Меню

Переключение при нуле напряжения

Переключение при нуле

Разрыв графика sin 1/x при нуле не работает
Нужно произвести разрыв графика при нулевом значении.Можно было очистить ячейку, но по условию.

Частные производные в нуле
Здравствуйте, не могу разобраться, почему частные производные функции.

Позиции на нуле(( подскажите
Никак не могу понять что не так с Моим сайтом Нет его по нужным запросам в поисковиках хоть.

— здесь управление соответствует напряжению на выходе силового трансформатора. Но остаётся управляющий трансформатор, который ни куда не девался, и, если пропадает управляющий сигнал с силового трансформатора — то управлением занимается эффект насыщения сердечника от первичной обмотки управляющего трансформатора. Здесь не понятно — исли бы всё было «так», то об этом бы написали аффторы соответствующих статей, но я этого не замечаю. Напротив, мы там видим: «Если же на выходе будет очень большая нагрузка (короткое замыкание), напряжение на обмотке w3 трансформатора Тр2 снижается и может наступить такой момент, когда напряжение на базовых обмотках w1 и w2 трансформатора Тр1 будет недостаточно для управления транзисторами. Генератор перестанет работать . » — Это идёт в разрез с работой имеющегося управляющего трансформатора, который, по типу токового управления, должен перехватить управление. Прошу прояснить этот момент. Если он не перехватывает — значит он не «укомплектован для этого». Если управление идёт частотой от силового трансформатора, то работает «переключение при нуле», и тогда ток ОС с силового трансформатора не насыщает сердечник управляющего, и частота управляющим траснформатором не корректируется, то есть — сердечник работает как пропускной, в «обычном» режиме. Почему об этом не пишут аффторы? Почему не объясняют?

Стало быть — сердечник в маленьком управляющем трансформаторе вообще не нужен (он нужен для улучшения передачи сигнала). И так базовые обмотки можно просто намотать как вторички на силовом трансформаторе, по типу генератора Роера.
Но почему тогда эта концепция не распространена? — Потому что тогда насыщается сердечник силового трансформатора с вытекающими. Решить эту проблему можно переключением трансформатора в резонасный режим, что сохранит переключение при нуле, но породит «вулканическую активность» в генераторе.

Очевидно, что токовый трансформатор в схеме выше защищает генератор от превышения тока при управлении по напряжению. Таким образом, можно вогнать этот генератор в резонансный режим, а если нагрузка ослабнет и перестанет отбирать из контура силу, и резонанс раскочается и будет опасность чот «вулкан взорвётся», то токовый трансформатор перехватит на себя управление, и решит проблему, не так ли?

Заказываю контрольные, курсовые, дипломные и любые другие студенческие работы здесь.

Есть ли частные производные в нуле
f(x,y)=|xy| есть ли частные производные в нуле? дифференцируема в нуле?

Купил ссылки, а ТИЦ на нуле.
Всех приветствую! Значит, купил я немного ссылок на свой сайт, прошло пол месяца, а рейтинг меня.

Система уравнений с особенностью в нуле
Есть система диф.уравнений с начальными условиями, там особенность деления на ноль. При численном.

Источник

Современные направления развития инверторов напряжения

С целью повышения КПД и надежности транзисторных инверторов напряжения применяют режим «мягкой» коммутации.

«Мягкая» коммутация ключа происходит при нулевом токе или напряжении, что уменьшает коммутационные перенапряжения, потери и использует резонанс между индуктивным элементом и конденсатором для создания условий переключения по току и напряжению. Основная идея — разделение по времени переходного процесса напряжения и тока и минимизации времени их перекрытия.

Устройства с «мягкой» коммутацией значительно сложнее устройств с «жесткой» коммутацией. Допустим, что требуется коммутатор для инвертора напряжения в устройстве привода двигателя. Из двух способов коммутации «мягкая» требует более высоких значений тока, а в нуле напряжении — более высокого напряжения. Повышенные токи требуют большего размера кристалла, а высокие напряжения – широкой зоны проводимости в полупроводнике, поэтому стоимость устройств с «мягкой» коммутацией выше (до 2-х раз) при том же назначении устройства.

Преимущество «мягкой» коммутации — меньшие коммутационные потери плюс значительное уменьшение изменений значений тока и напряжения при переключениях. «Жесткая» коммутация чувствительна к паразитным элементам (индуктивностям), при «мягкой» коммутации цепь чувствительна к реактивным элементам основного контура и это может вызвать высокочастотные наводки, что отражается на форме тока ключа, особенно в преобразователях с коммутацией при нулевом токе. Это ухудшает электромагнитную совместимость. Паразитные контуры уменьшают скорость спада тока при выключении, увеличивают коммутационные потери, снижают скорость коммутации, особенно в преобразователях с коммутацией в нуле напряжения.

«Жесткая» коммутация проще и дешевле «мягкой», но имеет недостатки: при миниатюризации оборудования с высоким КПД, когда нежелателен излишний нагрев от переключения. В отличие от «мягкой», «жесткая» коммутация консервативна по топологии, стоимости, простоте и надежности. В ряде схем (источники питания компьютеров, систем связи, электропривод) широко применяется смешанный способ. Он является компромиссным и называется «коммутация с переходом через нуль напряжения» и является переходным между «мягкой» коммутацией при нулевом напряжении и «жесткой». Коммутация обеспечивается при нулевом напряжении дополнительными цепями, а не полным резонансным контуром.

Для повышения рабочей частоты инвертора напряжения используются полевые транзисторы. Полевые транзисторы сегодня широко используются во всех областях электронной техники — в усилителях, передающих устройствах, приемниках, аналоговых и цифровых микросхемах. Создано много разновидностей полевых транзисторов, разработана теоретическая расчетная база. Разработчиков преобразовательной техники, интересуют мощные полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET).

Чем принципиально MOSFET отличается от биполярного транзистора? Биполярный транзистор — токовый прибор. То есть управление им осуществляется при помощи тока, подаваемого в базу . Полевой транзистор имеет три электрода, такой же корпус, однако уже само название электродов говорит о том, что это другой тип силового прибора. Управление транзистором осуществляется через затвор, который намеренно изолирован от силового р-n перехода тонким слоем окисла, следовательно, сопротивление постоянному току цепи управления очень велико. Условное обозначение транзисторов MOSFET показано на рисунке.

Полевой транзистор — не токовый, а потенциальный прибор. Для того чтобы перевести транзистор из открытого состояния в закрытое и наоборот, нужно приложить к затвору, относительно истока, напряжение. При этом ток в цепи затвора практически отсутствует. Поддержание открытого состояния осуществляется электрическим полем. В момент открытия или закрытия ток в цепи затвора все же течет, но этот процесс занимает очень незначительный промежуток времени.

Первое преимущество полевого транзистора очевидно: поскольку он управляется не током, а напряжением (электрическим полем), это значительно упрощает схему и снижает затрачиваемую на управление мощность.

Второе преимущество полевого транзистора можно обнаружить, если вспомнить, что в биполярном транзисторе, помимо основных носителей тока, существуют также и неосновные, которые прибор “набирает”, благодаря току базы. С наличием неосновных носителей связано хорошо нам знакомое время рассасывания, что в конечном итоге обуславливает задержку выключения транзистора. В полевых транзисторах нет неосновных носителей, поэтому они могут переключаться с гораздо более высокой скоростью.

Третье преимущество обусловлено повышенной термоустойчивостью. Рост температуры полевого транзистора при подаче на него напряжения приведет к увеличению сопротивления открытого транзистора и, соответственно, к уменьшению тока. Поведение биполярного транзистора более сложно, повышение его температуры ведет к увеличению тока. Это означает, что биполярные транзисторы не являются термоустойчивыми приборами. В них может возникнуть очень опасный саморазогрев, который легко выводит транзистор из строя. Термоустойчивость полевого транзистора помогает при параллельном соединении приборов для увеличения нагрузочной способности. Можно включать параллельно достаточно большое число MOSFEТов без выравнивающих резисторов в силовых цепях и при этом не опасаться асимметрии токов, что очень опасно для биполярных транзисторов. Однако параллельное соединение полевых транзисторов тоже имеет свои особенности, и об этом мы поговорим чуть позже.

Последнее преимущество полевого транзистора связано с его тепловыми свойствами — полное отсутствие вторичного пробоя. Это преимущество позволяет эффективнее использовать полевой транзистор по передаваемой мощности. На рисунке обозначены области безопасной работы мощного биполярного и полевого транзисторов, максимальные токи и напряжения которых выбраны примерно одинаковыми.

Читайте также:  Частота ускоряющего напряжения 6 мгц

Не следует думать, что полевой транзистор является идеальным ключевым прибором. Это далеко не так. Правильное применение полевых транзисторов имеет свои особенности.

Во-первых, полевой транзистор в открытом состоянии имеет, пусть небольшое, но все же активное сопротивление. Это сопротивление мало только у транзисторов с допустимым напряжением “сток-исток” не более 250 — 300 В, то есть составляет десятки миллиом. Далее, с повышением допустимого напряжения “сток-исток”, наблюдается значительный рост сопротивления в открытом состоянии. Это обстоятельство заставляет соединять приборы параллельно, ограничивать мощность, приходящуюся на один транзистор, то есть работать “с недогрузкой”, тщательно прорабатывать тепловой режим.

Второй недостаток полевого транзистора связан с технологией его изготовления. До настоящего времени технологически не удается изготовить мощный полевой транзистор без некоторых паразитных элементов, одним из которых является паразитный биполярный транзистор, который показан на рисунке.

Попытка исключить влияние паразитного элемента посредством управления его свойствами на стадии изготовления привела к тому, что удалось создать приборы, которые почти не чувствуют наличие паразитных эффектов, но допустимое напряжение “сток-исток” у разработанных транзисторов пока не превышает 100 В. Паразитный биполярный транзистор оказывается включенным параллельно силовым электродам полезного полевого транзистора. База биполярного транзистора подключена к технологическому основанию, на котором расположен р-n переход (называется это основание подложкой). Между подложкой и истоком есть некоторое омическое сопротивление R , между подложкой и стоком — паразитный конденсатор С . Емкость этого конденсатора невелика. Для включения паразитного транзистора может оказаться достаточным быстрый спад или рост напряжения “сток-исток”, например, при коммутации токов большой величины. В тот момент, когда мы считаем транзистор закрытым, он вновь открывается, что легко может вывести схему из строя.

Для обеспечения нормальной работы полевого транзистора необходимо исключить ‘паразитный транзистор. Подключив на стадии изготовления подложку к истоку, мы значительно ослабим влияние этого элемента. Данная связь отражена в условном обозначении MOSFET стрелочкой.

К сожалению, вред от наличия паразитного элемента полностью исключить не удается. В результате подключения подложки к истоку в транзисторе появляется паразитный антипараллельный диод VD, образованный переходом “база-эмиттep”. Параметры этого диода производители элементной базы стремятся контролировать, однако подавляющее большинство выпускаемых на сегодняшний день полевых транзисторов имеют диоды с достаточно большим временем обратного восстановления. Про существование антипараллельного диода можно забыть, когда разрабатывается источник на базе так называемой однотактной схемы. Однако не учитывать влияние диода в двухтактных схемах нельзя.

Потери на переключение транзистора вызваны тем, что переход от включенного состояния к выключенному и обратно происходит не мгновенно, а в течение определенного, пусть даже малого, времени. Во время переключения рабочая точка транзистора находится в активной области на выходных характеристиках. В идеале переключение транзистора следовало бы проводить по траектории 1. Например, для перевода транзистора из выключенного состояния (точка В) во включенное (точка А), следует сначала при нулевом токе уменьшить напряжение сток-исток U транзистора до нуля (точка О), а затем увеличить ток до установившегося значения. Практически же, если не приняты специальные меры, из-за наличия, например, паразитных, емкостей переключение может происходить по траектории 2. При этом на транзисторе выделяется значительная электрическая мощность, преобразующаяся в тепло.

Таким образом, для уменьшения потерь на переключение следует открывать транзистор, когда напряжение на нем равно нулю, а закрывать при нулевом токе. Эти режимы могут иметь место при резонансных колебаниях в цепях с ключами.

Известно, что ток в индуктивности не может изменяться скачком, как и напряжение на емкости. Поэтому очевидны преимущества совместного использования с ключом индуктивности и конденсатора, включенных соответствующим образом, как показано на рисунке ниже, и называемых резонансным ключом . Из них образуется резонансный контур, собственная частота которого определит скорости изменения напряжения и тока ключа и, главное, разнесет во времени максимумы тока и напряжения ключа, что резко уменьшит потери при переключении ключа. Это позволяет поднять, как правило, на один-два порядка предельную частоту коммутации вентилей. Нужно только учесть, что коэффициент формы у синусоидальной полуволны тока больше, чем у прямоугольного импульса тока. В результате при одном и том же среднем значении тока, являющемся полезной составляющей в преобразователях постоянного напряжения, большее действующее значение импульсов тока вентилей будет вызывать увеличение составляющей потерь в элементах цепи от такого тока.

Схемы ключей: а) при нулевом токе; б) при нулевом напряжении.

Схемы ключей (а ) обеспечивают включение и выключение ключей при нулевом токе, а схемы (б) — включение и выключение ключей при нулевом напряжении. Двухполюсные схемы резонансных ключей на рисунке слева прямо заменяют ключи в широтно-импульсных преобразователях постоянного напряжения. Трёхполюсные схемы резонансных ключей на рисунке справа заменяют ключи в ШИМ так, что их третий полюс (с емкостью) попадает на общую шину питания или выхода.

Таким образом , в соответствии с двумя типами резонансных ключей различают два типа широтно-импульсных преобразователей:

— квазирезонансные преобразователи с переключением при нулевом токе;

— квазирезонансные преобразователи с переключением при нулевом напряжении.

Упрощенная схема резонансного преобразователя, работающего при нулевом токе переключения (так называемый ПНТ-преобразователь), показана на рисунке.

Этот узел является резонансным вариантом прямоходового преобразователя. Здесь простой ключ заменен резонансным ключом, состоящим из компонентов VT1, L R , C R . В принципе, в качестве резонансной индуктивности может использоваться индуктивность рассеяния трансформатора. Пусть первоначально транзистор VT1 закрыт. Выходной ток течет за счет энергии, запасенной в дросселе выходного фильтра L1 через диод VD3. В некоторый момент времени, определяемый узлом управления, ключ VT1 открывается. Колебательный контур, образованный катушкой L R и конденсатором C R , начинает получать энергию. Заряд конденсатора C R и последующий его разряд будут происходить по закону, близкому к синусоидальному, с частотой, равной резонансной частоте контура L R C R . Одновременно ток в катушке L R также будет изменяться по синусоидальному закону — вначале увеличиваться, затем уменьшаться. Когда этот ток уменьшится до нуля, нужно закрыть ключ. При этом диод VD1 предотвращает обратный ток через паразитный диод МОП-транзистора, который мог бы быть вызван продолжающимся резонансным процессом.

Когда ток в катушке L R становится равным нулю, выходной ток течет через дроссель L1, диод VD2 и конденсатор C R , который быстро разряжается. Как только он разряжается до нуля, открывается диод VD3. На этом один резонансный цикл заканчивается, и с открыванием транзистора VT1 начинается следующий цикл. Так как транзистор открывается и закрывается при нулевом токе, потери на переключения будут минимальны. В связи с тем, что переход тока от диода VD2 к диоду VD3 и обратно замедлен присутствием индуктивности L1 и емкости C R , потери энергии будут снижены и в диодах. Уменьшаются также скорости нарастания токов и напряжений, что способствует снижению уровней электромагнитных помех и перегрузки компонентов.

В рассмотренном устройстве переключение силового транзистора происходит при нулевом токе. Существуют также устройства, в которых транзистор переключается при нулевом напряжении (ПНН-преобразователи). Преобразователи первого типа лучше подходят для сетевых источников питания с повышенным питающим напряжением; второго типа — для стабилизаторов постоянного тока с более низким напряжением питания. Схема простейшего ПНН-преобразователя представлена на рисунке, а.

Как видно, это простой однотактный понижающий преобразователь. В конце открытого состояния ключа (МОП-транзистор VT1) конденсатор резонансного контура C R разряжен, а ток катушки резонансного контура L R равен выходному току (полагаем выходной ток постоянным). При закрывании ключа открывается диод VD1 и начинается колебательный переходный процесс заряда конденсатора C R током катушки L R , причем, если пренебречь потерями, то можно считать, что этому процессу отвечает дифференциальное уравнение , решение которого представляет собой гармонику. Начальная фаза напряжения сток-исток транзистора (оно же напряжение на конденсаторе) равна нулю, а тока в катушке — 90°.

По прошествии времени, равного половине периода собственных колебаний резонансного контура L R C R , , напряжение на ключе вновь достигает нуля. В этот момент следует подать отпирающий сигнал на затвор транзистора. Таким образом, выключение и включение ключа происходит при нулевом напряжении. Примечательно, что при отпирании ключа последний не сразу перехватывает весь ток у диода. Этот процесс имеет заметную длительность, что снижает потери в диоде.

Читайте также:  При пальпации отмечено напряжение мышц передней стенки живота

Методика переключения при нулевом напряжении применима ко всем основным способам импульсного преобразования электрического тока: к понижающим, повышающим и инвертирующим преобразователям, а также прямоходовым, обратноходовым, полумостовым и мостовым инверторам.

  • токи не превышают значений соответствующих токов обычного преобразователя;
  • пониженная мощность управления ключом (нет эффекта Миллера).

  • повышенное значение максимального напряжения на закрытом одиночном ключе;
  • частота преобразования обратно пропорциональна току нагрузки.

Источник



Новая технология управления моментом переключения твердотельных реле

Две новые запатентованные схемы управляют резистивной и реактивной нагрузкой в цепи переменного тока с минимальными электромагнитными помехами. Схемы применимы к одно- и многофазному переменному току различной частоты.

Переключение переменного тока было проблемой еще во времена Эдисона, более 125 лет назад. Теперь в твердотельных реле (SSR – Solid State Relay) используется минимизирующая электромагнитные помехи (ЭМП) запатентованная технология коммутации при прохождении переменного напряжения через ноль.

Чтобы увидеть, как работает эта технология, мы должны внимательно рассмотреть методы переключения переменного тока. Полупроводниковые приборы все больше вытесняют электромеханические реле. Полупроводники, используемые в SSR, обычно бывают двух типов: несимметричные и симметричные тиристоры (симисторы), и транзисторы (биполярные, MOSFET, IGBT и т. д.). Тиристоры открываются и остаются открытыми, пока их не выключит нулевой ток, в то время как транзисторы включаются и выключаются в любой момент сигналами управления.

Используемые в SSR тиристоры могут переключать переменный ток, но для этого потребуются два тиристора, соединенных встречно-параллельно для управления токами обоих направлений. Это усложняет задачу выключения тиристора в середине цикла, так как он защелкивает себя во включенном состоянии и должен выключаться принудительно. Кроме того, параллельному объединению тиристоров, необходимому для разделения тока и уменьшения рассеивания тепла, препятствует их свойство увеличения тока с ростом температуры. И, наконец, тиристоры чувствительны к скорости нарастания напряжения сети (dv/dt), и необходимо заботиться о том, чтобы они не включались случайно.

Применение в SSR симисторов сокращает количество элементов, поскольку симистор – это, фактически, два тиристора, включенных встречно-параллельно. Однако симисторы могут быть выключены только в очень узком интервале времени при переходе через ноль, из-за чего в более высокочастотных решениях они используются нечасто. Для предотвращения этого часто используются снабберные цепи, снижающие dv/dt. Симисторы также труднее соединять параллельно, по тем же причинам, что и тиристоры.

В приложениях переменного тока все чаще используются MOSFET, поскольку их легко объединять в параллельные группы, и, таким образом, уменьшать падение напряжение и снижать тепловыделение по сравнению с тиристорами или симисторами. Вдобавок, транзисторы можно включать и выключать в любой момент, и, кроме того, у них нет таких проблем с dv/dt, как у тиристоров и симисторов.

Электромагнитные помехи

Переключение реле в цепях переменного тока генерирует нежелательные ЭМП. Электромеханическое реле может порождать большое количество шума из-за дребезга контактов, поэтому при ограничениях по допустимому уровню помех часто выбирают SSR. Однако при фазовом управлении и SSR могут быть источниками ЭМП.

Каждый раз, когда тиристор переключается в чисто резистивной цепи, ток нагрузки меняется от нуля до значения, ограниченного нагрузкой, менее чем за несколько микросекунд. Это создает бесконечный спектр энергии с амплитудой, обратно пропорциональной частоте. В цепи 60 Гц с двухполупериодным фазовым управлением импульсы этого шума будут повторяться с периодичностью 120 раз в секунду. В случаях, когда фазовое управление используется в домашней технике, это может вызывать раздражение при попадании спектра помех в частотный диапазон вещания AM радио.

ЭМП желательно устранять или, хотя бы, уменьшать. Общепринята технология переключения при нулевом напряжении (ПНН), которая, в идеале, обеспечивает замыкание цепи нагрузки в тот момент, когда напряжение на ней равно нулю, а размыкание – когда ток через нагрузку равен нулю. (Для резистивных нагрузок эти точки совпадают). Такой подход позволяет получать наименьшие из возможных значения di/dt, и гарантирует, что уровень высокочастотных помех будет минимальным. Большинство производимых в настоящее время схем SSR не обнаруживает истинную точку прохождения через ноль, а срабатывает, когда напряжение лежит между 5 В и 12 В. Если требуется низкий уровень ЭМП, особенно при высоком токе нагрузки, диапазон порогов 5 … 12 В может оказаться слишком грубым.

Встречно включенные MOSFET также могут использоваться для управления переменным током. Обычно мощные MOSFET переключают ток одного направления, однако при встречном включении они способны управлять обеими полуволнами переменного напряжения.

Быстро открыть MOSFET в точке ПНН силовой сети для минимизации ЭМП не очень просто. Включение MOSFET обычно происходит не в нуле, отставая от команды управления вследствие присущей MOSFET задержки.

Технология TATTOO

Решить проблему позволяет новая технология управления последовательно соединенными транзисторами с параллельными диодами, использующая преимущества естественной коммутации диодов для получения почти идеальной точки переключения. Этот метод коммутации транзисторов при ПНН называют TATTOO (Technique of Alternate Transistor Turn On and Off – Технология попеременного включения и выключения транзистора). Метод сравнительно нечувствителен к частоте источника питания и может быть адаптирован к многофазным электрическим цепям.

Когда цепь получает команду начать работу, основная схема включает один MOSFET, в то время как другой остается выключенным (в режиме блокировки). Это позволяет току протекать лишь в одном направлении, и не сразу, а только после того, как первая волна напряжения пересечет ноль. Другой MOSFET откроется, когда первая волна сменит полярность, и ток получит возможность течь в противоположном направлении. Подключенные параллельно диоды позволяют току течь до тех пор, пока второй MOSFET не включится полностью, и начнет пропускать ток нагрузки. Это снимает требования строгой привязки момента включения MOSFET к точке пересечения нуля, так как диод, включаясь естественным образом, пропускает через себя ток, пока транзистор не открылся полностью. При отключении тока нагрузки схема работает противоположным образом, также обеспечивая коммутацию во время пересечения нуля.

Рисунок 1. Состояние ключей K1 и K2 при выключенном SSR. Рисунок 2. Когда K2 замкнут, SSR включено. Фаза А положительна, D1 заперт и ток не течет.

Рисунок 1 показывает состояние цепи при выключенных полевых транзисторах (K1 и K2). Диоды заперты в обоих направлениях, поэтому ток в нагрузке (RL) отсутствует. Когда K2 замкнут, (Рисунок 2), SSR включено. Фаза А положительна, D1 заперт и ток не течет. К2 можно включать медленно (за несколько сотен микросекунд). Поскольку запертый диод (D1) не позволит течь току, скорость или точность момента включения К2 здесь некритичны.

Рисунок 3. Когда фаза A становится отрицательной, ток появляется сразу, начиная с точки ПНН, и течет через К2 и D1. Рисунок 4. После того, как K1 закроется окончательно, ток течет преимущественно через K1 и K2 в обоих направлениях в фазе с напряжением питания.

Когда фаза A становится отрицательной (Рисунок 3), ток появляется сразу, начиная с точки ПНН, и течет через К2 и D1. В течение этого первого цикла работы K1 можно включать медленно. На Рисунке 4 показано состояние схемы после того, как K1 закроется окончательно. Ток теперь течет преимущественно через K1 и K2 в обоих направлениях в фазе с напряжением питания. На Рисунке 5 показано состояние элементов схемы при выключенном SSR. Когда фаза А становится положительной, К2 может открываться медленно, а пропускать ток будет D2. Это не прерывает ток до следующего этапа.

Рисунок 5. Когда SSR выключено, и фаза А становится положительной, К2 может открываться медленно, а пропускать ток будет D2. Рисунок 6. Когда фаза A становится отрицательной, K2 открывается, а D2 теперь заперт. Соответственно, ток в нагрузке прекращается, и K1 может быть выключен медленно.

Когда фаза A вновь становится отрицательной (Рисунок 6), K2 открывается, а D2 теперь заперт. Соответственно, ток в нагрузке прекращается, и K1 может быть выключен медленно (например, за несколько сотен микросекунд).

Конечным результатом будет то, что ток в нагрузке появляется и прекращается без каких-либо заметных «ступенек» на участках пересечения с нулем. Еще одним ценным свойством TATTOO является «целочисленное управление», означающее, что в нагрузку подаются только полные периоды напряжения. Это исключительно полезно при работе с нагрузками, чувствительными к магнитному насыщению.

Сравнение резистивной и реактивной нагрузки

В резистивной цепи ток и напряжение находятся в фазе, и никакой проблемы с включением и выключением в точках нулевого напряжения нет, поскольку напряжение и ток равны нулю одновременно. Однако в реактивной цепи ток сдвинут относительно напряжения, поэтому коммутатор должен включаться в точке нулевого напряжения, а выключаться в точке нулевого тока.

Рисунок 7. Реальная схема TATTOO.

На Рисунке 7 приведена практическая схема, а ее временная диаграмма показана на Рисунке 8. Плавающее питание (VCC на Рисунке 7) привязано к истокам двух MOSFET, так что любые командные сигналы будут иметь правильные уровни относительно затворов. Диод D1 выпрямляет полуволну переменного тока, протекающего через R1, D2 и внутренний диод FET1. C1 поддерживает уровень VCC во время противоположной полуволны переменного тока. Номиналы этих компонентов будет варьироваться в зависимости от напряжения переменного тока, частоты и допустимых пульсаций VCC.

Рисунок 8. Временная диаграмма схемы TATTOO.

Оптрон IC1 вырабатывает импульсы («POS» и «NEG»), когда фаза A, соответственно, положительна или отрицательна по отношению к фазе В. Эти импульсы появляются на анодах D3 и D4 (на активной нагрузке транзисторов) и подаются на входы синхронизации двух триггеров IC3. Один импульс появляется каждые пол периода переменного напряжения, поэтому триггеры тактируются поочередно, каждый своей полуволной. Пока оптрон IC2 не включен, R2 подтягивает линию данных верхнего триггера к VSS, и каждый тактовый импульс записывает «0» на выход Q1, сохраняя FET2 закрытым. Поскольку Q1 соединен с входом данных нижнего триггера, FET1 также будет выключен.

Рисунок 9. Осциллограммы показывают временные соотношения между командой включения ON, напряжением сети и током нагрузки.

Так будет продолжаться до тех пор, пока тумблер S1 выключен. При включении S1 оптрон IC2 открывается, и на входе D верхнего триггера устанавливается сигнал высокого уровня («ON»). Далее появляется импульс «POS», который защелкивает «ON» в триггере, устанавливая Q1 в «1» и открывая FET2. Фаза A в это время положительна, поэтому FET1 закрыт, и ток через нагрузку не потечет. Однако, на выходе Q1 теперь высокий уровень, который подается на вход данных нижнего триггера. На следующей полуволне сетевого напряжения («NEG») «ON» будет защелкнут в нижний триггер, и установит Q2 в «1», открывая FET1. МОП транзистор включится с задержкой, но зато сразу откроется параллельный диод, и то, что FET1 откроется окончательно лишь спустя некоторое время в этом же полупериоде, принципиального значения не имеет. Теперь схема находится в полностью включенном состоянии, а выключение будет происходить в обратном порядке, когда будет выключен основной тумблер. Осциллограммы на Рисунке 9 показывают временные соотношения между командой «ON», напряжением силовой цепи и моментами включения и отключения тока нагрузки. Заметьте, что ток нагрузки включается и выключается в точке ПНН точно по завершении очередного полного периода напряжения переменного тока, прошедшего после команды ON. Также обратите внимание на то, что скачок на линии «ON» не оказывает никакого влияния на ток нагрузки. Эта схема предназначена для работы в однофазной сети, но может быть повторена трижды для трехфазного SSR.

Схема TATTOO с реактивной нагрузкой

Схема на Рисунке 10 похожа на схему TATTOO для резистивной нагрузки. В исходную схему добавлены только IC2 (четыре логических элемента «2И-НЕ»), IC3 (счетверенный ОУ), шунты R7 и R8, делитель напряжения R2, R3 и схема сброса по включению питания R5, C2. Логические сигналы INEG и IPOS (и их инверсные значения) вырабатываются сразу, как только начинает течь ток.

Рисунок 10. Для управления реактивной нагрузкой необходимо добавить четыре логических элемента «2И-НЕ» (IC2), счетверенный операционный усилитель (IC3), делители напряжения R7-R8, R2-R3, R5-C2 и цепь сброса по включению питания.

В начале импульса «ON» схема работает так же, как TATTOO для резистивной нагрузки. Это объясняется тем, что IPOS и INEG равны нулю, разрешая прохождение сигналов VPOS и VNEG через логические элементы «2И-НЕ» на входы синхронизации триггеров, как это было в резистивной схеме TATTOO. Как только через шунты начинает течь ток, операционные усилители вырабатывают логические сигналы INEG и IPOS и их инверсии. Эти сигналы запрещают прохождение VPOS и VNEG, и лишь пропускают сигналы стробирования тока на входы триггеров. Поэтому теперь схема отключит ток в точке его перехода через ноль, а точку ПНН проигнорирует.

Поскольку сигналы токовых шунтов зависят от величины нагрузки, предполагается, что для каждого диапазона тока шунты будут подбираться индивидуально. Безусловно, вместо шунтов при желании можно использовать и другие токоизмерительные устройства, например, датчики Холла. Если ток слишком мал для того, чтобы на шунтах выделилось достаточное напряжение, схема по умолчанию будет работать в обычном режиме (режиме напряжения).

Как отмечалось выше, окно напряжений переключения в точке ПНН у некоторых современных коммерческих SSR чрезмерно широко, чтобы быть приемлемым для более высоких токов нагрузки или более высоких частот. Рисунок 11 иллюстрирует работу обычного коммерческого SSR с ПНН в сравнении с TATTOO. На первой растянутой осциллограмме представлен ток (60 Гц, 115 В), приложенный к нагрузке с использованием схемы TATTOO. Вторая осциллограмма демонстрирует подключение той же нагрузки, но с использованием коммерческого SSR с ПНН.

Рисунок 11. Такой точности, как от TATTOO, невозможно добиться от
других схем ПНН.

На временной диаграмме коммерческого SSR с ПНН виден положительный скачок тока нагрузки, предшествующий приходу первой отрицательной полуволны напряжения. Хотя это отклонение от нулевой точки пересечения и невелико (чуть больше 2.5 В), сигнал в схеме TATTOO, показанный на соседнем графике, в момент включения оказывается гораздо ближе к нулю. Согласно опубликованным техническим характеристикам, максимальная ширина окна ПНН для коммерческих SSR составляет 15 В. При включении схемы TATTOO отсутствует положительный выброс тока, а его изменение происходит плавно. Это может быть важно с точки зрения электромагнитных помех, особенно при высокой частоте коммутируемого переменного тока и высоких токах нагрузки.

На Рисунке 12 показаны формы тока нагрузки для случая, когда частота повышена до 2000 Гц. Два графика позволяют сравнить качество работы TATTOO-SSR с коммерческой SSR с ПНН.

Рисунок 12. Форма тока нагрузки с частотой 2000 Гц при использовании схемы TATTOO имеет более гладкий характер.

Схема TATTOO может быть легко модифицирована для работы в широком диапазоне частот и напряжений. Многофазная схема TATTOO также является простой модификацией, объединяющей несколько схем (по одной для каждой фазы). В случае коммутации нескольких нагрузок, подключенных к одной фазе, повторять компоненты общие для цепи этой фазы нет необходимости. Таким образом, цепи сигналов «POS», «NEG» и схемы плавающего питания будут общими, что позволит сэкономить компоненты.

Ссылки

  1. SCR Manual, Sixth Edition, General Electric.
  2. Patent 7,196,435 B2 Handles Just Purely Resistive Loads by Turning the Load On at Zero-Voltage Crossing and Turns It off Also at Zero-Voltage Crossing.
  3. Patent 7,196,436 B2 Handles Reactive Loads in General by Turning the Load On at Zero-Voltage Crossing but Turns the Load Off at Zero-Current Crossing.

Перевод: Владислав Лидский по заказу РадиоЛоцман

Источник