Grundlagenpraktikum: Versuch 037/038

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).
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Versuch 037/038
Blatt 3
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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
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Blatt 5
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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:
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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
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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
œ
Wasserdurchsatz
Gate-Emitter-Spannung uGE
œ
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).
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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.
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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.
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Blatt 11
Bild 9: Rohrmodell eines Thyristors (Einschaltbares Einwegventil)
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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:
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Blatt 13
Das Lämpchen erlischt
Die Batterie wird kurzgeschlossen
Das Lämpchen brennt weiter
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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.
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Blatt 15
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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.
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Versuch 037/038
Blatt 17
BLOCKIEREN (vorwärts)
Ÿ UA2A1 ! 0
BLOCKIEREN (rückwärts)
Ÿ UA2A1 0
DURCHLASSEN (in beide Richtungen)
Ÿ UA2A1
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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
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Versuch 037/038
Blatt 19
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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)
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Blatt 21
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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“?
..............................................................................................................
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Blatt 23
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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
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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
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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
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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!)
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
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Blatt 33
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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.
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Blatt 35
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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
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Blatt 37
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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
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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
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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.
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Versuch 037/038
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Grundlagenpraktikum
Versuch 037/038
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