Utilizarea Tranzistoarelor de Putere Mica In Constructia Surselor de Comutatie

Pentru a funcționa normal un aparat electronic este nevoie ca acesta să fie alimentat de la o sursă de tensiune la care variațiile acesteia să fie cuprinse in anumite intervale, in funcție de caracteristicile aparatului. Cea mai importanta sursă de energie electrică ce se utilizează la alimentarea electronicelor o constituie rețeaua de curent alternativ. Pentru a converti energia de curent alternativ in energie de curent continuu se utilizează sisteme de redresare. Majoritatea instalațiilor electronice folosesc surse de tensiune continuă, ce se caracterizeaza prin tensiuni de ordinul zecilor de volți și curenți de câtiva amperi, pana la zeci de amperi, exceptie facând consumatorii alimentati in curent continuu, de putere mare(exemplu: motoare electrice de curent continuu).

Pentru a funcționa permanent echipamentele electrice și electronice de telecomandă feroviara, este absolut necesar ca alimentarea cu energie electrică să fie neîntrerupta și la parametrii corespunzatori de tensiune, putere etc.

Dintre toate formele de obținere a energiei electrice necesare , cea mai economică și echilibrata o reprezintă racordarea echipamentelor feroviare la rețelele de distributie a energiei electrice a sistemului energetic național. Această procedura se face direct de la rețeaua trifazata de joasă tensiune (220/380, 50 Hz) sau prin transformatoarele coborâtoare (tot trifazate) de la rețeaua de medie tensiune(6, 10 sau 15 kV).

Instalațiile de centralizare, de bloc de linie automat, din triaje sunt instalații ce realizează siguranța circulației trenurilor și nu permit întreruperi ale alimentării. În acest caz se ia un set de măsuri a căror complexitate depinde de locul unde este pusă in funcțiune instalația respectiva.

Consumatorul principal de energie electrică este instalația de centralizare electrodinamică și pe această cale circuitele de alimentare se așază in cabina de centralizare de unde se alimenteaza toate echipamentele de telecomandă, cu ajutorul cablurilor.

In general, se doreste să existe cel putin două surse de energie care să asigure, fiecare in parte, funcționarea in bune conditii a tuturor instalațiilor.

Prima acțiune este alimentarea instalației prin doi fideri separati de la două surse ce sunt independente, una fiind de baza, iar cealalta de rezervă. Acesti fideri sunt monitorizati de un panou special. Deoarece acest sistem nu are totdeauna o siguranță sporită sau nu este posibil de realizat, se utilizează, de regula, pentru stațiile mari, și o sursă independentă, ce este altcătuita dintr-un grup electrogen montat într-o incăpere a stației. Grupul electrogen este compus dintr-un motor diesel ce antrenează un alternator trifazat de o putere corespunzătoare și o frecvență de 50 Hz. Acesta mai este constituit și dintr-un panou de supraveghere , reglare și conectare, realizându-se o pornire automată in cazul căderii surselor intr-un timp relativ scurt, dar insuficient pentru a evita trecerea pe oprire a semnalelor aflate pe liber intr-un parcurs anterior comandat.

În figura 1.1, sunt prezentate principalele căi de asigurare a continuității alimentării de centralizare electrodinamică.

Figura 1.1. Asigurarea continuității

Pentru a funcționa instalația este nevoie atât de curent alternativ, cât și de curent continuu.

Curentul continuu se utilizează de obicei cu valori de 12V , 24V și 160V. Curentul de la sursa de 12V se folosește la acționările unor scheme cu relee și alimentarea unor becuri electrice ; cel de 24V se utilizează la schemele de comandă și control cu relee, iar cel de la sursa de 160V pentru acționarea electromecanismelor de macaz și iluminatul de rezervă in situația unor avarii.

Redresoarele ajuta la obținerea tensiunilor continue ce încarcă în baterii de acumulatoare și in tampon. Se remarcă faptul că alimentarea în curent alternativ este independentă de tensiunea rețelei , de consumul instalației și, un timp determinat, de capacitatea bateriei de acumulatoare.

Tensiunile alternative necesare sunt: 12V pentru alimentarea becurilor, 127V pentru alimentarea circuitelor de control la macaz, 180V pentru alimentarea semnalelor noaptea și 220V pentru circuitele de cale, a dulapurilor de semnal și de barieră și pentru alimentarea semnalelor pe timp de zi. Mai multe tranformatoare cu rapoarte de transformare corespunzătoare ofera aceste tensiuni.

Bateria de acumulatoare de 160V , la dimensionările corespunzătoare, este permanent alimentată de la un redresor de mare putere ce asigură atât consumul electromotoarelor mecanismelor de macaz, cât și alimentarea unor invertoare statice , ce conferă energia electrică alternativă in 75 Hz pentru toți consumatorii. În cazul căderii rețelei de 50Hz, instalația funcționeaza cu ajutorul bateriilor de acumulatoare fără nicio întrerupere.

Redresoarele și invertoarele sunt dublate sau triplate (unul fiind rezervă) pregatite să funcționeze automat la defectarea celuilalt in eventualitatea rămânerii fără alimentare.

Protecția,măsurarea și distribuția circuitelor de alimentare în curent alternativ și continuu se realizează cu ajutorul unui tablou de intrare și distribuție al stației, ce este alcătuit din ampermetre, voltmetre, siguranțe și comutatoare pentru toate circuitele principale.

Numin stabilizator de tensiune continuă un subsistem electronic ce menține tensiunea de ieșire în praguri limitate când variația tensiunii de intrare este mare , la fel și cea a curentului de sarcină sau a temperaturii mediului ambiant.

Pentru a regla o tensiune continuă se face fie “înainte de redresor”, când se menține tensiunea alternativă de alimentare constantă, fie “după redresor”, când se intercalează un stabilizator de tensiune continuă între aceasta și sarcină, ce reușește să păstreze tensiunea constantă între anumite valori. Stabilizatoarele aparținând categoriei a doua sunt cele mai răspândite deoarece mențin mult mai ușor o tensiune constantă la borne nedepinzând de perturbații.

În prezent, tehnologia dispune de o gamă largă de posibilități de realizare a stabilizatoarelor de tensiune continuă. Se disting următoarele tipuri de stabilizatoare după criteriul modului de comandă a elementului de putere:

Stabilizatoare în comutație(discontinue);

Stabilizatoare liniare(continue).

Dezvoltarea tehnologiilor VLSI ( Very Large Scale Integration) și LSI (Large Scale Integration) , dar și expansiunea sistemelor de calcul concepute cu ajutorul microprocesoarelor au impus realizarea unor echipamente electronice din ce în ce mai compacte, mai ușoare și cu un preț din ce în ce scăzut. Sistemele de alimentare cu tensiune continuă pe baza principiului liniar , cu care erau echipate mijloacele moderne de calcul, s-au dovedit a fi necorespunzătoare deoarece se dorea un echipament electronic cu greutate și volum cât mai mici. S-a încercat astfel aflarea unor solutii pentru a elimina aceste impedimente.

S-a realizat proiectarea și confectionarea unor stabilizatoare de tensiune continuă în comutație care să rezolve problemele greutatii, volumului, randamentului și costului în urma progreselor tehnologice în domeniul semiconductoarelor de putere, de comutație, realizarea unor circuite magnetice ce reusesc să funcționeze cu pierderi mici la fracvente mari.

Stabilizatoarele în comutație se clasifică în funcție de cerințele impuse tensiunilor și curenților pe care trebuie să-i livreze în:

Cu circuit de reactie;

Fără circuit de reactie.

Sursele de tensiune continuă în comutație au structura simpla deoarece nu se compun din elemente de circuit care urmaresc modul de variație a tensiunii de ieșire și contin un redresor, un filtru și un element de comutație de putere, dar performantele acestora sunt relativ modeste.

Stabilizatoarele de tensiune continuă cu circuit de reactie au o structura mai elaborata, aici aparând o bucla de reactie ce realizează o mentinere constantă a tensiunii de ieșire în raport cu factorii perturbatori din rețea sau de la consumator. Performantele unei altfel de structuri sunt net superioare față de sursa fără bucla de reglare. În această lucrare utilizam termenul de stabilizator de tensiune continuă în comutație pentru o sursă care conține bucla de reglare, iar termenul de sursă în comutație pentru circuitul care furnizeaza tensiune continuă , neavând bucla de reglare.

Tensiunea alternativă a unei rețele poate fi redresata printr-o punte redresoare în majoritatea cazurilor. De aceea, între stabilizator și rețeaua de curent alternativ, nu exista niciun transformator de separare. Astfel tensiunea redresata este filtrata pana atunci când nivelul pulsațiilor admis de celelalte componente este ideal pentru funcționarea normala a acestora. Elementul de comutație este comandăt de un semnal rectangular de frecvență mare(20 kHz), fiind alimentat de la o tensiune continuă. Unui transformator de putere i se aplică o forma dreptunghiulara de tensiune, în secundarul acestuia obținându-se o tensiune de aceeași forma ca în circuitul primar, a cărui amplitudine este determinata de raportul de transformare. Rolul de element izolator între circuitele conectate la rețeaua de curent alternativ și consumator il îndeplineste tot transformatorul.

Tensiunea de ieșire a stabilizatorului este formata din tensiunea alternativă de forma rectangulara, ce este în continuare redresata și filtrata.

Un eșantion din tensiunea de ieșire este preluat de circuitul de comandă și control pentru ca tensiunea să ramana la o valoare constantă, chiar dacă tensiunea rețelei se modifică sau dacă sarcina iși schimba valoarea. Acesta are funcția de a compara tensiunea de reacție cu o tensiune de prescriere și să regleze durata de conducție a elementului de comutare.

Deoarece elementul de comutare se afla fie în starea de conducție , fie în starea de blocare, tensiunea ce va rezulta va avea un numar semnificativ de armonici superioare. Acestea se pot propaga în rețeaua de alimentare sau pot perturba alte echipamente aflate în apropierea stabilizatorului. Pentru a impiedica acest fenomen se folosește un filtru de radiofrecvență.

Stabilizatorul mai are în componenta circuite de protecție care ii permit funcționarea în parametrii normali când curentul de sarcina depaseste limita sau în momentul apariției unor supratensiuni.

?! Analiza a stabilizatoarelor în comutație și a stabilizatoarelor liniare

Stabilizatoare în comutație poseda un numar de avantaje în comparație cu cele liniare. În cazul stabilizatoarelor liniare , elementul regulator de putere disipa o putere egala cu produsul : Pd = (UINT -UIES)*ISARCINA. Această putere reprezintă o limitare a sferei de aplicabilitate atât la furnizarea unor curenți semnificativi de sarcina, cât și în cazul unor diferente mari între tensiunile de ieșire.

Se întrebuinteaza stabilizatoare în regim de comutație pentru a se realiza un randament evident mai mare , elementul de comutație fiind doar în cele două stari iar puterea disipata pe el este redusă. În acest caz, puterea disponibila pe sarcina creste.

În mod normal, randamentele au un procent de 75-80%, în unele cazuri 90%, chiar dacă tensiunea de ieșire reprezintă o frantura din tensiunea de intrare.

Un alt avantaj al acestuia este acela că el poate realiza diferente de tensiune intrare-ieșire mai mari în comparație cu stabilizatoarele liniare. Se reduce gabaritul surselor de alimentare deoarece se diminueaza pierderile de putere eliminând radiatoarele supradimensionate. Stabilizatoarele în regim de comutație pot furniza la ieșire tensiuni mai mici, mai mari sau de polaritate inversă. În ciuda celor menționate, stabilizatoarele în comutație au și câteva dezavantaje.

Schimbarile rapide ale curentului absorbit genereaza tensiuni de zgomot mari în situația în care între redresor și sursă apare o impedanță parazită de valoare semnificativa. Acest impediment poate fi înlaturat prin reducerea valorii impedanței , prin introducerea unor filtre adecvate, prin cresterea timpilor de deblocare a elementului de comutație , respectiv timpilor de intrare în conducție.

Este necesara utilizarea în structura stabilizatorului a unor inductante cât mai mici pentru a grabi raspunsul la variațiile rapide ale curentului de ieșire. Cu toate că aceste avantaje sunt prezente , stabilizatoarele acestea sunt cel mai mult acceptate în industrie datorita dimensionilor mici la care sunt confecționare, pentru aceleași puteri disipate, și datorita costului ce se reduce o data cu scăderea prețurilor active de comutație.

Clasificarea surselor de tensiune continuă în comutație

Pentru realizarea surselor de tensiune continuă în comutație( STCC) exista mai multe variante constructive. În funcție de tipul de circuit electronic utilizat ca element de comutație și de variantele constructive alese , sursele de tensiune continuă în comutație se impart în :

“forward converter”-STCC de tip direct

“flyback converter”-STCC cu revenire

“push-pull converter”- STCC în contratimp.

Inductanța L este strabatuta de curent și produce o tensiune de aceeași polaritate cu cea a tensiunii de intrare Ui la bornele rezistenței de sărcina Rs, când întrerupatorul este închis. Altfel dioda D este polarizata invers. În cazul în care întrerupatorul este în poziție deschis , energia acumulată în inductanță polarizeaza în sens direct dioda. Tensiunea pe rezistența de sarcina rămâne de aceeași polaritate ca și tensiunea de la intrare. În timp ce curentul produs de sursa de tensiune Ui este pulsatoriu, circulația curentului prin sarcina este neîntrerupt.

În cazul STCC-ului de tip “flyback” dioda este blocată și inductanța înmagazineaza energie când întrerupatorul k este închis. În momentul deschiderii acestuia energia înmagazinata duce la deschiderea diodei. Tensiunea la bornele rezistenței va avea o polaritate opusă față de cea a sursei de la intrare. Curentul debitat consumatorului Rs, dar și cel absorbit de la sursa Ui este pulsatoriu, în funcție de frecvența de comandă. Din punct de vedere al regulilor impuse cu referire la asigurarea gredului de izolare galvanică față de rețeaua de alimentare și de natura consumatorului ,aceste două tipuri de surse se produc în două moduri:

STCC cu transformator de izolare;

STCC fără transformator de izolare.

Fig. 1.6. STCC în contratimp

În figura 1.6. observăm două surse de tip “forward” ce debitează pe un circuit de sarcină comun și funcționează alternativ. Tensiunea alternativă produsă în urma comandării celor două întrerupatoare este redresată de diodele din secundar.

Capitolul 2. Tipuri de surse de comutații

2.1. STCC “forward” cu izolare

Luăm în considerare că transformatorul este fără capacități și inductanțe parazite, adică ideal, iar inductanța de filtraj este utilizată pentru înmagazinarea energiei debitate în secundar pentru ca acesta să poată funcționa.

Curentul în înfașurarea primară începe să crească,atunci când tranzistorul este în conducție. O dată cu alegerea aceluiași sens de bobinare a înfășurării secundare, tensiunea indusă va polariza dioda D2 care va intra în conducție , permițând astfel inductivității de filtraj să înmagazineze energie. În acest moment, dioda D3 este într-o polarizare inversă. Tensiunile induse în înfășurări iși schimbă polaritățile, atunci când tranzistorul este adus în stare de blocare. Această din urmă diodă va permite menținerea circulației de curent prin rezistența de sarcină , deschizându-se totodată.

Dioda D1 și înfasurarea 3 permit demagnetizarea transformatorului când tranzistorul este blocat prin cedare de energie la sursa de alimentare. În acest caz tensiunea pe tranzistor nu poate depăși 2Ui adică:

UCEmax= 2Ui (2.1.).

În situația unei tensiuni de intrare mari se folosesc două tranzistoare cu conexiune prezentată în fig. 2.2..:

+

Tensiunea conector-emitor pe fiecare tranzistor nu poate depași valoare Ui, deoarece cele două tranzistoare sunt comandate simultan.

Putem obține o sursă ce furnizează mai multe tensiuni , dacă sunt bobinate mai multe înfașurări în secundarul transformatorului, fiecare având circuit propriu de filtrare și redresare. În figura 2.3. este exemplificat un astfel de caz:

2.2. STCC “forward” fără izolare

Configurația de bază pentru acest tip este dată în figura 2.4.a):

În figura 2.4.b) RL este rezistența bobinei și RC este rezistența de pierdere a condensatorului. Principiul de funcționare este după cum urmează: tranzistorul Q este comandat de un semnal rectangular de frecvență f. Tensiunea de intrare Ui se aplică la intrarea filtrului LC , determinând creșterea curentului i1 când tranzistorul este în conducție. Atunci când acesta este blocat, energia înmagazinată în inductanță asigură circulația curentului de sarcină prin dioda D.

2.3. STCC “flyback” cu izolare

Trebuie ales un tranzistor Q capabil să suporte tensiunea UCEmax , care poate să apară în momentul funcționării, dar și curentul maxim de colector. Tensiunea maximă de colector poate depăși dublul tensiunii de alimentare,această explicație fiind valabilă pentru figura 2.5.

Figura 2.6. prezintă situația în care nu deținem tranzistoare cu tensiune de colector mare.

Acest tip de circuit folosește două tranzistoare ce sunt blocate și aduse în conducție concomitent. Diodele D1 și D2 asigură funcția de limitare a tensiunii inverse la o valoare egala cu Ui. În acest mod se pot folosi tranzistoare cu tensiune UC redusă , costul crescând prin utilizarea în plus a lui Q2, D1 și D2.

Simplitatea cu care se poate realiza o sursă multipla reprezintă avantajul stabilizatoarelor de acest tip. Transformatorul de separare acționeaza și ca inductivitate de șoc pentru circuitul de ieșire.

2.4. STCC “flyback” fără izolare

Tensiunea de alimentare Ui se aplică inductanței 1 și curentul începe să crească liniar spre o valoare maximă de vârf, când tranzistorul Q este adus în conducție. Întreaga energie a sursei este absorbită de inductanță și este cedată circuitului de sarcină în momentul blocării tranzistorului.

2.5. STCC în contratimp

Acest tip de tensiune , a cărei schema de principiu este evidențiată în figura 2.9., poate fi echivalată cu două surse de tip “forward” , funcționând în antifază.

Tensiunea din secundar este redresată de diodele D1 și D2 furnizând împreună curentul ce străbate inductivitatea de filtraj L. În timpul în care tranzistoarele sunt blocate, cele două diode scurtcircuitează secundarul transformatorului și îndeplinesc rolul de element de nul fiind străbătute de curentul generat de energia înmagazinată în inductivitatea L. Tensiunea pe celălalt este suma tensiunilor din primar, adică 2Ui , când unul din tranzistoare este deschis, iar când ambele sunt blocate tensiunea de pe primarul transformatorului este nulă urmând ca tensiunea colector-emitor să fie egală cu Ui.

Stabilizatorul în contratimp prezintă avantajul cresterii puterii debitate pe circuitul de sarcină,dar putem enumera și următoarele dezavantaje:

Tensiunea colector-emitor a tranzistoarelor poate depăși dublul tensiunii de alimentare datorită inductantelor de dispersie ale transformatorului. În acest caz dacă se folosește o tensiune de 200-300 V , tensiunea maximă depăseste chiar 800V.

În momentul de față stabilizatoare în comutație utilizează ca material feromagnetic feritele , fiind cunoscute datorită pierderilor de putere reduse la utilizarea frecvențelor de depăsesc 20kHz. Din nefericire, feritele prezintă succebilitate la saturări rapide datorită densității reduse a fluxului magnetic, conducând la saturarea rapidă a miezului. În cazul în care tranzistoarele nu prezintă caracteristici apropiate la intrarea și ieșirea din conducție va apărea o componentă continuă a curentului care saturează miezul. Această saturare duce la apariția unor vârfuri de curent de colector de valoare mare. Sunt produse disipații de putere suplimentare pe tranzistoare din cauza cresterii de curent ce pot conduce la ambalări termice și chiar la distrugerea tranzistoarelor. Înlăturarea acestor efecte s-ar putea face prin:

Obținerea unui întrefier în circuitul magnetic care ajută la mărirea distanțelor de dispersie ce necesită conectarea unor elemente de circuit pentru a limita supratensiunile ce apar între conector și emitor.

O soluție mai complexă și mai costisitoare o constă utilizarea unor circuite suplimentare pentru simetrizarea celor două secțiuni ale transformatorului.

Dezavantajele montajului în contratimp ar putea fi eliminate prin utilizarea stucturii în semipunte sau punte.

Surse în comutație, în contratimp, în conexiune “semipunte”

Acest tip constructiv este foarte răspândit în domeniul surselor de comutație deoarece:

Asigură egalizarea intervalelor de conducție a tranzistoarelor chiar și în cazul caracteristicilor diferite între ele;

Permite conectarea la rețeaua de 230V fără transformator de separare.

Un capăt al înfășurării transformatorului este conectat la un punct cu potențial creat de capacitațile C1 șiC2 (C1=C2=Ui/2) ,iar celălalt capăt la punctul comun al tranzistoarelor Q1 și Q2. În momentul când Q1 conduce , ajunge și la potențialul pozitiv al sursei de alimentare care este formată dintr-o punte redresoare formată din diodele D1-D4. În cazul în care se blochează Q1 și intră în conducție Q2, în primar se schimbă sensul curentului deoarece același capăt al primarului ajunge la potențialul pozitiv al sursei de alimentare prin Q2. În urma comenzii alternative a celor două tranzistoare , în primar vom avea o tensiune alternativă în amplitudine de 155V. Tensiunea de colector a tranzistoarelor nu poate lua valori mai mari ca cea a tensiunii de la intrare, dar dacă luăm în considerare pentru transformator un randament η=0,8 și un factor de comandă α= 0,8 curentul de colector este obținut prin relația:

. (2.2.)

Simetrizarea montajului astfel încât să se evite saturarea miezului este al doilea obiectiv de atins. Se consideră faptul că cele două tranzistoare sunt diferite. Vom avea un tranzistor Q1, cu un timp necesar blocării mai mare decât Q2. Va apărea o componentă continuă determinată de asimetria produsă în tensiune ce magnetizează permanent miezul ducând la posibilitatea de saturare rapidă a acestuia.

Polarizarea în curent continuu a miezului proporțională cu aria hașurată în figura 2.11.a) este înlăturată prin introducerea condensatorului C3 în serie cu înfășurarea primară și cele două semialternante ale tensiunii de ieșire prezintă arii egale.

În urma schemei de principiu din figura 2.10 întelegem că inductanța de filtraj impreuna cu C3 constituie un circuit oscilant a cărui frecvență de rezonanta este data cu ajutorul relației:

, (2.3.)

unde LR este inductanța filtrului reflectată în primar.

Ținând cont de numărul de spire N1 și N2 din primar, respectiv din ssecundar:

, (2.4.)

N1=134 spire

N2=10 spire

L=21,42H

.

Pentru că încărcarea condensatorului să fie liniară, frecvența de rezonanță trebuie să fie cu mult sub frecvența de comutare a tranzistoarelor. În practică acest deziderat se îndeplinește dacă se consideră:

, (2.5.)

unde f este frecvența de comutare a tranzistoarelor (f=20kHz).

Din relația (2.3.) scoatem valoarea capacității de cuplare:

Alegem C3=0,27F, tip PMP 03.04, toleranța capacității 10% (E12).

Rețea RC de protecție a tranzistoarelor de putere

Tranzistoarele sunt protejate la tensiuni inverse maxime de diodele D5 și D6 și elimină vârfurile de tensiune ce pot aparea ca urmare a saturarii miezului, având nevoie de aceste diode cu timp de revenire foarte scurt. Astfel alegem D5,D6,D7 și D8 diode cu siliciu de comutație de tipul 1L3882.

Când tranzistorul este adus in stare de blocare , prezintă cea mai puternică solicitare la care este supus în procesul de comutație. Figura 2.12 prezintă un circuit de protecție a tranzistorului care acționează atunci când tranzistorul trece din starea de conducție în cea de blocare.

Funcționarea acestui circuit se realizează astfel: o data cu blocarea tranzistorului condensatorul se încarcă prin dioda D1 la o tensiune (E-UD1), unde UD1 reprezintă căderea de tensiune pe dioda D1. Condensatorul se descarcă prin rezistența R atunci când tranzistorul este adus în conducție.

Conform relației (2.2.) :

, Ps=UsIs , Us=12V , Is=20A

.

Alegem Q=Q1=Q2 de tipul BUX80.

Energia cu care se încarcă condensatorul în intervalul de timp cât tranzistorul este blocat este:

, (2.5.)

unde :

IC este curentul de colector maxim;

UCE – tensiunea colector-emitor maximă;

tr – timpul de ridicare;

tc – timpul de cădere.

La frecvența de comutație de 20kHz, timpii de comutație ai tranzistorului BUX80 sunt tr=2s și tc=1s.

Rezolvând ecuația (2.5.) pentru capacitatea C se obține:

, (2.6.)

Alegem C=C4=C5=22nF de tipul PMP 06.01, toleranța capacității %.

Tensiunea pe condensator se poate scrie:

, (2.7.)

unde t1 este durata de conducție a tranzistorului.

Dacă durata de conducție a tranzistorului o considerăm 40% din perioadă, la frecvența de 20kHz, se obține pentru timpul de conducție t1 valoarea:

.

Dacă considerăm că procesul de încărcare al capacității este de (35), unde =RC, putem exprima valoarea rezistenței R astfel:

(2.8.)

Alegem R=300.

Cu această valoare pentru R trebuie verificat dacă curentul de descărcare nu depășește curentul de colector admis. Pentru o funcționare corectă a circuitului RC de protecție, se admite că valoarea curentului de descărcare, Idesc, să nu depășească 25% din valoarea curentului de colector, adică:

, (2.9.)

unde:

. (2.10.)

Întrucât această valoare depășește 25% din valoarea curentului de colector, rezistența R trebuie recalculată, adică:

.

Alegem R=R3=R4=560, de tipul BGF 6025, toleranța ±5% (E24).

După calcularea valorii rezistenței R, trebuie determinată puterea ce se disipă pe el la descărcarea, respectiv încărcarea condensatorului. Puterea disipată se exprimă astfel:

, (2.11.)

unde f este frecvența de comandă a tranzistorului de putere.

.

Sursă in comutație „în punte”

Din punct de vedere al tensiunilor colector-emitor maxime solicitările tranzistoarelor sunt mai reduse , însă curentul de colector maxim este de două ori mai mare față de montajul contratimp. În figura 2.11. avem configurația “în punte” unde avem perechi de două tranzistoare (Q2 și Q3 sau Q1 și Q4) care sunt conduse simultan. Curentul prin tranzistoare este pe jumătate față de sursa in montaj „semipunte” iar tensiunea maximă pe tranzistoare este egală cu UI. Circuitele de comandă ale unei perechi de tranzistoare trebuie să fie izolate de cele pentru comanda celeilate perechi.

Capitolul 3. Tranzistoare de putere folosite in construcția surselor de comutație

3.1. Generalități

În schemele bloc ale unei surse în comutație din figurile 1.2, 1.3 și 1.4 am figurat un întrerupător ca element de comutație. Această funcție de întrerupător poate fi îndeplinită de un tranzistor sau de un GTO iar cele mai răspândite soluții sunt acelea care conțin un tranzistor bipolar sau un tranzistor MOSFET. Caracteristicile care stau la baza proiectării unei surse în comutație cu un tranzistor se referă la valoarea maximă a curentului prin tranzistor si la tensiunea maximă pe care trebuie să o suporte.

Soluția constructivă ce se alege pentru un anumit tip de consumator este determinată de aceste caracteristici. În momentul proiectării unei surse de comutație trebuie ales și tipul de tranzistor ce poate fi folosit (bipolar sau MOSFET). Fiecare dintre cele două prezintă avantaje, dar și dezavantaje. Deși tranzistoarele MOSFET conferă o comandă mai simplă , cele bipolare sunt mai ieftine. De asemenea, tranzistoarele MOSFET au o frecvență limită superioară față de cea a unui tranzistor bipolar.

3.2. Tranzistorul bipolar ca element de comutație

Tranzistorul bipolar poate fi definit ca fiind un dispozitiv comandat in curent, unde curentul de colector IC este în funcție de curentul injectat in bază IB prin factorul de amplificare β:

.

În funcție de zona in care se situează punctul de funcționare în planul caracteristicilor IC=(UCE) cunoaștem două procedee de lucru a tranzistorului bipolar:

în zona liniară și în zona de saturare.

Din caracteristica tranzistorului întelegem ca zona de saturație este importantă atunci când tranzistorul este folosit ca element de comutație. În această porțiune poate fi generat un curent de colector important de către un curent de bază, în timp ce tensiunea colector-emitor rămâne la valori reduse.

Într-un caz real este necesar un curent de sens opus pentru blocarea tranzistorului, când un curent de bază este necesar pentru saturarea tranzistorului. Tranziția dintr-o stare în cealaltă a acestuia nu are loc instantaneu aparând întârzieri datorate caracterului și valorii sarcinii. În continuare se analizează tranzistorul ca element de comutație pe sarcină rezistivă și inductivă.

Cu sarcină rezistivă

În reprezentarea din figura 3.2 sunt expuse principalele forme de undă pentru această situație.

Din aceste forme de undă se definesc următoarele mărimi:

ts – timpul de stocare, definit ca intervalul de timp măsurat din momentul când curentul de bază își schimbă polaritatea până când tensiunea UCE ajunge la 10% din tensiunea de alimentare;

tc – timpul de cădere, definit ca intervalul de timp în care tensiunea de colector se reduce de la 90% din valoarea inițială la 10%;

tr – timpul de ridicare. Este intervalul în care tensiunea de colector crește de la 10% până la 90% din valoarea tensiunii de alimentare;

td – timpul de întârziere (delay time, td), definit ca intervalul de timp măsurat din momentul în care se aplică impuls de curent de amplitudine IB1 în bază și momentul când tensiunea de colector scade până la 90% din valoarea sa inițială.

Cu sarcină inductivă

Modul de variație al tensiunii UC și al curentului IC va fi dierit de tipul sarcinii rezistive atunci când sarcina din colectorul tranzistorului este o inductanță. Deoarece curentul prin inductanță nu crește brusc, în momentul aplicării unei tensiuni de alimentare, înțelegem că timpii de blocare ,dar și timpii de intrare în conducție nu pot fi definiți la fel ca in cazul sarcinii rezistive.

În figura 3.3. este exemplificat timpul de ridicare al tensiunii tr,u și timpul de cădere al curentului tc,i.

3.3. Tranzistorul MOSFET ca element de comutație

Acest tip de tranzistor de putere reprezintă un dispozitiv electronic des utilizat în construcția surselor de comutație de putere datorită performanțelor pe care la are în comparație cu un tranzistor de putere bipolar. Acestea pot fi enumerate astfel:

Prima enumerată este viteza de comutație mare, el fiind capabil să comute la frecvențe mari, deoarece este și un dispozitiv semiconductor la care conducția se face prin purtători de sarcină. Viteza de comutație are loc pe baza ritmului în care se elimină sau se introduce sarcina din circuitul de poartă , comanda făcându-se în tensiune. În aplicații, acesta poate fi comutat în mai puțin de 10ns și din acest motiv tranzistorul poate lucra la frecvențe superioare tranzistorului bipolar de unde rezultă o reducere a costului, a volumului și a masei componentelor feromagnetice ale sursei.

Timpul de comutare acționează independent de variațiile temperaturii și de circuitul de sarcină.

Valorile impedanței de intrare sunt foarte mari. La aplicarea unei tensiuni între poartă și sursă se stabileste între acestea două un curent neglijabil deoarece poarta tranzistorului este izolată electric de sursă printr-un strat de oxid de siliciu.

Nu există impedimentul saturării datorită duratelor de conducție inegale a tranzistoarelor din montajul “semipunte” deoacere diferența dintre timpii de stocare a două tranzistoare MOSFET este practic neglijabilă.

În cazul tranzistoarelor de putere MOSFET nu mai este prezent fenomenul de străpungere secundară, acest merit aparținând coeficientului de temperatură pozitiv al rezistenței canalului și nu mai sunt necesare rețele RC de protecție montate în paralel cu tranzistoarele conducând la fiabilitatea circuitului, la reducerea complexității sursei și reducerea costului acesteia.

Majoritatea acestor tipuri de tranzistoare contin o diodă între drenă si sursă, astfel timpul de polarizare inversă a diodei depinde de tensiunea drenă-sursă. În cazul tensiunilor mici (100V) timpul de revenire este de circa 200ns iar în cazul tranzistoarelor cu tensiuni drenă-sursă de 400-500V, acest timp de revenire este de 600-700ns. În cazul în care nu se necesită ca această diodă să fie rapidă ea se poate utiliza ca diodă de protecție pentru tranzistorul aferent.

ID

“Curent constant”

În caracteristica din figura 3.4. observăm zonele numite “rezistență constantă” și “curent constant”. Curentul ID crește proporțional cu tensiunea UDS până în punctul A al caracteristicii, iar după acest moment prin tranzistor curentul rămâne constant la orice modificare în sens crescător a tensiunii.

În momentul folosirii tranzistorului MOSFET ca element de comutație, căderea de tensiune între sursă si drenă este proporțională cu curentul de drenă, mai exact tranzistorul funcționează în domeniul de rezistență constantă. Ca urmare, rezistența drenă-sursă a tranzistorului în stare de conducție, RDS, este un element de o importanță majoră în determinarea pierderilor de putere. Această rezistență este relativ independentă de temperatură. Menționăm că valoarea ei se dublează la o variație a temperaturii de 110 ◦C. Pierderile de putere la comutație se dublează doar la o variație a temperaturii de aproximativ 100◦C în cazul tranzistoarelor MOSFET și din acest motiv acest tranzistor este mai stabil decât un tranzistor bipolar deoarece în aplicațiile din prezent nu se mai folosește o gamă de variație a temperaturii de 100◦C.

Capitolul 4. Transformatorul de putere la înaltă frecvență

4.1. Generalități

Comportarea transformatorului ce intră în componenta sursei influențează performanțele acesteia în comutație. Deși s-au făcut numeroase progrese în miniaturizare sau în microminimizarea inductivităților , transformatorul unei surse în comutație a rămas cu masa cea mai mare , fiind partea cea mai voluminoasă. În scopul realizării unei surse cu dimensiuni de valori reduse se impune a alege un regim de lucru cu o frecvență de comutație cât mai mare posibil de unde rezultă si utilizarea unor componente feromagnetice minuscule.

Folosim caracteristica B=f(H) , caracteristică a oricărui material magnetic, care prezintă următoarele elemente:

Bmax – inducția magnetică maximă;

Hmax – intensitatea maximă a câmpului magnetic;

Br – inducția remanentă, corespunzătoare intensității H de valoare nulă;

Hc – intensitatea câmpului coercitiv corespunzătore inducției magnetice nule.

Întelegem din caracteriztica de magnetizare ca Bmax este atinsă la o anumită valoare a intensității de câmp magnetic ce nu poate crește o dată cu creșterea intensității curentului prin inductivitate. Această valoare a inducției magnetice este influențată de starea de saturație a circuitului magnetic (Bsat).

Lungimea liniilor de câmp magnetic va depinde de mărimea unui întrefier existent în miezul feromagnetic. Lungimea liniei de câmp magnetic le se poate exprima cu ajutorul relației:

, (4.1.)

unde:

lf– este lungimea liniei de câmp în miezul feromagnetic;

– permeabilitatea magnetică a materialului;

li – lungimea liniei de câmp în întrefier.

Inducția magnetică a unei bobine cu un număr de spire N, parcursă de curentul I, se poate exprima astfel:

. (4.2.)

Prin această relație s-a evidențiat ideea ca densitatea de flux magnetic dintr-un miez cu întrefier este mai redusă comparativ cu un miez fără întrefier, pentru un număr de amperi spire (NI). Curba de magnetizare își modifică forma prin realizarea unui întrefier si se reduce posibilitatea de a se satura miezul pentru valori mari ale intensității de câmp magnetic H după cum rezultă din figura 4.2.

În figura 4.3. este prezentată curba de magnetizare din catalog a majorității miezurilor magnetice și evidențiază faptul că între B și H este prezentă o dependență liniară pentru o regiune până la valoarea inducției Bmax corespunzând unei permeabilități magnetice constante.

În cazul utilizării miezului la curenți mici, pe prima zonă a curbei de magnetizare (O-L), pierderile în acesta sunt neglijabile. Dacă se ajunge în porțiunea de neliniaritate,adică în cazul în care punctul de funcționare depășește cotul caracteristicii, comportarea circuitului magnetic este nesatisfăcătoare.

4.2. Considerații privind materialele feromagnetice folosite în producția surselor în comutație

În funcție de forma ciclului de histerezis magnetic, putem clasifica materialele magnetice în două grupe:

Materiale magnetice dure, unde intensitatea câmpului magnetic coercitiv este mare.

Materiale magnetice moi, unde intensitatea câmpului magnetiv coercitiv este mică, permeabilitatea magnetică si inducția la saturație mari.

Materialele magnetice moi, adică acelea cu histerezis magnetic foarte îngust , cu suprafață redusă, se clasifica în trei categorii:

1.a. Materiale magnetice cu raport Br/Be <0,5 , unde ciclul de histerezis are o înclinare foarte pronunțată către orizontală cu partea reală a permeabilității magnetice relative complexe , cu o valoare redusă și care depinde într-o mică măsură de valoarea intensității câmpului magnetic.

1.b. Cele cu raport Br/Be cu valori cuprinse între 0,5 si 0,8 , unde partea reală a permeabilității magnetice, relative complexe, se mărește și variază mai accentuat în raport cu valoarea intensității câmpului magnetic.

1.c. Cele cu raport Br/Be> 0,8 , ce sunt denumite cu ciclu de histerezis rectangular (dreptunghiular).

Și în cazul materialelor magnetice dure apare o împărțire în două categorii:

2.a. Materiale magnetice dure, unde raportul Br/Be <0,4 și se folosesc pentru înregistrarea magnetică a informației.

2.b. Materiale magnetice dure, unde raportul Br/Be >0,4 și intensitatea câmpului magnetic coercitiv are valori ridicate. Aceste materiale sunt utilizate în construcția magneților permanenți și se pune accentul pe un ciclu de histerezis magnetic ce se apropie mai mult de forma rectangulară.

4.3. Particularități constructive ale bobinelor

Se aleg geometria si forma bobinelor in functie de particularitatile electrice si electromecanice ale inductivitatii pe care trebuie sa le realizeze. Bobinele sunt produse in general de utilizatori in fuctie de necesitati, neexistand o productie de serie. Principalele proprietatile ale bobinei sunt:

Tensiunea, puterea si curentul maxim admis pentru a nu produce transformari ireversibile in aceasta;

Factorul de calitate (sau tangenta unghiului de pierderi tgL ), reprezentand raportul dintre puterile reactiva si activa disipata in bobina (QL=1/tgL=Pr/Pa);

Valoarea inductantei;

Capacitatea parazita, reprezentand capacitatea echivalenta a tuturor capacipatilor ce exista la bornele bobinei.

Modul de realizare al bobinelor se poate face in miez magnetic (unde inductivitatile sunt mici) si pe miezuri magnetice de forme diverse (oala, tor, bara sau alte forme inchise I+E, E+E, U+U, U+I). Ele se pot construi sub forma de bobine variabile, bobine fixe (cele ale caror inductanta este constanta pe timpul functionarii) sau cele cuplate magnetic (fix sau variabil). Modul de realizare al bobinei are loc prin inconjurarea (infasurarea) pe carcase de diferite sectiuni (dreptunghiulare, circulare, patrate) prevazute sau nu cu flanse a unui fir dintr-un material conductiv. Carcasa trebuie sa fie construita dintr-un material care necesita a indeplini anumite conditii mecanice (stabil in timp, stabilitate termica, rezistenta, rezistenta la umiditate) si electrice (rigiditate electrica ridicata si permitivitate scazuta). Materialele cel mai frecvent utilizate sunt pertinaxul, polistirenul, textolitul, ceramica pentru instalatii, cartonnul electroizolant si polietilena.

Este necesar a se asigura o capacitate parazita redusa de catre bobinaje pentru a se obtine o tehnologie simpla si ieftina si pentru a se evita pericolul strapungerii intre spire. Tipuri de bobinaje sunt: bobinajul cu mai multe straturi si intr-un singur strat.