Grundlagenpraktikum: Versuch 037/038 · Der Thyristor T in der Schaltung nach Bild 10 wurde durch kurzes Betätigen R des Schalter S gezündet und das Lämpchen brennt. Was geschieht,

Universität Stuttgart Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe

Prof. Dr.-Ing. J. Roth-Stielow

Grundlagenpraktikum Versuch 037/038 Blatt 1

Grundlagenpraktikum: Versuch 037/038

Halbleiterbauelemente der Leistungselektronik

Versuchsdurchführung: Pfaffenwaldring 47, ETI 1

Praktikumsraum 1.287


INHALT

1 Einführung mit theoretischen Fragen zur Vorbereitung ...................................31.1 Die Leistungsdiode ...................................................................................41.2 Der Leistungstransistor (IGBT).................................................................81.3 Der Thyristor...........................................................................................121.4 Der Triac.................................................................................................16

2 Die verschiedenen Arbeitszustände der Bauelemente..................................202.1 Die Diode................................................................................................202.2 Der Transistor (IGBT) .............................................................................212.3 Der Thyristor...........................................................................................232.4 Der Triac.................................................................................................26

3 Einsatz der Bauelemente in typischen Schaltungen......................................273.1 Die Freilaufdiode ....................................................................................273.2 Feldsteuerung eines Gleichstromgenerators..........................................29

3.2.1 Transistorlösung (IGBT-Lösung) ..........................................................313.2.2 Thyristorlösung .....................................................................................353.2.3 Triac-Lösung.........................................................................................37

3.3 Lichtregler (Dimmer)...............................................................................39

4 Zusammenfassung ........................................................................................42


1 Einführung mit theoretischen Fragen zur Vorbereitung

Die Aufgabe der Leistungselektronik besteht in der Aufbereitung elektrischer Energie, welche speisenden Systemen (Netze, Batterien, Generatoren) ent-nommen und bestimmten Verbrauchern zugeführt wird.

Zur Erfüllung dieser Aufgabe wurden Spezialbauteile, wie die Leistungsdiode, der Leistungstransistor, der Thyristor und der Triac, entwickelt. Diese Bau-elemente sollen in diesem Versuch vorgestellt (Kap. 1) und ihre Schaltungs-funktion 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 Auf-gaben erfolgt mit den betreuenden Studenten während der Versuchs-durchführung.


Funktionsweise der Bauelemente:

1.1 Die Leistungsdiode

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.

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).


Mit der Schaltung nach Bild 3 lassen sich logische Verknüpfungen mittels Dioden durchführen. Vervollständigen Sie Tabelle 1!

Bild 3: Versuchsschaltung für Aufgabe 1

Tabelle1: Wahrheitstabelle

TAufgabe 1


Die oben angenommenen „idealen“ Arbeitszustände können in der Praxis nur annähernd erreicht werden. Die Kennlinie einer realen Leistungsdiode ist in Bild 4 dargestellt.

Bild 4: Kennlinie einer realen Leistungsdiode


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

................................................. ................................................

................................................ ..................................................

................................................ ..................................................

................................................ ..................................................

................................................ ..................................................

TAufgabe 2


1.2 Der Leistungstransistor (IGBT)

Das vielseitigste Bauelement der Leistungselektronik ist der Leistungs-transistor, der in seiner äußeren Funktion einem außerordentlich rasch steuerbaren elektrischen Widerstand entspricht. Im Rahmen dieses Versuchs wird beispielhaft ein Insulated Gate BipolarTransistor (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: Schaltzeichen (a) eines Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT) und sein elektrisches bzw. hydromechanisches Analogon (b) rasch veränderbarer Widerstand (c) Rohrmodell eines Transistors


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 Ci Wasserdurchsatz

Gate-Emitter-Spannung GEu Schieberstellung

......................................................................................................................

......................................................................................................................

Entsprechend der Darstellung nach Bild 6 muss in der Leistungselektronik häufig ein Verbraucher aus einer Spannungsquelle U mit einer ver-änderlichen Nutzleistung NP versorgt werden. Dies kann, wie in Bild 6 darge-stellt, über einen vorgeschalteten Transistor T erfolgen. Dieser Transistor wirkt dort als Vorwiderstand, dessen Ohmwert über eine Steuerspannung

GEu am Gate-Anschluss des IGBTs stetig verändert werden kann. Dadurch ist es möglich, die Verbraucherleistung NP wunschgemäß stetig zu verstellen.Die beiden Grenzfälle dieses Vorgangs sind in Bild 6 rechts beschrieben. Bei einem idealen Transistor wird in den beiden Grenzfällen und keine elektrische Leistung in Verlustwärme umgesetzt TP 0 , weil im Produkt

T TP U I entweder der Strom den Wert null hat (im Zustand , wenn der Transistor völlig sperrt) oder aber die Spannung am Transistor null ist (im Zustand , wenn der Transistor völlig leitet).

TAufgabe 3


Bild 6: Transistor als Vorwiderstand eines Verbrauchers

Im Bereich zwischen 0I und maxI I 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 stetigeEinstellung des betreffenden Arbeitspunkts aber auch im Mittel über einen „Schalterbetrieb“ zwischen den beiden Betriebszuständen (voll „aus“) und

(voll „ein“) zugeführt werden. Dies geschieht derart, dass man zwischen diesen Grenzpunkten sehr rasch hin und her schaltet und dabei die Verweilzeiten im Punkt N maxP P und im Punkt NP 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.


In Bild 7 ist der Vollständigkeit halber noch das Kennlinienfeld eines „realen“ Leistungstransistors (IGBT) angegeben.

Bild 7: Ausgangs-Kennlinienfeld eines Leistungstransistors (IGBT)

Aus Bild 7 können Sie auch die Übertragungssteilheit

C

GE

30 Ag 3,75 Su 8 VI

ablesen. D. h. um einen Kollektorstrom von C 30 AI fließen zu lassen, müssen Sie eine Gate-Emitter-Spannung (= Steuerspannung) von 8 V anlegen.


1.3 Der Thyristor

Im Vergleich zur Diode hat ein Thyristor (gesteuertes Ventil) einen Arbeits-zustand 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 9: Rohrmodell eines Thyristors (Einschaltbares Einwegventil)


Die Arbeitszustände im Einzelnen:

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.


Der Thyristor RT 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 RT und eine Diode D

Mögliche Antworten:

Das Lämpchen erlischt

Die Batterie wird kurzgeschlossen

Das Lämpchen brennt weiter

TAufgabe 4


Bild 11 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie eines Thyristors, wobei der DURCHLASS-Zustand dem Kurvenast „Thyristor gezündet“ entspricht.

Bild 11: Kennlinie eines Thyristors

Sie können erkennen, dass die Größe der Blockierspannung AKu vom Gate-strom GI abhängt, und dass ein „gezündeter“ Thyristor erst wieder „erlischt“, wenn der Anodenstrom AI den Wert des Haltestroms HI unterschreitet.

Wie beim idealen Transistor im Schalterbetrieb gibt es auch beim idealen Thyristor nur die beiden Grenzfälle

) A maxI I , AKu 0

) A 0I , AKu U


1.4 Der Triac

Die Abkürzung „Triac“ stammt von triode-alternating current-switch (= Drei-Elektroden-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 13: Rohrmodell eines Triac (Einschaltbares Zweiwegventil)

In Bild 13 ist das einschaltbare Zweiwegventil aus der Hydraulik/Pneumatik als Analogon dem Triac gegenübergestellt.


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.

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 Er-wärmung zu gelassen werden kann. Also muss ein Triac ungefähr die doppelten Chipfläche haben wie der entsprechende Thyristor.


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.

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.........................................................................................................................

.........................................................................................................................

Die Funktionsweise des Triac ergibt sich aus dem Ersatzschaltbild nach Bild 14 bzw. aus dem hydromechanischen Analogon nach Bild 13. Seine Arbeitszustände sind:

BLOCKIEREN (vorwärts) A2A1U 0

BLOCKIEREN (rückwärts) A2A1U 0

DURCHLASSEN (in beide Richtungen) A2A1U 0

TAufgabe 5


Die Strom-Spannungs-Kennlinie eines Triac zeigt Bild 15, welche sich auch durch die erwähnte Antiparallel-Schaltung zweier Thyristor-Kennlinien (Bild 11) ergibt.

Bild 15: Strom-Spannungs-Kennlinie eines Triac


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 GU , die Wechselspannung

WU und die Hilfsspannung HU ) werden von einem eingebauten Netzgerät geliefert.

2.1 Die Diode

Legen Sie Schalter 1S an GU und setzen Sie Platte 1 in das Experimentierbrett ein. Sie haben damit die Schaltung nach Bild 16 aufgebaut.

Bild 16: Versuchsschaltung mit Diode

PAufgabe 6


Wie wurde die Diode eingefügt? (vgl. Bild 16)

a) Die Lampe brennt = Polung: .............................

b) Die Lampe brennt nicht = Polung: .............................

Legen Sie 1S an WU . Setzen Sie die Platte 1B ein. Bei welcher Polarität von WU muss das Lämpchen leuchten? (Beachten Sie auch das Voltmeter!)

.........................................................................................................................

2.2 Der Transistor (IGBT)

Achtung! Bei diesem Versuch muss der Schalter 1S immer an GU 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.

Bild 17: Versuchsschaltung mit Transistor (IGBT)

PAufgabe 7


1. Was stellen Sie fest, wenn: a) 2S geschlossen, 3S geöffnet ist: ........................................

...............................................................................................

b) 2S und 3S geschlossen sind: .............................................

...................................................................................................

Begründen Sie Ihre Ergebnisse: ................................................

....................................................................................................

2. Welche Spannung messen Sie zwischen C und E (Kollektor und Emitter des Transistors), wenn 2S und 3S geschlossen sind?

CEU = .............. V

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 Anschluss-punkte an!

Bild 18: Äquivalente Relaisschaltung für den Transistor (als Schalter)


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: ......................... .........................

......................... .........................

2.3 Der Thyristor

Legen Sie 1S an GU ! Dann setzen Sie Platte 3A in Ihr Experimentierbrett ein, wodurch sich die Schaltung nach Bild 19 ergibt.

PAufgabe 8


Bild 19: Versuchsschaltung mit Thyristor

1. Führen Sie nacheinander folgende Schaltzustände aus:

Lampe 2S 3S brennt brennt

nicht1 geschlossen schließen ................ ................

2 geschlossen öffnen ................ ................

3 öffnen geöffnet ................ ................

4 schließen geöffnet ................ ................

2. Wie können Sie also einen Thyristor „löschen“?

..............................................................................................................


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!

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....................................................................................................................

....................................................................................................................

Bild 20: 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!


5. Legen Sie nun 1S an die Wechselspannung WU und setzen Sie wieder Platte 3A ein. Bei welcher Polarität von WU (beachten Sie auch das angebrachte Voltmeter!) können Sie den Thyristor zünden (mittels 3S ), d. h. durchschalten und die Lampe zum Brennen bringen?

... ................................................................................................................

2.4 Der Triac

Hier ist Platte 4 in das Experimentierbrett einzusetzen! Legen Sie 1S an WU ! Damit haben Sie die Schaltung nach Bild 21 aufgebaut.

Bild 21: Versuchsschaltung mit Triac

PAufgabe 9


Bei welcher Polarität der Wechselspannung WU 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 3S nur kurz antippen.

Wann löscht der Triac grundsätzlich?

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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 Aus- schalten einerinduktiven Last

Bild 24: Zeitlicher Verlauf des Spulenstroms nach dem Einschalten


In einer stromdurchflossenen Spule ist die magnetische Energie 2

magnE 1/ 2 L i 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 tuL 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 Ein-schaltzeitpunkt 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

Bild 25b: Stausee mit Triebleitung Schieber S und Druckventil D


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.

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?

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.........................................................................................................................

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).

TAufgabe 10


Ein kleiner Asynchronmotor (ASM) wird direkt an das Drehstromnetz angeschlossen. Er treibt den Gleichstromgenerator (GG) mit einer konstanten Drehzahl Sn an.

Bild 26: Versuchsschaltung zur Feldsteuerung eines Gleichstromgenerators

Die Ausgangsspannung AU 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 AU proportional zum Erregerfluss und damit zum Erregerstrom EI ist.


Also A EU I .

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.

Andererseits ist Ihnen bekannt, dass bezüglich des Gleichstrommotors GM eine veränderliche Ankerspannung AU dessen Ausgangsdrehzahl Anvariiert (vgl. Spielzeugeisenbahn).

Somit können Sie mit Hilfe des Steuergeräts (StG) und des Stellers (vgl. Bild 26) über den Erregerstrom EI die Drehzahl An 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)

1. Der Antriebsmotor, der Steuergenerator und der Gleichstrommotor sind bereits fest aufgebaut. Es muss nur noch die Feldwicklung angeschlossen werden.

PAufgabe 11


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)

Bild 27: Schaltplan für den Transistorsteller C Zwischenkreiskondensator (zur Glättung),

FD Freilaufdiode, T Transistor (IGBT) StG1 Steuergerät 1


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 = .........................

Schaltung wie in der vorhergehenden Aufgabe.

Betrachten Sie nacheinander auf dem Oszilloskop den zeitlichen Verlauf der Spannung CEu und des Erregerstroms Ei (letzteren können Sie mit Hilfe des Strommessglieds potentialfrei messen). Zeichnen Sie beide Zeitverläufe in untenstehende Skizzen ein. (Vergessen Sie nicht, die Achsen zu beziffern!)

PAufgabe 12


Wann leitet und wann sperrt der IGBT?

.........................................................................................................................

.........................................................................................................................

.........................................................................................................................

.........................................................................................................................


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).

Bild 28: Zweipulsige Halbbrückenschaltung mit zwei Thyristoren


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 dUein. Diesen Sachverhalt veranschaulicht Bild 29.

Bild 29: Zeitlicher Verlauf der gleichgerichteten Spannung du .

Sie sehen, dass die schraffierten Flächen Ausschnitte aus dem sinusförmigen Spannungssystem sind; man spricht hier von „Phasenanschnitt“.

1. Bauen Sie die Schaltung nach Bild 28 auf dem Experimentierbrett auf; d. h., Sie ersetzen den Transistorsteller durch die oben angegebene Halbbrückenschaltung.

PAufgabe 13


2. Oszillographieren Sie den Strom Ei und die Spannung du für eine beliebige Potentiometerstellung.

3.2.3 Triac-Lösung

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 LU wird dann mittels eines Brückengleichrichters (Graetzbrücke) gleichgerichtet (Bild 30).


Bild 30: Einsatz des Triac zur Feldsteuerung

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 Lu

b) des Stroms Ei

PAufgabe 14


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.


Bild 31: Prinzipschaltung des Lichtreglers (Dimmer)

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 B0U , 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 u ,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 B0U entlädt sich der Kondensator C über Diac und Gate-Anschluss G des Triac. Dieser wird leitend und bleibt in diesem Zustand bis zum nachfolgenden Nulldurchgang von u . Durch Verändern von R lässt sich somit der Zündzeitpunkt einstellen. Bild 32 zeigt den zeitlichen Zusammenhang für einen Zündverzögerungswinkel .


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.


4 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.

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