. •
A működés és a gyújtási módok tanulmányozása céljából az
A1 főcsatlakozást tekintjük vonatkoztatási pontnak és ehhez
viszonyítjuk a vezérlőelektróda, valamint az A2 feszültségét
és polaritását. A váltakozó áramú táplálás következtében az A2
mindkét előjelű feszültséget felveszi, miközben
32
a G-re egyaránt juttathatunk pozitív és negatív gyujtó-
impulzus okát. Az UA2 főelektróda feszültség és UG vezérlő-
elektróda feszültség polaritásának ezek szerint négyféle
kombinációja lehetséges és ennek megfelelően a triac az
alábbi üzemi állapó tokban működhet:
I. állapot : Az A2 főelektróda az A1-hez viszonyítva pozi-
tív, a vezérlőelektróda árama szintéri pozitív. Ebben az ál-
lapotban a triac mint a szokásos tirisztor működik, a P1-N1-P2-
N2 rétegek aktívak.
II. állapot : Az A2 kivezetés az A1-hez viszonyítva pozi-
tív, a vezórlőelektróda árama negatív. Ebben az állapotban a
triacot ügy tekinthetjük, mint két párhuzamosan kapcsolódó
tirisztort. Az egyik - a felület kisebb részt: kitevő P1-N1-
P2— N2 rétegekből álló segédtirisztor a negatív gyújtóáram
hatására aktivizálódik, majd ezt követően kialakul az A2-A1.
áram, amely kinyitja a nagyobb felületű P1-N1-P2-N2, un.
főtirisztort , tehát a triac az A1-hez képest negatív
polaritásu impulzussal begyújtható.
III. állapot: Az A2 kivezetés az A1-hez viszonyítva ne-
gatív és a vezérlőáram is negatív. Miután a főcsatlakozások
polaritása most megfordul, az N4 réteg tölti be a katód, a
P2 az anód, míg az N3 a vezérlőelektróda funkcióját. Ez
utóbbira most az anódhoz /A1/ képest negatív feszültséget
kapcsolunk. Ebben az állapotban a triacnak közvetett ve-
zérlőelektródája van: a kívülről rákényszerített vezérlő-
áram hatására a P2-N3 átmenet kinyit és elektronokat küld a
P2-N1 átmenetbe, ezáltal beindítja a gyűjtési folyamatot.
Ebben az állapotban a gyújtás feltétele, hogy a negatív IG
vezérlőáram elegendően nagy legyen.
33
IV. állapot: Ilyenkor az A1 főcsatlakozáshoz képest az A2
negatív, a G vezérlése pedig pozitív polaritású, A P2-N2
átmenet nyitóirányú és elektronokat injektál, ezek elérik a P2-
Nl átmenetet, amelyet fokozottabban kinyitnak, A P2-N1-P1-N4
szerkezeten átfolyó áram növekszik és a tirisztor bekapcsol.
A 3.20. ábrán, példaként egy közepes teljesítményű triac
feszültség-áram jelleggörbéjét tüntettük fel a négy, előzők-
ben leirt üzemállapotra. IG = 0 esetén a triac mindkét pola-
ritása főelektróda feszültség esetén zár, de ez nyilván nem
haladhatja meg az U/BO/ billenési feszültséget. A 3.20. a./ ábrán
pozitív polaritású a vezérlőáram, a 3-2O. b./ ábrán pedig
negatív polaritású. Az ábrákból kitűnik, hogy a vezérlés
akkor optimális, ha váltakozó polaritású impulzusokkal
történik; tehát az A2 elektróda pozitív feszültségénél a ve-
zérlőelektródára is pozitív impulzus jut és fordítva.
A triac az áramot mindkét irányban vezeti, ezért nem
kapcsolható ki. ügy, mint a közönséges tirisztor. Ha a
feszültség polaritása megváltozik, a triac ellenkező
irányban bekapcsol. A megbízható kikapcsoláshoz az áramot a
tartóáramnál kisebb értékre kell csökkenteni.
34
35
Ellenőrző kérdések:
1. Mi az S réteg szerepe a teljesitménydiódákban?
"
2. Melyek a teljesitménydiódák záró irányú jellemzői?
3. Melyek a teljesitménydiódák nyitóirányú jellemzői?
4. Milyen dinamikus tulajdonságaik vannak a teljesitmény-
diódáknak?
5. Miből adódnak a teljesitménydiódák veszteségei?
6. Milyen módszerekkel lehet csökkenteni a teljesitmény-
diódák melegedését?
7. Mit nevezünk hőellenállásnak, és mi a mértékegysége?
8. Milyen rétegekből épül fel a tirisztor'?
9. Hogyan hozhatjuk vezető állapotba a tirisztort?
10. Mit nevezünk a tirisztor billenési feszültségének?
11. Hogyan befolyásolja a gyujtóárám értéke a tirisztor
gyújtási viszonyait?
12. Melyek a tirisztor stabil állapotai?
13. Milyen folyamat játszódik le a tirisztorban az át-
kapcsolási idő alatt?
14. Melyek a tirisztor vezérlőköri jellemzői?
15. Milyen folyamat játszódik le a tirisztorban a kikap-
csolás során?
l8. Milyen összetevőkből állnak a tirisztorok veszteségei?
17. Hogyan alakítják ki a teljesítménydiódák és tiriszto-
rok szerkezetét?
18. Miben különbözik a triac a tirisztortól?
19. Milyen vezérlési állapotai vannak a triacnak?
20. Milyen mennyiségeket ábrázolnak a triac jelleggörbéi?
36
3.2. Áramirányítók
A teljesttményelektronika jellegzetes berendezései az
áramirányit ók, amelyek az előző fejezetben megismert
nagyteljesítményű félvezető elemekből épülnek fel. A
diódák, tirisztorok és triac-ok mellett azonban találunk
bennük passzív áramköri elemeket is: ellenállásokat,
kondenzátorokat, transzformátorokat és fojtótekercseket. A
vezérelhető félvezető eszközökhöz vezériőáramkör is
tartozik, amely a megfelelő időpontban a helyes működéshez
szükséges vezérlőjeleket ál-litja elő. A korszerü
vezérlőáramkörök egyebek mellett a tranzisztorokat és
műveleti erősítőket is tartalmaznak.
Az áramirányitó kapcsolások többféle feladatot látnak
el. A váltakozó feszültség egyenfészültseggé való
átalakitását végzik az egyenirányitók, az ellentétes
folyamatot a váltóirányítók. Váltakozó feszültséget eltérő
periódusszámú váltakozó feszültséggé alakítják, át a
frekvenciaátalakitók; azonos periódusszámú, de más effektív
értékű váltakozó feszültséggé a váltakozó áramú szaggatók.
Egyenfészültséget más értékű egyenfészültseggé alakítanak át
az egyenáramú szaggatók és az egyen/egyenfészültség átalakít
ők. A. villamos energia áramirányitókkal történő átalakítási
lehetőségeit szemlélteti a 3.21. ábra.
3.21. ábra
37
3.2.1. Váltakozó áramú szaggatók
A váltakozó áramú szaggatók olyan nagyteljesítményű elekt-
ronikus kapcsolók, amelyekkel váltakozó áramú körben az ener-
giaáramlás megindítható /bekapcsolható/, ill. megszakítható
/kikapcsolható/, vagy az áramló energia értéke folyamatosan
változtatható.
Egyfázisú váltakozó áramú szaggatók
A 3.22. a./ ábrán látható az egyik leggyakoribb ellenál-
lásterhelésü egyfázisú váltakozó áramú szaggató.
Eszerint az R terhelés ellenpárhuzamos tirisztorpáron át
csatlakozik a váltakozó áramú hálózatra. Ha a T1 és T2 ti-
risztorokat a megfelelő pozitív félhullám elején /a nullát-
menetnél/ azonnal gyújtjuk, akkor a terhelés kapcsain a tel-
jes hálózati feszültség megjelenik. Ha viszont a gyújtást a
tápfeszültség nullátmeneteihez képest α1 ill. α2 szöggel
38
késleltetjük, az uR feszültség a 3.22. b./ ábra szerint ala-
kul, effektív .értéke jelentősen csökken. A feszültség effek-
tív értéke jelentősen csökken. A feszültség effektív értéke:
Az áram - az ellenállásterhelés jellegéből következően
hűen követi a feszültséget.
A 3.23. a./ ábra egyfázisú takarékkapcsolásu váltakozó
áramú szaggatókapcsolást mutat. A terhelésre jutó feszültség
az egyfázisú diódás hidkapcsolásu egyenirányító egyenáramú
körébe beiktatott egyetlen tirisztor vezérlésével
változtatható. Az R terhelésen átfolyó áram olyan, mint a
szimmetrikus vezérlésű váltakozó áramú szaggatónál. A pozi-
tív félperiódusban a D1 - Th – D3 - R elemeken, a negatív
félperiódusban pedig az R – D2 - Th – D4 elemeken folyik
áram. A terhelésen átfolyó áram /3.23- b./ ábra/ effektív
értéke:
3.23. a/ ábra
39
Háromfázisú váltakozó áramú szaggatók
A háromfázisú kapcsolásokat három alcsoportba
sorolhatjuk. A 3.24. ábrán a szimmetrikus, teljesen
vezérelt kapcsolásokat mutatjuk be: az a./ nullapont-
kivezetéses, a b./ és c./ ábra pedig nullapont kivezetés
nélküli kapcsolást mutat.
Látható, hogy a nullapont kivezetés nélküli kapcsolás
mind csillagba, mind deltába kapcsolt terhelés
táplálására alkalmas. A nullapont-kivezetéses kapcsolás
előnye, hogy az egyes
tirisztorok feszültség-igénybevétele kisebb.
40
A 3.25. ábra szimmetrikus, un. félig vezérelt
kapcsolást mutat. A terhelés mind csillagba, mind deltába
kapcsolható. E kapcsolás hátránya, hogy a. tirisztorok
feszültség-igénybevétele nagyobb, mint a teljesen
vezérelt kapcsolásban.
A 3.2.6. ábrán két háromfázisú
takarékkapcsolást tüntettünk fel.
Az a./ ábra olyan kapcsolást mu-
tat, amikor két fázisban van csak
vezérelhető kapcsolóelem, míg a
harmadik fázis közvetlenül a. ter-
helésre csatlakozik. A kapcsolás
előnye, hogy felépítéséhez keve-
sebb tirisztor vagy triac, ill.
vezérlőegység szükséges. Hátránya,
hogy a kapcsolóelemek szimmetri-
kus vezérlésekor a terhelés egyes fázisaira jutó
feszültségek, ill. a fázisáramok nem azonos alakúak,
effektív értékük jelentősen eltér. A tirisztorok
aszimmetrikus vezérlésével az egyes fázisok feszültsége
szimmetrikusabba tehető.
a) 3.26. ábra b)
A 3.26. b./ ábra olyan kapcsolást mutat, amelyikben a
csillagpontot három-deltába kapcsolt tirisztorral képeztük
ki. Ez
3.25. ábra
41
a megoldás csak akkor használható, ha a terhelés csillagpont-
ja bontható. A 3.25. ábrán feltüntetett kapcsolással össze-
hasonlítva előnye, hogy a diódák elhagyhatók; hátránya, hogy
tel jós kivezérléskor a tirisztorokon átfolyó áram középérté-
ke 3/2-szer nagyobb. A két kapcsolásban a tirisztorok fe-
szültség-igénybevétele azonos.
Váltakozó áramú szaggatók álkalmazása
A váltakozó áramú szaggatók alkalmazása nagyon
sokrétű. Kontaktor jellegű és vezérelt kapcsolóként
szakaszos üzemben gyakran használjak hevítőberendezésekben
/ellenállás-kemencékben, háztartási fűtő- és
főzőberendezésekben/, pont-és vonalhegesztő
berendezésekben, továbbá egy- és háromfázisú váltakozó
áramú motorok kapcsolására.
A háromfázisú váltakozó áramú szaggatókkal nemcsak a motor
be-, ill. kikapcsolása, hanem forgás-irányváltása is meg-
valósítható. A forgásirányváltoztatásra a 3.27. ábrán mutatunk be
két példát; az a./ ábra egy fázissorrend /forgásirány—/
változtatásra alkalmas teljesen vezérelhető szimmetrikus
kapcsolót, a b./ ábra pedig egy ugyanezen célra alkalmas
takarékkapcsolást mutat.
42
Szabályozott kapcsolóként a váltakozó áramú szaggatókat a
váltakozó feszültségű fogyasztó teljesítményének folyamatos
változtatására használják fényerősség-szabályozó berendezé-
sekben, fűtőberendezésekben, pont- és vonalhegesztő berende-
zésekben, továbbá váltakozó áramú motorok fordulatszám—, ill.
nyomatékváltoztatására.
Az elektronika elterjedésével egyre bővül a váltakozó ára-
mú szaggatók alkalmazási területe is. A 3.28. ábra váltakozó
áramú feszültségstabilizátor elvi működését mutatja. Az a./
ábra szerinti kapcsolásban a hálózat váltakozó feszültsége egy
autótranszformátorra jut, melynek szekunderoldali meg-
csapolásaihoz az R terhelés egy-egy ellenpárhuzamosan kap-
csolt tirisztorpáron át csatlakozik. Ha az S1 kapcsolót kap-
csoljuk be folyamatosan, a kimeneti feszültség u' értékű /b.
ábra/.
.
Aszerint, hogy a kimeneti feszültséget kisebb vagy nagyobb
mértékben akarjuk növelni, egy periódus alatt későbben vagy
korábban bekapcsoljuk az S„ kapcsolót, ezalatt a kimeneti
feszültség u'' értékre növekszik. A tirisztorkapcsolók vezér-
lésekor arra kell ügyelni, hogy a megcsapolások között zárlat
ne keletkezzék.
43
Induktivitást tartalmazó terhelés mellett a terhelés
áramának és a feszültségnek a nullátmenete nem esik
egybe, a feszültség és az áram között fáziseltolás van.
Ez azt eredményezi, hogy a kimeneti feszültség nem lesz
szinusz formájú, ügy szoktuk kifejezni, hogy
felharmonikus összetevőket is tartalmaz. A felharmonikus
tartalmát, vagyis a torzítás mértékét úgy lehet
csökkenteni, hogy több megcsapolást helyezünk el az
autótranszformátoron.
3.2.2. Egyenirányítók
Az egyenirányítók feladata, hogy váltakozó áramú
energiaforrásból egyenáramú energiát állítsanak elő. Az
egyenirányítókat alapjában véve több részegységre lehet
bontani /3.29. ábra/: a tápláló hálózatot legtöbbször
egyenirányító transzformátoron> át kapcsoljuk az
egyenirányító elemekből felépített kapcsolási
elrendezésre. Az egyen irányító transzformátorok
felépítése sok esetben eltér a szokásos hálózati
transzformátorokétól, ezért használjuk az "egyenirányító"
jelzőt. E transzformátorok egyik feladata az, hogy az
adott ipari váltakozó áramú hálózat feszültségét a
szolgáltatandó egyenfeszültséghez illesszék, egyben a két
rendszert egymástól elszigeteljék.
Szűróinduktivltás
3.29. ábra
44
További feladatuk még, hogy az egyenirányító kapcsolás szá-
mára a hálózat fázisszámától eltérő fázisszámú feszültség-
rendszert hozzanak létre.
A tulajdonképpeni egyenirányító kapcsolást az egyenirányitó
elemek alkotják. Ezek lehetnek vezérlés nélküli vagy ve-
zérelhető elemek /diódák, tirisztorok vagy triac-ok/. Maga az
egyenirányító kapcsolás ettől függően vagy vezéreletlen egyén
irányító, amelyben az egyenfeszültség arányos a váltakozó
feszültséggel, vagy vezérelt egyénirányi tó, ez esetben az
egyenfeszültség a váltakozó feszültséggel arányos maximális
értéktől kiindulva folyamatosan csökkenthető.
Az egyenirányítók által szolgáltatott egyenfeszültség -
különösen a vezérelt egyenirányító kapcsolásokban - hullámos.
Ennek csökkentésére az egyenirányítókhoz szűrőegység is tar-
tozik. A szűrőket kondenzátorokból és fojtótekercsekből épí—
tik fel.
Az egyenirányítókat kapcsolási elrendezésük szerint kü-
lönbözőképpen osztályozhatjuk. Megadhatjuk az egyenirányító
fázisszámát, útszámát és ütemszámát, A fázisszám az egyenirá-
nyító transzformátor primer tekercseléséhez csatlakozó válta-
kozó áramú hálózat fázisszáma. Ebből a szempontból tehát az
egyenirányítók egy- vagy háromfázisúak. Az útszám arra vo-
natkozik, hogy az adott kapcsolásban a transzformátor sze-
kunder tekercsében egy- vagy két irányban folyhat áram. Az
egyutas kapcsolásokban egy szekunder tekercshez egyetlen
egyenirányító elem csatlakozik, míg a kétutas kapcsolásokban a
tekercshez csatlakozó, de ellenkező irányban vezető elemek
mindkét irányban lehetővé teszik az áramvezetést.
Az egyenirányító ütemszámát a 3.30. ábra alapján a követ-
kezőképpen értelmezzük:
45
kapcsolásban hullámzik. A
hálózati feszültség egy
periódusára eső hullámok
adják az egyenirányító
kapcsolás p ütemszámát. /Az
ábrán látható esetben
p = 6/.
A legfontosabb
egyenirányí
tó kapcsolások vizsgálatát en-
nek az osztályozásnak az alap- 3.30.ábra
ján végezzük. A vezéreletlen egyenirányító kapcsolások a
működési mód szempontjából a vezérelt egyenirányítók
határesetének tekinthetők, ezért ezeket külön nem
tárgyaljuk.
Egyfázisú, egyutas, együtemű egyenirányító
/1F1U1Ü/
Az egyenirányító kapcsolási rajzát, a kialakuló
feszültség- és áramformákat a 3.31- ábra mutatja. A
terhelést az R ellenállás képviseli.
A T tirisztort a feszültség pozitív nullátmenetéhez
képest α szöggel késleltetve gyújtjuk. A tirisztor
bekapcsolása előtt a terhelésen nem folyik Áram, a
váltakozó feszültség pozitív anódfeszültségként a
tirisztorra jut. A bekapcsolás pillanatában meginduló
áram az
egyenlet szerint a feszültséggel együtt ωt = ¶ szögnél
zérusra csökken. A tirisztor ekkor kikapcsol és negatív
anód-feszültség jut rá az egész negatív félperiódusban.
Az áram
46
3.31. ábra
legközelebb /2 ¶ + α/ szögnél indul meg ismét. Az áramkörben
folyó egyenáramot és a terhelésre jutó egyenfeszültségét
a középérték jellemzi. Ennek nagyságát az u,
feszültséggörbe alatti terület egy teljes periódusra vett
átlagértéke adja. Ebben az esetben
A gyújtás legkorábban akkor következhet be, amikor a
tirisztorra a teljes pozitív félperiódus jut, tehát a
legkisebb gyújtásszög α = 0. Itt indul meg az
áramvezetés akkor is, ha tirisztor helyett dióda van az
áramkörben, tehát az egyenirányító vezéreletlen. Az
egyenfeszültség ekkor a legnagyobb :
Uk0 = ≈ 0,45 USZ
A fenti összefüggések arra az ideális esetre
vonatkoznak, amikor az egyenirányító transzformátor és az
egyenirányító elemek /tirisztor vagy dióda/ járulékos
hatásait /szekunder tekercs ohmos ellenállása, a
tirisztor, ill. dióda vezetőirányú ellenállása stb./
figyelmen kívül hagytuk.
47
Az egyenirányított feszültség értéke akkor csökken nullára,
ha a vezérlési szög α = ¶ értéke nő.
Egyfázisú, egyutas, kétütemű egyenirányító
/1F1U2Ü/
Az egyenirányító11 feszültség hullámosságát az
ütemszám növelésével csökkenthetjük. A 3.32. ábrán
egyfázisú, egyutas, kétütemű egyenirányító kapcsolást
láthatunk. A középleágazá-sos szekunder tekercselésű
transzformátor ellenütemben táplálja a T1 és T2
tirisztorokat, amelyek a közös R terhelésre dolgoznak.
A T1 tirisztor a szekunder feszültség pozitív
félhullámait, a T2 pedig negatív félhullámait kapcsolja
azonos irányban a terhelésre.
3.32. ábra
Ha feltételezzük, hogy az egyenirányító kapcsolás terhe-
lése tisztán ohmos jellegű és a vezérlési szögek mindkét ti-
risztornál azonosak, akkor az egyenáram a tirisztorok azonos
48
időpontban történő bekapcsolásakor indul és a váltakozó
feszültség zérusátmenetekor szűnik meg /3.33. ábra/.
3.33. ábra
Az egyenfeszültség átlagértékét ebben az esetben az uk fe-
szültséggörbe félperiódusra vett átlagértéke szolgáltatja:
Ennek legnagyobb értékét, a zérus vezérlési szöghöz
tartozó egyenfeszültséget - amely egyben a vezéreletlen
/diódás/ egyenirányító egyenfeszültsége -
α = 0 helyettesítéssel kapjuk:
A 3.33. ábra szerint a váltakozó feszültség pozitív
nullátmenetétől a soron következő tirisztor begyújtásáig
egyik tirisztor sem vezet és a terhelés árama zérus.
Ekkor a terhelésen nincs feszültségesés, tehát mindkét
tirisztorra a
49
hozzátartozó transzformátortekercs feszültsége jut. Ha be-
kapcsoljuk azt a tirisztort, amelynek anódján pozitív
feszült-ség van, azon a feszültség gyakorlatilag nullára
csökken, A nem vezető tirisztoron ezért a transzformátor
szekunder tekercseinek összegezett feszültsége jelenik meg.
A 3.33. ábra alapján megállapítható, hogy a vezérlési szög
a 0... ¶ tartományban változhat. Az egyenfeszültség
ebben a tartományban
α növelésekor Uko értékről folyamatosan zérusra csökken.
A 3.34. ábrán bemutatjuk az egyfázisú, kétütemű, hídkap-
csolású /kétutas/ egyenirányítót.
3.34. ábra
Egyenirányító transzformátorra - a feszültségillesztés
vagy esetleges szigetelés szükségességének esetét kivéve -
nincs szükség: ez lényeges eltérés az előző,
középleágazásos kapcsoláshoz képest. A kapcsolás hátránya,
hogy kettő helyett négy tirisztorra van szükség, de a
tirisztorokra jutó feszültség azonos egyenfeszültség esetén
csupán fele a középpontkapcsolásnál fellépő értéknek, mert
elmarad a transzformátor feszültségkétszerező hatása.
Egyéb vonatkozásokban a két kapcsolás egyenértékű, a
terhelésen átfolyó áram és az egyen-irányított feszültség
hasonlóképpen számítható.
50
Háromfázisú, egyutas, háromütemü egyenirányító
/3F1U3Ü/
Ha egyenirányítás utján nagyobb teljesítményt kell
szolgáltatni, többfázisú egyenirányító kapcsolásokat
alkalmaznak. Ezek előnye, hogy az egyenirányítóit
feszültség hullámossága kisebb, ezenkívül a transzformátor
és a segédberendezések kihasználása általában jobb. A
többfázisú egyenirányítás alkalmazása gazdaságossági
szempontból általában kb. l kW egyenáramú teljesítménytől
lép előtérbe,
A továbbiakban - annak érdekében, hogy megismerkedjünk
a kommutáció fogalmával - külön vizsgáljuk a diódákat
tartalmazó egyenirányítótól. A 3.35. ábrán a diódákkal
felépített háromfázisú, egyutas, háromütemű kapcsolást
mutatjuk be. Amint a korábbiakban már említettük, az
egyutas elnevezés arra utal, hogy a transzformátor
szekunder tekercseinek vezetőiben az áram csak egy irányban
folyhat.
Az ábrán látható kapcsoláson a csillagba kapcsolt sze-
kunder tekercsek mindegyikéhez egy-egy dióda csatlakozik,
a diódák másik pontja össze van egymással kötve. Az
egyenáramú oldal polaritása attól függ, hogy az
egyenirányító elemek anódjait vagy katódjait egyesítjük-
e? A 3.35. ábrán bemutatott polaritást akkor kapjuk, ha a
diódák katódját kötjük össze.
51
A kapcsolás működésének megértéséhez a 3.36. ábrán
megrajzoltuk a háromfázisú feszültség jelformáit.
Vizsgáljuk pl. az ω t1 pontban a feszültségviszonyokat.
Mivel ebben az időpillanatban a második fázis feszültsége
a legpozitívabb, az itt elhelyezett dióda vezet, az 1. és
3-fázis diódái pedig zárásra vannak igénybe véve. Mihelyt
azonban egy másik fázis feszültsége eléri, vagy
meghaladja az usz2 értéket /pl. az ω t2 időpontban a 3.
fázis feszültsége/, ez utóbbi fázisban levő egyenirányító
kezd vezetni.
Az újabb dióda áramvezetésbe lépése következtében az
előző diódában megszűnik az áram, vagyis az kikapcsol.
Azt a folyamatot, amikor az áram az egyik diódáról a
másikra csupán a hálózatot tápláló generátorok
feszültségének a hatására terelődik át, természetes, vagy
hálózati kommutácjónak nevezzük.
Mivel az egyes diódák egymást követően vezetnek, és
mindig a 0 ponthoz képest legnagyobb pozitív potenciájú
fázis vezet, az egyenirányítótt feszültséget a
fázisfeszültségek pozitív félhullámai burkoló görbéjének
középértéke adja:
52
Altalánosságban pedig azt mondhatjuk, hogy m fázisú egyen-
irányításnál az egyenirányított feszültség:
Uk =
A fentiekben a vezérlés nélküli háromfázisú egyutas egyen-
irányító kapcsolást mutattuk be. A továbbiakban vizsgálata-
inkat kiterjesztjük arra az esetre, amikor az egyenirányí-
tásra használt elemek /tirisztorok/ áramvezetésének kezdő
időpontját a gyújtó elektródák felhasználásával befolyásolni
tudjuk /3.37. ábra/. A gyújtáskésleltetéshez felhasznált
készüléket a v.k. jelű vezérlőberendezés képviseli, amely a
tirisztorok vezérlő elektródáihoz csatlakozik.
3.37. ábra
Amint a 3.38. ábrán megrajzolt jelformából kitűnik, a
tirisztorok nem abban az időpontban veszik át az áramveze-
tést, amikor anódjuk a közös katódhoz képest pozitívvá válik,
hanem a természetes kommutációs ponthoz viszonyítva α gyújtási szöggel későbben. A 3.38. ábrából az is kitűnik,
hogy a gyújtáskésleltetés alkalmazása következtében az egyen-
53
irányított feszültség középértékének csökkennie kell, mert a
gyújtási szögtől függő nagyságú feszültség-idő /A jelű/
területdarab kiesik. Az egyenfeszültség középértékét ebben az
esetben a vastagon húzott burkológörbe alatt levő feszültség
átlagolásával lehet meghatározni, melynek eredménye:
Hid-egyenirányitó kapcsolások
A háromfázisú hídkapcsolású egyenirányító közepes vagy
nagyobb teljesítményű félvezetős /diódás vagy tirisztoros/
berendezésekben a leggyakrabban használt kapcsolás, mert a
félvezető elemek és a hálózati transzformátor kihasználása
az összes kapcsolás közül ennél a legkedvezőbb. Működését a
legkönyebben ügy érthetjük meg, ha két sorbakapcsolt egyen-
irányítót vizsgálunk. A 3.39. a./ ábra szerint kapcsoljunk
össze két háromfázisú csillagkapcsolású áramkört. A kettő
között az az eltérés, hogy az egyikben az egyenirányító ele-
mek /T1 , T2 , T3/ katódkivezetései, a másikban az anód kive-
zetései közösek /T11, T12, T13/. Ez az eltérés a kapcsolások
működését természetesen nem befolyásolja, csupán annyit je-
lent, hogy míg az első kapcsolásnál például az 1. fázis ter-
54
3.39. ábra
mészetes kommutációs pontja ott van, ahol az u1 feszültség
pozitívabbá válik, mint az előtte levő u3 feszültség,
addig-a második kapcsolásnál az 1. fázis természetes
kommutáció-ja akkor kezdődik, amikor az u1 feszültség az u3
fázisfeszültségnél negatívabbá válik. /A második
kapcsolásnál ugyanis mindig a legnegatívabb feszültséghez
tartozó egyenirányító vezet./
/3.39. b./ ábra/ Az ábrákon a vonalkázott területek az
egyes tirisztorok áramvezetési periódusait jelentik: iT1,
ill. iT11. Folytonos áramvezetést feltételezve látható, hogy a
T11 tirisztor éppen ellenkező félperiódusban vezet, mint az
ugyanazon fázishoz tartozó T1 tirisztor. Ez a felismerés az
alapja annak, hogy a két egyenirányító csoport közös
tekercsről is táplálható, hiszen az áramvezetés ugyanabban
a fázisban időben nem esik egybe. A két kapcsolás tehát a
3.40. ábrának megfelelően összevonható.
Ha a transzformátor fázisfeszültségének effektív értéke
U, az egyes egyenirányító csoportok feszültségei összeadód-
55
3.40. ábra
A hídkapcsolású egyenirá-
nyító áramterlielhetősége ugyanakkora, mint az egyenirányító
csoportoké. Az egyenfészültség kétszeresére növekszik anél-
kül, hogy az egyenirányító elemek igénybevétele növekedne. A
3.41. ábrán a hídkapcsolású áramirányítók szokásos ábrá-
zolási módját láthatjuk. A 3.42. ábrán külön is megrajzoltuk
a terhelésre jutó feszültség változását. Látható, hogy a
váltakozó feszültségnek egy teljes periódusára az egyén-
feszültség hat hulláma esik, vagyis ez a kapcsolás hatütemű
egyénirányító.
•
A hídkapcsolású egyenirányítók transzformátorának szekun-
der tekercselésében kétirányú áram folyik, ezért e kapcsolá-
56
3.42. ábra
í
Az egyenfeszültség hullámosságának csökkentése
Az egyenirányított feszültségnek, illetve áramnak a kapcsolási
módtól függően kisebb-nagyobb hullámossága van. Az, hogy a
hullámosság megengedhető-e vagy sem, a fogyasztó jel-
legétől függ. Ezért gyakran szükségessé válik, hogy a
hullámosságot különböző áramköri elemekkel /kondenzátor,
fojtótekercs, ellenállás/ csökkentsük. Ennek két alapvető
módja van: a szűrés és a simítás. Előfordul ezenkívül a
kettő kombinációja is.
Szűrés. Vezéreletlen égyenirányító kapcsolásokban a fe-
szültség hullámossága csökken, ha a terhelőellenállással
egy kondenzátort kapcsolunk párhuzamosan. Ilyenkor a
hullámosság annál jobban csökken, minél kevésbé terheljük
az egyenirányítót. Erre való tekintettel először a szűrő
kondenzátorral ellátott egyfázisú, egyutas, együtemű
egyenirányító terheletlen állapotát vizsgáljuk /3.43.
ábra/. Bekapcsolás után a feszültség növekedésével
egyidejűleg növekszik a kondenzá-
57
tor töltése is. Ha. a dióda ellenállását elhanyagoljuk, a
töltőáram nem hoz létre .rajta fészültségesést, s így, amíg a
feszültség a bekapcsolást követően növekszik, a kondenzátor
feszültségének pillanat értékei megegyeznek az usz fe-
szültség pillanat értékeivel. A csúcsérték elérése után azonban
a kondenzátor töltése és ezzel együtt az Umax feszültség sem
csökkenhet, mert az egyenirányító elem megakadályozza, hogy a
kisülési áram létrejöhessen. Látható, hogy ebben az Ideális,
és ohmos terhelés nélküli esetben a kondenzátor az első
félperiódusban Umax feszültségre feltöltődik és ezt a
feszültséget a továbbiakban megtartja.
Ha a kondenzátorral az R terhelő ellenállást kapcsoljuk
párhuzamosan. /3.44. ábra/, akkor a viszonyok a következőképpen
változnak meg, a bekapcsolást követően - mint a terhe-
lésmentes esetben - a kondenzátor feszültsége együtt növek-
58
A különbség csupán, az, hogy a dióda nem csupán a
kondenzátor ic töltőáramát, hanem az ellenállás i áramát
is szolgáltatja. Mivel az első csúcsérték eléréséig az
ellenállásra is a szinuszosan változó usz feszültség jut,
ezért eddig
Ez a jelenség minden bekapcsolást követően csupán egy-
szer játszódik le, ezután már az alábbiakban leirt
periodikusan ismétlődő jelenségek következnek. A
csúcsérték elérése után megindul a kondenzátor kisülése
az R ellenálláson keresztül. Ez a folyamat mindaddig
tart, amíg a kondenzátor feszültsége nagyobb az usz
tápfeszültségnél, tehát a 2.44.
b. ábra szerint a t2 időpontig, t1 és t2 között a dióda
záróirányban van igénybe véve. t2 után az egyenirányító
elem vezet és a kondenzátor feszültsége, valamint a
terhelésre jutó uk feszültség is az usz tápfeszültséget
követi egészen addig, amig a csúcsértéket követően
ugyanannál a fázisszögnél /t3/, mint a megelőző
periódusban az RC kör ismét le nem válik a tápegységről.
A szűrés annál jobban csökkenti az egyenirányított fe-
szültség hullámosságát, minél nagyobb a C
szűrőkondenzátor értéke és minél nagyobb az R terhelő
ellenállás, vagyis minél kisebb az ik terhelő áram. Ezt
ügy szoktuk kifejezni, hogy képezzük a τ= RC szorzatot,
az un. időállandót, és ennek kell minél nagyobbnak lenni
a T periódusidőhöz képest. /3.45. ábra/
Szűrőkondenzátor
alkalmazásával az eredetileg
szakaszos vezetés folyamatossá
válik, növekszik a szűrés
nélküli esethez képest az
egyenirányított feszültség és
áram középértéke, tehát az
egyenáramú teljesítmény.
59
Simítás. Erősáramú egyenirányító berendezésekben általá-
nosabb megoldás az, hogy a terheléssel L induktivitású te-
kercset kapcsolunk sorba, mint a 3.46. ábrán látható. A
fojtótekercs hatása abban áll, hogy a váltakozó
feszültségösszetevők nagyrészt annak kapcsain lépnek fel
/uL /, tehát a terhelésre kis részük jut, másrészt viszont
- ideális, kis ohmos ellenállású induktivitást
feltételezve - a tekercs kapcsain csupán minimális
egyenfeszültségesés keletkezik, így az majdnem teljes
egészében a terhelésre jut.
A simító fojtótekercs
sajátossága, hogy simító
hatása, a terhelő áramtól függ.
Ha ugyanis változik a
terhelés, amit azáltal
vehetünk figyelembe, hogy
változik az R terhelő el-
lenállás, akkor egyben megváltozik a simítás inertekét
meghatározó L/R hányados is. Például üresjárásban /R = /
simító hatás nincs, valamennyi harmonikus
feszültségösszetevő csillapítatlanúl megjelenik
a kapcsokon.
.
Egyenirányítók belső feszültségű terheléssel
Az egyenirányító kapcsolások igen gyakran egyenáramú
forgógépeket táplálnak. Ezek olyan feszültségforrással
helyettesíthetők, amelyek UE belső feszültsége a gép
fluxusának és fordulatszámának szorzatával arányos, ezen
kívül ezzel sorbakapcsolt Rd ellenállással és Ld
induktivitással rendelkeznek /3.47. ábra/. Hasonló jellegű
terhelést jelentenek az akkumulátorok is, amelyek belső
feszültsége a töltöttségi állapottól függ, és közel
állandónak tekinthető. Mivel az álta-
60
3.^7- ábra
lánosabb esetet az egyenáramú gép jelenti, változó belső fe-
szültségű terhelésként ezt fogjuk példának tekinteni.
Az egyenáramú gépek ohmos ellenállása viszonylag kicsi,
ezért minden esetben induktivitást kell az egyenirányító és a
gép közé kapcsolni ahhoz, hogy az egyenirányító időben vál-
tozó, és a gép állandó indukált feszültsége közötti különbség
ne hozhasson létre túlságosan nagy áramot. /Áramkorlátozásra
ohmos ellenállást is használhatnánk, azonban ezt a veszteségek
miatt kerülik./ Mint a 3.2.2.2. pontban leírtuk, a kétütemű
kapcsolás által szolgáltatott egyenfeszültség csak a
vezérlési szög koszinuszának függvénye.
Amikor az egyenáramú gép motorként működik, az indukált
feszültség az egyenirányító feszültségével szemben kell, hogy
hasson. E két feszültség különbsége átlagértékben az Rd el-
lenállásra jut, ezért az egyenáram
nagyságú. Ha az Rd ellenállás kicsi - mint ahogy ezt az esetek
legnagyobb részében feltételezhetjük -, az egyenáram lét-
61
rehozásához már kis feszültségkülönbség is elegendő.
Egyébként azt, hogy adott üzemállapotban mekkora egyenáram
folyik, a motor terhelése határozza meg; a motor által
kifejtett nyomaték, amely a terhelőnyomatékkal tart
egyensúlyt, a fluxus és az egyenáram szorzatával arányos.
A továbbiakban tételezzük fel, hogy az Rd ellenállás
elhanyagolhatóan kicsiny. Ezzel a közelítéssel élve
Ebből az összefüggésből az következik, hogy a vezérlési
szögnek ¶ /2-nél nagyobb értéke mellett - mivel a
koszinusz-függvény előjelet vált - az UE indukált
feszültség is előjelet vált. Az egyenáram iránya
természetesen nem változhat meg, hiszen az áramirányító
elemeken az áram csak egy irányban folyhat. Ebben az
üzemállapotban az egyenáramú gépnek változatlan áramirány
mellett fordított irányú feszültséget kell szolgáltatnia,
hiszen nem motorként, hanem generátorként működik. Az
egyenáramú generátor energiája eszerint az egyenirányító
kapcsoláson át a váltakozó áramú hálózatba jut vissza. Az
energiairány megfordulásával működő egyenirányító kapcsolás
ekkor váltóirányító /idegen elnevezéssel inverter/üzemmódban
működik.
A váltóirányitó üzemmód az egyenirányító
kapcsolásoknak meglehetősen kényes üzemállapota. Ugyanis
ha az éppen vezető tirisztor áramát a soron következő
tirisztor nem veszi át akár azért, mert nem gyújtjuk be,
akár azért mert a kommutáció nem zajlik le rendesen, egy
állandóan növekvő zárlati áram alakul ki mindaddig, amíg
valamilyen eszközzel meg nem szakítjuk. Ezt a folyamatot
a váltóirányító üzemmódban billenésnek nevezzük.
62
Egyenirányítók ellenpárhuzamos kapcsolása
Az egyenirányító kapcsolások csak egyirányú áramot
szolgáltathatnak, mert az egyenirányító elemek is csak egy
irányban vezetnek. Amikor a terhelés kétirányú áramot
igényel, két egyenirányító ellenpárhuzamos kapcsolásával
kell a feladatot megoldani. A kapcsolás alapelve a
következő /3.48. ábra/: a terhelésre csatlakozó
egyenirányítók egyike pozitív irányú, másika negatív
irányú egyenáramot szolgáltat.
Ha pozitív irányú egyen-
áramra van szükség, akkor az
I. egyenirányító működik, és
a II. egyenirányító elemei
nem kapnak vezérlést, tehát
abban nem folyik áram. For-
dított irányú áram elérésé-
hez meg kell szüntetni az I.
egyenirányító vezérlését és
3.48. ábra
a II. egyenirányító bekapcsolásakor ellenkező irányú
egyenáram indul. A zavartalan működés érdekében az áram
irányváltását csak akkor lehet megengedni, ha az egyik
egyenirányító csoport már árammentes. Ellenkező esetben
ugyanis, ha az egyik egyenirányító csoportban még áram
folyik amikor a másikat bekapcsoljuk, a két egyenirányító
csoport között zárlat keletkezik.
Ha az egyenirányító egyenáram motort táplál, és gyors
áramirányváltásra van szükség, az irányváltás között szük-
séges szünet, tehát az az állapot, amikor egyik egyenirá-
nyító csoport sem vezet, hátrányt jelent. Ugyanis amíg nem
folyik áram, a motor nyomatéka zérus. Ennek áthidalására az
un. köráramos ellenpárhuzamos egyenirányító kapcsolást al-
kalmazzák.
Ennek lényege, hogy a vezérlési szög megfelelő
megválasztásával elérhető, hogy a két egyenirányító csoport
feszültségének átlagértéke mindig nulla legyen. Ha azonos
nagyságú váltakozó feszültség táplálja a két egyenirányító
csoportot és az egyikben a vezérlési szöget αT-gyel, a
másikban αTT-vel jelöljük, ez a feltétel így írható fel:
63
egyenlőség. Ez azt jelenti, hogy amikor az I.
egyenirányító csoport egyenirányítóként működik, a II.
csoport váltóirányitó üzemű és fordítva. Ha pl. αI = 60°
és αII = 120° , akkor a közös feszültség az Uko -nak 50%-a.
Azt, hogy melyik
áramirányitó fog vezetni, a motor belső feszültsége
határozza meg. Ha a motor UE belső, indukált feszültsége
pl. 45%, akkor az I. áramirányító hajt áramot a motorba,
az teljesítményt vesz fel, nyomatékot fejt ki, a II.
csoport pedig árammentes. Ha UE=0,55 Uko, akkor a
helyzet fordított, a II. inverter üzemű áramirányitó
veszi át a motor negatív áramát, és teljesítményt ad
vissza a hálózatba, a motor fékez.
Ha a két ellenpárhuzamosan kapcsolt egyenirányító
csoportra teljesül is a fenti képletben előirt feltétel,
az csak az egyenfeszültség középértékére vonatkozik. A
pillanatértékek között jelentős eltérés lehet. A
pillanatnyi feszültségeltérések felvételére
fojtótekercset szoktak beépíteni a két egyenirányító
csoport közé. A 3.49. ábrán két háromfázisú, kétutas,
hatütemű egyenirányítóból felépített ellenpárhuzamos
kapcsolás látható a beépített fojtótekercsekkel együtt.
Ez a feltétel akkor teljesíthető, ha minden üzemállapot-
ban fennáll az
64
3.49. ábra
3.2.3. Egyenáramú szaggatók
Az egyenáramú szaggatók olyan áramirányítók, amelyek az
egyenfeszültség folyamatos, minimális veszteséggel történő
átalakítását végzik. Elvi felépítésüket a 3.50. ábra mutat-
ja. Az UB feszültségforrás és az R fogyasztó közé egy K kap-
csolót iktatunk be. Ha a kapcsolót periodikusan be és ki-
kapcsoljuk, a terhelésre jutó feszültség átlagértéke a tb
bekapcsolási idő és a teljes periódusidő /tp/ viszonyától
függ:
3.50. ábra
65
A terhelésre jutó uR feszültség időben nem állandó, az UB
egyenfeszültségű összetevőn kívül váltakozó feszültségű össze-
tevőt is tartalmaz. Ez utóbbi csökkentésére elegendően nagy
induktivitása fojtótekercset kapcsolnak sorba a terheléssel.
/3.51. ábra/.
A kiegészítő D dióda az L
induktivitás áramának biztosit
utat a K kapcsoló nyitásakor.
A kapcsoló bekapcsolásakor a
tápfeszültség a sorbakapcsolt
ellenállásra és induktivitásra
jut. A bekapcsoláskor az iT
áram exponenciálisan nőni
kezd:
3.51. ábra
iT = Io /l – e - / + ITmin ,
ahhol τ = L/R a terhelőkör időállandója, és
I0 = -ITmin, ahhol ITmin a bekapcsolás pil-
lanatában folyó áram /2.51. b./ ábra/. tB idő után a K kap-
csoló megszakít, ekkor a terhelésen folyó áram ITmax értékű.
Ezt követően az áram a D diódán, L induktivitáson és R ter-
helésen keresztül az ITmax értékről exponenciálisan csökken-
/A t időt a kapcsoló megszakításától számítjuk./
A kikapcsolt állapot tk = tp - tb időtartama alatt az áram
éppen ITmin értékre csökken. A terhelésen átfolyó egyenáramot
az ITmin és ITmax középértéke adja /IT/ és ebből a feszültség
66
R ismeretében meghatározható. Szemlélet alapján is egyszerűen
belátható, hogy az árain hullámossága annál kisebb, minél
nagyobb a τ időállandó /tehát a fojtótekercs induk-
tivitása/, vagy minél nagyobb a kapcsolási frekvencia értéke.
Mechanikus kapcsolóval az egyenáramú szaggató csak kis
teljesítményig valósítható meg és élettartama is korláto-
zott, ezért a kapcsolót valamilyen elektronikus kapcsoló-
eszközzel, leggyakrabban tirisztorral helyettesítik.
Egy tirisztor kikapcsolásához, záróképességének vissza-
nyeréséhez a tirisztoron átfolyó áramot a tartóáramnál ki-
sebb értékre kell csökkenteni és - legalább a felszabadulási
időnek megfelelő ideig - ezen a kis értéken kell tartani.
Hálózati kommutációjú áramirányítóknál ezt a hálózat - egyes
esetekben a fogyasztó - váltakozó feszültsége idézi elő.
A példaként bemutatott párhuzamos oltókörben /3.52. áb-
ra/ a K kapcsoló zárásakor a berajzolt polaritással feltöl-
tött C kondenzátor Uk feszültsége a tirisztorral párhuza-
mosan kapcsolódik és a terhelőáram a tirisztorról az oltó-
körre terelődik át. Amikor a kondenzátor árama, a terhelésen
folyó áram értéke alá csökken, áram kezd folyni a D diódánát.
Ha a tirisztor áramát egyenáramú körben akarjuk megszün-
tetni, vagy váltakozó áramú körben olyan időpontban, amikor
a hálózat vagy a fogyasztó váltakozó feszültségének felhasz-
nálásával érhetjük el. Az ilyen oltókörrel működő áramirá-
nyítókat mesterséges kommutációjú, kényszeroltású vagy kény-
szerkommutációs áramirányítóknak nevezzük.
67
A. 3.53. ábrán bemutatott
párhuzamos oltással ellátott
egyenáramú szaggató működését
az alábbiakban követjük végig.
Az egyszerűség kedvéért téte-
lezzük fel, a fogyasztói
áramkörben sima iR egyen-
áram folyik, amiről egyébként az L1 simító fojtótekercs
gondoskodik. Tételezzük fel továbbá azt is, hogy a C
oltókondenzátor az ábrán jelzett pozitív irányhoz képest
ellentétesen fel van töltve az UA tápfeszültségre. A T1
oltása T2 gyújtásával indul a t1 időpontban, amikor az ol-
tókondenzátor pozitív feszültsége rákapcsolódik T1 katód-
jára, T1 tehát zárófeszültséget kap, az áram pedig átte-
relődik T2-re. Amint C a terhelőáram hatására t2 időpontban
0 feszültségre kisült, megszűnik T1-en a záróirányú fe-
szültség. A sikeres oltáshoz tehát t2 – t1 időnek kell el-
telnie és ennek a szabaddáválási időnél hosszabbnak kell
3.53. ábra
68
lennie. t2 után a terhelőáram a T2-n keresztül még
tovább folyik mindaddig, amíg t3 időpontban a D1 dióda
záróirányú feszültsége megszűnik, és a dióda veszi át az
áramot. Ekkor a C kondenzátor pozitív polaritással
feltöltődik az UA táp-
feszültségre és T2 kialszik. Amikor a t4 időpontban T1
újból begyujt és ismét rákapcsolja az UA feszültséget a
terhelésre, a C kondenzátor T1-en, D2-n és L2-n
keresztül kisül és átlendül a negatív polaritású UA-nál
a veszteségek miatt némileg kisebb feszültségű
állapotba, ahol a D dióda miatt megmarad az újabb
oltásig.
3.2.4. Váltóirányítók /inverterek/
A villamos energia felhasználásakor előfordul, hogy az
egyenáramú áramforrásból váltakozó áramot kell
előállítani. Az átalakítás egy lehetséges megoldása, hogy
a rendelkezésre álló egyenáramú áramforrásból egyenáramú
motort táplálunk és ez egy vele mechanikus
tengelykapcsolatban álló váltakozó áramú generátort
működtet. Ez az átalakítás azonban rossz hatásfokú, mert a
villamos energiát más - ebben az esetben mechanikai -
energiává is át kell alakítani.
A vezérelhető félvezető eszközökkel az átalakítás
viszonylag tág frekvenciatartományban megvalósítható,
közbenső energianem beiktatása nélkül. Ez a módszer
előnyösebb a forgógépes átalakításhoz képest, mert nem
tartalmaz mozgó, kopás következtében elhasználódó
alkatrészeket, másrészt csökkenti a többszöri
energiaátalakítással járó veszteségeket.
Egyenfeszültségből kis veszteséggel állítható elő
váltakozó feszültség, ha kapcsolóelemeket alkalmazunk
/3.54. ábra/. Ha a K1 és K2 kapcsoló zárt, akkor az R
terhelésre po-
69
3.54. ábra
zitív irányban kapcsolódik az UB tápfeszültség, a K3 és K4
bekapcsolásával – K1 és K2 kiiktatásakor - a feszültség a
terhelésen ellenkező irányúvá válik. A kapcsolók
periodikus működtetésével a terhelésen, a kapcsolás
frekvenciájának megfelelő frekvenciájú, négyszög alakú
váltakozó feszültség alakul ki.
Ha a kapcsolók helyett vezérelhető félvezető egyenirá-
nyító elemeket, tirisztorokat használunk, a kialakítandó
megoldások fő kérdése - mint az egyenáramú szaggatók
esetén is - a tirisztorok kioltása. A kioltás módja
szerint az in-vertereket három csoportra oszthatjuk.
A természetes kommutációju inverterek, olyan vezérelt
egyenirányítók, amelyek 90° -nál nagyobb vezérlési szöggel
ellenkező irányú feszültséget szolgáltatnak azonos
áramirány mellett, tehát az egyenáramú oldal felől a
váltakozó áramú oldal felé továbbítanak energiát. Ezekben
a kapcsolásokban - amint ez a 3.55. ábrán látható
háromfázisú, egyutas, három-
70
3.55. ábra
ütemű kapcsolásban is
látható - a vezető
tirisztort a soron következő tirisztor bekapcsolása váltja
ki, ugyanakkor a váltakozó tápfeszültség a terhelő áramot
áttereli a soron következő tirisztorra, és a kikapcsolt
tirisztorra negatív anódfeszültségként kapcsolódik. Ez -
az un. természetes kommutáció - csak addig jöhet létre,
amíg a kommutációs feszültség rendelkezésre áll: ideális
esetben a természetes kommutációtól számítva legfeljebb
180° vezérlési szögig.
A mesterséges hálózati kornmutációju inverterek abban
különböznek az előbbiekben vázolt természetes
kommutációju inverterektől, hogy az egyes vezérelt
egyenirányító elemek között a kommutációt olyan időpontban
kényszerítjük ki, amikor azt a váltakozó áramú oldali
feszültség nem tenné lehetővé. A kommutációs feszültséget
azonban most is a váltakozó áramú hálózatból vesszük.
A szabadonfutó inverterek alkotják az inverterek
harmadik csoportját. Ezekben a kapcsolásokban az
átalakító nem csatlakozik meglevő váltakozó áramú
hálózathoz, ezért tetszőleges frekvenciával működhet. Itt
a tirisztorok kioltását az
71
egyenfeszültségű tápforrásból kell megoldani, a tirisztorok
kommutációja tehát csak mesterségesen, ségédárámkőr segít-
ségével valósítható meg, akárcsak az egyenáramú szaggatók-
ban.
Az eddigiek szerint csoportosított inverterkapcsolások
közül az elsővel az egyenirányító kapcsolások tárgyalása-
kor foglalkoztunk. A kapcsolások második csoportját csak
a teljesség kedvéért ismertettük, tekintve, hogy ezeket ma
már alig használják, részletesebb elemzésükre nem térünk
ki. A harmadik csoportba sorolt szabadonfutó invertereket
a következőkben részletesebben tárgyaljuk. Az egyszerűség
kedvéért ezeket a továbbiakban röviden invertereknek
nevezzük.
Egyfázisú inverterek
A legegyszerűbb és legrégibb valtóirányitó kapcsolás a
3.56. ábrán látható. Itt nincsenek külön oltókörök, az
egyik tirisztor gyújtása oltja az előzőleg áramot vezető
másik tirisztort a C oltókondenzátor segítségével. A
továbbiakban feltételezzük, hogy az L sirnitó-fojtótekercs
induktivitása olyan nagy, hogy az IA tápáram teljesen
sima.
Minthogy a kommutálókörben nincs induktivitás, az áram
pillanat szerűen kommutál T1-ről T2-re a t1 időpontban,
amikor a T2 gyujtóimpulzust kap. A t1 időpontban a
transzformátor középmegcsapolása és az l pont közötti
feszültség UA-val, a 2 és l pont közötti feszültség 2 UA -
val egyenlő. Természetesen ugyanez a feszültség van a
kondenzátor kapcsain, tehát UC = 2UA . T2 gyújtásának
pillanatában a 3.56. b. ábrán rajzolt irányú kisütőáram
indul meg T 2 -n és T1 -én keresztül, ez az áram T1 számára
záróirányú áram, tehát a tol t éstárolási
72
idő elmultával T1 árama nullára csökken, így e nagyon rövid
idő után az ic áram csak a transzformátoron át záródhat. Köz-
vétlenül T2 begyujtása után a még csaknem két UA nagyságú UC
negatív feszültségként adódik hozzá a 2 pont 0 feszültségé-
hez, és az l ponton tehát a T1 tirisztor anódján - 2UA fe-
szültség lép fel. A terhelőáram hatására UG csökken, igy a T
tirisztor zárófeszültsége 0-ra csökken. Ha ez a folyamat a
szabáddáválási időnél hosszabb ideig tart, T1 kikapcsolt
állapotban marad.
73
Az ismertetett kapcsolás hátránya, hogy a terhelés
csökkenésekor a kimeneti feszültség erősen no. Ez a
tulajdonság különféle módosításokkal kiküszöbölhető és az
áramkör alkalmassá tehető változó terhelés esetén is
viszonylag állandó kimeneti feszültség szolgáltatására. A
tirisztorokkal ellentétes áramiránnyal beiktatott
visszavezető diódák alkalmazásával meg lehet oldani, hogy
az inverter bármilyen jellegű terhelésre dolgozhat, sőt
az energiairány még megfordítására is alkalmas.
Háromfázisú inverterek
Háromfázisú váltóirányitó előállítható három egyfázisú
inverterből, amelyek egyenáramú táplálása közös, a
kimeneteket pedig megfelelően összekapcsoljuk /3.57.
ábra/. A három egyfázisú invertert azonos frekvenciával,
de egymáshoz képest 120 villamos fok eltolással
vezéreljük. Amikor az Inverter kimenetére csatlakozó
terhelések fázisonként különbözők, ez az inverter
felépítésének legcélszerűbb megoldása. Szimmetrikus
terhelések táplálására - főleg ha a frekvencia
nagymértékű változtatására is szükség van - háromfázisú
váltóirányitokat alkalmaznak.
3.57. ábra
74
A háromfázisú váltó irányítók egyik csoportját azok a kap-
csolások alkotják, amelyek fázisok közötti oltással működ-
nek, tehát az áramot vezető tirisztor oltása annak hatására
következik be, hogy a soron következő fázis tirisztora
gyújt; külön oltótirisztor tehát nincs. E tekintetben ezek
a kapcsolások az egyfázisú kapcsoláshoz hasonlóak, mert az
oltókondenzátor mindkét esetben az egymás után gyújtó ti-
risztorok közé van kapcsolva. Egy ilyen invertert mutat a
3.58. ábra.
A T1 tirisztor oltása a
T3 gyújtásakor következik
be, a közéjük kapcsolt C1
töltésének hatására. Annak
érdekében, hogy ezek a
kondenzátorok a terhelésen
keresztül ne sülhessenek
ki, be van iktatva 3-3
darab záródióda /D11-D16/. A
D21-D26 visszáramdiódák a
terhelőáram és a váltakozó
feszültség közötti
fáziseltolás miatt szük-
ségesek. Az Lk1...Lk3 kö-
zépmegcsapolásu fojtóte-
kercsek a tirisztorok és
a visszáramdiódák szétvá-
lasztására valók.
3-58. ábra
75
Amint T2 begyújt, T6 kialszik, tehát uB = 0 és uAB = uA =
UA/2. Ez az egyszerű meggondolás azonban csak tiszta
ellenállás-terhelés esetén érvényes. Ha a terhelés pl.
induktív, akkor T2 gyújtásakor T6- kialszik ugyan, de Lb a B
fázis áramát még fenntartja, és az a D23 diódán és a T1 -én
keresztül záródik. így, mivel mind az A, mind a B kapocs a
pozitív táppontra van kötve, uAB = 0 mindaddig, amíg a B
fázis terhelőárama meg nem szűnik /3.58. b./ ábra/. A
bemutatott váltóirányitó bármilyen jellegű, terhelésre és az
energiairány megfordítására is alkalmas.
Számos egyéb oltási elrendezés közül a 3.59. ábrán bemu-
tatunk még egy olyan háromfázisú váltóirányitó kapcsolást,
melynél minden egyes hidág külön-külön, a többitől
függetlenül, bármely időpontban oltható.
A T11…T14 tirisztorokból
és a C1 kondenzátorból álló
egyik hidágon
végigkövethetjük az oltás
folyamatát. Vezessen először
a T11 és T12 tirisztor,
ekkor a C1 kondenzátor bal
oldali kapcsa pozitív. Ha
most a T13 és
T14 tirisztorok közül az
egyiket, pl. T13-at
gyújtjuk, T11 azonnal
kialszik, a terhelőáram
átterelődik a C1-re, a C1
feszültsége azonban áramot
indít a C1 -
T12 – Lk1 - D1 - T13 áram-
körben is. Ez az áram nő,
3.59. ábra
76
amíg C1 feszültsége 0-ra csökken, majd Lk1
induktivitásának hatására tovább folyik, amíg C1
ellentétes polaritásúra töltődik fel. Ekkor a T12 és T13 is
kialszik, és ha a terhelés induktív, akkor a terhelőáram
átterelődik a D4 diódára. A. folyamat végén a T11...T14
csoport valamennyi tirisztora árammentes, a terhelőáram a
fáziskésés által meghatározott ideig tovább folyik a Di
diódán, C1 pedig úgy van feltöltve, hogy jobb oldali
kapcsa pozitív. Ha a T11...T14, csoportot újból be akarjuk
kapcsolni, be kell gyújtanunk egyidejűleg a T13 és T14 ,
tirisztort. A tirisztorcsoport újbóli oltása ezután a T11
vagy a T12 tirisztor gyújtásával történhet. A 3.59. ábra
szerinti váltóirányitó ugyancsak alkalmas az
energiaáramlás megfordítására.
Valamennyi ismertetett háromfázisú vált ó irányit óval a
fázissorrend egyszerűen a tirisztorok gyujtási
sorrendjének felcserélésével megfordítható.
Közbensőegyenáramu-körös frekvencia-átalakítók
A kényszerkommutációs váltóirányitók tápláló
egyenfészült- ségét nem csupán akkumulátor vagy más
egyenfészültségű áramforrás, hanem egyenirányító is
szolgáltathatja /3.60. ábra/.
3.60. ábra
77
Az egyenirányítót és a kényszerkommutációs váltóirányítót
együttesen közbenső egyenáramú körös váltóirányyítónak nevezik.
Mind a tápláló hálózat, mind a váltóirányitó lehet egy-vagy
többfázisú, tetszés szerinti kombinációban. Az
egyenirányító lehet vezéreletlen, vagy vezérelt. Az
egyenirányítót és a váltóirányítót a közbenső egyenáramú
körben simítófojtótekerccsel és kondenzátorral
választják el egymástól.
Inverterek alkalmazása
A természetes kommutációjú inverterek alkalmazásának
jellegzetes példája az óriásfészültségű egyenáramú
energiaátvitel. Több száz kilovolt egyenfeszültségű
távvezeték vagy eltérő frekvenciájú hálózatok
összekapcsolását a 3.61. ábra vázlata szerint lehet
megvalósítani. Az energiaáramlás iránya szerint az
egyenirányított váltakozó áramú teljesítményt a másik
váltó- irányító üzemmódban működő egyenirányító a hozzá
tartozó váltakozó áramú rendszerbe továbbítja.
3.61. ábra
A szabadonfutó inverterek egyenfeszültségből
tetszőleges frekvenciájú váltakozó feszültséget képesek
előállítani. Ez a
78
feladat például a járművek váltakozó áramú hálózatának
önálló létrehozásakor, vagy ha biztosítani kell az ipari
hálózat kimaradásakor fontos fogyasztók szünetmentes
áramellátását.
Mint ismert, a villamos energia csak egyenáram
formájában, akkumulátorokban tárolható. A folyamatos
váltakozó áramú energiaellátást eszerint úgy biztosíthatjuk,
hogy a fontos fogyasztókat a 3.62. ábra vázlata szerint a
hálózatról táplált egyenirányító-akkumulátor-inverter
láncon át tápláljuk; ha a hálózati feszültség kimarad, az
inverter az akkumulátortelepről táplálva megszakítás nélkül
továbbra is üzemben marad. A hálózati feszültség
visszatértekor az egyenirányító az akkumulátort feltölti,
ezzel a rendszer ismét készenléti állapotába kerül.
3.62. ábra
79
Ellenőirző kérdések:
1. Milyen feladatokat látnak el az áramirányítók?
2. Mire szolgálnak a váltakozó áramú szaggatók?
3. Hogyan épülnek fel az egyfázisú váltakozó áramú
szaggatók?
4. Hogyan változik a terhelés feszültsége és árama
az egyfázisú váltakozó áramú szaggatóknál?
5. Hogyan működik a takarékkapcsolású egyfázisú vál-
takozó áramú szaggató?
6. Hogyan épülnek fel a háromfázisú váltakozó áramú
szaggatók?
7. Mely területeken alkalmazhatók a váltakozó áramú
szaggatók?
8. Mire szolgálnak és milyen elemekből épülnek fel a
hálózati egyenirányitok?
9. Hogyan osztályozhatjuk az egyenirányító kapcsoláso-
kat?
10. Hogyan épül fel és hogyan működik az
egyfázisú,egyutas, együtemű egyenirányító?
11. Miben tér el az egyfázisú, egyutas, kétütemű egyen-
irányító az egyutastól?
12. Hogyan működik az egyfázisú, hídkapcsolású egyen-
irányító?
13. Hogyan épül fel és hogyan működik a háromfázisú
egyutas, háromütemű egyenirányító?
14. Hogyan működnek a háromfázisú, hidkapcsolású egyen
irányítók?
15. Milyen módszerekkel csökkenthető az egyenirányított
feszültség, ill. áram hullámossága?
16. Mi jellemzi az egyenáramú motorral terhelt egyenirá-
nyítókat?
80
17. Mikor alkalmazunk ellenpárhuzamos kapcsolású
egyenirányítókat és azok hogyan működnek?
18. Mire szolgálnak az egyenáramú szaggatók és mi a
működési elvük alapja?
19. Milyen módszerrel tudjuk egyenáramú áramkörökben
a tirisztort kikapcsolni?
20. Hogyan épül fel és hogyan működik a párhuzamos ol-
tással ellátott egyenáramú szaggató?
21. Milyen elv alapján működnek a váltóirányitók?
22. Hogyan csoportosíthatjuk az invertereket?
23. Hogyan működik az oltókondenzátorral felépített
egyfázisú inverter?
24. Hogyan épülnek fel a háromfázisú inverterek?
25. Hogyan működnek az oltótirisztor nélküli
háromfázisú inverterek?
26. Hogyan épülnek fel a közbensőegyenáramú-körös
frekvencia-átalakítók?
27. Hol alkalmaznak invertéreket?