T-1 OSNOVNE SKLOPKE I SKLOPOVIENERGETSKE ELEKTRONIKE

1. OSNOVNE SKLOPKE

1.1. SVOJSTVA IDEALNE SKLOPKE

Sklopovi i uređaji energetske elektronike obavljaju pretvorbu parametara električne energije uz visok stupanj korisnog djelovanja. Da bi to bilo moguće, potrebno je da poluvodički ventili koje se kao sklopke koriste u energetskoj elektronici imaju svojstva što bliža svojstvima idealne sklopke. Idealna sklopka trebala bi imati sljedeća svojstva:

a) Treba izdržati proizvoljno visok napon u zapornom i propusnom smjeru uz struju sklopke jednaku nuli kada je u isklopljenom stanju (engl. OFF). Ovo svojstvo odgovara beskonačno velikom otporu sklopke u isklopljenom stanju (ROFF = ).

b) Treba moći voditi proizvoljno veliku struju uz pad napona jednak nuli u uklopljenom stanju. Ovo svojstvo odgovara otporu u stanju vođenja jednakom nuli (RON = 0). Bilo bi zgodno da sklopka vodi struju u oba smjera, ali poluvodičke sklopke vode struju uglavnom samo u jednom, propusnom smjeru, a ne vode struju u onom drugom, zapornom smjeru.

c) Prelazak iz isklopljenog stanja u uklopljeno i obratno, trebao bi biti trenutan, odmah po dolasku upravljačkog impulsa.

d) Upravljački krug sklopke trebao bi imati zanemarivo male gubitke, tj. snaga koja se zahtijeva za upravljanje sklopkom treba biti zanemarivo mala.

Stvarni učinski poluvodički ventili naravno nemaju svojstva idealne sklopke, ali se, ukoliko poznajemo njihova svojstva, mogu koristiti kao sklopke u sklopovima i uređajima energetske elektronike. Slika 1. prikazuje idealizirane i linearizirane strujno-naponske odnose na osnovnoj poluvodičkoj sklopki tijekom uklapanja, vođenja, isklapanja i nevođenja. Prikazani valni oblici mogu nam pomoći u razumijevanju rada sklopke i definiranju osnovnih pojmova.

Promatrani sklop sa slike 1. prikazuje uobičajenu situaciju u energetskoj elektronici, struja strujnog izvora Io, nadomještava induktivno trošilo. Prikazana dioda je idealna, što je daleko od istine i u praksi može prouzročiti dodatna naprezanja poluvodičke sklopke.

Kada je sklopka uklopljena (ON), struja trošila Io teče kroz sklopku i dioda je zaporno polarizirana. Kada sklopka isklopi (OFF), struja trošila Io teče kroz diodu, te se napon jednak ulaznom naponu Vd pojavljuje na sklopki. Pretpostavlja se da sklopka uklapa i isklapa upravljana periodičkim upravljačkim signalom sklopne frekvencije fS = 1/TS. TS je sklopna perioda (engl. switching time period).

Analizirajmo valne oblike. Nakon što je sklopka bila isklopljena, uklapa se pomoću pozitivnog upravljačkog signala. No struja kroz sklopku ne počinje rasti trenutno, već nakon vremena zatezanja uklapanja td(on) (engl. delay time), nakon kojeg slijedi vrijeme porasta struje tri (engl. current rise time). Idealna dioda još uvijek je u stanju vođenja i na njoj je pad napona jednak nuli. Tek nakon što je struja sklopke narasla na vrijednost Io, idealna dioda postaje zaporno polarizirana, a napon na sklopki nakon vremena pada napona tfv (engl. voltage fall time) pada na malu vrijednost napona u stanju vođenja Von

(engl. on-state voltage). Iz slike je uočljivo da su tijekom uklapanja sklopke (interval tc(on)

= tri + tfv) na sklopki prisutni i napon i struja različiti od nule. Energija disipirana na sklopki tijekom uklapanja može se aproksimirati pomoću izraza

Wc(on) = 0,5 VdIotc(on)

Slika 1. Idealizirani valni oblici tijekom rada sklopke: a) pojednostavnjeni induktivni sklop s porednom diodom, b) valni oblici struje i napona sklopke (vT, iT), c) valni oblik trenutnih gubitaka na sklopki pT .

Sada je sklopka potpuno uklopljena, pad napona u stanju vođenja Von je reda veličine 1 V i ovisi o tipu poluvodičke sklopke, a sklopka vodi struju Io tijekom uklopljenog stanja (interval ton). U načelu je uklopljeno stanje mnogo duže od vremena uklapanja ili isklapanja. Energija disipirana u stanju vođenja može se aproksimirati pomoću izraza

Won = Von Ioton

Da bi se sklopka isklopila potrebno je na njen upravljački priključak dovesti negativni signal. Početak porasta napona na sklopki kasni za upravljačkim signalom za vrijeme zatezanja isklapanja td(off) , a napon naraste na svoju konačnu vrijednost nakon nakon vremena porasta napona trv (engl. voltage rise time). Nakon što napon na sklopki dosegne svoju konačnu vrijednost Vd, idealna dioda postaje propusno polarizirana i

počinje voditi struju, te se struja sklopke počinje smanjivati. Struja sklopke pada na nulu nakon vremena pada struje tfi (engl. current fall time). Iz slike je uočljivo da su tijekom isklapanja sklopke (interval tc(off) = trv + tfi) na sklopki prisutni i napon i struja različiti od nule. Energija disipirana na sklopki tijekom isklapanja može se aproksimirati pomoću izraza

Wc(off) = 0,5 VdIotc(off)

Iz valnog oblika trenutnih gubitaka na sklopki uočava se da se veliki gubici javljaju tijekom uklapanja i isklapanja sklopke i to fS puta u jednoj sekundi. Stoga se srednja vrijednost sklopnih gubitaka na poluvodičkoj sklopki može aproksimirati izrazom

PS = 0,5 VdIo fS(tc(on) + tc(off) )

Sklopni gubici su proporcionalni sklopnoj frekvenciji i vremenima uklapanja i isklapanja. Slijedi važan zaključak; ukoliko se upotrijebe poluvodičke sklopke s malim sklopnim vremenima, sklop može raditi na visokim frekvencijama uz jednake sklopne gubitke.

Gubici vođenja mogu se aproksimirati izrazom

Pon = VonIoton / TS

iz kojeg je uočljivo da pad napona u stanju vođenja sklopke bitno utječe na gubitke vođenja sklopke. Stoga treba odabirati poluvodičke sklopke sa što manjim padom napona u stanju vođenja.

Ponovo je potrebno napomenuti da valni oblici prikazani na slici 1. predstavljaju idealizaciju sa slučaj trošila nadomještenog strujnim izvorom. Za ostale tipove trošila valni oblici struje i napona sklopke tijekom sklapanja (zajednički naziv za uklapanje i isklapanje) razlikuju se od prikazanih, ali definicije pojmova vrijede, kao i načelo izračunavanja gubitaka. Potrebno je samo prilagoditi izraze.

1.2. OSNOVNI TIPOVI POLUVODIČKIH VENTILA

Postoji cijelo mnoštvo poluvodičkih ventila koje se u većoj ili manjoj mjeri koriste u sklopovima i uređajima energetske elektronike. Na osnovni način, učinski poluvodički ventili mogu se podijeliti u 3 skupine:

a) neupravljivi ventili ili diode,b) regenerativni bipolarne ventili (poluupravljivi), tipa tiristor,c) upravljivi ventili tipa tranzistor , čiji su glavni predstavnici bipolarni tranzistor (BJT),

MOS tranzistor (MOSFET) i IGBT.

Za svaku od spomenutih skupina ventila slijedi prikaz temeljnih svojstava i karakteristika.

1.2.1. Diode

Slika 2. prikazuje simbol diode, te njezinu realnu i idealiziranu ui karakteristiku. Priključci diode nazivaju se anoda (A) i katoda (K). Dioda vodi kada je njena anoda pozitivnija od katode (vAK>0), a zapire kada je anoda negativnija od katode (vAK<0). U stanju zapiranja može izdržati određeni zaporni napon, manji od probojnog napona. U

stanju vođenja, na diodi je pad napona približno jednak 1 V. Za diodu je svojstven problem isklapanja, kada se javlja struja oporavljanja (engl. reverse recovery current), koja može uzrokovati velike probleme u stvarnom radu sklopa. Primjerice ukoliko su na sklopu prisutni rasipni induktiviteti, zbog struje oporavljanja diode mogu se javiti veliki prenaponi na ostalim komponentama sklopa.

Slika 2. Dioda: a) simbol, b) realna i c) idealizirana ui karakteristika

1.2.2. Tiristori

Slika 3. prikazuje simbol klasičnog tiristora, te njegovu realnu i idealiziranu ui karakteristiku. Proključci tiristora nazivaju se anoda (A), katoda (K) i geit (G) ili upravljačka elektroda.

Slika 3. Tiristor: a) simbol, b) realna i c) idealizirana ui karakteristika

Poput diode i tiristor u zapornom smjeru (potencijal anode manji od potencijala katode, vAK<0) ne vodi struju (osim male zaporne struje) i može preuzeti zaporni napon iznosa manjeg od probojnog. Za razliku od diode, u propusnom smjeru (potencijal anode veći od potencijala katode, vAK>0) tiristor može preuzeti blokirni napon manji od probojnog ukoliko na geitu nema pozitivnog napona. U stanju blokiranja tiristor ne vodi struju. Ukoliko se tiristoru na geit dovede pozitivni napon (strujni impuls) odgovarajućih karakteristika, nakon regenerativnog procesa uklapanja, tiristor iz stanja blokiranja prelazi

u stanje vođenja u kojem je na njemu pad napona tipičnog iznosa 1-3 V. Jednom kad tiristor provede (struja tiristora mora biti veća od struje prihvaćanja IL - latching current), upravljački impuls se može i ukloniti, a tiristor ostaje u samoodržavajućem stanju vođenja. Sada se tiristor ponaša kao dioda, ne može se isklopiti drugim strujnim impulsom na geitu. Tiristor isklapa tek kada mu struja padne na nulu, točnije rečeno ispod struje držanja IH

(engl. holding current).Slika 4. prikazuje važan parametar tiristora, kojem treba posvetiti pažnju prilikom

projektiranja. Poput diode, i struja tiristora tijekom isklapanja poprima izvjesno vrijeme negativnu vrijednost (struja oporavljanja) prije no što se vrati na nulu nakon vremena trr. No kod tiristora je važniji parametar vrijeme oporavljanja tq (engl. turn-off time). To je vrijeme koje treba proći od prolaska struje tiristora kroz nulu do ponovnog preuzimanja blokirnog napona tiristora. Ukoliko se blokirni napon pojavi na tiristoru prije isteka vremena oporavljanja, može doći do neželjenog uklapanja i uništenja tiristora. Kataloški definirano vrijeme oporavljanja tiristora razlikujemo od sklopovski definiranog vremena odmaranja todm, tijekom kojeg je na tiristoru zaporni napon, vAK<0. Vrijeme odmaranja mora biti veće ili jednako od vremena oporavljanja tiristora, todm tq .

Slika 4. Prikaz pojava tijekom isklapanja tiristora

Posebna vrsta tiristora koja pripada skupini regenerativnih sklopki tipa tiristor, ali po upravljivosti pripada potpuno upravljivim sklopkama (poput tranzistora) jest geitom isklopivi tiristor, poznat po kratici GTO (engl. gate turn-off thyristor). Slika 5. prikazuje simbol, te realnu i idealiziranu ui karakteristiku geitom isklopivog tiristora.Poput klasičnog tiristora i GTO se iz stanja blokiranja dovodi u stanje vođenja kratkim pozitivnim impulsom struje geita iG i ostaje u stanju vođenja bez daljnjeg prisustva struje geita. No za razliku od klasičnog tiristora, GTO se može isklopiti pomoću kratkotrajnog (nekoliko s) ali snažnog negativnog strujnog impulsa struje geita. Amplituda negativnog strujnog impulsa tipično iznosi 1/3 struje koja se isklapa. Sklop za generiranje upravljačkih impulsa GTO tiristora dosta je složen, a složena je i zaštita GTO tiristora. Vremena uklapanja i isklapanja GTO tiristora veća su no kod klasičnog tiristora (od nekoliko do 25 s). Zbog svoje velike naponske i strujne opteretivosti (4,5 kV / nekoliko kA) GTO tiristor se koristi gotovo isključivo u uređajima koji rade pri visokim naponima i velikim strujama u frekvencijskom području od nekoliko stotina Hz do 10 kHz.

Slika 5. Geitom isklopivi tiristor: a) simbol, b) realna i c) idealizirana ui karakteristika

1.2.3. Tranzistori

Tranzistori su potpuno upravljive sklopke. Pomoću impulsa na upravljačkoj elektrodi mogu se uklopiti i isklopiti. Mogu voditi struju samo u jednom smjeru, a kada ne vode opteretivi su samo jednim polaritetom napona (blokirnim). Glavni predstavnici skupine tranzistora su bipolarni tranzistor (BJT), MOSFET i IGBT. Danas BJT sve više gubi na važnosti, dok IGBT postaje glavna poluvodička sklopna komponenta.

1.2.3.1. Bipolarni tranzistor (BJT)

Slika 6. prikazuje simbol, realne i idealizirane ui karakteristike bipolarnog tranzistora. Priključci BJT-a nazivaju se baza (B), emiter (E) i kolektor (C). BJT je strujno upravljana komponenta, te je za dovođenje BJT-a u željenu radnu točku u području zasićenja potrebno na priključak baze dovesti trajnu struju baze iB odgovarajućeg iznosa. U zasićenju, koje je normalno radno područje BJT-a u energetskoj elektronici, pad napona u stanju vođenja iznosi VCE(sat) = 1-2 V. Vremena uklapanja i isklapanja su u području od nekoliko stotina ns do nekoliko s. Kod isklapanja treba uzeti u obzir i tzv. vrijeme uskladištenja (engl. storage time).

Slika 6. Bipolarni tranzistor: a) simbol, b) realne i c) idealizirane ui karakteristike

1.2.3.2. MOSFET

Slika 7. prikazuje simbol, realne i idealizirane ui karakteristike MOSFET-a (učinskog tranzistora s efektom polja). Priključci MOSFET-a nazivaju se geit ili upravljačka elektroda (G), uvod (source, S) i odvod (drain, D). MOSFET je naponski upravljana komponenta. Za uklapanje MOSFET-a (n-kanalnog) potrebno je trajno na upravljačku elektrodu (geit) dovesti pozitivni napon VGS iznosa većeg od napona praga VGS(th). Budući da je geit MOSFET-a kapacitivnog karaktera, potrošnja upravljačkog kruga MOSFET-a je minimalna. Sklopna vremena MOSFET-a su vrlo kratka, u rasponu od nekoliko desetaka ns do nekoliko stotina ns. MOSFET je znatno brža komponenta od BJT-a i može raditi na višim sklopnim frekvencijama. U stanju vođenja MOSFET se ponaša kao otpornik vrijednosti RDS(on). Nedostatak MOSFET-a je da komponente veće naponske klase (>200 V) imaju veću vrijednost otpora u stanju vođenja, a time i povećane gubitke pri većim strujama.

Slika 7. MOSFET: a) simbol, b) realne i c) idealizirane ui karakteristike

1.2.3.3. IGBT

Slika 8. prikazuje simbole, realne i idealizirane ui karakteristike IGBT-a (bipolarnog tranzistora s izoliranom upravljačkom elektrodom). Priključci IGBT-a nazivaju se geit ili upravljačka elektroda (G), emiter (E) i kolektor (C). Postoji i drugi simbol za IGBT uz odgovarajuće nazivlje za priključke (G, D, S). IGBT sjedinjuje neka dobra svojstva bipolarnog tranzistora i MOSFET-a. Upravljački krug IGBT-a je kao kod MOSFET-a, dakle upravljanje je naponsko, gotovo bez gubitaka. Zbog bipolarnog mehanizma vođenja IGBT, poput BJT-a, ima nizak pad napona u stanju vođenja (Von = VCES = 2-3 V kod 1000 V naponske klase), znatno manji od MOSFET-a iste naponske klase. IGBT ima vremena sklapanja reda oko 1 s, a komercijalno je dosegnuta naponska klasa 3 kV i strujna klasa 1700 A. Ovisno o tehnološkoj izvedbi, IGBT može poput GTO-a preuzeti i određeni zaporni napon, za razliku od ostalih sklopki tipa tranzistor.

Slika 8. IGBT: a) simboli, b) realne i c) idealizirane ui karakteristike

2. OSNOVNI SKLOPOVI

U većini primjena uređaja energetske elektronike, potrebno je najprije ulazni izmjenični sinusni napon frekvencije 50/60 Hz pretvoriti u istosmjeni napon. Najjednostavniji sklop koji može obaviti tu funkciju je poluvalni diodni ispravljač. Ukoliko se još želi dodati mogućnost upravljanja ispravljenim naponom, umjesto diode upotrijebit će se tiristor, ostvarivši poluvalni tiristorski ispravljač. Navedeni sklopovi nemaju gotovo nikakvu praktičnu primjenu, ali je razumijevanje njihovog rada temelj razumijevanja rada znatno složenijih sklopova energetske elektronike. Budući da sklop s diodom radi jednako kao i sklop s tiristorom uz kut upravljanja jednak 0, može se smatrati samo posebnim slučajem poluvalnog tiristorskog ispravljača. Analizu rada poluvalnih ispravljača podijelit ćemo prema vrsti trošila. Trošilo može biti djelatno (Rd), induktivno (Rd, Ld), s protuelektromotornom silom (E) i s porednom diodom (engl. freewheeling diode).

2.1. POLUVALNI ISPRAVLJAČ UZ DJELATNO TROŠILO

Slika 9. prikazuje shemu poluvalnog diodnog ispravljača uz djelatno trošilo R i odgovarajuće valne oblike sklopa, napon izmjeničnog izvora vS, napon trošila vd, napon diode vD i struju trošila id. Slika 10. prikazuje shemu poluvalnog tiristorskog ispravljača i odgovarajuće valne oblike sklopa. Razlika u odnosu na diodni sklop je u činjenici da se početak vođenja tiristora može odgoditi za električki kut (vidi sliku) kojeg zovemo kut upravljanja. Kut upravljanja predstavlja kašnjenje trenutka uklapanja tiristora za trenutkom u kojem bi na mjestu tiristora uklopila dioda. Rad diodnog ispravljača identičan je radu tiristorskog ispravljača uz kut upravljanja = 0.

= 0 Dioda, odnosno tiristor, provede u trenutku pojave pozitivnog poluvala napona izmjeničnog izvora vS = 2 VS sin(t). Budući da je trošilo djelatno, struja trošila je proporcionalna naponu trošila. Dioda, odnosno tiristor, prestaju voditi padom napona vS na

nulu, zbog pada struje trošila na nulu. Jednostavno se može izračunati izraz za srednju vrijednost napona na trošilu Vdi0

V v d t V t d t V Vdi d

t t

S S S0

0

2

0

1

2

1

22

20 45

( ) sin( ) ( ) ,

Trenutna vrijednost struje trošila prema Ohmovom zakonu je id = vd / R, pa je srednja vrijednost struje trošila jednaka Id = Vdi0 / R.

0 Kod tiristorskog ispravljača, ukoliko je kut upravljanja različit od nule, vođenje tiristora ne počinje s pojavom pozitivnog poluvala izmjeničnog izvora, već nakon dolaska strujnog impulsa iG na geit tiristora, uz pozitivan (blokirni) napon na tiristoru vAK. Sve do dolaska okidnog impulsa na tiristoru je pozitivan napon jednak naponu izmjeničnog izvora, a na trošilu je napon jednak nuli. Nakon uklapanja tiristora, na tiristoru je napon jednak nuli, a napon izmjeničnog izvora pojavljuje se na trošilu. Tiristor isklapa i preuzima negativni (zaporni) napon jednak naponu izvora nakon što mu struja padne na nulu, a to se dešava pri prolasku napona izvora kroz nulu ka negativnim vrijednostima. Zaključujemo da se promjenom kuta upravljanja može mijenjati srednja vrijednost napona trošila, a prema tome i struje trošila. Jednostavno se može izvesti izraz za srednju vrijednost napon trošila kao ovisnost o kutu upravljanja, koji se još naziva i upravljačka karakteristika, Vd = f().

V V t d t Vdi

t

S di

2

1

21 0sin( ) ( ) ( cos )

Slika 9. Poluvalni diodni ispravljač i karakteristični valni oblici uz djelatno trošilo

Slika 10. Poluvalni tiristorski ispravljač i karakteristični valni oblici uz djelatno trošilo

2.2. POLUVALNI ISPRAVLJAČ UZ INDUKTIVNO TROŠILO

Induktivno trošilo (serijski spoj otpornika R i prigušnice L) najčešći je tip trošila u energetskoj elektronici. Unošenje prigušnice u krug trošila dovodi do bitnih promjena u radu sklopa u odnosu na djelatno trošilo. Slika 11. opisuje poluvalni diodni ispravljač uz induktivno trošilo, dok slika 12. opisuje poluvalni tiristorski ispravljač uz induktivno trošilo.

= 0 Kao i kod djelatnog trošila, vođenje diode (tiristora) počinje u trenutku kada napon izmjeničnog izvora postane pozitivan. Vrijedi diferencijalna jednadžba

v Ri Ldi

dtS

koja ima homogeno (prirodno) i partikularno (prisilno) rješenje (vidi udžbenik, pogl. 3.2.2.)

iV

Zt Aed

SRt

L

2sin( )

gdje je Z R L 2 2( )

tan ( )1 L

R

AV

Z

V L

ZS S

2 22

sin

Iz slike je vidljivo da vođenje diode (tiristora) ne prestaje s padom napona izmjeničnog izvora na nulu, već struja trošila i dalje teče, iako je napon izvora negativan! Ova je činjenica na prvi pogled čudna (kako ventil vodi struju a napon je negativan ??), ali nakon razmišljanja potpuno razumljiva. Prigušnica ima svojstvo akumuliranja energije, te je u trenutku t2, kada napon izvora pada na nulu, u prigušnici akumulirana energija određena strujom id(t2) koja teče kroz prigušnicu prema prije izvedenom izrazu. Budući da dioda (tiristor) isklapa tek kada struja kroz nju padne na nulu, to će struja trošila teći sve do trenutka t3. Što je prigušnica L većeg induktiviteta (veća vremenska konstanta) to će struja trošila dulje teći, ali najdulje do kraja periode napona izmjeničnog izvora. Trenutak prestanka vođenja struje trošila t3 mora se izračunati iterativnim postupkom ili simulacijom, jer se radi o transcedentnoj jednadžbi.

0 Kod tiristorskog ispravljača, odgađa se početak vođenja tiristora za kut upravljanja . Struja trošila ne teče sve dok tiristor ne provede. Kada tiristor provede,

vrijedi ista diferencijalna jednadžba kao i kod diodnog ispravljača, uz promijenjen početni trenutak vođenja t = . Nakon matematičkog postupka dobiva se rješenje za struju trošila

iV

Zt ed

SR

Lt

2

sin( ) sin( )( )

koje vrijedi za t .

Slika 11. Poluvalni diodni ispravljač i karakteristični valni oblici uz induktivno trošilo

Poseban slučaj slučaj induktivnog trošila je čisto induktivno trošilo (R=0). Tada je valni oblik struje trošila id simetričan oko njene vršne vrijednosti i struja trošila teče cijelu periodu izmjeničnog napona ukoliko je sklop bez gubitaka i kut upravljanja jednak nuli. Vrijede slijedeći izrazi za struju trošila

iV

Ltd

S 2

2 2

sin( ) sin( ) za t ,

iV

Ltd

S 2

2 2

sin( ) sin( ) , odnosno

iV

Ltd

S 2

1

cos( ) , za = 0.

Slika 12. Poluvalni tiristorski ispravljač i karakteristični valni oblici uz induktivno trošilo

2.3. POLUVALNI ISPRAVLJAČ S POREDNOM DIODOM

U energetskoj elektronici se često paralelno induktivnom trošilu spaja tzv. poredna dioda. Uloga poredne diode je da osigura put struji trošila u trenucima kada su sklopke pretvarača isključene. Slika 13. prikazuje poluvalni diodni ispravljač s porednom diodom i karakteristične valne oblike napona i struje trošila.

Slika 13. Poluvalni diodni ispravljač s induktivnim trošilom i porednom diodom

Svi dosad prikazani poluvalni ispravljači imali su isprekidanu struju trošila (osim graničnog slučaja čisto induktivnog trošila kod idealnog diodnog ispravljača). Poredna dioda spojena paralelno induktivnom trošilu osigurava neisprekidanu (kontinuiranu) struju trošila id, što je uočljivo sa slike 13.

Rad sklopa s porednom diodom može se podijeliti u 2 faze. U prvoj fazi vodi dioda D1, napon na trošilu jednak je naponu izmjeničnog izvora i struja trošila raste, a vrijedi jednadžba kruga

v Ri Ldi

dtS dIdI

Prva faza traje od trenutka t = 0 (ukoliko je ventil tiristor t = ) do t = . Kada napon izmjeničnog izvora postane jednak nuli padajući prema negativnim vrijednostima, prestane voditi dioda D1, a počinje voditi poredna dioda D2 (vidi metodu pretpostavljenih stanja u udžbeniku). Struja induktivnog trošila id zatvara se dakle preko poredne diode D2 i pada, a vrijedi jednadžba kruga

0 Ri Ldi

dtdIIdII

Tijekom vođenja poredne diode, napon na trošilu jednak je nuli, a struja trošila, premda neisprekidana, ne teče kroz izmjenični izvor, već kroz porednu diodu. Ovo svojstvo sklopa

s porednom diodom vrlo je važno kod složenijih ispravljačkih spojeva. Ukoliko je vremenska konstanta induktivnog trošila znatno veća od periode naponskog izvora (L/R >> T) , valovitost struje trošila id postaje malena, a srednja vrijednost struje trošila određena je srednjom vrijednosti napona na trošilu i djelatnim otporom.

Id = Vd/R

U ustaljenom stanju sklopa, srednja vrijednost struje trošila ne ovisi o induktivitetu prigušnice, već samo o djelatnom otporu R. Ova činjenica vrijedi bez obzira da li je poluvodički ventil upotrebljen u sklopu dioda ili tiristor.

Izvod za analitičke izraze struje trošila tijekom faza I i II sklopa nešto je složeniji, a rezultat su izrazi

iV

Zt i

V

ZedI

SdI

St

R

L

2 2sin( ) ( ) sin( )

( )

i i edII dI

R

L

( )( )

Izvedeni izrazi vrijede i za diodni ( = 0) i za tiristorski sklop.

2.4. POLUVALNI ISPRAVLJAČ S NAPONSKIM IZVOROM U KRUGU TROŠILA

U energetskoj elektronici čest je slučaj da se u krugu trošila nalazi naponski izvor (protuelektromotorna sila). To primjerice može biti akumulatorska baterija ili pak inducirani napon istosmjernog stroja. Slika 14. ilustrira rad diodnog, a slika 15. rad tiristorskog poluvalnog ispravljača uz induktivno trošilo i naponski izvor u krugu trošila. Analizirajmo valne oblike na slici 14.

Uz prisustvo naponskog izvora Ed, dioda ne provede u t = 0 već u trenutku t1, a to je kada potencijal anode diode postane veći od potencijala katode. Kada bi napon Ed bio veći od vršne vrijednosti napona naponskog izvora, dioda nikada ne bi ni provela. Uz djelatno trošilo, dioda vodi struju trošila sve dok napon vS ponovo ne postane manji od Ed. U slučaju induktivnog trošila, kao što je to prikazano na slici 14, vođenje diode traje do trenutka t3, sve dok se ne razgradi energija akumulirana u prigušnici tijekom intervala [ t1 - t2].

U slučaju tiristorskog sklopa, situacija je malo složenija. O početku vođenja tiristora ne odlučuje više samo kut upravljanja , već i napon naponskog izvora Ed u krugu trošila. Ukoliko je Ed u trenutku pojave okidnog impulsa tiristora manji od trenutne vrijednosti izmjeničnog napona vS(), tiristor će provesti, kao da naponskog izvora u krugu trošila nema, uz kut upravljanja . Ako je pak Ed u trenutku pojave okidnog impulsa tiristora veći od trenutne vrijednosti izmjeničnog napona vS(), tiristor neće provesti sve dok ne postane vS > Ed . Ukoliko je u međuvremenu nestao okidni impuls s geita tiristora, tiristor neće niti tada provesti. Tijekom vođenja tiristora, vrijedi diferencijalna jednadžba

2 V t E Ri Ldi

dtS dsin( )

čije rješenje ovisi o parametrima L/R i Ed/VS.Srednja vrijednost struje trošila Id sada je osim djelatnim otporom R, određena

naponom naponskog izvora u krugu trošila. Za vrijeme vođenja poluvodičkog ventila (diode ili tiristora) napon na trošilu jednak je naponu izmjeničnog izvora vS, a dok ventil ne vodi, napon na trošilu jednak je naponu Ed. Ukoliko se trajanje vođenja ventila označi s = 4 - 2 , tada je srednja vrijednost struje trošila jednaka

IV E

Rd

di d

2

Važno je zapamtiti da naponski izvor u krugu trošila utječe na trenutke uklapanja poluvodičkih ventila i utječe na srednju vrijednost struje trošila. Ukoliko je struja trošila isprekidana, napon Ed vidi se u valnom obliku napona na trošilu Vd, no ukoliko je struja trošila neisprekidana, napon Ed ne vidi se u valnom obliku napona na trošilu Vd , ali utječe na srednju vrijednost struje trošila.

Slika 14. Poluvalni diodni ispravljač s naponskim izvorom u krugu trošila

Slika 15. Poluvalni tiristorski ispravljač s naponskim izvorom u krugu trošila