Leistungselektronik

Allgemein

Wir unterscheiden zwischen

  1. rotierenden (Maschinen-) Umformern und
  2. statischen (elektronischen) Umformern

Umrichten heißt:

  1. f1 in f2 oder
  2. U1 in U2 umformen
dabei kann f1 oder 2 = 0 sein (Gleichstrom)

Spannungsumrichter (DC-DC Wandler)

Zum Beispiel ein Sperrwandler:

Während der Durchlassphase des Halbleiterschalters wird elektrische Energie im Übertrager gespeichert, die in der Sperrphase abgegeben wird.

Frequenzumrichter

Aus Wechsel- oder Drehstrom wird Gleichstrom erzeugt und danach wieder Wechsel- oder Drehstrom. Zwischen den Umformern liegt der sogenannte Zwischenkreis, der die Glättung (Siebung) übernimmt.

Elektronische Frequenzumformer bieten den Vorteil, dass U und f im richtigen Verhältnis geregelt werden können.

Wechselrichter

Grundprinzip eines Thyristorwechselrichters in einphasiger Mittelpunktschaltung. Nachteil dieser Anordnung ist der sehr hohe Oberwellengehalt der Wechselspannung (weit von der Sinusform entfernte Kurvenform).

PWM-Wechselrichter

Pulsweitenmodulierte Wechselrichter arbeiten praktisch mit einer gesteuerten Gleichrichterbrücke.

Die GTO-ThyristorenGate-Turn-Off; löschen mit Steuersignal der Brückenzweige schalten abwechselnd mit einer bestimmten Tastfrequenz (der Pulsweite) einen Strom über den - zwischen den Brückenzweigen angeschlossenen - Verbraucher. Die Glättungsdrossel bringt die spezielle Stromform (Ladung-Entladung einer Induktivität nach einer Exponentialfunktion).

Wechselrichter für Drehstrom

Ähnlich wie bei der PWM wird eine Drehstrombrückenschaltung verwendet, um durch entsprechende Schaltung der einzelnen Transistoren oder GTO’s zu einer treppenförmigen Spannung auf drei Phasen zu kommen. Mit Erhöhung der Taktfrequenz werden die Stufen kleiner, der Oberwellengehalt der Stromkurve sinkt.

Durch das Zusammenwirken der Stromventile ergibt sich folgende Stromform:

Thyristor

Allgemein

Thyristoren bestehen aus einem Si-Kristall mit einer pnpn-Schichtenfolge.

Baugrößen:

  • UN = 50V ... 5kV
  • IN = 0,5A ... 1500A

Thyristor Symbol 1
a) kathodenseitig steuerbarer Thyristor
(P-Gate-Thyristor)
Thyristor Symbol 2
b) anodenseitig steuerbarer Thyristor
(N-Gate-Thyristor)

Aufbau

Schichtenstruktur der Silizium-Tablette:

Silizium-Tablette

Der Durchmesser dieser Bauform beträgt 75mm; ihre Dicke ist aber nur etwa 300 ... 600µm.

Aufbau des Thyristors

Wirkungsweise

5-Schichten durchschnitten gedacht ergibt: zwei Transistoren mit drei Schichten.

Schichtenmodell des Thyristors

Daher zwei mögliche Ansteuerungen:

  1. P-Gate-Thyristor:
    Der kathodenseitige npn-Transistor wird mit einer positiven Gatespannung ( = Basisansteuerung) geschaltet.
  2. N-Gate-Thyristor:
    Der anodenseitige pnp-Transistor wird mit einer negativen Gatespannung ( = Basisansteuerung) geschaltet.

Die Ersatzschaltung eines Thyristors mit zwei komplementären Transistoren kann für die Erklärung der Schaltfunktion herangezogen werden.

P-Gate-Thyristor:

Bei Anlegen der Speisespannung ("+" an Anode; "-" an Katode) sperren die beiden Transistoren ( = der Thyristor).

Wird der kathodenseitige Transistor geschaltet (links), erhält die Basis des anodenseitigen Transistors negatives Potenzial, und beide Transistoren leiten.

N-Gate-Thyristor:

Die Wirkungsweise wiederholt sich mit umgekehrten Vorzeichen.

Kennlinie und Kenndaten

Thyristor-Kennlinie

Die natürliche Kippspannung (= Null-Kipp-Spannung UB0 kann durch einen Stromimpuls an "G" verkleinert werden. Ein "natürliches" Schalten bei Überschreitung von UB0 ( = Überkopf-Zünden) sollte vermieden werden, da sehr hohe Stromspitzen die Folge sein können.

Der Stoßstromgrenzwert ITSM ist der höchste zulässige Strom, der nur alle 5s erlaubt ist

Unter dem Haltestrom IH beginnt der Thyristor wieder zu sperren ( = bistabil).

Je größer der Zündstrom IG, desto früher beginnt der Thyristor zu leiten. Bei IGT erfolgt eine sichere Zündung

Verwendung

als DC-Schalter

GS-Schalter mit Thyristor

Ein Problem bei Gleichstromschaltern ist das Löschen der Thyristoren. Dies unterstützt in dieser Schaltskizze der Kommutierungskondensator CK.

Im Schaltzustand lädt er sich über RV mit UB auf. Bei der Betätigung des Austasters, entlädt er sich über H1, wobei die Stromrichtung umdreht ( = kommutiert). Die Sperrschicht des Thyristors wird "ausgeräumt". So sperrt dieser wieder.

als steuerbarer Gleichrichter

gesteuerter Gleichrichter mit Thyristor

Alle bekannten GR-Schaltungen können auch mit Thyristoren gebaut werden. So ist es möglich, die Gleichspannungen über Steuerimpulse zu stellen. Damit kann die wirksame Gleichspannung verlustlos geregelt ( = Fläche unter der Spannungskurve) werden.

Das Bild zeigt eine halbgesteuerte B2 - Schaltung.

als Wechselrichter

Wechselsrichter mit Thyristor

Große Bedeutung hat die Erzeugung von Wechsel- aus Gleichstrom. Das Bild links zeigt eine Prinzipschaltung. Zentrale Bedeutung hat die Ansteuereinheit, weil mit ihr die Frequenz der Wechselspannung eingestellt wird.

Verwendung:
Energierückgewinnung aus Bremsung; Solarstromerzeugung; HGÜ ( = Hochspannungs Gleichstrom Übertragung) zwischen verschiedenen Versorungsnnetzen

als Drehstromumrichter (f-Umformer)

Drehstromumrichter mit Thyristor

Gesteuerte Drehstrombrücken können aus Gleich-, Wechsel- oder Drehstrom wieder Drehstrom mit beleibiger Frequenz erzeugen.

Das Bild zeigt das Prinzip von Frequenzumrichtern zur Drehzahlsteuerung von Drehstrommotoren.

Triac

Allgemein

Symbol des Triac

Triac bedeutet: Tri - drei Anschlüsse und ac - alternating current ( = Wechselstrom)

Der Triac wird auch als Zweirichtungs-Thyristortriode oder Zweiwegthyristor bezeichnet. Das sagt eigentlich alles über die Funktion des Bauteiles.

Die Schichtenfolge entspricht der des Diacs ( = Fünfschichtdiode) mit einer in die p-Schaicht der A1 eingebeteten n-Insel als Gate-Anschluss

Wirkungsweise

Der Triac läßt sich mit einem IG - Impuls zünden (A1 - A2 - Strecke wird leitend). Bei Wechselstrom sperrt das Bauteil nach jedem Nulldurchgang, es muss also immer neu gezündet werden.

U-I-Kennlinie

Triac Kennlinie

Zur Kennlinie ist auch die Arbeitsgerade des Lastwiderstandes eingetragen.

Aus den Schnittpunkten wird ersichtlich:

  • im Sperrzustand fällt an der Last die Spannung UN - UR0 ( = sehr klein) und UR0 am Triac ab.
  • Im Schaltzustand fällt am Triac UT und an der Last UN - UT ( = sehr klein) ab.

  • Verwendung

    Phasenanschnitt-Steuerung

    Dimmerschaltung

    Die häufigste Verwendung ist die Dimmerschaltung

    Hier wird die Leistung eines Verbrauchers verlustlos gesteuert.

    Kurvendiagramme der Dimmerschaltung

    Der Kondensator im Steuerstromkreis bewirkt eine phasenverschobene Spannungskurve, die zur Einstellung des Zündwinkels α dient.

    Ein größerer Zündwinkel verkleinert die Verbraucherleistung, weil ein Teil der wirksamen Spannung ( siehe Fläche) abgeschnitten wird.

    Schwingungspaketsteuerung

    Schwingungspaketsteuerung

    Bei langsamen Verbrauchern wie Heizungen kann die Leistung auch durch kurzzeitiges Ausschalten gesteuert werden. Für Motoren ist dieser "Stotterbetrieb" kaum geeignet. Bei Heizungen dagegen ist diese Ansteuerung sehr beliebt.