Grundlagenpraktikum: Versuch 037/038
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Universität Stuttgart Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe Prof. Dr.-Ing. J. Roth-Stielow Grundlagenpraktikum: Versuch 037/038 INHALT 1 Einführung mit theoretischen Fragen zur Vorbereitung ...................................3 1.1 Die Leistungsdiode ...................................................................................4 1.2 Der Leistungstransistor (IGBT) .................................................................8 1.3 Der Thyristor...........................................................................................12 1.4 Der Triac.................................................................................................16 2 Die verschiedenen Arbeitszustände der Bauelemente..................................20 2.1 Die Diode................................................................................................20 2.2 Der Transistor (IGBT) .............................................................................21 2.3 Der Thyristor...........................................................................................23 2.4 Der Triac.................................................................................................26 3 Einsatz der Bauelemente in typischen Schaltungen......................................27 3.1 Die Freilaufdiode ....................................................................................27 3.2 Feldsteuerung eines Gleichstromgenerators..........................................29 3.2.1 Transistorlösung (IGBT-Lösung) ..........................................................31 3.2.2 Thyristorlösung .....................................................................................35 3.2.3 Triac-Lösung.........................................................................................37 3.3 Lichtregler (Dimmer) ...............................................................................39 4 Zusammenfassung ........................................................................................42 Halbleiterbauelemente der Leistungselektronik Versuchsdurchführung: Pfaffenwaldring 47, ETI 1 Praktikumsraum 1.287 Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 1 Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 2 Funktionsweise der Bauelemente: 1 Einführung mit theoretischen Fragen zur Vorbereitung 1.1 Die Leistungsdiode Die Aufgabe der Leistungselektronik besteht in der Aufbereitung elektrischer Energie, welche speisenden Systemen (Netze, Batterien, Generatoren) entnommen und bestimmten Verbrauchern zugeführt wird. Die Diode ist ein elektronisches Bauelement, das beim Anlegen einer Spannung den Strom nur in eine Richtung durchlässt (Bild 1). Heutige Leistungsdioden sind für Ströme bis ca. 20000 A erhältlich. Zur Erfüllung dieser Aufgabe wurden Spezialbauteile, wie die Leistungsdiode, der Leistungstransistor, der Thyristor und der Triac, entwickelt. Diese Bauelemente sollen in diesem Versuch vorgestellt (Kap. 1) und ihre Schaltungsfunktion untersucht und verstanden werden (Kap. 2). Für jedes dieser Bauelemente wird abschließend (Kap. 3) eine typische Schaltung aufgebaut und in Betrieb genommen. In diesem Manuskript werden insgesamt 14 Aufgaben gestellt. Zum Teil handelt es sich hierbei um theoretische Überlegungen (diese Aufgaben sind durch ein „T“ gekennzeichnet), welche vor Beginn des Versuchs zu lösen sind. Die restlichen Aufgaben (Kennzeichnung „P“) werden während der praktischen Versuchsdurchführung bearbeitet. Eine Bearbeitung dieser Aufgaben erfolgt mit den betreuenden Studenten während der Versuchsdurchführung. Bild 1: Schaltzeichen einer Diode Bild 2: Rohrmodell einer Diode (Rückschlagventil) Man unterscheidet bei einer Diode zwei Arbeitszustände: 1. SPERREN = Kathode positiv gegenüber Anode (kein Stromfluss) 2. DURCHLASSEN = Anode positiv gegenüber Kathode (Strom fließt von Anode zur Kathode) In der Leistungselektronik werden Dioden als ungesteuerte Ventile bezeichnet, weil das Ventil bei der Umkehrung der Stromrichtung selbsttätig den Strom sperrt. Diese Tatsache lässt sich am besten am Modell eines Wasserrohres mit einem Rückschlag- oder Druckventil darstellen, welches vom Wasser nur in einer Richtung durchflossen werden kann (Bild 2). Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 3 Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 4 Die oben angenommenen „idealen“ Arbeitszustände können in der Praxis nur annähernd erreicht werden. Die Kennlinie einer realen Leistungsdiode ist in Bild 4 dargestellt. T Aufgabe 1 Mit der Schaltung nach Bild 3 lassen sich logische Verknüpfungen mittels Dioden durchführen. Vervollständigen Sie Tabelle 1! Bild 3: Versuchsschaltung für Aufgabe 1 Bild 4: Kennlinie einer realen Leistungsdiode Tabelle1: Wahrheitstabelle Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 5 Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 6 1.2 Der Leistungstransistor (IGBT) T Aufgabe 2 1. Wie sieht die Kennlinie der „idealen“ Diode aus? Tragen Sie deren Verlauf ebenfalls in Bild 4 ein! 2. Wodurch unterscheiden sich also die „ideale“ und „reale“ Diode? Ideale Diode Reale Diode ................................................. ................................................ ................................................ .................................................. ................................................ .................................................. ................................................ .................................................. ................................................ .................................................. Das vielseitigste Bauelement der Leistungselektronik ist der Leistungstransistor, der in seiner äußeren Funktion einem außerordentlich rasch steuerbaren elektrischen Widerstand entspricht. Im Rahmen dieses Versuchs wird beispielhaft ein Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) eingesetzt, welcher zur Zeit in Industrieanwendungen der am häufigsten eingesetzte Leistungstransistor ist. In Bild 5 ist neben dem Schaltzeichen eines IGBT und seiner Entsprechung (steuerbarer Widerstand) sein hydromechanisches Analogon, das Stellventil oder der Schieber, angegeben. Bild 5: Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 7 Schaltzeichen (a) eines Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT) und sein elektrisches bzw. hydromechanisches Analogon (b) rasch veränderbarer Widerstand (c) Rohrmodell eines Transistors Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 8 T Aufgabe 3 Versuchen Sie von der Funktionsweise des hydromechanischen Analogons (Bild 5c) auf die Funktionsweise des IGBT zu schließen. Beachten Sie folgende Entsprechungen: Bild 5 (a) Bild 5 (c) Kollektorstrom iC Wasserdurchsatz Gate-Emitter-Spannung uGE Schieberstellung Bild 6: Transistor als Vorwiderstand eines Verbrauchers ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... Entsprechend der Darstellung nach Bild 6 muss in der Leistungselektronik häufig ein Verbraucher aus einer Spannungsquelle U mit einer veränderlichen Nutzleistung PN versorgt werden. Dies kann, wie in Bild 6 dargestellt, über einen vorgeschalteten Transistor T erfolgen. Dieser Transistor wirkt dort als Vorwiderstand, dessen Ohmwert über eine Steuerspannung uGE am Gate-Anschluss des IGBTs stetig verändert werden kann. Dadurch ist es möglich, die Verbraucherleistung PN wunschgemäß stetig zu verstellen. Die beiden Grenzfälle dieses Vorgangs sind in Bild 6 rechts beschrieben. Bei einem idealen Transistor wird in den beiden Grenzfällen D und E keine elektrische Leistung in Verlustwärme umgesetzt PT 0 , weil im Produkt PT UT I entweder der Strom den Wert null hat (im Zustand D , wenn der Transistor völlig sperrt) oder aber die Spannung am Transistor null ist (im Zustand E , wenn der Transistor völlig leitet). Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 9 Im Bereich zwischen I 0 und I Imax wird im Transistor aber zum Teil erhebliche elektrische Leistung in Wärme umgesetzt. So ist z. B. im Zustand halber Aussteuerung die Verlustleistung im Transistor gerade so groß wie im Verbraucher. Dies ist i. a. in der Leistungselektronik nicht tragbar, weil einerseits der Wirkungsgrad (Verhältnis zwischen genutzter und aufgenommener Leistung) zu niedrig und andererseits der Transistor thermisch zerstört wird. Die gewünschte Leistung kann dem Verbraucher außer über die stetige Einstellung des betreffenden Arbeitspunkts aber auch im Mittel über einen „Schalterbetrieb“ zwischen den beiden Betriebszuständen D (voll „aus“) und E (voll „ein“) zugeführt werden. Dies geschieht derart, dass man zwischen diesen Grenzpunkten sehr rasch hin und her schaltet und dabei die Verweilzeiten im Punkt E PN Pmax und im Punkt D PN 0 so wählt, dass der Verbraucher im Mittel gerade die gewünschte Leistung erhält. Durch diese quasistetige Energiezufuhr zum Verbraucher lassen sich daher wesentlich höhere Leistungspegel und Wirkungsgrade erreichen. Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 10 In Bild 7 ist der Vollständigkeit halber noch das Kennlinienfeld eines „realen“ Leistungstransistors (IGBT) angegeben. 1.3 Der Thyristor Im Vergleich zur Diode hat ein Thyristor (gesteuertes Ventil) einen Arbeitszustand mehr. Diese Zustände werden hier als SPERREN, DURCHLASSEN und BLOCKIEREN bezeichnet. Als Steuereingriff dient die Steuerelektrode (Gate), vgl. Bild 8. Auch dem Thyristor kann man ein hydromechanisches Modell zur Seite stellen: Das einschaltbare Einweg-Ventil (Bild 9). Bild 8: Schaltzeichen eines Thyristors Bild 7: Ausgangs-Kennlinienfeld eines Leistungstransistors (IGBT) Aus Bild 7 können Sie auch die Übertragungssteilheit g IC uGE 30 A 8V 3,75 S ablesen. D. h. um einen Kollektorstrom von IC 30 A fließen zu lassen, müssen Sie eine Gate-Emitter-Spannung (= Steuerspannung) von 8 V anlegen. Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 11 Bild 9: Rohrmodell eines Thyristors (Einschaltbares Einwegventil) Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 12 Die Arbeitszustände im Einzelnen: T Aufgabe 4 Der Thyristor TR in der Schaltung nach Bild 10 wurde durch kurzes Betätigen des Schalter S gezündet und das Lämpchen brennt. Was geschieht, wenn die Batterieanschlüsse (P) und (N) umgepolt werden? Bild 10: Versuchsschaltung für einen Thyristor TR und eine Diode D Trotz positiver Polung (Anode positiver gegenüber Kathode!) kann also ein Thyristor den Strom „blockieren“. Legt man nun an die Steuerelektrode einen kurzen, positiven Impuls an, so „zündet“ der Thyristor und der Zustand BLOCKIEREN geht in den Zustand DURCHLASSEN über. Dieser Zustand besteht dann so lange, bis der Thyristorstrom durch die äußere Beschaltung wieder null wird. Mögliche Antworten: Grundlagenpraktikum Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 13 Das Lämpchen erlischt Die Batterie wird kurzgeschlossen Das Lämpchen brennt weiter Versuch 037/038 Blatt 14 Bild 11 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie eines Thyristors, wobei der DURCHLASS-Zustand dem Kurvenast „Thyristor gezündet“ entspricht. 1.4 Der Triac Die Abkürzung „Triac“ stammt von triode-alternating current-switch (= DreiElektroden-Wechselstromschalter). Im Gegensatz zum Thyristor kann der Triac Strom in beiden Richtungen führen, was auch in dem Schaltzeichen nach Bild 12 zum Ausdruck kommt. Ein Triac besteht aus zwei antiparallel geschalteten Thyristorstrecken mit einer einzigen Steuerelektrode für beide Stromrichtungen. Bild 12: Schaltzeichen eines Triac Bild 11: Kennlinie eines Thyristors Sie können erkennen, dass die Größe der Blockierspannung uAK vom Gatestrom IG abhängt, und dass ein „gezündeter“ Thyristor erst wieder „erlischt“, wenn der Anodenstrom IA den Wert des Haltestroms IH unterschreitet. Wie beim idealen Transistor im Schalterbetrieb gibt es auch beim idealen Thyristor nur die beiden Grenzfälle D ) IA Imax , uAK 0 E ) IA 0, uAK U Bild 13: Rohrmodell eines Triac (Einschaltbares Zweiwegventil) In Bild 13 ist das einschaltbare Zweiwegventil aus der Hydraulik/Pneumatik als Analogon dem Triac gegenübergestellt. Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 15 Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 16 Für manche Stromverbraucher ist es gleichgültig, ob sie von Gleichstrom oder Wechselstrom durchflossen werden (z. B. Heizwiderstand). Auch bei diesen Verbrauchern kann man den Strommittelwert durch Thyristoren steuern. Die Gleichrichterwirkung des Thyristors ist in diesen Fällen aber unnötig, ja sogar unerwünscht. Daher schaltet man oft zwei Thyristoren (Bild 14) antiparallel zusammen. Die Steuerimpulse können z.B. von zwei Sekundärwicklungen S1 und S2 eines Transformators geliefert werden. So werden beide Stromrichtungen ausgenützt. T Aufgabe 5 In welchem der beiden Fälle A und B erwarten Sie Vorteile aus der Verwendung von Triacs? Welcher Art wären diese Vorteile? A Bei Gleichstromverbrauchern mit extrem hoher Leistung. B Bei Wechselstromverbrauchern mit mittlerer bis kleiner Leistung. ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... Die Funktionsweise des Triac ergibt sich aus dem Ersatzschaltbild nach Bild 14 bzw. aus dem hydromechanischen Analogon nach Bild 13. Seine Arbeitszustände sind: Bild 14: Antiparallele Thyristoren als Ersatz für einen Triac Es besteht daher die Frage, wann ein Triac wirtschaftlicher ist als zwei (Einweg-)Thyristoren. Man kann durch ein Halbleiterbauelement mit einer bestimmten Chipfläche nicht beliebig große Lastströme schicken, weil nur eine bestimmte Erwärmung zu gelassen werden kann. Also muss ein Triac ungefähr die doppelten Chipfläche haben wie der entsprechende Thyristor. Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 17 BLOCKIEREN (vorwärts) UA2A1 ! 0 BLOCKIEREN (rückwärts) UA2A1 0 DURCHLASSEN (in beide Richtungen) UA2A1 Grundlagenpraktikum 0 Versuch 037/038 Blatt 18 Die Strom-Spannungs-Kennlinie eines Triac zeigt Bild 15, welche sich auch durch die erwähnte Antiparallel-Schaltung zweier Thyristor-Kennlinien (Bild 11) ergibt. 2 Die verschiedenen Arbeitszustände der Bauelemente Praktische Untersuchung an einem Versuchsaufbau Hier wird die unter Kapitel 1 erläuterte Funktionsweise der einzelnen Bauelemente anhand einer einfachen Schaltung experimentell erprobt. Auf dem dafür vorgesehenen Experimentierbrett fügen Sie die einzelnen Elemente nacheinander in die vorverdrahtete Schaltung ein. Die zum Betrieb notwendigen Spannungen (die Gleichspannung UG , die Wechselspannung UW und die Hilfsspannung UH ) werden von einem eingebauten Netzgerät geliefert. 2.1 Die Diode P Aufgabe 6 Legen Sie Schalter S1 an UG und setzen Sie Platte 1 in das Experimentierbrett ein. Sie haben damit die Schaltung nach Bild 16 aufgebaut. Bild 15: Strom-Spannungs-Kennlinie eines Triac Bild 16: Versuchsschaltung mit Diode Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 19 Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 20 Wie wurde die Diode eingefügt? (vgl. Bild 16) a) Die Lampe brennt = Polung: ............................. b) Die Lampe brennt nicht = Polung: ............................. 1. Was stellen Sie fest, wenn: a) S2 geschlossen, S3 geöffnet ist: ........................................ ............................................................................................... Legen Sie S1 an UW . Setzen Sie die Platte 1B ein. Bei welcher Polarität von UW muss das Lämpchen leuchten? (Beachten Sie auch das Voltmeter!) ......................................................................................................................... b) S2 und S3 geschlossen sind: ............................................. ................................................................................................... Begründen Sie Ihre Ergebnisse: ................................................ .................................................................................................... 2.2 Der Transistor (IGBT) 2. Welche Spannung messen Sie zwischen C und E (Kollektor und Emitter des Transistors), wenn S2 und S3 geschlossen sind? P Aufgabe 7 UCE = .............. V Achtung! Bei diesem Versuch muss der Schalter S1 immer an UG liegen. Der Transistor wird sonst zerstört. (Er sollte nämlich nicht „invers“ betrieben werden!) Setzen Sie nun Platte 2A in das Experimentierbrett ein. Damit ergibt sich folgende Schaltung, Bild 17. Was schließen Sie daraus? ....................................................................... .................................................................................................................... 3. Da der Transistor hier als Schalter betrieben wird, könnte er z. B. auch durch ein Relais ersetzt werden. Vervollständigen Sie Bild 18, indem Sie das Relais so beschalten, dass eine dem Transistor äquivalente Schaltung entsteht! Geben Sie die einander entsprechenden Anschlusspunkte an! Bild 18: Äquivalente Relaisschaltung für den Transistor (als Schalter) Bild 17: Versuchsschaltung mit Transistor (IGBT) Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 21 Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 22 Setzen Sie nun die Relaisplatte 2B in das Experimentierbrett ein und vergleichen Sie die Arbeitszustände des Relais mit denen des Transistors! Welche Vor- und Nachteile hat der Transistor dann noch gegenüber dem Relais? Transistor Relais 1. Schaltfrequenz: ......................... ........................ 2. Schaltart: ......................... ......................... 3. Verluste: ......................... ......................... ......................... ......................... Bild 19: Versuchsschaltung mit Thyristor 1. Führen Sie nacheinander folgende Schaltzustände aus: Lampe 2.3 Der Thyristor S2 P Aufgabe 8 Legen Sie S1 an UG ! Dann setzen Sie Platte 3A in Ihr Experimentierbrett ein, wodurch sich die Schaltung nach Bild 19 ergibt. S3 brennt 1 geschlossen schließen ................ brennt nicht ................ 2 geschlossen öffnen ................ ................ 3 öffnen geöffnet ................ ................ 4 schließen geöffnet ................ ................ 2. Wie können Sie also einen Thyristor „löschen“? .............................................................................................................. Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 23 Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 24 3. Beim Anlegen eines Thyristors an Gleichspannung kann ebenfalls eine entsprechende Relaisschaltung gefunden werden. Allerdings ist dazu ein weiterer Anschlußpunkt H notwendig. Vervollständigen Sie Bild 20 und geben Sie an, welche Spannung am zusätzlichen Anschlusspunkt zugeführt werden muss! 5. Legen Sie nun S1 an die Wechselspannung UW und setzen Sie wieder Platte 3A ein. Bei welcher Polarität von UW (beachten Sie auch das angebrachte Voltmeter!) können Sie den Thyristor zünden (mittels S3 ), d. h. durchschalten und die Lampe zum Brennen bringen? ... ................................................................................................................ .................................................................................................................... 2.4 Der Triac .................................................................................................................... .................................................................................................................... Bild 20: P Aufgabe 9 Hier ist Platte 4 in das Experimentierbrett einzusetzen! Legen Sie S1 an UW ! Damit haben Sie die Schaltung nach Bild 21 aufgebaut. Äquivalente Relaisschaltung für den Thyristor bei Betrieb an Gleichspannung 4. Setzen Sie die entsprechend beschaltete Relaisplatte 3B in Ihr Experimentierbrett ein und bestätigen Sie das äquivalente Schaltverhalten von Thyristor und diesem Relais! Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 25 Bild 21: Versuchsschaltung mit Triac Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 26 Bei welcher Polarität der Wechselspannung UW können Sie den Triac zünden, d. h. durchschalten und die Lampe zum Brennen bringen? Beachten Sie dabei das angebrachte Voltmeter! ......................................................................................................................... Sie zünden, indem Sie den Schalter S3 nur kurz antippen. Wann löscht der Triac grundsätzlich? ......................................................................................................................... 3 Einsatz der Bauelemente in typischen Schaltungen 3.1 Die Freilaufdiode In der Leistungselektronik muss häufig eine induktive Last ein- und ausgeschaltet werden. Im Gegensatz zu rein ohmischen Verbrauchern führt dies zu Problemen hinsichtlich des Schaltelements S (mechanischer Schalter, Transistor oder Thyristor). Bild 23: Ein- und Ausschalten einer induktiven Last Grundlagenpraktikum Bild 24: Zeitlicher Verlauf des Spulenstroms nach dem Einschalten Versuch 037/038 Blatt 27 In einer stromdurchflossenen Spule ist die magnetische Energie Emagn 1/ 2 L i2 gespeichert. Schließt man in Bild 23 den zunächst mechanischen Schalter S, so beginnt durch die Spule L ein stetig ansteigender Strom zu fließen (Bild 24). Dies begründet sich aus dem Induktionsgesetz: di t uL t L dt Das Ansteigen des Spulenstroms i(t) wird nur durch den Kupferwiderstand der Spule und der Zuleitungen begrenzt. Wie aus Bild 24 ersichtlich ist, gibt es beim Einschalten eines induktiven bzw. ohmisch-induktiven Verbrauchers keine Schwierigkeiten hinsichtlich des Schaltelements S (Strom ist im Einschaltzeitpunkt null). Anders verhält sich dies beim Ausschalten. Öffnet man den Schalter S wieder, so wird die in der Induktivität gespeicherte magnetische Energie im Schalter in Form eines Lichtbogens in Wärme umgewandelt. Der Lichtbogen hat einen hohen Widerstand, welcher den Strom schnell abklingen lässt. Während diesem Vorgang wird bei größeren Induktivitäten und Strömen der Schalter S vollständig zerstört, denn die Abschaltleistung - das Produkt aus Strom und Spannung - erreicht vorübergehend sehr hohe Werte. Bild 25a: Induktiver Verbraucher L mit Freilaufdiode D Grundlagenpraktikum Bild 25b: Stausee mit Triebleitung Schieber S und Druckventil D Versuch 037/038 Blatt 28 Aus diesem Grund muss ein Freilaufkreis parallel zur induktiven Last vorgesehen werden, in welchem der Strom bis zum Abklingen weiter fließen kann. Der Freilaufkreis besteht im einfachsten Fall wie in Bild 25a aus einer parallel zur Last angeschlossenen Freilaufdiode. Ein kleiner Asynchronmotor (ASM) wird direkt an das Drehstromnetz angeschlossen. Er treibt den Gleichstromgenerator (GG) mit einer konstanten Drehzahl nS an. T Aufgabe 10 In Kapitel 1 dieses Manuskripts haben Sie den Schieber und das Druckventil als pneumatische Analoga zu Transistor und Diode kennengelernt. Die Triebleitung eines Stausees mit Schieber und Wasserschloss (Bild 25b) bildet insgesamt ein Analogon zu der elektrischen Schaltung nach Bild 25a. Angenommen, es wäre in Bild 25b kein Wasserschloss vorgesehen, was würde geschehen, wenn man „schlagartig“ den zunächst geöffneten Schieber S wieder schließt? ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... Bild 26: Versuchsschaltung zur Feldsteuerung eines Gleichstromgenerators 3.2 Feldsteuerung eines Gleichstromgenerators Gegenüberstellung einer Transistor-, Thyristor- und Triac-Lösung Im Abschnitt 3.1 wurde mit Hilfe eines Transistors der Strom durch eine Spule ein- und ausgeschaltet, was einen Auf- und Abbau eines Magnetfelds bedeutete. In diesem Abschnitt soll stufenlos das Erregerfeld eines kleineren fremderregten Gleichstromgenerators mit Hilfe von steuerbaren Ventilen vorgenommen werden (Bild 26). Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 29 Die Ausgangsspannung UA des Gleichstromgenerators belasten wir hier im Versuch beispielhaft mit einem Gleichstrommotor (GM). Es ergibt sich damit das Modell eines sog. „rotierenden Leonard-Umformers“, den man heute noch in der Antriebstechnik findet. Hier interessieren die Motoren nur mittelbar. Sie müssen nur wissen, dass bei konstanter Generatordrehzahl die Ausgangsspannung UA proportional zum Erregerfluss und damit zum Erregerstrom IE ist. Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 30 Also UA IE . Die physikalische Begründung für diesen Sachverhalt folgt aus den Gesetzen für den magnetischen Kreis, welche Sie in späteren Vorlesungen bzw. anderen Versuchen dieses Praktikums kennenlernen werden. 2. Als Steller (dies bedeutet Stellglied oder Leistungsverstärker) soll hier ein Transistor (IGBT) eingesetzt werden. Wie muss die Feld- oder Erregerwicklung des Gleichstromgenerators angesteuert werden? Vervollständigen Sie zunächst den nachfolgenden Schaltplan! (Vergleichen Sie dazu nochmals Bild 25) Andererseits ist Ihnen bekannt, dass bezüglich des Gleichstrommotors GM eine veränderliche Ankerspannung UA dessen Ausgangsdrehzahl nA variiert (vgl. Spielzeugeisenbahn). Somit können Sie mit Hilfe des Steuergeräts (StG) und des Stellers (vgl. Bild 26) über den Erregerstrom IE die Drehzahl nA des Gleichstrommotors frei einstellen. Zur Steuerung des Erregerfelds des Gleichstromgenerators benötigen Sie für die folgenden Versuche eine Wechselspannung von 42 V. Diese Spannung wird vom Transformator TR bereitgestellt. Im Folgenden benötigen Sie das große Experimentierbrett! 3.2.1 Transistorlösung (IGBT-Lösung) P Aufgabe 11 1. Der Antriebsmotor, der Steuergenerator und der Gleichstrommotor sind bereits fest aufgebaut. Es muss nur noch die Feldwicklung angeschlossen werden. Bild 27: Schaltplan für den Transistorsteller C Zwischenkreiskondensator (zur Glättung), DF Freilaufdiode, T Transistor (IGBT) StG1 Steuergerät 1 Grundlagenpraktikum Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 31 Versuch 037/038 Blatt 32 3. Nehmen Sie die komplette Schaltung - entsprechend den Bildern 26 und 27 - in Betrieb. Beachten Sie die Reihenfolge: 1. Antriebsmotor einschalten 2. Erregung einstellen Zum Ausschalten verfahren Sie umgekehrt! 4. Bauen Sie in den Hauptstromkreis (also zwischen Kollektor des Transistors und der Erregerwicklung) ein Ampèremeter ein. Zwischen welchen Werten können Sie den Erregerstrom mittels des Potentiometers und dem Steuergerät StG1 variieren? IEmax = ......................... IEmin = ......................... P Aufgabe 12 Wann leitet und wann sperrt der IGBT? ......................................................................................................................... Schaltung wie in der vorhergehenden Aufgabe. Betrachten Sie nacheinander auf dem Oszilloskop den zeitlichen Verlauf der Spannung uCE und des Erregerstroms iE (letzteren können Sie mit Hilfe des Strommessglieds potentialfrei messen). Zeichnen Sie beide Zeitverläufe in untenstehende Skizzen ein. (Vergessen Sie nicht, die Achsen zu beziffern!) ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... ......................................................................................................................... Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 33 Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 34 3.2.2 Thyristorlösung Die folgende Thyristorlösung funktioniert gegenüber dem Transistorsteller nach einem anderen Prinzip. Zwei Thyristoren Th1 und Th2 und zwei Dioden welche in einer Brückenschaltung aufgebaut sind, werden direkt an die Klemmen des Transformators angeschlossen, sie werden also mit Wechselspannung beaufschlagt (Bild 28). Das Steuergerät 2 (StG2) liefert an seinen beiden Ausgängen Zündimpulse, welche um eine halbe Periodendauer der treibenden Wechselspannung (= 180° elektrisch) gegeneinander verschoben sind. Damit werden die Thyristoren abwechselnd gezündet, sie führen dann jeweils für eine halbe Periodendauer den Gleichstrom IE . Über das Potentiometer stellen Sie hier den Mittelwert der Spannung UdD ein. Diesen Sachverhalt veranschaulicht Bild 29. Bild 29: Zeitlicher Verlauf der gleichgerichteten Spannung udD . Sie sehen, dass die schraffierten Flächen Ausschnitte aus sinusförmigen Spannungssystem sind; man spricht hier „Phasenanschnitt“. dem von P Aufgabe 13 Bild 28: Zweipulsige Halbbrückenschaltung mit zwei Thyristoren Grundlagenpraktikum 1. Bauen Sie die Schaltung nach Bild 28 auf dem Experimentierbrett auf; d. h., Sie ersetzen den Transistorsteller durch die oben angegebene Halbbrückenschaltung. Versuch 037/038 Blatt 35 Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 36 2. Oszillographieren Sie den Strom iE und die Spannung udD für eine beliebige Potentiometerstellung. Bild 30: Einsatz des Triac zur Feldsteuerung P 3.2.3 Triac-Lösung Aufgabe 14 Hier handelt es sich wieder um eine Phasenanschnittsteuerung. Da der Triac in beiden Richtungen Strom führen kann, wird mit ihm die positive und die negative Halbwelle „angeschnitten“. Die Spannung UL wird dann mittels eines Brückengleichrichters (Graetzbrücke) gleichgerichtet (Bild 30). 1. Bauen Sie die Schaltung nach Bild 30 auf und nehmen Sie die Gesamtanlage in Betrieb. 2. Skizzieren Sie den zeitlichen Verlauf a) der Spannung uL b) des Stroms iE Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 37 Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 38 Bild 31: Prinzipschaltung des Lichtreglers (Dimmer) c) Erörtern Sie die gefundenen Oszillogramme 3.3 Lichtregler (Dimmer) Dieses Gerät, welches in Haushalten, in Theatern usw. in großer Zahl zum Einsatz kommt, soll hier besprochen werden. Es soll zeigen, wie mit Hilfe des Triac und nur noch wenigen anderen Schaltelementen eine sehr einfache Schaltung zur nahezu verlustfreien Helligkeitssteuerung einer Glühbirne realisiert werden kann. Dabei wird eine der möglichen Schaltungen dargestellt. Bild 31 zeigt die Prinzipschaltung des Lichtreglers. Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 39 Beim näheren Betrachten dieser Schaltung wird Ihnen ein weiteres Halbleiterbauelement auffallen: Der Diac. Dieses Halbleiterbauelement ist nichts anderes als ein Triac ohne Steueranschluss G. Bei Überschreiten einer bestimmten Spannung zwischen den beiden Hauptstromanschlüssen des Diac, der Zündspannung UB0 , wobei die Polarität unbedeutend ist, geht der Diac in einen niederohmigen Zustand über, d.h. er leitet. Bezüglich „Löschen“ zeigt der Diac dasselbe Verhalten wie der Triac. Daraus erklärt sich leicht die Anwendung des Diac als Triggerelement in Wechselspannungsschaltungen. Da der Lichtregler nach dem Prinzip der Phasenanschnittsteuerung arbeitet, muss als Zündschaltung für den Triac eine Anordnung gefunden werden, welche den Triac nicht im natürlichen Nulldurchgang der Spannung ua, sondern erst nach einer einstellbaren Zündverzögerungszeit t zündet. Dies wird mit Hilfe des RC-Glieds und des Diacs erreicht. Je nachdem, ob R groß oder klein ist, wird C langsam oder schnell aufgeladen. Bei Erreichen der Zündspannung UB0 entlädt sich der Kondensator C über Diac und GateAnschluss G des Triac. Dieser wird leitend und bleibt in diesem Zustand bis zum nachfolgenden Nulldurchgang von ua. Durch Verändern von R lässt sich somit der Zündzeitpunkt einstellen. Bild 32 zeigt den zeitlichen Zusammenhang für einen Zündverzögerungswinkel D . Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 40 4 Zusammenfassung Ausgehend von der prinzipiellen Wirkungsweise der wichtigsten Halbleiterbauelemente der Leistungselektronik (Diode, Transistor, Thyristor und Triac) wurden diesen Bauelementen hydraulisch-pneumatische Analogiemodelle gegenübergestellt. Ihre Funktionsweise konnte anhand eines Experimentierbrettes erprobt werden. Dort, wie auch bei den nachfolgenden typischen Schaltungen, zeigt sich, dass zum Verstehen dieser Versuche die zuvor angegebenen Analogiemodelle ausreichend sind. Bild 32: Zeitliche Spannungsverläufe beim Lichtregler (Dimmer) In der Praxis werden Sie in einer derartigen Schaltung ein weiteres RC-Glied finden. Mit diesem RC-Glied werden Zündverschiebungen nach erstmaligem Zünden des Triac weitgehend vermieden. Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 41 Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 42
