مقاله کامل در مورد الكترونيك قدرت

مقدمه اي راجع به الكترونيك قدرت
در 35 سال اخير در كاربرد موتورهاي الكتريكي انقلابي رخ داده است . ساخت بسته هاي حالت جامد راه انداز موتور جايي رسيده كه عملاًٌ هر مسئله كنترلي را مي توان با استفاده از آنها حل كرد . با اين راه اندازهاي حالت جامد مي توان موتورهاي dc را با منابع تغذيه ac و موتورهاي ac را با منابع تغذيه dc راه انداخت . حتي مي توان ac را به توان ac فركانس ديگز تبديل كرد .
از طرفي ديگر هزينه سيستمهاي راه انداز حالت جامد به شدت پايين آمده و قابليت اظمينان آنها بالا رفته است انعطاف و قيمت نسبتاً كم كنترل كننده ها و راه اندازهاي حالت جامد باعث شده موتورهاي ac كاربردهاي جديد ، بيايند ، كاربردهايي كه قبلاًٌ تنها با استفاده از ماشينهاي dc انجام مي شد . همچنين با استفاده از راه اندازهاي حالت جامد موتورهاي dc نيز قابليت انعطاف بيشتري پيدا كرده اند .
تغيير عمده از ساخت و بهبود عناصر حالت جامد توان بالا حاصل شده است . گرچه مطالعه تفصيلي مدارها ، الكترونيك قدرت و عناصر آنها خود كتاب مستقلي مي خواهد ولي كمي آشنايي با آنها در فهم كاربردهاي موتورهاي جديد بسيار لازم است .
عناصر الكترونيك قدرت
در مدارهاي كنترل موتور چند نوع وسيله نيمه هادي عمده مورد استفاده قرار مي گيرد . مهمترين اينها عبارت اند از :
ديود
تريستور دو سيمه (يا ديود PNPN)
تريستور سه سيمه ( يكسوز ساز كنترل شده سيليسيومي SCR)
تريستور باگيت خاموش كن (GTO )
داياك
ترياك
ترانزيستور قدرت (PTR )
ترانزيستور دو قطبي باگيت مجزا شده (IGBT )
ديود
ديود يك عنصر نيمه هادي است كه براي عبور جريان در يك جهت طراحي شده است . نماد اين عنصر در شكل نشان داده شده است . ديود طوري طراحي شده كه جريان را از آند به كاتد بگذارند ولي در جهت عكس نه .
مشخصه ولتاژ جريان ديود در شكل زير نشان داده شده است . با اعمال يك ولتاژ مستقيم به ديود جريان بزرگي از آن مي گذرد . ولي اگر ولتاژ در جهت معكوس به آن اعمال شود . جريان گذرنده بسيار كوچك خواهد بود ( در رده ميكروآمپر يا كمتر) . اگر ولتاژ معكوس اعمالي به حد كافي بزرگ باشد ، سرانجام ديود مي شكند و اجازه مي دهد كه جريان در جهت عكس هم بگذرد . اين سه ناحيه كاري ديود روي منحني مشخصه شكل زير نشان داده شده است .
ديودها با توجه به مقدار تواني كه مي تواند مصرف كنند و ماكزيمم ولتاژ معكوسي كه مي توانند بدون شكستن تحمل كنند دسته بندي مي شوند . تواني كه ديود در هنگام عمل در جهت مستقيم مصرف مي كند ، با حاصلضرب افت ولتاژ مستقيم روي آن و جرياني كه از ديود مي گذرد برابر ست . اين توان بايد محدود شود تا ديود بيش از حد گرم نشود . ماكزيمم ولتاژ معكوس ديود با عبارت ولتاژ معكوس ماكزيمم (PIV ) مشخص مي شود . اين مقدار بايد آنقدر بزرگ باشد كه ديود هنگام كار نشكند و در جهت معكوس جريان نگذراند .
ديودها را از لحاظ زمان قطع و وصل نيز دسته بندي مي كنند ، منظور مقدار زماني است كه طول مي كشد تا ديود از حالت روشن به حالت قطع برود و بر عكس . چون ديودهاي قدرتي بزرگ هستند ، و بار زيادي در پيوند عناصر توان بالا ذخيره مي شود ، بسيار كندتر
از ديودهايي كه در مدارهاي الكترونيكي معمولي يافت مي شود تغيير حالت مي دهند تمام ديودهاي قدرتي اساساً آنقدر سريع هستند كه بتوان در مدارهاي Hz 50 يا Hz 60 به عنوان يكسو كننده به كارشان برد . ولي در بعضي كاربردها مثل مدولاسيون عرض پالس (PWM ) بايد ديودهايي به كاربرد كه بتوانند با آهنگي سريعتر از Hz 10000 تغيير حالت دهند . براي اين كاربردهاي سويچينگ سريع دييودهاي خاصي موسوم به ديودهاي با بازيابي سريع به كار مي رود .
تريستور دو سيمه يا ديود PNPN
تريستور نامي است كه به خانواده اي از عناصر نيمه هادي متشكل از چهار لايه نيمه هادي داده است . تريستور دو سيمه ، كه ديود PNPN يا ديود تريگر شونده هم خوانده مي شود يكي از اعضاي اين خانواده است . نام اين عنصر در استاندارد IEEE براي نمادهاي ترسيمي تريستور ديودي با سد كردن معكوس است . نماد اين عنصر در شكل زير به چشم مي خورد .
ديود PNPN يك يكسوساز يا ديودست كه مشخصه ولتاژ – جرياني غيرعادي در ناحيه باياس مستقيم دارد . مشخصه ولتاژ – جريان آن در شكل زير به چشم مي خورد . منحني مشخصه از سه ناحيه تشكيل مي شود .
ناحيه سد كردن معكوس
ناحيه سدكردن مستقيم
ناحيه هدايت
در ناحيه سدكردن معكوس ، ديود PNPN مل يك ديود معمولي عمل كرده ، جلوي عبور جريان را مي گيرد ، مگر اينكه ولتاژ معكوس از ولتاژ شكست معكوس بگذرد . در ناحيه هدايت باز هم ديود PNPN مثل يك ديود معمولي عمل مي كند و به ازاي يك افت ولتاژ كوچك اجازه عبور جريان بزرگي را مي دهد . اين ناحيه سد كردن مستقيم است كه باعث تمييز يك ديود PNPN از يك ديود معمولي مي شود .
وقتي ديود PNPN در، باياس مستقيم قرار مي گيرد از آن جرياني نمي گذرد ، مگر اينكه ولتاژ مستقيم روي ديود از مقدار خاصي موسوم به ولتاژ شكست VBO بگذرد. وقتي ولتاژ مستقيم روي ديود PNPN از VBO فراتر مي رود ، ديود روشن مي شود و روشن مي
ماند مگر اينكه جرياني كه از آن مي گذرد از يك مقدار مي نيمم مشخص (نوعاٌ چند ميلي آمپر) پايين تر بيايد . اگر جريان از اين مقدار مي نيمم ( كه جريان نگهداري IH ناميده مي شود) كمتر شود ، ديود PNPN خاموش شده و ديگر هدايت نمي كند ، تا اينكه دوباره ولتاژ روي آن از VBO بگذرد .
خلاصه اينكه ديود PNPN
وقتي روشن مي شود كه ولتاژ اعمالي Vo ازVBO بگذرد.
وقتي خاموش مي شود كه جريان Id آن از IH كمتر شود .
نمي گذارد كه در جهت معكوس از آن جريان بگذرد مگر اينكه ولتاژ اعمال شده به آن از ولتاژ معكوس ماكزيمم بيشتر شود .
تريستور سه سيمه يا SCR
مهمترين عنصر خانواده تريستورها سه سيمه است كه با نام يكسوساز كنترل شده سيايسيوسي يا SCR نيز شناخته مي شود . اين عنصر توسط شركت جنرال الكتريك در سال 1958 شناخته شد و SCR نام گرفت . نام تريستور بعدا توسط كميسيون بين المللي الكتروتكنيك ( IEC ) به آن داده شد . نماد تريستور سه سيمه يا SCR در شكل زير نشان داده شده است .
SCR همانطور كه از نامش پيداست يك يكسوساز يا ديودكنترل شده است . مشخصه ولتاژ – جريان آن در صورت باز بودن گيت درست مانند ديود PNPN است .
چيزي كه SCR را براي كاربردهاي كنترل موتور مفيد مي سازد اين است كه ولتاژ روشن شدن يا شكست آن را مي توان با جرياني كه از گيت آن مي گذرد كنترل كرد . هر چه اين جريان بزرگتر باشد Vbo كوچكتر مي شود ( شكل را ببينيد ) .
اگر SCR انتخاب شده داراي ولتاژ روشن شدن بزرگي باشد به نحوي كه در صورت باز بودن گيت آن بزرگترين ولتاژ مدار هم نتواند آن را روشن كند تنها در صورتي روشن خواهد شد كه جرياني از گيت آن بگذرد . وقتي SCR روشن مي ماند تا اينكه جريانش از حد خاصي با مقدار Ih كمتر مي شود . بنابراين مي توان پس از روشن شدن SCR جريان گيت آن را برداشت بدون اينكه اثري بر كار آن گذاشته شود . در حالت روشن افت ولتاژ مستقيم روي SCR حدود 2/1 تا 5/1 برابر افت ولتاژ روي يك ديود معمولي در باياس مستقيم است .
تريستور سه سيمه يا SCR متداولترين عنصر در مدارهاي كنترل قدرتي است . از اينها در كاربردهاي يكسوسازي يا سويچينگ بسيار استفاده مي شود . و در محدوده هاي مجاز از چند آمپر تا حدود A 3000 موجودند .
خلاصه اينكه يك SCR
وقتي روشن مي شود كه ولتاژ VD اعمال شده به آن از VBO بگذرد .
ولتاژ روشن شدن VBO آن توسط جريان گيت Ig كنترل مي شود .
وقتي خاموش مي شود كه جريان آن Id از مقدار IH كمتر شود .
در باياس معكوس اجازه نمي دهد جرياني عبور كند مگر اينكه ولتاژ معكوس از ولتاژ شكست معكوس بگذرد .
تريستور با گيت خاموش كن
تريستور با گيت خاموش كن ( GTO ) تحول جديدي در تريستورهاست . تريستور GTO نوعي SCR است كه مي توان آن را با اعمال يك پالس منفي به حد كافي بزرگ به گيت خاموش كرد . حتي در موقعي كه Id ازiH بزرگترست . گرچه ترييستورهاي GTO از 1960 به اين طرف وجود داشته اند ولي تنها در اواخر دهه 1970 براي كاربردهاي كنترل موتور جنبه عملي پيدا كردند . اين عناصر در بسته هاي كنترل موتور متداولتر شده اند زيرا ديگر براي خاموش كردن SCR در مدارهاي dc به عناصر اضافي احتياجي نخواهد بود . نماد تريستور GTO در شكل نشان داده شده است .
شكل بالا يك شكل موج نوعي جريان براي تريستور GTO توان بالا را نشان مي دهد . تريستور GTO نوعا براي روشن شدن نسبت به SCR معمولي جريان گيت بزرگتري مي خواهد . براي عناصر توان بالاي بزرگ جريان گيت در رده A 10 يا بيشتر است . براي خاموش كردن عنصر يك پالس جريان منفي بزرگ با عرض s 20 تا s 30 لازم است . اندازه پالس جريان منفي بايد يك چهارم تا يك ششم جرياني كه از عنصر مي گذرد باشد .
داياك
داياك عنصري با 5 لايه نيمه هادي ( PNPNP ) است كه مانند دو ديود PNPN كه پشت به پشت به هم وصل شده باشند عمل مي كند . داياك مي تواند در هر دو جهت هدايت كند به شرط اينكه ولتاژ روي آن از ولتاژ روشن شدن بگذرد . نماد داياك در شكل زير و مشخصه ولتاژ- جريان آن هم در شكل زير نشان داده شده است . داياك در هر دو جهت روشن مي
شود به شرطي كه ولتاژ اعمال شده از VBO بگذرد. وقتي داياك روشن شد روشن مي ماند تا اينكه جريانش از IH پايينتر بيايد .
ترياك
ترياك مانند دو SCRپشت به پشت بسته شده عمل مي كند و يك گيت مشترك دارد . اين عنصر مي تواند در هر دو جهت هدايت كند ، به شرطي كه ولتاژ شكست بگذرد . نماد ترياك در شكل زير و منحني مشخصه ولتاژ جريان آن در شكل نشان داده شده است . ولتاژ روشن شدن ترياك هم درست مانند SCRبا افزايش جريان گيت كم مي شود با اين تفاوت كه ترياك هم به پالسهاي مثبت و هم به پالسهاي منفي اعمال شده به گيتش پاسخ مي دهد . وقتي ترياك روشن مي ماند مگر اينكه جريانش از IH كمتر شود .
چون ترياك مي تواند در هر دو جهت هدايت كند در بسياري از كاربردهاي كنترل ac مي توان آن را به جاي دو SCR پشت به پشت به كار برد . ولي سرعت روشن و خاموش شدن ترياكها عموما كمتر از SCR است و قابليت تواني كمتري نيز دارند . به همين خاطر كاربرد آنها عمدتا به مدارهاي توان پايين يا متوسط HZ50 تا HZ 60 مثل مدارهاي روشنايي محدود مي شود .

فایل : 30 صفحه

فرمت : Word