Bauteile der Leistungselektronik

Bauteile der Leistungselektronik steuern und wandeln elektrische Energieflüsse. Die Energieflüsse werden mit Hilfe von Stromrichterventilen (Thyristoren oder Leistungstransistoren) durch periodisches Ein- bzw. Ausschalten beeinflusst.

Dioden

Dioden lassen den Strom nur in eine Richtung durch. Die Diode ist ein passives Bauteil.

Diode an Wechselspannung

Ausgangsspannung

Nur die positive Halbwelle wird durchgelassen.

Aufgaben

1. Simulieren und beschreiben Sie die Kennlinie einer Diode.
2. Bescheiben Sie die Funktionsweise einer Diode.
3. Unterscheiden Sie eine Diode von einer Zenerdiode.
4. Sammeln und interpretieren Sie Kenn- und Grenzdaten von Dioden.
5. Die Eingangsspannung U₁ wird auf 100V erhöht. Was passiert?
   

Thyristoren

Wenn am Steueranschluss Gate G ein positiver Spannungsimpuls (>1 Volt) anliegt, dann fließt ein Strom I_T von der Anode A zur Katode K. Der Thyristor geht erst dann wieder in den Sperrzustand, wenn der Strom zwischen Anode und Katode Null oder negativ (Richtungsumkehr) wird. Der Thyristor kann also nicht über den Steueranschluss abgeschaltet (gelöscht) werden.

Phasenanschnittssteuerung mit Thyristor

Download der Biblothek für den Thyristor: thyristr.lib

Ausgangsspannung

GTO-Thyristor

Wenn am Steueranschluss Gate G ein positiver Spannungsimpuls (>1 Volt) anliegt, dann fließt ein Strom I_T von der Anode A zur Katode K. Durch einen negativen Spannungimpuls am Gate geht der GTO-Thyristor in den Sperrzustand. Der GTO-Thyristor kann also im Gegensatz zum "normalen" Thyristor über den Steueranschluss abgeschaltet (gelöscht) werden.

Aufgaben

1. Beschreiben Sie die Kennlinie eines Thyristors.
2. Bescheiben Sie die Funktionsweise eines Thyristors.
3. Was versteht man unter über Überkopfzünden?
4. Unterscheiden Sie den Thyristor von einem GTO-Thyristor.
5. Sammeln und interpretieren Sie Kenn- und Grenzdaten von Thyristoren.

Transistoren

Transistoren haben die Aufgabe hohe Ströme periodisch zu schalten. Der zu steuernde Strom fließt zwischen Kollektor und Emitter. Wenn am Basisanschluss B ein positiver Spannungsimpuls (>0,7 Volt) anliegt, dann fließt ein Strom I_C vom Kollektor C zum Emitter E. Wenn die Basisspannung Null oder negativ wird, dann geht der Transistor in seinen Sperrzustand: Zwischen Kollektor und Emitter kann kein Strom mehr fließen.

Transistor als Schalter

Kollektorstrom

Aufgaben

1. Stellen Sie die Gleichungen für die Ströme und Spannungen auf.
2. Wie groß muss die Spannung zwischen Basis und Emitter mindestens sein, damit der Transistor durchschaltet?
3. Simulieren Sie die Schaltung für verschiedene Transistortypen und ermitteln Sie jeweils die Stromverstärkung.
4. Enwerfen Sie eine Simulationsschaltung zur Simulation der Stromsteuerkennlinie I_C = f(I_B).
5. Enwerfen Sie eine Simulationsschaltung zur Simulation des Ausgangskennlinienfeldes I_C = f(U_BE).
6. Sammeln und interpretieren Sie Kenn- und Grenzdaten von Transistoren.
7. Bei einer Spannung von 50 V soll der zu steuernde Strom 5 A betragen. a) Berechnen Sie den Kollektorwiderstand. b) Ermitteln Sie für eine Eingangsspannung von 5 V einen Vorwiderstand R_v für die maximal mögliche Stromverstärkung. c) Simulieren Sie die Schaltung.
8. Der Steuerstrom ist für den Transistor 2N3055 zu groß. Ergänzen Sie die Schaltung durch einen zusätzlichen Transistor und untersuchen Sie den Steuerstrom.
9. Dimensionieren und simulieren Sie eine Schaltstufe für eine ohmsche Last mit einen Laststrom von 4 A. Die Spannung an der Last beträgt 24 V.
10. Simuliern Sie eine Schaltstufe mit induktiver Last. Welche Probleme kommen vor?

Inhaltsverzeichnis Bauteile Steuerelektronik Gleichrichter Gleichstromsteller Wechseltromsteller Wechselrichter