13. fejezet – Elektronikai alapok az erősáramú gyakorlatban

13.1 Félvezetők: tiszta és szennyezett félvezető, P- és N-típus

Vezető, szigetelő, félvezető

A 2. fejezetben az anyagokat két csoportba soroltuk: vezetőkre, amelyekben szabad
töltéshordozók vannak és áramot vezetnek, valamint szigetelőkre, amelyekben gyakorlatilag
nincs szabad töltéshordozó. A valóságban van egy harmadik, köztes csoport is: a félvezetők.

A félvezető tiszta állapotban rossz vezető. A benne lévő kevés szabad töltéshordozó pusztán a
hőmozgás következménye – ezeket nevezzük termikus töltéshordozóknak. Ez az anyag önmagában
nem sokra használható. Az egész félvezető-technika azon alapul, hogy ezt a vezetőképességet
szándékosan, szabályozottan meg tudjuk változtatni.

A szennyezés

A szennyezés (angolul: doping) során a félvezető kristályrácsába idegen atomokat építünk
be. A hatás drámai: a felhasznált forrás szerint a szennyezés „a szabad töltéshordozók számát a
termikus töltéshordozók mennyiségéhez képest 10³–10⁶-szorosára növeli".

Kétféle szennyezés van, és a különbség azon múlik, hány vegyértékelektronja van a bevitt
atomnak.

Az elnevezés logikája egyszerű, és érdemes így megjegyezni:

• az N-típusban a többségi töltéshordozó negatív (elektron), mert az ötödik
  vegyértékelektronnak nem jut kötés, tehát szabadon marad;
• a P-típusban a többségi töltéshordozó pozitív (lyuk), mert a háromvegyértékű atom
  körül egy kötés betöltetlen marad, és ez a „hiány" pozitív töltésként viselkedik és
  vándorol.

13.2 A PN-átmenet; nyitó- és záróirányú működés

Mi történik a határfelületen?

Ha egyetlen kristályon belül egy P-típusú és egy N-típusú tartomány kerül közvetlenül egymás
mellé, a határfelületen sajátos állapot alakul ki. A folyamatot a forrás így írja le: az
átmenetnél „a töltéshordozók koncentrációkülönbsége diffúziós áramlást hoz létre".

Az N-oldali szabad elektronok átdiffundálnak a P-oldalra, ahol lyukakkal találkozva
rekombinálódnak; a lyukak fordítva. A határ közelében így elfogynak a mozgékony
töltéshordozók: kialakul a kiürített réteg. A visszamaradt, helyhez kötött ionok
elektromos teret hoznak létre, ez a potenciálgát. Az egyetemi forrás megfogalmazása szerint
„a középen kialakult elektromos tér meggátolja, hogy további elektronok és lyukak tudjanak
áthatolni a határon". A folyamat tehát önmagát állítja le.

A két előfeszítési irány

Ha külső feszültséget kapcsolunk a PN-átmenetre, a potenciálgátat vagy lebontjuk, vagy tovább
növeljük. Ez a félvezető-technika legfontosabb egyetlen mondata.

Záróirányban azért nem nulla teljesen az áram. A forrás szerint ilyenkor „csak a kisebbségi
töltéshordozók általában elhanyagolható árama, az ún. záróáram folyik". A záróáram
hőmérsékletfüggő, és normál üzemben a µA vagy annál kisebb tartományba esik – a gyakorlatban
tehát valóban elhanyagolható, de nem nulla.

13.3 A dióda jelleggörbéje, katalógusadatai, kiválasztása

A jelleggörbe négy tartománya

A dióda egyetlen PN-átmenetből álló, kétkivezetéses eszköz: az anód (A) a P-oldal, a
katód (K) az N-oldal. Viselkedését az áram-feszültség jelleggörbéje (karakterisztikája)
írja le, amelynek négy tartománya van:

1. Letörési tartomány (nagy záróirányú feszültség) – itt a dióda „hirtelen" vezetni kezd
   visszafelé is;
2. zárási tartomány – a szokásos záróirányú üzem, gyakorlatilag nincs áram;
3. nyitóirányú exponenciális szakasz – a küszöbfeszültség környéke, az áram rohamosan nő;
4. nyitóirányú lineáris szakasz – nagy áramoknál a görbe kiegyenesedik, mert a soros
   ellenállások dominálnak.

A letörésről fontos tudni, hogy nem feltétlenül rombolás: a forrás szerint a letörési
feszültség fölött „a dióda záróárama megnő, a dióda vezetni kezd" (lavina- és
Zener-hatás). Egy közönséges egyenirányító diódánál ez tönkremenetelt jelent, mert a nagy
feszültség és a nagy áram szorzata elégeti a chipet – a Zener-diódánál viszont éppen ezt a
tartományt használjuk ki (13.7).

⭐ A nyitófeszültség: tartomány, nem merev szám

Ez a fejezet egyik legfontosabb pontja, mert a szakmai köznyelv itt rendszeresen pontatlan.
Gyakran hallani, hogy „a szilíciumdióda 0,7 V, a germánium 0,3 V". Ez közelítés, és nagy
áramoknál rossz eredményre vezet.

A Schottky-diódánál a 0,15 V-os alsó érték forrásból származik (2. forrás: „akár 0,15 V is
lehet"); a 0,4 V-os felső határ a jegyzet közelítő, gyakorlati megadása, nem forrásból
vett katalógusadat – a pontos értéket itt is az adatlapról kell kiolvasni.

⭐ Miért kell a hídhoz hűtőborda?

Ez a szám az erősáramú gyakorlatban nem elméleti apróság. Egy egyenirányító hídban
(13.4 alfejezet) a vezetési útban mindig két dióda van sorosan, tehát a veszteség nem
egy, hanem két nyitófeszültségnyi: 2 × 0,7…1 V. Ez kis áramnál elhanyagolható,
nagy áramnál viszont komoly hőteljesítmény.

A veszteségi teljesítmény számítása a 2. fejezet P = U · I összefüggése; a hőmérsékletet
pedig a hőellenállás-lánc adja. A teljesítményelektronikai forrás alapképlete:

θ_j = P · (R_th,jb + R_th,bc + R_th,ca) + θ_a

ahol   θ_j       = a félvezető rétegének (junction) hőmérséklete
       P         = a diódában keletkező veszteségi teljesítmény
       R_th,jb   = réteg–tok hőellenállás
       R_th,bc   = tok–hűtőborda hőellenállás (a szerelés minősége!)
       R_th,ca   = hűtőborda–környezet hőellenállás
       θ_a       = a környezet (a szekrény belsejének) hőmérséklete

Kidolgozott példa – a híd vesztesége és a hűtés szükségessége

Feladat: egy egyfázisú diódás híd I_d = 10 A egyenáramot szolgáltat.
A diódák nyitóirányú feszültségesése ezen az áramon U_F = 0,9 V.
Mekkora a hídban keletkező hőteljesítmény, és elég-e a hűtőborda nélküli beépítés?

1. A vezetési útban SOROSAN két dióda van:
   U_veszt = 2 · U_F = 2 · 0,9 V = 1,8 V

2. A híd összes veszteségi teljesítménye:
   P_ossz = U_veszt · I_d = 1,8 V · 10 A = 18 W

3. Egy diódára jutó ÁTLAGOS veszteség:
   minden pillanatban két dióda vezet, de mind a NÉGY dióda a periódus
   FELÉBEN vezet – a melegedést pedig az időben ÁTLAGOLT teljesítmény
   szabja meg, ez tehát a négy dióda között oszlik meg:
   P_dioda = P_ossz / 4 = 18 W / 4 = 4,5 W

   (Vigyázat: a 2 · U_F · I_d / 2 = 9 W csak a VEZETÉS ALATTI, pillanatnyi
    teljesítmény. A hőellenállás-lánc az ÁTLAGGAL számol, mert a tok és a
    hűtőborda hőtehetetlensége a 10 ms-os lüktetést kisimítja.)

4. Megengedett rétegmelegedés (mintaértékekkel):
   θ_j,max = 150 °C          (katalógusadat, példaérték)
   θ_a     =  40 °C          (a zárt szekrény belső hőmérséklete)
   Δθ_max  = 150 − 40 = 110 K

5. A megengedett teljes hőellenállás:
   R_th,ossz = Δθ_max / P_dioda = 110 K / 4,5 W = 24,4 K/W

6. Ebből az eszközön belüli és a szerelési rész (példaértékek):
   R_th,jb + R_th,bc = 1,5 + 0,5 = 2,0 K/W
   marad a hűtőbordára:
   R_th,ca ≤ 24,4 − 2,0 = 22,4 K/W

Válasz: a hűtőborda hőellenállása legfeljebb kb. 22 K/W lehet. Szabad
        levegőn, hűtőborda nélkül egy ilyen tokozás hőellenállása ennél
        lényegesen nagyobb, tehát a réteg túlmelegedne: a hídhoz KÖTELEZŐ
        a hűtőborda. (A számadatok mintaértékek – a tényleges értékeket
        mindig a konkrét eszköz katalógusából kell venni.)

Diódafajták és katalógusadataik

A kiválasztás alapadatai a katalógusban: a megengedett záróirányú feszültség (U_R), a
megengedett nyitóirányú áram (I_F), a nyitóirányú feszültségesés adott áramon, valamint a
hőadatok. Megegyezés szerint teljesítménydiódáról akkor beszélünk, ha U_R ≥ 250 V és
I_F ≥ 1 A.

⭐ A szabadonfutó (szabaddá futó) dióda

A 9. fejezetben láttuk, hogy a tekercs árama nem tud ugrásszerűen megszűnni: a
u_i = −L · di/dt összefüggés miatt a hirtelen megszakított induktív áram kikapcsolási
túlfeszültséget hoz létre, amely a kapcsoló érintkezői között ívet húz, és a
környező elektronikát tönkreteszi.

A megoldás a szabadonfutó dióda: a tekercscsel párhuzamosan, záróirányban bekötött
dióda. Amíg a tekercs be van kapcsolva, a dióda zár, tehát semmit nem csinál. A lekapcsolás
pillanatában viszont a tekercs feszültsége megfordul, a dióda nyitóirányba kerül, és a
tekercs árama rajta keresztül tovább folyhat, amíg a mágneses mező energiája el nem
fogy. Az induktív túlfeszültség így a dióda nyitófeszültségének nagyságrendjére korlátozódik.

13.4 Egyutas és kétutas (hidas) egyenirányítás

Az egyenirányítás feladata

A hálózat váltakozó feszültséget ad, a vezérlőáramkörök, a jelzőlámpák, az elektronikus
védelmek, a PLC-k és a frekvenciaváltók közbenső köre viszont egyenfeszültséget igényel.
Az átalakítást az egyenirányító végzi.

Egyutas (félhullámú) kapcsolás

A legegyszerűbb megoldás egyetlen dióda a forrás és a terhelés között. A dióda csak az egyik
félperiódusban vezet, a másikban zár. A kimeneten így félperiódusonként egy szinuszdomb
jelenik meg, közöttük nulla feszültségű szünettel.

• A középérték: U_d ≈ 0,45 · U, ahol U a bemenő váltakozó feszültség effektív értéke.
• A lüktetés frekvenciája: 50 Hz-es hálózaton 50 Hz – tehát 20 ms-onként egy „adag"
  energia érkezik, közte hosszú szünet.
• Hátránya: nagy lüktetés, rossz kihasználás, és a hálózat felől nézve egyenáramú
  komponens jelenik meg, ami a betápláló transzformátort telítésbe viheti.

Az egyutas kapcsolás ezért ma legfeljebb kis teljesítményű, igénytelen segédáramköröknél
fordul elő. Megérteni viszont muszáj, mert erre épül minden további kapcsolás.

Kétutas középleágazásos kapcsolás

Középleágazásos szekunderű transzformátorral és két diódával mindkét félperiódus
felhasználható. A középérték a fél tekercsre vonatkoztatva U_d ≈ 0,9 · U, a lüktetés
frekvenciája 100 Hz. Hátránya, hogy külön középleágazásos transzformátort igényel,
ezért az iparban kiszorult.

⭐ A hídkapcsolás (Graetz-kapcsolás)

Ez a gyakorlat alapmegoldása. Négy dióda alkot hidat: a pozitív félperiódusban két
átellenes dióda vezet, a negatívban a másik kettő. A forrás megfogalmazása szerint „a pozitív
félperiódusban a D1-es és D2-es dióda vezet, a negatívban pedig a D3-as és D4-es dióda".
Az eredmény: a terhelésen mindkét félperiódus azonos polaritással jelenik meg.

Megjegyzés a jelölésről. Az idézett forrás – a szakirodalomban máig általános módon – a
D betűt használja a diódákra, és ezt a jelölést viseli a 13.5. ábra is, hogy az idézettel
összevethető maradjon. A hatályos MSZ EN IEC 81346-2:2019 szerint viszont a dióda az
RA alosztályba tartozik („villamos energia áramlásának korlátozása"), a D betű pedig
ebben a rendszerben nem készülékosztály-jel. Kapcsolási rajz olvasásakor ezért itt is az
érvényes szabály: a jelmagyarázatot mindig el kell olvasni (3. fejezet).

Kidolgozott példa – az egyenirányított feszültség középértéke

Feladat: egy vezérlési segédáramkör transzformátorának szekunderfeszültsége
U = 24 V (effektív érték, 50 Hz). Mekkora egyenfeszültséget kapunk
egyutas és hidas kapcsolással, szűrés nélkül?

1. A szekunderfeszültség csúcsértéke (10. fejezet):
   Û = √2 · U = 1,414 · 24 V = 33,9 V

2. Egyutas egyenirányítás középértéke:
   U_d = 0,45 · U = 0,45 · 24 V = 10,8 V
   a lüktetés frekvenciája: f_r = 50 Hz

3. Hídkapcsolás középértéke:
   U_d = 0,9 · U = 0,9 · 24 V = 21,6 V
   a lüktetés frekvenciája: f_r = 100 Hz

4. A diódaesés figyelembevétele a hídnál (U_F = 0,8 V, két dióda):
   U_d,valós ≈ 21,6 V − 2 · 0,8 V = 21,6 − 1,6 = 20,0 V

5. Ellenőrzés – a hídkapcsolás nyeresége az egyutashoz képest:
   21,6 V / 10,8 V = 2,0-szeres középérték, feleakkora lüktetési periódussal

Válasz: a híd ugyanabból a tekercsből kétszer akkora egyenfeszültséget és
        kétszer olyan sűrű lüktetést ad – ezért lesz sokkal könnyebb megszűrni.

13.5 Háromfázisú egyenirányítás alapjai

Nagyobb teljesítménynél az egyfázisú egyenirányítás nem járható út: a lüktetés túl nagy, és a
hálózatot egyenlőtlenül terheli. Ipari környezetben ezért háromfázisú egyenirányítás
használatos.

Az elv változatlan, csak több fázisból választjuk ki mindig a pillanatnyilag legnagyobb
feszültségűt. A háromfázisú hídban „minden időpillanatban egy pár dióda vezet", így a
kimeneti feszültség egy hálózati periódus alatt hat szinuszdarabból tevődik össze.

Ennek a számnak egyetlen, de nagyon fontos gyakorlati következménye van:

Feladat: mekkora egyenfeszültség jelenik meg egy 400 V-os hálózatról táplált,
diódás háromfázisú híd kimenetén?

1. A vonali feszültség: U_v = 400 V

2. Az egyenfeszültség középértéke:
   U_d = 1,35 · U_v = 1,35 · 400 V = 540 V

3. Terheletlen állapotban a szűrőkondenzátor a csúcsértékre töltődik:
   U_C ≈ √2 · 400 V ≈ 566 V   (a gyakorlatban ~560–565 V)

Válasz: a frekvenciaváltó egyenáramú közbenső körében (DC-link) 540 V körüli,
        terheletlenül ~560 V feszültség van – 400 V-os hálózatról!

A vezérelt (tirisztoros) egyenirányítás, amellyel a kimenő egyenfeszültség folyamatosan
állítható, már teljesítményelektronika – a 25. fejezetben tárgyaljuk.

13.6 Szűrés kondenzátorral; a lüktetés (búgófeszültség)

Miért kell szűrni?

Az egyenirányított feszültség egyirányú, de nem sima: a hídkapcsolás kimenetén 100 Hz-es
ütemben nulláról a csúcsértékig és vissza változik. Egy relétekercs ezt még elviselné, egy
elektronikus áramkör vagy egy PLC viszont nem. A lüktetést tehát ki kell simítani.

A legegyszerűbb és a gyakorlatban leggyakoribb megoldás: a terheléssel párhuzamosan kötött
nagy kapacitású elektrolitkondenzátor. Működésének magyarázata a 9. fejezetből következik:
a kondenzátor a feszültségcsúcsok idején töltődik, a „völgyekben" pedig ő táplálja a
terhelést, tehát energiatárolóként simítja el a hullámzást.

Teljesen sima feszültséget azonban soha nem kapunk: a kondenzátor a völgyekben szükségszerűen
kisül egy kicsit, ezért a kimeneten megmarad egy kis váltakozó összetevő.

A szűrőkondenzátor becslése

A pontos számítás bonyolult, mert a kondenzátor a periódusnak csak egy rövid szakaszában
töltődik. A gyakorlathoz elég egy közelítő becslés, amelyet a 9. fejezet
Q = C · U összefüggéséből és a 2. fejezet I = ΔQ / Δt definíciójából vezetünk le:

ΔQ = I · Δt              (a terhelés ennyi töltést vesz ki a kondenzátorból)
ΔQ = C · U_r             (ettől ennyivel csökken a kondenzátorfeszültség)

ebből:   U_r ≈ I · Δt / C        és        C ≈ I · Δt / U_r

ahol Δt a két töltési csúcs közötti idő:
     egyutas kapcsolásnál   Δt ≈ 1/50 Hz  = 20 ms
     hídkapcsolásnál        Δt ≈ 1/100 Hz = 10 ms

Ez a becslés a legrosszabb esetet adja (azt feltételezi, hogy a kondenzátor a teljes
periódus alatt csak sül), tehát a biztonság javára téved – méretezéshez pontosan ez kell.

Kidolgozott példa – szűrőkondenzátor és búgófeszültség

Feladat: egy hídkapcsolású, 24 V-os segédtápegység terhelőárama I = 1,0 A.
(a) Mekkora a búgófeszültség C = 4700 µF szűrőkondenzátorral?
(b) Mekkora kondenzátor kell, ha a búgófeszültséget 1 V alatt akarjuk tartani?

(a) A búgófeszültség meghatározása

1. A töltési csúcsok közötti idő hídkapcsolásnál:
   Δt = 1 / 100 Hz = 0,01 s = 10 ms

2. A kondenzátorból kivett töltés:
   ΔQ = I · Δt = 1,0 A · 0,01 s = 0,01 C

3. A feszültségcsökkenés:
   U_r = ΔQ / C = 0,01 C / 0,0047 F = 2,13 V

   A 24 V-os egyenfeszültségen tehát kb. 2,1 V csúcstól csúcsig mérhető
   100 Hz-es búgás ül – ez a névleges érték kb. 9 %-a.

(b) A szükséges kapacitás 1 V búgófeszültséghez

4. C = I · Δt / U_r = 1,0 A · 0,01 s / 1,0 V = 0,01 F = 10 000 µF

5. Választás a szabványos sorból: C = 10 000 µF / 40 V
   (ökölszabály: a kondenzátor névleges feszültsége legyen legalább a
    rajta megjelenő LEGNAGYOBB feszültség 1,5-szerese; itt ez a szűrt
    24 V-os egyenfeszültség, tehát 24 · 1,5 = 36 V – a szabványos sorból
    a következő érték a 40 V)

Válasz: a búgófeszültség felezéséhez a kapacitást kb. duplázni kell –
        a kettő fordítottan arányos egymással.

13.7 Zener-dióda és az egyszerű feszültségstabilizálás; kész tápegységmodulok

A Zener-dióda

A szűrt egyenfeszültség még mindig nem stabil: változik a hálózati feszültséggel és a
terheléssel. Ahol állandó feszültségre van szükség, ott stabilizálni kell.

A legegyszerűbb eszköz a Zener-dióda, amely a dióda jelleggörbéjének azt a tartományát
használja ki, amelyet a közönséges diódánál kerülünk: a letörési tartományt. A letörési
feszültség fölött – ahogy a 13.3-ban idéztük – a dióda „záróárama megnő, a dióda vezetni
kezd", és ami a lényeg: a rajta eső feszültség közben alig változik. Ez a feszültség a
Zener-feszültség (U_Z), amely gyártáskor beállított érték.

Az egyszerű, előtétellenállásos stabilizátor

A Zener-diódát soha nem szabad közvetlenül a feszültségforrásra kötni: kell mellé egy
előtétellenállás (munkaellenállás), amely korlátozza az áramot. A kapcsolás így működik:
az előtétellenállás felveszi a bemenő és a Zener-feszültség különbségét, a Zener-dióda pedig
elnyeli azt az áramot, amelyet a terhelés éppen nem vesz fel.

A méretezés a 2. és a 8. fejezet Ohm-törvényével és csomóponti törvényével történik:

R = (U_be − U_Z) / (I_Z + I_terh)

ahol   U_be    = a szűrt, de még nem stabilizált bemenő feszültség
       U_Z     = a Zener-dióda feszültsége
       I_Z     = a Zener-dióda üzemi árama (minimum a katalógus szerint)
       I_terh  = a terhelés árama

Kidolgozott példa – Zener-stabilizátor méretezése

Feladat: egy 24 V-os (szűrt) segédfeszültségből 12 V-os stabilizált feszültséget
kell előállítani egy 20 mA-t fogyasztó jelzőáramkör számára. A Zener-dióda
minimális üzemi árama 5 mA.

1. Az előtétellenálláson eső feszültség:
   U_R = U_be − U_Z = 24 V − 12 V = 12 V

2. Az előtétellenálláson átfolyó áram (a legrosszabb eset: terhelés is, Zener is):
   I_R = I_Z + I_terh = 5 mA + 20 mA = 25 mA

3. Az előtétellenállás értéke:
   R = U_R / I_R = 12 V / 0,025 A = 480 Ω
   Választás a szabványos sorból: R = 470 Ω

4. Ellenőrzés a legrosszabb esetre – ha a terhelést lekapcsolják,
   a teljes áram a Zener-diódán folyik át:
   I_R = U_R / R = 12 V / 470 Ω = 25,5 mA
   P_Z = U_Z · I_R = 12 V · 0,0255 A = 0,31 W
   Választás: 0,5 W-os Zener-dióda

5. Az előtétellenállás teljesítménye:
   P_R = U_R · I_R = 12 V · 0,0255 A = 0,31 W
   Választás: 0,5 W-os ellenállás

Válasz: R = 470 Ω / 0,5 W és egy 12 V / 0,5 W-os Zener-dióda.
        A méretezést MINDIG a terheletlen állapotra kell ellenőrizni,
        mert akkor terhelődik legjobban a Zener-dióda.

⭐ A vezérlési segédfeszültség: a 24 V DC

Az ipari kapcsolószekrényekben a vezérlőáramkörök jellemzően 24 V egyenfeszültségről
működnek. Ennek több oka van: a törpefeszültség biztonságos (1. és 32. fejezet), az
érzékelők, a jelzőlámpák és a vezérlőelektronika ehhez a szinthez készülnek, és a
tápegység-modulok kínálata is erre a feszültségre a legszélesebb. A digitális be- és
kimenetek szabványos szintje ugyanezért jellemzően 12/24 V.

A 24 V DC előállításának útja tehát – összefoglalva mindazt, amit eddig tanultunk:

1. transzformátor – a hálózati feszültség leviteléhez (20. fejezet), vagy közvetlen
   hálózati bemenet a kapcsolóüzemű tápnál;
2. egyenirányítás – rendszerint hídkapcsolással (13.4);
3. szűrés – elektrolitkondenzátorral (13.6);
4. stabilizálás – Zener-diódás, integrált vagy kapcsolóüzemű megoldással.

Kész tápegységmodulok és a kapcsolóüzem

A gyakorlatban ezt a láncot ma senki nem építi meg alkatrészekből: kalapsínre pattintható,
kész tápegységmodult vásárolunk. Ezek túlnyomó része kapcsolóüzemű tápegység
(angolul: switched-mode power supply, SMPS), jellemzően 100–240 V AC széles bemeneti
tartománnyal, ami azt jelenti, hogy ugyanaz a modul bárhol a világon működik.

A kapcsolóüzem lényege, hogy a szabályozóelem nem „elégeti" a felesleget, hanem kapcsolgat.
A teljesítményelektronikai forrás megfogalmazása szerint lineáris üzemben a veszteség
„P = U × I állandó veszteség => hő => hűtés", kapcsolóüzemben viszont ideálisan P = U · I = 0,
mert „vagy be: U = 0, vagy ki: I = 0" – bekapcsolt állapotban nincs feszültség az
elemen, kikapcsolt állapotban nincs áram rajta. A kimenő feszültséget a kitöltési tényező
szabja meg (D = t_be / T), a legegyszerűbb, feszültségcsökkentő elrendezésnél
U_ki = D · U_be.

13.8 Világító dióda (LED) és optocsatoló – ipari alkalmazásuk

A LED

A világító dióda (LED) olyan dióda, amely nyitóirányban fényt bocsát ki. Az erősáramú
gyakorlatban mindenütt jelen van: jelzőlámpaként a kapcsolószekrény ajtaján, a
készülékek állapotjelzőjeként, a világítástechnikában (28. fejezet), és – amint mindjárt
látjuk – az optocsatoló adóoldalaként.

Két dolgot kell tudni róla:

• áramvezérelt eszköz: a fényereje az átfolyó áramtól függ, ezért áramát korlátozni
  kell;
• a nyitófeszültsége nem a szilíciumdióda 0,7 V-ja, hanem a felhasznált félvezető
  anyagtól és a színtől függ – az értéket mindig a katalógusból kell kiolvasni.

Kidolgozott példa – előtétellenállás jelzőáramkörhöz

Feladat: 24 V DC vezérlési segédfeszültségről kell működtetni egy jelző-LED-et.
A LED katalógusadata (példaérték): U_F = 2,1 V, I_F = 10 mA.

1. Az előtétellenálláson eső feszültség:
   U_R = U_táp − U_F = 24 V − 2,1 V = 21,9 V

2. Az előtétellenállás értéke:
   R = U_R / I_F = 21,9 V / 0,010 A = 2190 Ω
   Választás a szabványos sorból: R = 2,2 kΩ

3. Az így ténylegesen beálló áram ellenőrzése:
   I = U_R / R = 21,9 V / 2200 Ω = 0,00995 A = 9,95 mA   (megfelel)

4. Az ellenállás teljesítménye:
   P_R = I² · R = (0,00995 A)² · 2200 Ω = 0,218 W
   Választás: 0,5 W-os ellenállás (kétszeres tartalékkal)

5. Ellenőrzés – mennyit fogyaszt a jelzés összesen?
   P_ossz = U_táp · I = 24 V · 0,00995 A = 0,239 W

Válasz: R = 2,2 kΩ / 0,5 W. Figyelem: a veszteség (0,218 W) NAGYOBB, mint amennyi
        magára a LED-re jut (0,021 W) – 24 V-ról jelezni pazarló megoldás, ezért
        használnak a gyártók kész, beépített elektronikájú 24 V-os jelzőlámpákat.

Az optocsatoló

Az optocsatoló (angolul: optocoupler, optoisolator) egyetlen tokba zárt LED és
fototranzisztor párosa. A LED fénnyel „világít át" a fényérzékeny félvezetőre, elektromos
összeköttetés viszont nincs közöttük.

Ez a galvanikus leválasztás az, amiért az erősáramú környezetben nélkülözhetetlen:

• a vezérlő és a teljesítményoldal elválasztására, hogy a nagyfeszültségű oldal hibája ne
  jusson át a vezérlésre;
• a jelbemenetek és -kimenetek leválasztására, hogy a különböző földpotenciálok ne
  hozzanak létre zavaró áramkört;
• a teljesítményelektronikai kapcsolóelemek vezérlésére: a gyújtóimpulzust galvanikusan
  leválasztva viszik a vezérlőelektródára – a forrás szerint jellemzően „optocsatoló: LED +
  fototranzisztor" megoldással (25. fejezet).

13.9 Digitális alapok: kettes számrendszer, logikai szintek

Miért kettes számrendszer?

A digitális technika azért működik két állapottal, mert két állapotot megbízhatóan meg
lehet különböztetni: van feszültség vagy nincs, zárt az érintkező vagy nyitott. A forrás
megfogalmazásában a logika „az igaz-hamis kijelentésekhez, állapotokhoz számjegyeket rendel:
igaz → 1 és hamis → 0".

Az átváltás szabályai:

• Decimális → bináris: ismételt osztás 2-vel, a maradékokat visszafelé olvasva.
• Bináris → decimális: a helyi értékek (2⁰, 2¹, 2², 2³ …) súlyozott összege.

Példa: a 45 decimális szám átváltása kettes számrendszerbe

45 : 2 = 22   maradék 1      ← legkisebb helyi érték
22 : 2 = 11   maradék 0
11 : 2 =  5   maradék 1
 5 : 2 =  2   maradék 1
 2 : 2 =  1   maradék 0
 1 : 2 =  0   maradék 1      ← legnagyobb helyi érték

A maradékok VISSZAFELÉ olvasva:   45(10) = 101101(2)

Ellenőrzés helyi értékekkel:
1·2⁵ + 0·2⁴ + 1·2³ + 1·2² + 0·2¹ + 1·2⁰
= 32 + 0 + 8 + 4 + 0 + 1 = 45      ✔

Logikai szintek a gyakorlatban

A valóságban nincs „pontosan 0 V" és „pontosan 24 V". Ezért minden digitális rendszer
tartományokat definiál: egy alsó sávot, amelyet 0-nak (alacsony szint, L), és egy felső
sávot, amelyet 1-nek (magas szint, H) értelmez. A kettő között van egy tiltott sáv,
ahová a jel nem eshet tartósan.

13.10 Logikai alapfüggvények és megfelelőik a kontaktoros vezérlésben

Most jön az a rész, amely az erősáramú szakember számára a fejezet legfontosabb tartalma.
A logikai alapfüggvények nem elvont matematika: minden egyes vezérlési kapcsolás, amelyet
a 23. és a 24. fejezetben megrajzolunk, ezekből épül fel.

ÉS (AND, konjunkció)

A kimenet csak akkor 1, ha minden bemenet 1.

A kontaktoros megfelelője: két záróérintkező SOROSAN. Az áram csak akkor jut át, ha
mindkettő zárva van. Ez a reteszelés és az engedélyezés alapja: „a motor csak akkor
indulhat, ha a védőburkolat zárva és a nyomás megfelelő".

VAGY (OR, diszjunkció)

A kimenet akkor 1, ha bármelyik bemenet 1.

A kontaktoros megfelelője: két záróérintkező PÁRHUZAMOSAN. Ez a több helyről történő
indítás alapja: „a szalag elindul a kezelőpultról vagy a helyi nyomógombról".

NEM (NOT, negáció, inverter)

Egyetlen bemenete van, a kimenet a bemenet ellentettje.

A kontaktoros megfelelője: a NYITÓÉRINTKEZŐ (bontóérintkező). Nyugalmi helyzetben zárt,
működtetve nyit. Ezen alapul minden STOP-nyomógomb, minden hőkioldó-visszajelzés és
minden kölcsönös kizárás (reteszelés).

NEM-ÉS (NAND) és NEM-VAGY (NOR)

A NAND az ÉS negáltja, a NOR a VAGY negáltja. A forrás megfogalmazásában: a NEM-ÉS
kapcsolat kimenetén „csak akkor jelenik meg 0 szint, ha az összes bemenetén 1-es van"; a
NOR kapu kimenetén pedig „akkor és csak akkor jelenik meg 1, ha mindkét bemenetén 0 van".

KIZÁRÓ VAGY (XOR, antivalencia)

A kimenet akkor 1, ha a két bemenet különböző. A forrás szerint az XOR kapu akkor ad 1-et,
„ha vagy az A = 1 és B = 0, vagy ha a B = 1 és A = 0".

Magyar szakkifejezéssel az XOR neve antivalencia, a negáltjáé (XNOR) pedig
ekvivalencia – ez utóbbi akkor ad 1-et, ha a két bemenet azonos. Az erősáramú
gyakorlatban az antivalencia klasszikus példája az alternatív (kétállású, „lépcsőházi")
kapcsolás: bármelyik kapcsoló átbillentése megfordítja a lámpa állapotát. (Hogy a lámpa
éppen a két kapcsoló különböző vagy azonos állásánál ég, az a bekötéstől függ – az
antivalencia-jelleg, vagyis az állapot megfordítása, ettől független.)

13.11 A kapcsolási algebra alapjai, igazságtáblázat; kombinációs és sorrendi hálózatok

A Boole-algebra alapszabályai

A logikai függvényekkel számolni is lehet: ez a Boole-algebra (kapcsolási algebra).
Három alapszabálya ugyanaz, mint amit a hagyományos algebrából ismerünk:

A gyakorlat szempontjából a legfontosabb összefüggések a De Morgan-azonosságok:

¬(A · B) = ¬A + ¬B          (az ÉS negáltja = a negáltak VAGY kapcsolata)
¬(A + B) = ¬A · ¬B          (a VAGY negáltja = a negáltak ÉS kapcsolata)

Ezek teszik lehetővé az ÉS és a VAGY kapcsolat egymásba alakítását, és azt, hogy egy
tetszőleges logikai függvényt akár csak NAND, akár csak NOR kapukkal meg lehessen
valósítani.

A gyakorlati jelentősége nagyon is kézzelfogható. Fogalmazzunk meg egy vezérlési feltételt
kétféleképpen:

• „A szivattyú akkor állhat le, ha nincs engedély vagy nincs vízszint."
• „A szivattyú akkor működhet, ha van engedély és van vízszint."

A két mondat ugyanaz – éppen a De Morgan-azonosság. Vezérléstervezéskor gyakran ez a
„megfordítás" mutatja meg, melyik megvalósítás lesz egyszerűbb és biztonságosabb.

⭐⭐ Kombinációs és sorrendi hálózat – és miért ez a fejezet legfontosabb mondata

A digitális technikának – és vele együtt az egész vezérléstechnikának – van egy alapvető
kettéválása. Az egyetemi forrás szó szerinti definíciói:

Kombinációs hálózat: „a mindenkori kimeneti kombinációk (függő változók) értéke
csupán a bemeneti kombinációk (független változók) pillanatnyi értékétől függ"

Sorrendi hálózat: „a mindenkori kimeneti kombinációt nemcsak a pillanatnyi bemeneti
kombinációk, hanem a korábban fennállt bemeneti kombinációk és azok sorrendje (mint
állapot) is befolyásolja"

⭐⭐ Az öntartás: a memória relés megvalósítása

Most jön az a felismerés, amely miatt ez az alfejezet egyáltalán bekerült a jegyzetbe.

Gondoljuk végig a legegyszerűbb motorindítást. Van egy START (záró) és egy STOP (nyitó)
nyomógomb, valamint egy -QA1 kontaktor. (A készülékjelölés a jegyzet egészében az
MSZ EN IEC 81346-2:2019 szerinti – 3. fejezet: a kontaktor QA, mert
teljesítményáramkört kapcsol; a K osztály információfeldolgozó, oda a relé tartozik
KF jellel.) Ha a START gombot lenyomjuk, a kontaktor behúz. Amint
azonban elengedjük, az áramkör megszakadna – és a motor leállna.

A megoldás az öntartás: a -QA1 kontaktor saját záró segédérintkezőjét a START gombbal
párhuzamosan kötjük be. Így miután a kontaktor behúzott, a saját érintkezője tartja fenn a
tekercs áramkörét, akkor is, ha a gombot elengedtük. A kikapcsolás a sorosan kötött STOP
nyomógombbal (nyitóérintkező) történik, amely megszakítja a tartókört.

És most a lényeg: ez a kapcsolás egy sorrendi hálózat. A -QA1 kimenete ugyanis nem attól
függ, hogy a START gomb éppen most be van-e nyomva, hanem attól, hogy korábban be volt-e
nyomva, és azóta megnyomták-e a STOP-ot. Az öntartás nem más, mint a memória megvalósítása
relés technikában – pontosan az, amit a digitális technikában R-S tárolónak (flip-flopnak)
neveznek.

13.12 Érzékelők és jeladók villamos jele: bináris és analóg jel, kétvezetékes bekötés

Kétféle jel

Az irányítás első részművelete az érzékelés (23. fejezet). Az érzékelő a fizikai
mennyiséget villamos jellé alakítja, és ez a jel kétféle lehet.

A gyakorlatban használt szabványos analóg jeltartományok:

Bekötési kérdések

A bináris érzékelők bekötésénél két elrendezés terjedt el: a source (forrás) és a sink
(nyelő) kapcsolás, attól függően, hogy az érzékelő a plusz vagy a nulla potenciált kapcsolja
a bemenetre. A kettő nem cserélhető fel: rossz bekötésnél a bemenet egyszerűen nem
működik. A pontos bekötést mindig a készülék adatlapja írja elő.

⭐ Kétvezetékes, három- és négyvezetékes bekötés

Az analóg távadóknál a bekötés fajtáját egyetlen kérdés dönti el: a tápellátás és a jel
ugyanazon a vezetékpáron megy-e, vagy külön.

Ebből következik a 4–20 mA-es tartomány legfontosabb tulajdonsága: a kétvezetékes távadó
saját elektronikáját is ebből a hurokáramból kell táplálni, tehát a hurokáram a
méréstartomány alsó végén sem eshet nullára. Ezért van az alsó határ 4 mA-nél, és ezért
nem valósítható meg kétvezetékes távadóval a 0…20 mA-es tartomány. Ugyanez a 4 mA az
„élő nulla", amely a szakadást felismerhetővé teszi (13.3. feladat): ép hurokban soha
nincs 0 mA.

A gyakorlatban előforduló érzékelőfajták

Az erősáramú szerelő leggyakrabban a következőkkel találkozik. Részletes tárgyalásuk – a
működési elvvel, a kiválasztással és a bekötéssel együtt – a 23. és a 29. fejezetben
következik; itt csak a helyüket jelöljük ki a rendszerben:

• végálláskapcsoló – mechanikus érintkezés, bináris jel;
• közelítéskapcsoló: induktív (fémet érzékel), kapacitív (szinte bármit),
  optikai (fénysugár megszakítása) – érintés nélküli, bináris jel;
• nyomás- és hőmérséklet-kapcsoló – küszöbérték átlépésekor bináris jelet ad;
• fordulatszám-jeladó – impulzussorozatot ad.

⭐ A termisztor a motorvédelemben

Egy érzékelőt viszont már itt ki kell emelni, mert közvetlenül erősáramú védelmi feladatot lát
el: a PTC-termisztort. Ez a motor tekercsfejébe beépített, pozitív hőfokfüggésű
ellenállás, amelynek ellenállása egy jellemző hőmérséklet fölött ugrásszerűen megnő; ezt
egy külön kiértékelő relé érzékeli, és lekapcsolja a motort. Háromfázisú motorban
jellemzően fázisonként egy, azaz három, sorba kötött PTC van.

A jelentősége abban áll, hogy a PTC az állórész-tekercselés hőmérsékletét közvetlenül méri,
tehát olyan túlmelegedés ellen is véd, amely az áramból nem látszik – például gyakori
indításnál vagy eltömődött hűtésnél. A motorvédelem teljes tárgyalása a 24. fejezetben
következik.

13.13 Előretekintés: ami a 25. fejezetre marad

Ez a fejezet tudatosan hagyott ki egy egész, nagy területet: a teljesítményelektronikát.
Nem azért, mert nem fontos – éppen ellenkezőleg: az erősáramú szakma szempontjából ez a
legfontosabb elektronikai tartalom. Azért maradt ki, mert ott a helye, ahol használjuk:
a hajtástechnikában.

A 25. fejezetben tehát a következők várnak:

• a vezérelhető teljesítményfélvezetők: tirisztor, diak, triak, GTO,
  teljesítmény-MOSFET és IGBT – valamint az a rendszerező gondolat, hogy három
  csoportjuk van: nem vezérelt (dióda, diak), félig vezérelt (be igen, ki nem: tirisztor,
  triak) és teljesen vezérelt (be és ki is: GTO, MOSFET, IGBT);
• a vezérelt egyenirányítás és a fázishasítás: a diódákat tirisztorra cserélve az
  egyenfeszültség folyamatosan állíthatóvá válik;
• a PWM (impulzusszélesség-moduláció), amely csak a teljesen vezérelt eszközökkel
  valósítható meg – ezért kell IGBT a frekvenciaváltóba;
• a frekvenciaváltó felépítése: egyenirányító → egyenáramú közbenső kör → IGBT-inverter →
  motor, valamint a lágyindító és a szünetmentes táplálás (UPS).

Amit ebben a fejezetben megtanultál, mindehhez előfeltétel: a PN-átmenet, a dióda
nyitó- és záróiránya, a hídkapcsolás, a szűrés és a szabadonfutó dióda nélkül a
frekvenciaváltó felépítése értelmezhetetlen. A logikai alapfüggvények és az öntartás pedig a
23. és a 24. fejezet motorvezérlési kapcsolásainak nyelvtana.

Ellenőrző kérdések

1. Mi a különbség a vezető, a szigetelő és a félvezető között? Mit jelent a félvezető
   szennyezése, és mekkora nagyságrendben változtatja meg a szabad töltéshordozók számát?
2. Hasonlítsd össze az N- és a P-típusú félvezetőt! Hány vegyértékű a szennyező atom, mi a
   neve, és mi a többségi töltéshordozó? Miért marad az anyag kifelé semleges?
3. Mi történik a PN-átmeneten külső feszültség nélkül? Magyarázd el a kiürített réteg és a
   potenciálgát kialakulását!
4. Hogyan kell bekötni a diódát ahhoz, hogy vezessen? Mi folyik záróirányban, és miért nem
   nulla teljesen a záróáram?
5. Sorold fel a dióda jelleggörbéjének négy tartományát! Mi történik a letörési
   tartományban, és melyik dióda használja ki éppen ezt?
6. ⭐ Mekkora a szilícium-, a germánium- és a Schottky-dióda nyitóirányú feszültségesése?
   Miért tartományt adunk meg, és mitől függ a pontos érték? Mennyi lehet egy
   szilíciumdióda feszültségesése 5 mA-en, illetve 200 mA-en?
7. ⭐ Miért kell az egyenirányító hídhoz hűtőborda? Vezesd le a gondolatmenetet a
   nyitófeszültségtől a veszteségi teljesítményig!
8. Mi a szabadonfutó dióda feladata, hogyan kell bekötni, és melyik korábbi fejezet
   jelenségét szünteti meg? Mi történik, ha fordítva kötjük be?
9. Hasonlítsd össze az egyutas és a hidas egyenirányítást! Add meg mindkettő középértékét és
   a lüktetés frekvenciáját! Miért könnyebb a hidas kapcsolást megszűrni?
10. Mit jelent a búgófeszültség? Mitől függ a nagysága, és hogyan lehet csökkenteni?
    Milyen üzemzavart okoz a kiszáradt szűrőkondenzátor?
11. Hogyan működik a Zener-diódás stabilizátor? Miért kell előtétellenállás, és miért a
    terheletlen állapotra kell ellenőrizni a méretezést?
12. Miért terjedt el a kapcsolóüzemű tápegység? Fogalmazd meg, miért kicsi a vesztesége,
    és mi az ára ennek az előnynek!
13. Írd fel az ÉS, a VAGY, a NEM, a NAND, a NOR és az XOR igazságtábláját! Add meg
    mindegyikhez a kontaktoros megfelelőjét!
14. Írd fel a De Morgan-azonosságokat, és fogalmazd meg mindkettőt magyar mondattal egy
    vezérlési feltételre alkalmazva!
15. ⭐⭐ Mi a különbség a kombinációs és a sorrendi hálózat között? Miért sorrendi
    hálózat az öntartó motorindítás, és mi felel meg benne a „memóriának"?
16. Mi a különbség a bináris és az analóg jel között? Sorolj fel három szabványos analóg
    jeltartományt, és indokold, miért előnyös a 4–20 mA-es áramjel!

Tudáspróba

1. Melyik állítás igaz az N-típusú félvezetőre?
a) 3 vegyértékű akceptorral szennyezett, a többségi töltéshordozó a lyuk
b) 5 vegyértékű donorral szennyezett, de a többségi töltéshordozó a lyuk
c) 5 vegyértékű donorral szennyezett, a többségi töltéshordozó az elektron
d) 5 vegyértékű donorral szennyezett, ezért kifelé negatív töltésű

2. Mikor vezet a dióda?
a) ha a P-rétegre (anódra) kapcsolunk pozitív feszültséget b) ha a katódra (N-rétegre)
kapcsolunk pozitív feszültséget c) mindkét irányban egyformán d) csak a letörési
feszültség fölött

3. ⭐ Egy szilíciumdióda nyitóirányú feszültségeséséről melyik állítás helyes?
a) minden áramon pontosan 0,7 V, mert ezt a potenciálgát rögzíti
b) 0,6–0,7 V körüli, de az érték áramfüggő, nagy áramon akár 1 V is lehet
c) 0,3 V körüli, és az áram változásával gyakorlatilag nem változik
d) áramfüggő, de az áram növekedésével a feszültségesés csökken

4. ⭐ Miért kell hűtőborda egy nagyobb áramú egyenirányító hídhoz?
a) mert a szűrőkondenzátor belső ellenállása termeli a veszteség nagy részét
b) mert a vezetési útban két dióda van sorosan, és a 2 × U_F · I veszteség jelentős hőt termel
c) mert az 50 Hz-es hálózati frekvencia örvényáramú veszteséget okoz a diódában
d) mert a záróirányú áram nagy, és a zárási veszteség adja a melegedés nagy részét

5. Mekkora az egyenfeszültség középértéke egyfázisú hídkapcsolásnál, ha a bemenő
váltakozó feszültség effektív értéke U?
a) 0,45 · U b) 1,35 · U c) 1,41 · U d) 0,9 · U

6. Hányszorosa a lüktetés frekvenciája a hálózati frekvenciának egyfázisú
hídkapcsolásnál, illetve háromfázisú hídkapcsolásnál?
a) 1× és 3× b) 2× és 3× c) 2× és 6× d) 1× és 6×

7. Hogyan változik a búgófeszültség, ha a terhelőáramot változatlanul hagyva a
szűrőkondenzátor kapacitását megkétszerezzük?
a) körülbelül a felére csökken b) nem változik c) a kétszeresére nő
d) a négyszeresére nő

8. Hogyan kell bekötni a Zener-diódát a stabilizáló kapcsolásban?
a) nyitóirányban, anódja a pozitív oldalon b) záróirányban, katódja a pozitív oldalon
c) a terheléssel sorosan d) polaritása közömbös

9. ⭐ Melyik logikai függvénynek felel meg két, sorosan kötött záróérintkező?
a) VAGY b) NEM c) KIZÁRÓ VAGY d) ÉS

10. ⭐⭐ Miért sorrendi hálózat egy nyomógombos, öntartásos motorindítás?
a) mert az öntartó érintkező több áramkört kapcsol egyszerre, ezért összetettebb a kapcsolás
b) mert a kimenet a bemenetek pillanatnyi értékén túl a korábbi állapottól is függ – az
öntartó érintkező a memória
c) mert a kontaktor behúzási ideje miatt a kapcsolás időzítést is tartalmaz
d) mert a háromfázisú motor fázissorrendje határozza meg a forgásirányt

Források

A fejezet forrásjegyzékéhez tartozó megjegyzések – levezetett és ellenőrzésre váró tartalmak: