Електронні перетворювачі в сільському господарстві Автоматизовані системи функціонування

Електронні перетворювачі в сільському господарстві Автоматизовані системи функціонування сільськогосподарських об’єктів у тваринництві (корівники, пташники, свинарники і т. п. ), рослинництві (тепличні господарства і т. п. ). Енергозабезпечення всього сільського господарства як за допомогою централізованих електромереж, так і за допомогою автономних джерел живлення, включаючи альтернативну енергетику. Все більше електронних систем входить до складу різноманітної с/г техніки і т. д.

Класифікація електронних перетворювачів 1. Випрямлячі, які перетворюють змінний струм у постійний (АС-DC ―Alternative Current - Direct Current). 2. Інвертори, які перетворюють постійний струм у змінний (DC-АС). 3. Перетворювачі частоти, які перетворюють змінний струм однієї частоти у змінний струм іншої частоти, можливо і з іншим числом фаз (АС-АС). 4. Регулятори постійного струму, які перетворюють постійний струм однієї напруги у постійний струм іншої напруги (DC- DC). 5. Регулятори змінної напруги, які перетворюють змінну напругу в регульовану змінну напругу тієї ж частоти.

Класифікація електронних перетворювачів Перетворювачі числа фаз, які перетворюють змінний струм з одним числом фаз у змінний струм тієї ж частоти з іншим числом фаз. 7. Помножувачі частоти, які перетворюють змінний струм однієї частоти у змінний струм іншої частоти, яка відрізняється у фіксоване число раз М від вхідної частоти. 8. Регульовані джерела реактивної (неактивної) потужності (ДРП), які дозволяють вводити в систему електропостачання додаткові (до реактивних потужностей споживачів) реактивні потужності зсуву, спотворення, несиметрії з метою компенсації відповідних потужностей неякісних споживачів і поліпшення таким чином якості електроенергії в системі електропостачання. 6.

НАПІВПРОВІДНИКОВІ ДІОДИ Напівпровідниковий діод — електроперетворювальний прилад з одним р-n-переходом і двома виводами. Властивості, технічні характеристики та параметри діода визначаються р-n-переходом. На практиці знаходять застосування точкові, площинні, сплавні і дифузійні діоди. За функціональним призначенням діоди поділяють на випрямні, високо частотні(універсальні), імпульсні, опорні (стабілітрони), перемикаючі, фотодіоди, світлодіоди, тунельні та інші.

В основі роботи ВД властивість односторонньої провідності р-n переходу, суть якої в тому, що цей перехід добре проводить струм (має малий опір)при прямому вмиканні, але практично не проводить струм (має дуже великий опір) при зворотному вмиканні Це підтверджують вольт-амперні характеристики (ВАХ) ВД: ідеального (рис. 2 а) і реального (рис. 2, б). Пряму гілку ВАХ ВД можна описати рівнянням: де : Іпр і Uпр – відповідно прямий струм і пряма напруга; , Zб – опір бази (складає десятків омів); тепловий потенціал (k– постійна Больцмана; q – заряд електрона; Т – абсолютна температура, К; при Т=300 К, φТ=0, 026 В); І0 – зворотній струм р-n переходу.

Вольт-амперні характеристики ВД: а – ідеального діода, б – реального діода Вольт-амперні характеристики ВД: ідеального діода, б – реального діода.

Вольт-амперні характеристики германієвого (а), кремнієвого (б) діодів та їх умовне позначення (в).

Стабілітрони (опорні діоди) призначені для стабілізації рівня напруги. Їх робота базується на використанні явища електричного пробою p-n-переходу при включенні діода у зворотному напрямку. Варикап — це напівпровідниковий діод, дія якого засновується на використанні залежності бар'єрної (зарядної) ємності від значення прикладеної напруги. Це дозволяє застосовувати варикап як елемент з електрично керованою ємністю.

Вольт-амперні характеристики стабілітрона (а)умовне позначення (б) і його включення в схему стабілізації постійної напруги (в)

Вольт-фарадна характеристика варикапа (а), його умовне позначення (б)

БІПОЛЯРНІ ТРАНЗИСТОРИ (BPT Bipolar Power Transistor) Біполярні транзистори є активними напівпровідниковими приладами, що забезпечують підсилення потужності електричних сигналів, їх генерацію, а також комутацію електричних кіл. Біполярний транзистор, напівпровідниковий елемент якого має два р-n-переходи, являє собою тришарову напівпровідникову структуру, яка утворюється в одному кристалі шляхом введення акцепторної або донорної домішки. В залежності від характеру електропровідності зовнішніх шарів розрізняють транзистори типу р-n-р (рисунок 1, а) і n -р-n (рисунок 1, в), а їх умовні позначення показані відповідно на рисунку 1, б, г.

Умовні позначення р-n-р і n-р-n транзисторів

• Внутрішню область монокристалу транзистора, що розділяє p-n-переходи, називають базою (Б). Зовнішній шар монокристала, що призначений для інжектування (впровадження) носіїв заряду в базу, називають емітером (Е), а p-n-перехід П 1, що примикає до емітера, - емітерним. Іншій зовнішній шар, екстрагуючий носії заряду з бази, називають колектором (К), а перехід П 2 - колекторним. Змінюючи напругу між базою та емітером, можна керувати густиною струму інжекції, а отже, і екстракції • Робота біполярного транзистора базується на взаємодії двох p-n-переходів; це забезпечується тим, що товщина середньої області транзистора (бази) вибирається менше довжини вільного пробігу (дифузійної довжини) носіїв заряду в цій області (звичайно ).

Типи транзисторів • Поділяють транзистори на типи за їх призначенням, а також за технологією, яку застосовують при їх виготовлені. Найхарактернішими ознаками поділу транзисторів за призначенням є частоти підсилюваного сигналу (низькочастотні, середньочастотні, високочастотні, та НВЧ – транзистори) та допустима потужність розсіювання колекторного переходу Рк. • Рк визначається умовами віддачі тепла від колектора. Вона має прямий зв'язок з електричними показниками вихідного (навантажувального) кола транзистора. За значенням Рк транзистори бувають: малої потужності (Рк<0, 3 Вт); середньої потужності (0, 3 Вт < Рк<1, 5 Вт) та великої потужності (Рк>1, 5 Вт). При енергетичному розрахунку вихідного кола транзистора розраховують Рк і вибирають тип транзистора за потужністю. При використанні транзисторів середньої та великої потужності варто покращувати умови тепловідачі. • За технологією виготовлення розрізняють: сплавні; дифузійно-сплавні; конверсійні ; епітаксіальні та планарні транзистори.

ПОЛЬОВІ ТРАНЗИСТОРИ (MOSFET – Metal – Oxid – Semiconductor – Field – Effect – Transistor ) • Польовий транзистор – напівпровідниковий прилад, підсилюючі властивості якого обумовлені потоком основних носіїв, що протікають через провідний канал, керований поперечним електричним полем. • Польовий транзистор на відміну від біполярного іноді називають уніполярним, оскільки протікання в них струму обумовлено дрейфом основних носіїв заряду ( або електронів, або дірок). • Польовий транзистор – напівпровідниковий підсилюючий прилад, яким керує не струм ( як в біполярному транзисторі), а напруга ( електричне поле, звідси і назва – польовий), здійснюючи зміну площини поперечного перерізу провідного каналу, що призводить до зміни вихідного струму транзистора.

Класифікація польових транзисторів ПОЛЬОВІ ТРАНЗИСТОРИ Із затвором у вигляді р-n переходу З р-каналом З n-каналом З ізольованим затвором З вбудованим каналом З індукованим каналом

Область напівпровідника, в якій регулюється потік основних носіїв заряду, називають провідним каналом. Електрод, через який основні носії заряду втікають у канал, називають витоком, а електрод, через який вони витікають - стоком. Електрод польового транзистора, на який подають керуючий сигнал, за допомогою якого формують керуюче електричне поле, називають затвором.

Принцип роботи польового транзистора. • У польовому транзисторі з об’ємним каналом площа поперечного перерізу каналу змінюється за рахунок зміни площі збідненого шару зворотно ввімкненого р-n-переходу. На рис. 1. 27 зображено польовий транзистор з керуючим р-n-переходом, ввімкнений по схемі з СВ.

Напругу між затвором і витоком, при якій струм стоку , називають напругою відсічки польового транзистора UЗВ від. На рис. б) і в) вихідні і передавальні характеристики польового транзистора з керуючим p-n-переходом для схеми вмикання з СВ.

Реальна структура МОН-транзистора з каналом n-типу

Передавальні і вихідні ВАХ для МДН-транзистора з індукованим (наведеним) затвором при вмиканні з СВ

Передавальні і вихідні ВАХ для МДН-транзистора із вбудованим затвором при вмиканні з СВ

• Дискретні польові транзистори класифікують по потужності і частоті аналогічно біполярним. На рис. 1. 34 показані умовні графічні позначення польових транзисторів: • а – з керуючим переходом та каналом n-типу; • б – з керуючим переходом та каналом р-типу; • в – з ізольованим затвором та вбудованим каналом р-типу; • г - з ізольованим затвором та вбудованим каналом n-типу; • д – з ізольованим затвором та наведеним каналом р-типу; • е – з ізольованим затвором та наведеним каналом n-типу.

ТИРИСТОРИ (SCR – Silicon Controlled Rectifier) Тиристорами називаються напівпровідникові прилади з трьома (і більше) p-n-переходами, які мають два стійких стани і можуть перемикатися з закритого стану у відкритий і навпаки. Розрізняють діодні (некеровані) і тріодні (керовані) тиристори. Діодний тиристор називають діністором.

Діністор представляє собою двохполюсну чотиришарову p 1 -n 1 -p 2 n 2 -структуру.

ВАХ діністора

Тиристор – представляє собою чотиришарову p 1 n 1 -p 2 -n 2 структуру, в якій одна з базових областей зроблена керуючою.

• Схема з'єднання транзисторних секцій, які моделюють тиристорну р-nр-n структуру, показана на рисунку. Із цієї схеми видно, що колекторний струм ІC 1 р-n-р транзистора є базовим струмом Іб 2 n-р-n транзистора, а колекторний струм ІC 2 n-р-n транзистора - базовим струмом Іб 1 р-n-р-транзистора. • Базовий вивід дає можливість керувати струмом емітера. Для цього на керуючий електрод (КЕ) необхідно подати напругу такої полярності, яка б забезпечила вмикання відповідного емітерного переходу. В цьому випадку процеси вмикання та вимикання тиристора, тобто керування його струмом здійснюються не за рахунок прикладеної між анодом та катодом напруги зовнішнього джерела, а за рахунок зміни струму керуючого електрода , який є вхідним електродом, ввімкненим в електричне коло тиристора. • Для переводу тиристора в вимкнений стан необхідно забезпечити зменшення прямого струму через нього до нуля (нижче струму утримування , який для тиристорів набагато нижчий за анодний струм. Наприклад, для тиристора з А струм утримування м. А). • Для того щоб тиристор зміг знову витримувати без вмикання пряму напругу, потрібен деякий час. Цей час називається часом вимикання тиристора. За цей час тиристор відновлює свої запірні властивості.

ВАХ тиристора при різних струмах керування

Для електричних кіл змінного струму розроблений спеціальний прилад – симетричний тиристор (симістор, тріак), який може бути у провідному стані в обох напрямках (тобто незалежно від полярності прикладеної до нього напруги). Керування симетричним тиристором здійснюється так само, як і тиристором. Симетричний тиристор, на відміну від тиристора, має п’ятишарову структуру напівпровідника з різного виду провідностями р- та nтипу. На рис. 1. 40, а приведена ВАХ симістора. Симістор може комутувати струм любого напрямку, тому він замінює собою коло з двох звичайних тиристорів, ввімкнених зустрічно-паралельно (рис. 1. 40, б).

Рис. 1. 40

На рис. показані умовні графічні позначення тиристорів: а – діністор (діодний тиристор); б – тиристор з керуванням по катоду; в – тиристор з керуванням по аноду; г – запірний тиристор з керуванням по катоду; д – запірний тиристор з керуванням по аноду; ж- симетричний тиристор.

• Для здійснення операції вимикання струм тиристора необхідно зменшити до нуля, після чого до тиристора протягом деякого часу прикласти зворотну напругу. Зазначені умови, необхідні для вимикання тиристора, в таких перетворювачах, як керовані випрямлячі і залежні інвертори, створюються впливом змінного напруги живильної мережі при відмикання іншого тиристора перетворювача. Процес вимикання тиристорів під дією живильної мережі змінного струму називають природною комутацією. • В перетворювачах, де живлення здійснюється постійним струмом, вимикання тиристора можливе лише шляхом примусової подачі на прилад імпульсу напруги негативної полярності з використанням попередньо зарядженого конденсатора. Таку комутацію прийнято називати примусовою (штучною). Цей вид комутації застосовується в тиристорних автономних інверторах і імпульсних перетворювачах постійної напруги.

• Природна комутація відбувається при роботі тиристорів в колах змінного струму в момент спадання струму до нуля. • Способи примусової комутації вельми різноманітні. Найбільш характерні з них наступні: підключення попередньо зарядженого конденсатора С ключем S (рис 3, а); підключення LC-кола з попередньо зарядженим конденсатором CK (рис 3 б); використання коливального характеру перехідного процесу в колі навантаження (рис 3, в).

Рис. 3. Способи штучної комутації тиристорів: а) - за допомогою зарядженого конденсатора С; б) - за допомогою коливального розряду LC-контура, в) - за рахунок коливального характеру навантаження

• При комутації по схемі на рис. 3, а підключення комутуючого конденсатора із зворотною полярністю, наприклад, іншим допоміжним тиристором, викличе його розряд на провідний основний тиристор. Так як розрядний струм конденсатора спрямований зустрічно прямому струму тиристора, останній знижується до нуля і тиристор вимикається. У схемі на рис. 3, б підключення LC-контура викликає коливальний розряд комутуючого конденсатора Ск. При цьому на початку розрядний струм протікає через тиристор зустрічно його прямому струму, коли вони стають рівними, тиристор вимикається. Далі струм LCконтура переходить з тиристора VS в діод VD. Поки через діод VD протікає струм контура, до тиристора VS буде прикладена зворотна напруга, рівна падінню напруги на відкритому діоді.

• У схемі на рис. 3, в включення тиристора VS на комплексне RLC-навантаження викличе перехідний процес. При певних параметрах навантаження цей процес може мати коливальний характер зі зміною полярності струму навантаження. У цьому випадку після виключення тиристора VS відбувається включення діода VD, який починає проводити струм протилежної полярності. Іноді цей спосіб комутації називається квазіприродним, так як він пов'язаний зі зміною полярності струму навантаження.

Методи управління тиристорами

• Час від початку напівперіоду до відкривання тиристора називається кутом регулювання α. Якщо α = 0, то робота випрямляча аналогічна роботі некерованого випрямляча. Чим пізніше від початку напівперіоду буде з'являтися керований імпульс, тим пізніше відкриється тиристор, тим більше кут регулювання α, тим менше буде площа імпульсу випрямленої напруги, тим менше буде середнє значення випрямленої напруги. Середнє значення випрямленої напруги може бути визначено за формулою для будь-якого кута регулювання: U = Uo (α = 0) • (1 + cosα) / 2 Таким чином, змінюючи час появи керуючого імпульсу, змінюємо кут регулювання, а отже, і середнє значення випрямленої напруги.

Принцип вертикального регулювання.

Фазовий (мал. 4, а, б) і широтно-імпульсний спосіб керування тиристорами (рис. 4, в). • Рис. 5. Вид напруги на навантаженні при: а) - фазовому управлінні тиристором; б) - фазовому управлінні тиристором з примусовою комутацією; в) - широтно-імпульсному управлінні тиристором

• При фазовому методі управління тиристором з примусовою комутацією регулювання струму навантаження можливо як за рахунок зміни кута α, так і кута θ. Штучна комутація здійснюється за допомогою спеціальних вузлів або при використанні повністю керованих (що замикаються) тиристорів. • При широтно-імпульсному управлінні (широтноімпульсної модуляції - ШІМ) протягом часу Тоткр на тиристори поданий керуючий сигнал, вони відкриті і до навантаження докладено напруга Uн. Протягом часу Тзакр керуючий сигнал відсутній і тиристори знаходяться в непровідному стані. Діюче значення струму в навантаженні

де Iн. м. - Струм навантаження при Тзакр = 0. Крива струму в навантаженні при фазовому управлінні тиристорами несинусоїдальна, що викликає спотворення форми напруги живильної мережі і порушення в роботі споживачів, чутливих до високочастотних перешкод - виникає так звана електромагнітна несумісність.