دانلود مقاله الکترونیک قدرت

مقدمه ای راجع به الکترونیک قدرت

در 35 سال اخیر در کاربرد موتور های الکتریکی انقلابی رخ داده است . ساخت بسته های حالت جامد راه انداز موتور جایی رسیده که عملاًٌ هر مسئله کنترلی را می توان با استفاده از آنها حل کرد . با این راه اندازهای حالت جامد می توان موتورهای dc را با منابع تغذیه ac و موتورهای ac را با منابع تغذیه dc راه انداخت . حتی می توان ac  را به توان ac فرکانس دیگز تبدیل کرد .

از طرفی دیگر هزینه سیستمهای راه انداز حالت جامد به شدت پایین آمده و قابلیت اظمینان آنها بالا رفته است انعطاف و قیمت نسبتاً کم کنترل کننده ها و راه اندازهای حالت جامد باعث شده موتورهای ac کاربردهای جدید ، بیایند ، کاربردهایی که قبلاًٌ تنها با استفاده از ماشینهای dc انجام می شد . همچنین با استفاده از راه اندازهای حالت جامد موتورهای dc نیز قابلیت انعطاف بیشتری پیدا کرده اند .

تغییر عمده از ساخت و بهبود عناصر حالت جامد توان بالا حاصل شده است . گرچه مطالعه تفصیلی مدارها ، الکترونیک قدرت و عناصر آنها خود کتاب مستقلی می خواهد ولی کمی آشنایی با آنها در فهم کاربردهای موتورهای جدید بسیار لازم است .

عناصر الکترونیک قدرت

در مدارهای کنترل موتور چند نوع وسیله نیمه هادی عمده مورد استفاده قرار می گیرد . مهمترین اینها عبارت اند از :

دیود

تریستور دو سیمه (یا دیود PNPN)

تریستور سه سیمه ( یکسوز ساز کنترل شده سیلیسیومی SCR)

تریستور باگیت خاموش کن (GTO )

دایاک

تریاک

ترانزیستور قدرت (PTR )

ترانزیستور دو قطبی باگیت مجزا شده (IGBT )

دیود

دیود یک عنصر نیمه هادی است که برای عبور جریان در یک جهت طراحی شده است . نماد این عنصر در شکل نشان داده شده است . دیود طوری طراحی شده که جریان را از آند به کاتد بگذارند ولی در جهت عکس نه .

مشخصه ولتاژ جریان دیود در شکل زیر نشان داده شده است . با اعمال یک ولتاژ مستقیم به دیود جریان بزرگی از آن می گذرد . ولی اگر ولتاژ در جهت معکوس به آن اعمال شود . جریان گذرنده بسیار کوچک خواهد بود ( در رده میکروآمپر یا کمتر) . اگر ولتاژ معکوس اعمالی به حد کافی بزرگ باشد ، سرانجام دیود می شکند و اجازه می دهد که جریان در جهت عکس هم بگذرد . این سه ناحیه کاری دیود روی منحنی مشخصه شکل زیر نشان داده شده است .

دیودها با توجه به مقدار توانی که می تواند مصرف کنند و ماکزیمم ولتاژ معکوسی که می توانند بدون شکستن تحمل کنند دسته بندی می شوند . توانی که دیود در هنگام عمل در جهت مستقیم مصرف می کند ، با حاصلضرب افت ولتاژ مستقیم روی آن و جریانی که از دیود می گذرد برابر ست . این توان باید محدود شود تا دیود بیش از حد گرم نشود . ماکزیمم ولتاژ معکوس دیود با عبارت ولتاژ معکوس ماکزیمم (PIV ) مشخص می شود . این مقدار باید آنقدر بزرگ باشد که دیود هنگام کار نشکند و در جهت معکوس جریان نگذراند .

دیودها را از لحاظ زمان قطع و وصل نیز دسته بندی می کنند ، منظور مقدار زمانی است که طول می کشد تا دیود از حالت روشن به حالت قطع برود و بر عکس . چون دیودهای قدرتی بزرگ هستند ، و بار زیادی در پیوند عناصر توان بالا ذخیره می شود ، بسیار کندتر از دیودهایی که در مدارهای الکترونیکی معمولی یافت می شود تغییر حالت می دهند تمام دیودهای قدرتی اساساً آنقدر سریع هستند که بتوان در مدارهای Hz 50 یا Hz 60 به عنوان یکسو کننده به کارشان برد . ولی در بعضی کاربردها مثل مدولاسیون عرض پالس (PWM ) باید دیودهایی به کاربرد که بتوانند با آهنگی سریعتر از Hz 10000 تغییر حالت دهند . برای این کاربردهای سویچینگ سریع دییودهای خاصی موسوم به دیودهای با بازیابی سریع به کار می رود .

تریستور دو سیمه یا دیود PNPN

تریستور نامی است که به خانواده ای از عناصر نیمه هادی متشکل از چهار لایه نیمه هادی داده است . تریستور دو سیمه ، که دیود PNPN یا دیود تریگر شونده هم خوانده می شود یکی از اعضای این خانواده است . نام این عنصر در استاندارد IEEE برای نمادهای ترسیمی تریستور دیودی با سد کردن معکوس است . نماد این عنصر در شکل زیر به چشم می خورد .

دیود PNPN یک یکسوساز یا دیودست که مشخصه ولتاژ – جریانی غیرعادی در ناحیه بایاس مستقیم دارد . مشخصه ولتاژ – جریان آن در شکل زیر به چشم می خورد . منحنی مشخصه از سه ناحیه تشکیل می شود .

ناحیه سد کردن معکوس

ناحیه سدکردن مستقیم

ناحیه هدایت

در ناحیه سدکردن معکوس ، دیود PNPN مل یک دیود معمولی عمل کرده ، جلوی عبور جریان را می گیرد ، مگر اینکه ولتاژ معکوس از ولتاژ شکست معکوس بگذرد . در ناحیه هدایت باز هم دیود PNPN مثل یک دیود معمولی عمل می کند و به ازای یک افت ولتاژ کوچک اجازه عبور جریان بزرگی را می دهد . این ناحیه سد کردن مستقیم است که باعث تمییز یک دیود PNPN از یک دیود معمولی می شود .

وقتی دیود PNPN در، بایاس مستقیم قرار می گیرد از آن جریانی نمی گذرد ، مگر اینکه ولتاژ مستقیم روی دیود از مقدار خاصی موسوم به ولتاژ شکست VBO بگذرد. وقتی ولتاژ مستقیم روی دیود PNPN از VBO فراتر می رود ، دیود روشن می شود و روشن می ماند مگر اینکه جریانی که از آن می گذرد از یک مقدار می نیمم مشخص (نوعاٌ چند میلی آمپر) پایین تر بیاید . اگر جریان از این مقدار می نیمم ( که جریان نگهداری IH نامیده می شود) کمتر شود ، دیود PNPN خاموش شده و دیگر هدایت نمی کند ، تا اینکه دوباره ولتاژ روی آن از VBO بگذرد .

خلاصه اینکه دیود PNPN

وقتی روشن می شود که ولتاژ اعمالی Vo ازVBO بگذرد.

وقتی خاموش می شود که جریان Id آن از IH کمتر شود .

نمی گذارد که در جهت معکوس از آن جریان بگذرد مگر اینکه ولتاژ اعمال شده به آن از ولتاژ معکوس ماکزیمم بیشتر شود .

تریستور سه سیمه یا SCR

مهمترین عنصر خانواده  تریستورها سه سیمه است که با نام یکسوساز کنترل شده سیایسیوسی یا SCR نیز شناخته می شود . این عنصر توسط شرکت جنرال الکتریک در سال 1958 شناخته شد و SCR نام گرفت . نام تریستور بعدا توسط کمیسیون بین المللی الکتروتکنیک ( IEC ) به آن داده شد . نماد تریستور سه سیمه یا SCR در شکل زیر نشان داده شده است .

SCR همانطور که از نامش پیداست یک یکسوساز یا دیودکنترل شده است . مشخصه ولتاژ – جریان آن در صورت باز بودن گیت درست مانند دیود PNPN است .

چیزی که SCR را برای کاربردهای کنترل موتور مفید می سازد این است که ولتاژ روشن شدن یا شکست آن را می توان با جریانی که از گیت آن می گذرد کنترل کرد . هر چه این جریان بزرگتر باشد Vbo کوچکتر می شود ( شکل را ببینید ) .

(تصاویر در فایل اصلی موجود است )

اگر SCR انتخاب شده دارای ولتاژ روشن شدن بزرگی باشد به نحوی که در صورت باز بودن گیت آن بزرگترین ولتاژ مدار هم نتواند آن را روشن کند تنها در صورتی روشن خواهد شد که جریانی از گیت آن بگذرد . وقتی SCR روشن می ماند تا اینکه جریانش از حد خاصی با مقدار Ih کمتر می شود . بنابراین می توان پس از روشن شدن SCR جریان گیت آن را برداشت بدون اینکه اثری بر کار آن گذاشته شود . در حالت روشن افت ولتاژ مستقیم روی SCR حدود 2/1 تا 5/1 برابر افت ولتاژ روی یک دیود معمولی در بایاس مستقیم است .

تریستور سه سیمه یا SCR متداولترین عنصر در مدارهای کنترل قدرتی است . از اینها در کاربردهای یکسوسازی یا سویچینگ بسیار استفاده می شود . و در محدوده های مجاز از چند آمپر تا حدود A 3000 موجودند .

خلاصه اینکه یک SCR

وقتی روشن می شود که ولتاژ VD اعمال شده به آن از VBO بگذرد .

ولتاژ روشن شدن VBO آن توسط جریان گیت Ig کنترل می شود .

وقتی خاموش می شود که جریان آن Id از مقدار IH کمتر شود .

در بایاس معکوس اجازه نمی دهد جریانی عبور کند مگر اینکه ولتاژ معکوس از ولتاژ شکست معکوس بگذرد .

تریستور با گیت خاموش کن

تریستور با گیت خاموش کن ( GTO ) تحول جدیدی در تریستورهاست . تریستور GTO نوعی SCR است که می توان آن را با اعمال یک پالس منفی به حد کافی بزرگ به گیت خاموش کرد . حتی در موقعی که Id ازiH بزرگترست . گرچه ترییستورهای GTO از 1960 به این طرف وجود داشته اند ولی تنها در اواخر دهه 1970 برای کاربردهای کنترل موتور جنبه عملی پیدا کردند . این عناصر در بسته های کنترل موتور متداولتر شده اند زیرا دیگر برای خاموش کردن SCR در مدارهای dc به عناصر اضافی احتیاجی نخواهد بود . نماد تریستور GTO در شکل نشان داده شده است .