Comutatia in circuite electrice cu elemente semiconductoare

Comutatia in circuite electrice cu elemente semiconductoare

Elementele semiconductoare de comutatie se iau de obicei in considerare in

ipoteza idealizata prin doua stari limita: lucrand pe caracteristica de conductie,

cand caderea de tensiune pe aceasta se considera zero,indiferent de curentul de

sarcina;lucrand pe caracteristica de blocare cu un curent rezidual considerat nul

indiferent de tensiunea pe element.

Se stie ca elementele semiconductoare au in realitate caracteristicile statice de

curent-tensiuni neliniare.

Conform idealizarii fiecare proces de comutatie poate fi considerat o trecere

simpla din stare de blocare sau invers.

3.1 Definitia si procesul comutatiei

In general in electronica prin comutatie se intelege procesul de trecere a

curentului dintr-o ramura de circuit in alta ramura.Pe durata comutatiei in

ambele ramuri curge curent .

In figura 3.1 sunt cuprinse marimile caracteristice ale comutatiei: circuitul I

care este comutat din ramura 1 in ramura 2 de curent .

Fig. 3.1 Circuitul de comutatie

Ramurile de circuit contin de obicei rezistente RK si inductante Lk de

comutatie. Inductivitatea L are o valoare foarte mare;astfel se poate considera ca

mentine circuitul I la o valoare constanta. Procesul comutatiei incepe in

momentul t0 cu inchiderea intrerupatorului K2 .

Comutatia circuitului I din latura 1 in latura 2 are loc in urma aparitiei unui

curent de comutatie ik in bucla formata de cele doua laturi.

Curentul ik trebuie sa aiba de sens incat sa conduca curentul din latura 1, deci

va circula in sens invers curentului i1 si sa provoace aparitia curentului in latura

2,adica sa circule in sensul indicat de i2.Aplicand prima relatie:

i1+i2=I

valabila in intervalul tk al comutatiei.Conform celor aratate mai sus se poate

scrie:

i1=I-ik unde i2=ik

Pentru aparitia curentului de comutatie ik este nevoie de o tensiune de

comutatie :

uk>0

cu polaritatea indicata in figura care este compusa din tensiunile surselor celor

doua laturi.In cazul de fata:

uk=u2-u1

Procesul comutatiei se termina in momentul t1 cand curentul i2 ajunge la

valoarea I,respectiv cand curentul i2 se reduce la zero.

Fig. 3.2. Marini caracteristice ale comutatiei

In momentul t1 deci se poate deschide intrerupatorul K1 din latura 1.

Este evident ca in domeniul electronicii de putere comutatia nu se realizeaza

cu intrerupatoare mecanice ci cu dispozitive semiconductoare cum sunt dioda ,

tiristorul si altele.

Pentru desfasurarea corespunzatoare a comutatiei se presupune existenta unei

tensiuni de comutatie uk potrivita. Daca pentru comutatie se utilizeaza tensiunea

naturala a retelei se vorbeste de comutatie naturala.In locul tensiunii retelei se

poate folosi tensiunea alternativa produsa de sarcina putandu-se vorbi astfel de

comutatie de la sarcina.

Daca in circuit lipseste tensiunea naturala de comutatie sau in momentul

comutatiei exista o tensiune de polaritate necorespunzatoare,atunci e necesara

introducerea unei tensiuni ajutatoare pentru fortarea comutatiei.Astfel

tensiunea de comutatie poate fi obtinuta dintr-o sursa de energie sau prin

marirea valorii unei rezistente sau micsorarea curentului in circuitul in care

dorim sa stingem curentul.

In acest caz , contrar comutatiei naturale,putem vorbi de o fortare a

comutatiei,adica de comutatie fortata.

3.2 Comutatia naturala

Cum s-a aratat mai sus , comutatia naturala este realizata de tensiunea retelei

sau a sarcinii . Pentru tratarea procesului de comutatie pe langa tensiunea de

comutatie uk mai trebuie sa se tina seama si de rezistentele Rk si inductivitatile Lk

de comutatie conform figurii 3.3,care determina variatia in timp a curentului de

comutatie ik adica curentii prin cele doua laturi care comuta conform relatiilor

Kirchhoff.

Fig. 3.1. Circuitul de comutatie

Procesul de comutatie intre doua laturi care contin dispozitive

semiconductoare se mai numeste suprapunere anodica.

Prima data sa vedem cum se comuta curentul I din latura 1 in latura 2.

Comutatia poate avea loc,daca este satisfacuta inegalitatea uk>0. Daca latura 2

ar contine o dioda comutatia ar incepe in momentul indicat de punctul A,punct

de comutatie naturala fig. 3.4 cand uk devine pozitiv.

Fig. 3.4. Forme de unda la comutatia naturala

Se poate vedea ca daca u1 si u2 este sinusoidal atunci si variatia lui uk va avea

o forma sinusoidala.

Daca latura 2 contine un tiristor,comutatia poate avea loc in intervalul AA'

cand uk>0, deci procesul de suprapunere anodica incepe in momentul t0 cand se

da impuls de amorsare pe grila tiristorului T2.

Aplicand a doua teorema a lui Kirchhoff in bucla care comuta se poate scrie:

iar I fiind constant poate fi considerat ca o sursa de curent.Ecuatia diferentiala

are o solutie compusa din trei termeni.Solutia ecuatiei omogene este componenta libera.

Astfel curentul de comutatie poate fi scris:

ik(t)=ik1+ikf1+ikf2

in care se inlocuiesc toate componentele si se pune conditia initiala:

ik(t0)=0

deoarece intr-un circuit inductiv curentul nu poate varia brusc.Din aceasta

conditie rezulta constanta de integrare:

Durata de comutatie

tk =t1-t0

poate fi calculata cu formula precedenta unde t=t1 apoi egalata cu I, se rezolva

fata de t1 . Ecuatia transcendenta:

ik(t1)=I,

poate fi rezolvata cu ajutorul metodelor numerice.In multe cazuri rezistentele de

comutatie pot fi neglijate,astfel solutionarea ecuatiei de mai sus se gaseste pe

cale analitica.

Pentru a comuta curentul din latura 2 in latura 1 este nevoie de o tensiune de

comutatie:

uk'=-uk=u1-u2 ,

deci punctul de comutatie naturala devine A'.

Datorita faptului ca fenomenul de suprapunere anodica are loc in acelasi

circuit si daca impulsul tiristorului T1 intarzie fata de A' la fel ca in cazul

precedent, fenomenele comutatiei pot fi identice,dar curentul de comutatie ik

' va

circula in sens invers.

Analiza SPICE a comutatiei naturale

In figura 3.5 se prezinta circuitul de test pe care se face studiul de comutatie al

curentului de pe o ramura pe alta a unui circuit cu tiristoare.Inductivitatile de pe

fiecare ramura a circuitului reprezinta practic inductivitatile de scapari ale unui

transformator si se considera constante.

Fig. 3.5. Circuit de test pentru studiul comutatiei naturale

Fisierul de circuit pentru analiza SPICE:

COMUTATIA NATURALA

*SPICE_NET

.OPTION METHOD=GEAR ABSTOL=1N ITL4=1000 RELTOL=0.001

.TRAN 0.01M 60M 40M

.PRINT TRAN V(1) V(2) I(V3) I(V4) V(4)

*INCLUDE SCR.LIB

R1 4 0 100

L1 19 15M

V3 11 4

X2 16 7 5 BTW68120

V2 2 0 SIN 0 250 50 0 0-90

L2 2 16 15M

IG1 11 3 PULSE 0 0.05 0.005 0 0 0.003 0.002

IG2 5 7 PULSE 0 0.05 0.008 0 0 0.003 0.02

V4 5 4

V1 1 0 SIN 0 250 50 0 0 0

X1 19 3 11 BTW68120

.ENDFisierul de circuit pentru analiza SPICE:

COMUTATIA NATURALA

*SPICE_NET

.OPTION METHOD=GEAR ABSTOL=1N ITL4=1000 RELTOL=0.001

.TRAN 0.01M 60M 40M

.PRINT TRAN V(1) V(2) I(V3) I(V4) V(4)

*INCLUDE SCR.LIB

R1 4 0 100

L1 19 15M

V3 11 4

X2 16 7 5 BTW68120

V2 2 0 SIN 0 250 50 0 0-90

L2 2 16 15M

IG1 11 3 PULSE 0 0.05 0.005 0 0 0.003 0.002

IG2 5 7 PULSE 0 0.05 0.008 0 0 0.003 0.02

V4 5 4

V1 1 0 SIN 0 250 50 0 0 0

X1 19 3 11 BTW68120

.END

Fig. 3.6. Comutatia naturala

Formele de unda ale curentului si tensiunii redresate sunt prezentate in figura

3.6 . In cazul in care in locul rezistentei de sarcina se foloseste o sursa de curent

constant si in conditiile in care defazajul intre tensiunile de alimentare

sinusoidale este de 1800,tensiunea redresata poate lua valori negative pentru

unghiuri de comanda aplicate la 900 pentru tiristorul T1 si respectiv 2700 pentru

tiristorul T2 .

3.3 Comutatia fortata

Comutatia fortata se caracterizeaza prin utilizarea elementelor ajutatoare de

exemplu capacitati de inmagazinare a energiei sau elemente semiconductoare la

care se poate mari rezistenta cum sunt tranzistoarele de putere sau tiristoarele de

executie speciala cu comutatie controlata nu numai la amorsare ci si la blocare

(GTO).

In circuitele cu surse de tensiune constanta tiristoarele de executie obisnuita ,

o data amorsate , nu pot fi blocate din comanda si nici de tensiunea sursei .

Apare astfel necesitatea asa numit circuite de stingere.

Circuitul de stingere de obicei contine un tiristor si un condensator incarcat la

o tensiune de polaritate corespunzatoare fenomenului de comutatie.Datorita

caracterului inductiv al sarcinii ,schema contine si o dioda de fuga ,care va

determina comutatia a doua din circuit.

Fig 3.7 se arata un circuit tipic de stingere cu condensator care va bloca

tiristorul din latura 1.Latura 3 contine dioda de fuga.Se considera starea initiala

cand conduce T1 si este parcurs de curentul I,mentinut constant de inductivitatea

L.Pentru a putea comuta curentul din latura 1 in latura 2 trebuie sa existe

tensiunea de comutatie:

uk=-uC>0

uk este capabila sa produca curentul de comutatie ik in sensul de conductie al lui

T2 si in sens invers lui T1.Astfel in momentul t0 de aplicare a impulsului pe T2 ,

condensatorul trebuie sa aiba polaritateain figura 3.7.

Fig. 3.7. Circuitul de stingere cu condensator

Comutatia are loc in bucla formata de laturile 1 si 2 fara surse .Datorita

elementului de comutatie:

ik=iC=iT2

condensatorul C se va descarca putin cu tensiunea uC . Cand curentul

tiristorului T2 atinge valoarea I , tiristorul T1 se va bloca , deoarece curentul :

iT1=I-ik=I-iT2

se va anula,astfel comutatia se sfarseste in momentul t1 . Curentul I va parcurge

latura 2 si va descarca condensatorul apoi il va reancarca,cu polaritate pozitiva.

In momentul t2 tensiunea de comutatie:

uk

'=uc-ud

devine pozitiva si dioda D3 incepe sa comute curentul I din latura 2 in latura 3.

Curentul de comutatie:

ik

'=iD3

circula in sensul de conductie al diodei si in sens invers lui T2 , deci:

iT3=I-ik

'=iC

Curentul iC care circula prin condensator pana in momentul t3 il va incarca

peste tensiunea ud cu o supratensiune ΔUC' . In momentul t3 tiristorul T2 se vabloca deoarece curentul lui se anuleaza, iar dioda D3 va prelua in intregime

curentul I.Variatiile curentilor ik si ik' sunt determinate de parametrii circuitelor R-L-Cin care circula . Duratele de suprapunere adica tk si tk' depind de variatia curentilor de comutatie.

Curentul I poate fi comutat de pe latura 3 pe latura 1 in orice moment

deoarece tensiunea care trebuie sa efectueze comutatia este

uk

'=ud>0

inegalitate valabila in orice

Fig. 3.8. Forme de unda la comutatia fortata

moment dupa t3 .