Бездуговая коммутация электрических цепей

 

На рис. 2.13, а показана схема принудительной коммутации цепи постоянного тока. Параллельно силовому ти­ристору VS_C включена шунтирующая цепь L_KC_K, упра­ляемая коммутирующим тиристором VS_K. Конденсатор С_к заряжен с указанной полярностью. При открытии тиристора VS_K начинается колебательный процесс разряда кон­денсатора С_к через индуктивность L_K, тиристор VS_K и тиристор VS_C. Ток i_c направлен встречно току i_H, и в момент их равенства тиристор VS_C закрывается (время t₂ на рис. 2.13,6). Ток колебательного разряда теперь проходит че­рез диод VD. Падение напряжения на диоде VD является запирающим для тиристора VS_C. В течение времени t_nв = тиристор должен восстановить свои запирающие свойства. Это время должно быть равно или больше вре­мени восстановления прочности тиристора t_T .

 

Рис 2.13 - Схема принудительной коммутации постоянного тока

 

Такая же схема при принудительной коммутации переменного тока позволяет создать токоограничивающий выключатель с защитой самого тиристора от сверхтоков. На рис. 2.13, в приведена упрощенная схема тиристорного коммутатора постоянного тока. При нажатии кнопки Вкл. открывается тиристор VS1 и через нагрузку 𝐑_н течет ток . Конденсатор С через резистор R_д заряжается до напряжения U_o. После включения кнопка Вкл. отпускает­ся и с VS1 снимается управляющий сигнал.

Для отключения нажимается кнопка Откл. При этом открывается тиристор VS2 иконденсатор С разряжается по контуру VS2, R, VS1. Ток через тиристор VS1 равен разности токов и разряда конденсатора. В момент прохода результирующего тока через нуль тиристор VS1 закрывается и цепь отключается.

 

 

 

Рис. 2.14 - Каскад усилителя на транзисторе

Описанные схемы бездуговой коммутации с тиристора­ми пока не так широко применяются из-за сложности, вы­сокой стоимости и больших габаритов. Чаще применяются схемы бездуговой коммутации цепей постоянного и пере­менного тока на основе транзисторов.

Транзистор является полупроводниковым прибором, который позволяет плавно менять ток в нагрузке при изменении тока или напряжения на управляющем электроде. На рис. 2.14 даны схема включения и основные характеристики биполярного транзистора типа р-п-р. Прибор имеет управляющий электрод - базу Б, эмиттер Э и коллектор К. Нагрузка Rн, L_H включается в цепь коллектора. При отсутствии тока управления І_у=І_б = 0 через коллектор протекает небольшой ток. Для полного закрытия не­обходимо подать ток - . Ток называется током от­сечки. При подаче положительного тока управления І_у, ток в нагрузке линейно возрастает и при І_у=І_бн достигает наибольшего значения . При этом этот ток определяется сопротивлением нагрузки . . На рис. 2.14, в пред­ставлена зависимость тока І_к от напряжения на базе. На базу подается отрицательный потенциал относительно эмиттера. Для перевода транзистора из закрытого состоя­ния в открытое на базу необходимо подать напряжение переключения U_у,_п.

Транзистор может работать в ключевом режиме. При І_у=0 транзистор практически закрыт, при І_у = І_у,_п транзистор открыт. Этот режим используется в транзисторах, работающих в коммутационных аппаратах. Если нагрузка имеет активно-индуктивный характер (R_h, L_h), to при резком снижении тока при закрытии транзистора появляется довольно высокое напряжение — Ldi/dt, которое может пробить транзистор. Для его защиты устанавливается диод VD, который шунтирует нагрузку R_H, L_н при появлении напряжения — Ldi/dt. Транзисторы типа р-п-р выполняются с использованием германия. В настоящее время преимущественно применяются транзисторы типа п-р-п на базе кремния, которые более устойчивы к внешним воздействиям. Для транзисторов типа п-р-п характерно увеличение коллекторного тока при увеличении положительного по­тенциала базы относительно эмиттера. К коллектору приложен плюс источника питания, к эмиттеру минус. Схема включения п-р-п транзистора приведена на рис. 2.15, а. На рис. 2.15, б показана зависимость тока коллектора І_к (то­ка нагрузки) от тока базы для транзистора типа п-р-п.

Транзисторы имеют большие преимущества перед ти­ристорами благодаря простоте схемы управления. На рис. 2.15, в показан транзисторный коммутатор с защитой от токов перегрузки и КЗ. При подаче напряжения Е_упр на базу кремниевого транзистора VT2 он открывается и вклю­чает ток i_н в нагрузке R _н. При протекании тока в шунте R_ш создается падение напряжения, которое стремится от­крыть транзистор VT1. При определенном токе нагрузки транзистор VT1 открывается, на базу транзистора VT2 по­дается нулевой потенциал и он закрывается. В настоящее время созданы транзисторы, которые коммутируют токи до 600 А при напряжении до 300 В.

Описанные выше транзисторы называются биполярны­ми. Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор, содержащий кристалл полупроводника с тремя слоями чередующейся проводимости и двумя р-п переходами. Биполярный транзистор управляется током, подаваемым на его базу. В коммутационных бесконтактных аппаратах применяются также полевые транзисторы, отличающиеся высоким входным сопротивлением (малый ток управления А), малым сопротивлением в открытом состоянии (0,03—0,3 Ом), малым током в закрытом со­стоянии ( А), высокой скоростью переключения (око­ло 10 не по сравнению с микросекундами у биполярного транзистора).

 

Рис. 2.15 - Схемы включения кремниевого транзистора

 

Полевой транзистор — это полупроводниковый прибор, управляемый электрическим полем (напряжением, пода­ваемым на затвор) и имеет очень большое входное сопро­тивление.

Допустимый коммутируемый ток полевых транзисторов до 30 А при напряжении до 500 В.