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Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Benutzte Quellen
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Benutzte Bezeichnungen
Vorlesungen von Dr.-Ing. Vogelmann, Universität –
Karlsruhe
Vorlesungen von Dr.-Ing. Klos, Universität – Karlsruhe
Vorlesungen von Dr.-Ing. Crokol, Universität – Karlsruhe
Halbleiter Schaltungstechnik, Tietze u., Schenk Th.
http://www.elektronik-kompendium.de/sites
‰
Aufschrift der Thema, die zum ersten Mal erscheint
‰
Aufschrift der Thema, die schon bekannt ist
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Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Leistungselektronik
Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Grundbegriffe
Gleichrichter
Lernziel:
Lernziel
‰ Antworten auf folgende und ähnliche Fragen geben zu
können:
~
AC
~
DC
AC
¾
¾
¾
¾
¾
Was versteht man unter Kommutierung?
Welche Typen Umrichter gibt es?
Wie funktionieren die Gleichrichter?
Welche sind die Grundfunktionen der Spannungsregler?
Was sind die Steller und wozu kann man die benutzen?
WechselstromUmrichter
~
DC
GleichstromUmrichter
~
AC
~
~
AC
DC
(Steller)
DC
Wechselrichter
17_1.CDR ©ETI Vo
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Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Kommutierung
Pulsbreitenmodulation (Ohmsche Last)
Die Übergabe eines Stromes von einem Stromzweig auf einen anderen, wobei
während der Kommutierungsdauer beide Zweige Strom führen können.
L
D
Die Eingangsspannung wird mit Hilfe eines Schalters für die Zeit t1 an den Ausgang durchgeschaltet. Danach wird der Schalter für die Zeit T-t1 ausgeschaltet.
Nach dem abschalten des Transistors fließt der im Lastkreis
fließenden Strom in gleicher Richtung weiter. Er findet der Weg
über die Diode und klingt nach einer e-Funktion ab.
R
iL
T
T
ud = U d = =
UCE
1
t
⋅ ud dt = 1 ⋅ U E
T ∫0
T
IS S
U d ( eff ) =
IL
1
t
2
⋅ ud dt = 1 ⋅ U E
T ∫0
T
UE
IB
T
u (t)
d
Ud
iD
32 2 CDR
UE
T
Schalter (Transistor)
R,L Last (z.B. Relaisspule)
D
Freilaufdiode
ud
R
t1
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Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Leistungselektronik
‰
Gleichrichter
„
„
„
‰
‰
‰
Ungesteuerter Gleichrichter
Spannungsregler
Gesteuerter Gleichrichter
Steller
Wechselrichter
Wechselstromumrichter
T t
Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Gleichrichter
‰
‰
‰
‰
‰
Einweggleichrichter
Wechselstrom Mittelpunktschaltung
Brückengleichrichter
Ungesteuerter Gleichrichter (Diode)
Gesteuerter Gleichrichter
(Thyristor)
2
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Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Ungesteuerter Gleichrichter
Ungesteuerter Gleichrichter
Einweggleichrichter mit ohmscher Last
bei kleinen Leistungen
Mittelpunktschaltung
bei kleinen Spannungen
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Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Ungesteuerter Brückengleichrichter
Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Ungesteuerter Brückengleichrichter
T1
T3
T4
T2
Ohmsche Last
T1
T3
T4
T2
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Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Ungesteuerter Brückengleichrichter
Ungesteuerter Brückengleichrichter
Mittelwert der Ausgangsspannung bei ohmscher Last
un (t ) = 2 ⋅ U ⋅ sin ( ωt )
T
U di = ud =
=
1
2
⋅ ud (t )dt = ⋅
T ∫0
T
2 2 ⋅U
⋅
T
Ohmsch-induktive Last
T /2
∫ u (t )dt =
n
0
T /2
∫ sin ( ωt ) dt =
0
T /2
2 2 ⋅U
=
⋅ ⎣⎡ − cos ( ωt ) ⎦⎤ 0 =
ωT
2 2 ⋅U
2 2 ⋅U
=
⋅2 =
= 0,9 ⋅ U
π
2π
Ideelle Gleichspannung
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Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
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Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Ungesteuerter Brückengleichrichter
Ungesteuerter Brückengleichrichter
L = 1 mH
L = 10 mH
R = 10 Ω
R = 10 Ω
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Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Ungesteuerter Brückengleichrichter
Ungesteuerter Brückengleichrichter
Ohmsche Last mit Ladekondensator
L = 100 mH
R = 10 Ω
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Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Leistungselektronik
‰
Gleichrichter
„
„
„
‰
‰
‰
Ungesteuerter Gleichrichter
Spannungsregler
Gesteuerter Gleichrichter
Steller
Wechselrichter
Wechselstromumrichter
Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Spannungsregler (Kenndaten)
‰
‰
‰
‰
‰
Ausgangsspannung und ihre Toleranz
Max. Ausgangsstrom und Kurzschlussstrom
Min. Spannungsabfall (Spannungsverlust = Dropout Voltage)
Unterdrückung von Eingangsspannungsschwankungen
(Line Regulation)
Ausregelung von Laststromschwankungen (Load Rejection)
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Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Spannungsregler
Linearer Spannungsregler
Grundfunktion:
Transformator
¾Unterdrückung
R
E
G
L
E
R
Gleichrichter
Regler
von Eingangsspannungs-
L
schwankungen
¾Ausregelung
von Laststromschwankungen
Komparator
(Load Rejection)
s
t
Uref
Last
Siebglied
a
S
p
a
n
n
u
n
g
(Line Regulation)
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Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Linearer Spannungsregler
iR
ud
iО
ZD
T1
ud
iZ
R
Linearer Spannungsregler
uО
UО
RТ
R1
R2
t
C1
R4
T2
Ua = UZ
U d = U Z + I R .R = U Z + I Z .R (ohne Last)
_
iО
ud
U O = U Z − U BE
iZ
R
ZD
R6
iО
iR +
U d = U Z + ( I Z + I a ).R
R3
C2
uО
D
R5
RТ
6
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26
Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Integrierter Festspannungsregler
Integrierter Festspannungsregler
T
R
Ue
Ua
Stromquelle
Referenz
Spannung
Temperatur
SOA
D1
Strom
78 xx
D3
C1
Schaltung eines einfachen Netzteils
mit Festspannungsregler
C2
32_26.CDR
(Linearregler)
ue
Ua
D4
Ua
D2
32_26.CDR
Fold-Back Kennlinie
32_26.CDR
Imax Ia
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Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Prinzip eines Schaltnetzteils
Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Leistungselektronik
‰
Gleichrichter
„
„
„
‰
‰
‰
Ungesteuerter Gleichrichter
Spannungsregler
Gesteuerter Gleichrichter
Steller
Wechselrichter
Wechselstromumrichter
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30
Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Gesteuerter Gleichrichter
Gesteuerter Gleichrichter
Einweggleichrichter mit induktiver Last
Einweggleichrichter mit ohmscher Last
di
; uL = u (t ) für t > α / ω
dt
t
t
1
2 ⋅U
i (t ) = ⋅ ∫ u (τ) ⋅ d τ =
⋅ sin ( ωτ ) ⋅ d τ =
L α/ω
ω⋅ L α∫/ ω
u (t ) = 2 ⋅ U ⋅ sin ( ωt ) ; uL = L ⋅
u ( t ) = 2U sin(ωt )
T
=
T /2
t
2 ⋅U
2 ⋅U
⋅ ⎡ − cos ( ωτ ) ⎦⎤ α / ω =
( cos ( α ) − cos ( ωt ) )
ω⋅ L ⎣
ω⋅ L
1
2U
uL = ⋅ ∫ uL dt =
⋅ sin(ωt )dt =
T 0
T α∫/ ω
=
2U
2U
T /2
(1 + cos α )
[ − cos(ωt )]α / ω =
2π
ωT
Dieser Stromverlauf gilt nur vom Zündzeitpunkt bis der Strom wieder zu null wird.
Dann löscht der Thyristor.
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Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Vollgesteuerter Brückengleichrichter
Ohmsche Last bei Steuerwinkel = 0
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Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Vollgesteuerter Brückengleichrichter
Ohmsche Last bei Steuerwinkel > 0
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Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Vollgesteuerter Brückengleichrichter
Steuerkennlinie bei ohmscher Last
un (t ) = 2 ⋅ U ⋅ sin ( ωt )
T
U dα
1
mit glattem Strom
T /2
1
2
= ud = ⋅ ∫ ud dt = ⋅ ∫ un dt =
T 0
T α/ω
=
2 2 ⋅U
⋅ ∫ sin ( ωt ) dt =
T
α/ω
=
T /2
2 2 ⋅U
⋅ ⎣⎡ − cos ( ωt ) ⎦⎤ α / ω =
ωT
T /2
U dα
Udα
Udi
Vollgesteuerter Brückengleichrichter
2 2 ⋅U
=
⋅ ⎡⎣1 + cos ( α ) ⎤⎦
2π
1 + cos ( α )
⎛α⎞
= U di ⋅
= U di ⋅ cos 2 ⎜ ⎟
2
⎝2⎠
0,75
0,5
0,25
0
17_5.CDR ©ETI Vo
0
π
2
π
α
Steuerkennlinie
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Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Vollgesteuerter Brückengleichrichter
Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Leistungselektronik
‰
Ausgangsspannung bei Änderung der Aussteuerung zwischen 0 und 150 Grad
Gleichrichter
„
„
„
‰
‰
‰
Ungesteuerter Gleichrichter
Spannungsregler
Gesteuerter Gleichrichter
Steller
Wechselrichter
Wechselstromumrichter
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Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Steller
Tiefsetzsteller (U2 < U1)
Zwei Schalterstellungen des Transistors T
„Ein“ - „Aus“ ⇒ zwei Zustände:
Drosselwandler
Tiefsetzsteller
Bei geschlossenem Schalter
wird die Speicherdrossel aufmagnetisiert. Der Strom kommutiert nach dem Ausschalten
auf die Freilaufdiode.
bis
200 kW
Antriebstechnik bis
200 kW
0 ≤ Ua ≤ UE
Schalterstellung „Ein“ ⇒ Zustand 1:
uT = 0, ud = U1,
Hochsetzsteller
Bei geschlossenem Schalter
wird die Speicherdrossel aufmagnetisiert. Der Strom kommutiert nach dem Ausschalten
auf die Freilaufdiode.
20 kW
Erzeugung von Zwischenkreisspannungen
bei netzfreundlichen
Netzteilen
bis
Erzeugung von
spannungen
bis
u L = ud − U 2 = U1 − U 2 , u D = −U1 < 0
Schaltbild
UE ≤ Ua
Inverter
Bei geschlossenem Schalter
wird die Speicherdrossel aufmagnetisiert. Der Strom kommutiert nach dem Ausschalten
auf die Freilaufdiode. Die Ausgangsspannung wird negativ
2 kW
i (t ) = I0 +
t
t
1
1
uL dt = I 0 + ∫ (U1 − U 2 ) dt =
L ∫0
L0
= I 0 + (U1 − U 2 ) / L ⋅ t
Hilfs-
Ua ≤ 0
Am Ende der Einschalterdauer TE
Ersatzschaltbild „Ein“
i ( t = TE ) = I1 = I 0 + (U1 − U 2 ) / L ⋅ TE
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Tiefsetzsteller (U2 < U1)
Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Tiefsetzsteller (U2 < U1)
Schalterstellung „Aus“ ⇒ Zustand 2:
(solange id > 0)
uT = U1 , ud = 0,
uL = ud − U 2 = −U 2 , uD = 0
i ( t ) = I1 +
Schaltbild
t
t
1
1
u L dt = I1 + ∫ ( −U 2 ) dt =
L T∫E
L TE
= I1 − U 2 / L ⋅ ( t − TE ) =
= I 0 + (U1 − U 2 ) / L ⋅ TE − U 2 / L ⋅ ( t − TE ) =
= I 0 + U1 / L ⋅ TE − U 2 / L ⋅ t
Ausschalterdauer TA = T -TE
i ( t = T ) = I 2 = I1 − U 2 / L ⋅ (T − TE ) =
Ersatzschaltbild „Aus“
= I1 − U 2 / L ⋅ TA = I 0 + U1 / L ⋅ TE − U 2 / L ⋅ T
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Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Tiefsetzsteller (U2 < U1)
Tiefsetzsteller (U2 < U1)
Stromänderung in der Taktperiode T
Δi = I 2 − I 0 =
= I 0 + (U1 − U 2 ) / L ⋅ TE − U 2 / L ⋅ TA − I 0 =
= (U1 − U 2 ) / L ⋅ TE − U 2 / L ⋅ (T − TE ) =
I2
Im stationären Betrieb gleicht sich der
Strom in aufeinanderfolgenden Perioden.
Es besteht dann ein fester Zusammenhang zwischen dem Verhältnis der
Spannungen und dem Tastverhältnis a.
Δi = U1 / L ⋅ TE − U 2 / L ⋅ T
Δi = 0 = U1 / L ⋅ TE − U 2 / L ⋅ T
U 2 TE
=
=a
U1 T
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Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Hochsetzsteller (U1 < U2)
Hochsetzsteller (U1 < U2)
Im Schaltzustand „Aus“ des Transistors
T speist die Drossel ihren Strom in die
Spannungsquelle U2:
iL ( t ) = I1 +
Im Schaltzustand „Ein“ des Transistors
T liegt die Spannung U1 an der Drossel:
iL ( t ) = I 0 +
t
t
t
1
1
uL dt = I1 + ∫ (U1 − U 2 ) dt =
L T∫E
L TE
= I1 + (U1 − U 2 ) / L ⋅ ( t − TE )
t
1
1
uL dt = I 0 + ∫ U1dt =
L ∫0
L0
= I 0 + U1 / L ⋅ t
Am Ende der Einschalterdauer TE
iL (TE ) = I1 = I 0 + U1 / L ⋅ TE
Zu Beginn der nächsten Taktperiode:
iL (T ) = I1 + (U1 − U 2 ) / L ⋅ (T − TE ) =
= I 0 + U1 / L ⋅ TE + (U1 − U 2 ) / L ⋅ (T − TE ) =
= I 0 + U1 / L ⋅ T − U 2 / L ⋅ (T − TE )
Im stationären Betrieb sind die Ströme
am Anfang und Ende der Taktperiode
gleich.
Es besteht dann ein fester Zusammenhang zwischen dem Verhältnis der
Spannungen und dem Tastverhältnis a.
U2
T
1
=
=
U1 T − TE 1 − a
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Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Inverter
Halbbrücke
In einer Halbbrücke sind der Tiefsetz- und der
Hochsetzsteller vereint. Die Spannung U2 ist
immer kleiner als die Spannung U1.
Schaltet der Transistor T1 und wirkt die Diode D2
als Freilaufdiode, dann arbeitet die Halbbrücke als
Tiefsetzsteller. Die Energie fließt bei positivem
Drosselstrom id von U1 zu U2.
Schaltet der Transistor T2 und wirkt die Diode D1
als Freilaufdiode, dann arbeitet die Halbbrücke als
Hochsetzsteller. Die Energie fließt bei negativem
Drosselstrom id von U2 zu U1.
Da der Strom id beide Richtungen annehmen kann,
die Spannung ud jedoch nur eine, kann die
Halbbrücke als Zwei-Quadranten-Steller arbeiten.
T
0=
1
t
t
uL ⋅ dt =U E ⋅ 1 + U A ⋅ 2
T ∫0
T
T
t1
t
= a und 2 = 1 − a
T
T
t
t
t /T
U A = −U E ⋅ 1 = −U E ⋅ 1 = −U E ⋅ 1
1 − t1 / T
t2
T − t1
mit
U A = −U E ⋅
a
1− a
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Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Brücke
Vier-Quadranten-Steller
Schalter S1,S2 ein und S3,S4 aus
Schalter S3,S4 ein und S1,S2 aus
Schalter S1,S3 ein oder S2,S4 ein
Die Brücke setzt sich aus zwei Halbbrücken zusammen. Die Ausgangsspannung ud ist die
Differenz der Ausgangsspannungen der beiden Halbbrücken und kann jetzt beide Polaritäten annehmen.
Dadurch kann die Brücke als Vier-Quadranten-Steller arbeiten.
UL = U0
UL = - U0
UL = 0
1
1
⎡ 2 ⋅T ⎤
⋅ ∫ u (t )dt = ⋅ ⎣⎡U ⋅ T − U ⋅ (T − T ) ⎦⎤ = U ⋅ ⎢
− 1⎥
T
T
⎣ T
⎦
T
a=
U = U ⋅ [ 2 ⋅ a − 1]
T
T
U =
1
L
0
d
1
0
1
0
0
1
L
0
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Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Leistungselektronik
‰
„
„
‰
‰
Praktische Ausführung mit
IGB-Transistoren
Gleichrichter
„
‰
Vier-Quadranten-Steller
Ungesteuerter Gleichrichter
Spannungsregler
Gesteuerter Gleichrichter
S1
Steller
Wechselrichter
Wechselstromumrichter
C
U0
D1
S3
Last
UL
D4
S4
D3
D2
S2
32_Umr.CDR
Pulsbreitenmodulation ⇒ Wechselumrichter
Mit Hilfe einer dreieckförmigen Hilfsspannung und einem Komparator
werden die Steuersignale für die Transistoren erzeugt
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Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Leistungselektronik
‰
Gleichrichter
„
„
„
‰
‰
‰
Ungesteuerter Gleichrichter
Spannungsregler
Gesteuerter Gleichrichter
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Dalex \ Grundlagen der Elektronik WS
Wechselstromumrichter
Ergänzt man die Schaltung des Vierquadrantenstellers durch einen weiteren
Brückenzweig, so hat man wie bei Drehstrom drei Ausgänge zur Verfügung
Steller
Wechselrichter
Wechselstromumrichter
Umrichterschaltung zur Erzeugung eines frequenz- und amplituden variablen
Drehstromnetzes
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Benutzte Quellen Benutzte Bezeichnungen Leistungselektronik