AC-Halbleiterbauelemente
Der Schaltplan und das Design von elektrischen Wechselstrom-Halbleitergeräten werden durch den Zweck, die Anforderungen und die Betriebsbedingungen bestimmt. Mit der breiten Anwendung, die kontaktlose Geräte finden, gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten für deren Implementierung. Sie können jedoch alle durch ein verallgemeinertes Blockdiagramm dargestellt werden, das die erforderliche Anzahl von Funktionsblöcken und deren Interaktion zeigt.
Abbildung 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Wechselstrom-Halbleiterbauelements in unipolarer Bauweise. Es umfasst vier funktionell vollständige Einheiten.
Das Netzteil 1 mit Überspannungsschutzelementen (RC-Schaltung in Abbildung 1) ist die Basis des Schaltgerätes, sein ausführendes Organ. Dies kann nur auf Basis gesteuerter Ventile – Thyristoren – oder mit Hilfe von Dioden erfolgen.
Wenn ein Gerät für Ströme ausgelegt wird, die die Stromgrenzen eines einzelnen Geräts überschreiten, ist es erforderlich, diese parallel zu schalten.In diesem Fall müssen besondere Maßnahmen ergriffen werden, um die ungleichmäßige Stromverteilung in einzelnen Geräten zu beseitigen, die auf die Nichtidentität ihrer Strom-Spannungs-Kennlinien im leitenden Zustand und die Verteilung der Einschaltzeit zurückzuführen ist.
Steuerblock 2 enthält Geräte, die von den Steuer- oder Schutzorganen kommende Befehle auswählen und speichern, Steuerimpulse mit eingestellten Parametern erzeugen und das Eintreffen dieser Impulse an den Thyristoreingängen mit den Momenten synchronisieren, in denen der Strom in der Last Null durchläuft.
Die Schaltung des Steuergerätes wird deutlich komplexer, wenn das Gerät neben der Stromkreisschaltfunktion auch die Regelung von Spannung und Strom übernehmen muss. In diesem Fall wird es durch eine Phasensteuereinrichtung ergänzt, die für eine Verschiebung der Steuerimpulse um einen bestimmten Winkel relativ zum Nullstrom sorgt.
Der Sensorblock für den Betriebsmodus des Gerätes 3 enthält Messgeräte für Strom und Spannung, Schutzrelais für verschiedene Zwecke, eine Schaltung zur Erzeugung logischer Befehle und zur Signalisierung der Schaltstellung des Gerätes.
Die Zwangsschalteinrichtung 4 vereint eine Kondensatorbank, deren Ladeschaltung und Schaltthyristoren. In Wechselstrommaschinen ist dieses Gerät nur enthalten, wenn sie als Schutz (Leistungsschalter) verwendet werden.
Der Leistungsteil des Geräts kann nach einem Schema mit antiparalleler Verbindung von Thyristoren (siehe Abbildung 1), basierend auf einem symmetrischen Thyristor (Triac) (Abbildung 2, a) und in verschiedenen Kombinationen von Thyristoren und Dioden (Abbildung 2, b und c).
Im Einzelfall sollten bei der Wahl einer Schaltungsvariante folgende Faktoren berücksichtigt werden: die Spannungs- und Stromparameter des zu entwickelnden Gerätes, die Anzahl der eingesetzten Geräte, die Langzeitbelastbarkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Stromüberlastungen, der Grad der Komplexität der Thyristorhandhabung, Gewichts- und Größenanforderungen und Kosten.
Abbildung 1 – Blockdiagramm eines AC-Thyristorgeräts
Abbildung 2 – Leistungsblöcke von Wechselstrom-Halbleitergeräten
Ein Vergleich der in den Abbildungen 1 und 2 dargestellten Leistungsblöcke zeigt, dass das Schema mit antiparallel geschalteten Thyristoren die größten Vorteile bietet. Ein solches Schema enthält weniger Geräte, hat geringere Abmessungen, geringeres Gewicht, Energieverlust und geringere Kosten.
Im Vergleich zu Triacs haben Thyristoren mit unidirektionaler (einseitiger) Leitung höhere Strom- und Spannungsparameter und können deutlich größeren Stromüberlastungen standhalten.
Tablet-Thyristoren haben einen höheren thermischen Zyklus. Daher empfiehlt sich eine Beschaltung mit Triacs zum Schalten von Strömen, die in der Regel den Nennstrom eines einzelnen Gerätes nicht überschreiten, also deren Gruppenschaltung nicht erforderlich ist. Beachten Sie, dass die Verwendung von Triacs dazu beiträgt, das Steuerungssystem des Netzteils zu vereinfachen. Es muss einen Ausgangskanal zum Pol des Geräts enthalten.
Die in Abbildung 2, b, c gezeigten Schemata veranschaulichen die Möglichkeit, Wechselstromschaltgeräte unter Verwendung von Dioden zu entwerfen. Beide Schemata sind einfach zu handhaben, weisen jedoch aufgrund der Verwendung einer großen Anzahl von Geräten Nachteile auf.
In der Schaltung von Abbildung 2, b wird die Wechselspannung der Stromquelle mithilfe eines Diodenbrückengleichrichters in eine Vollwellenspannung einer Polarität umgewandelt. Dadurch wird nur ein am Ausgang der Gleichrichterbrücke (in der Diagonale der Brücke) angeschlossener Thyristor in der Lage, den Strom in der Last während der beiden Halbzyklen zu steuern, wenn zu Beginn jeder Halbwelle die Steuerung erfolgt An seinem Eingang werden Impulse empfangen. Der Stromkreis wird beim nächsten Nulldurchgang des Laststroms nach Stoppen der Erzeugung von Steuerimpulsen abgeschaltet.
Es ist jedoch zu beachten, dass eine sichere Auslösung des Stromkreises nur bei einer minimalen Induktivität des Stromkreises auf der Seite des gleichgerichteten Stroms gewährleistet ist. Andernfalls fließt, selbst wenn die Spannung am Ende der Halbwelle auf Null sinkt, weiterhin Strom durch den Thyristor, sodass dieser nicht abschaltet. Die Gefahr einer Notauslösung des Stromkreises (ohne Auslösung) besteht auch, wenn die Frequenz der Versorgungsspannung ansteigt.
In der Schaltung in Abbildung 2 wird die Last durch zwei miteinander verbundene Thyristoren gesteuert, die jeweils durch ein ungesteuertes Ventil in die entgegengesetzte Richtung manipuliert werden. Da bei einer solchen Verbindung die Kathoden der Thyristoren auf dem gleichen Potenzial liegen, ist die Verwendung von Steuerimpulsgeneratoren mit einem oder zwei Ausgängen und gemeinsamer Masse möglich.
Die schematischen Diagramme solcher Generatoren sind stark vereinfacht. Darüber hinaus sind die Thyristoren in der Schaltung (Abbildung 2, c) gegen Sperrspannung geschützt und sollten daher nur für Durchlassspannung ausgewählt werden.
In Bezug auf Abmessungen, technische Eigenschaften und wirtschaftliche Indikatoren sind die nach den in Abbildung 2, b, c dargestellten Schemata hergestellten Geräte den Schaltgeräten unterlegen, deren Schaltkreise in den Abbildungen 1 c, 2, a dargestellt sind. Dennoch werden sie häufig in Automatisierungs- und Relaisschutzgeräten eingesetzt, wo die Schaltleistung in Hunderten von Watt gemessen wird. Sie können insbesondere als Ausgangsgeräte von Impulsformern zur Ansteuerung von Thyristorblöcken leistungsstärkerer Geräte verwendet werden.
Timofeev A.S.