W Lodzkim getcie

W Lodzkim getcie
https://www.magnapolonia.org/w-lodzkim-getcie/
"W czasie ustawicznych ataków na dobre imię Polski przez środowiska żydowskie głoszące hasła o rzekomym antysemityzmie Polaków i podkreślające rzekomą bierność naszych przodków w czasie niemieckich akcji skierowanych wobec żydów warto zwrócić uwagę na zachowanie się samych żydów w stosunku do swoich rodaków.

Dobrym przykładem jest sięgnięcie do źródeł historycznych, odnoszących się do tego okresu. Jedną z takich publikacji są wspomnienia Elżbiety Cherezińskiej pt. „Byłam sekretarką Rumkowskiego – Dziennik Etki Daum”. We wstępie do tych wspomnień Szewach Weiss zapisał: (…) Ukazuje nam też rzecz dzisiaj bezcenną (…) obraz stosunków panujących wśród elit gettowej władzy. Maluje dziwny świat, świat ludzi skazanych na zagładę, a żyjących tak, jakby ich nie dotyczyła, jakby oni jedni mogli jej się oprzeć.
Po takiej rekomendacji warto zajrzeć na strony publikacji, poznając stosunki panujące wśród wspomnianych elit getta łódzkiego. Pod datą 11 maja 1940 roku autorka pamiętników zapisała wrażenie, jakie wywołała na niej wizyta w biurze pani Dory Fuchs – kierowniczki centralnego sekretariatu w czasie pierwszego dnia pracy. Po dostarczeniu sporządzonych dokumentów spotkała swoją szefową malującą paznokcie. Jak zapisała (…) Byłam tak zaskoczona, że przez jakiś czas stałam w miejscu, wpatrując się w ciemnoczerwony lakier w maleńkiej buteleczce. Jakbym przeniosła się z getta w jakiś dawny świat, odległy o setki kilometrów.

Odnosząc się do osoby Reginy Pływackiej, z zawodu adwokat, pod datą 30 maja 1940 roku zwróciła uwagę na pogłoski, jakie krążyły w biurze, w którym pracowała, że (…) zajmuje się odzyskiwaniem pieniędzy należących się z tytułu różnych interesów Żydom przebywających w getcie. Ponieważ Żydom nie wolno przekraczać bram getta, ponoć Pływacka w ich imieniu inkasowała od Polaków i Niemców w Łodzi należne im sumy i pobierała za to sowitą prowizję, ponoć aż 20 procent, i na dodatek dzieliła się nią z Niemcem, który ją ubezpieczał (…) Pani Dora powiedziała (…) że pan Prezes podejrzewa adwokatkę o różne machinacje. Natomiast pod datą 24 czerwca 1940 roku, w związku z informacją o wymianie banknotów na terenie getta poinformowała, że w biurze prezesa pojawiła się Pływacka, która (…) wyglądała na zaniepokojoną, że nie może się spotkać z Prezesem (…) Nie trzeba być detektywem, by się domyślić, że obwieszczenie o wymianie pieniędzy ugodziło w prowadzone przez nią interesy między gettem a miastem.

Rumkowski uważał, że jedyną szansą ocalenia dla żydów jest zorganizowanie warsztatów pracy. Związane to było jednak z wysiedlaniem osób zamieszkujących budynek przeznaczony na warsztaty. Jak zapisała autorka wspomnień pod datą 3 czerwca 1940 roku, (…) przy wysiedleniu mieszkańców z domu przy ulicy Zgierskiej 11, gdzie miały powstać pracownie krawieckie, po prostu nie obyło się bez przemocy. Jednocześnie, jak donosiła sekretarka, dochodziło również do skandali handlowych, jak zapisany przypadek pod datą 27 czerwca 1940 roku, kiedy to prezes Rumkowski otrzymał reprymendę od Hansa Biebowa w związku z aferą (…) o jakiś list wysłany przez kupca z getta, który proponował komuś poza gettem sprzedaż wielkiej ilości pierza. (…) Biebow (…) zwrócił Przełożonemu uwagę, że listy handlowe nie mają prawa krążyć bez kontroli, że nie po to getto zostało zamknięte, żeby kupcy kpili sobie z tego. Nakazał ogłoszenie wśród ludności, że takie transakcje mają być zgłaszane do Przełożonego, a następnie przechodzić przez Zarząd Getta. Jak wielką uwagę przykładano do pracy potwierdza zachowanie Rumkowskiego w związku z zaplanowaną wizytą w getcie Heinricha Himmlera, kiedy to (…) Zaczęło się gorączkowe sprzątanie getta. Prezes krzyczał i groził, że przejaw najmniejszej niesubordynacji skończy się dla winnych w Centralnym Więzieniu.

W swoim pamiętniku pod datą 28 czerwca 1940 roku autorka zapisała jak w przypływie uniesienia i radości w związku z zwycięstwami armii niemieckiej szef Gestapo Richter powiedział Prezesowi: (…) „Już wkrótce Niemcy zdobędą świat. A wtedy Żydów wyślemy na Madagaskar, a pan zostanie ich królem!” (…) A kiedy Richter z śmiechem powiedział to Prezesowi, Rumkowski kiwnął głową, przytakiwał z zadowoleniem!.

Wpis z 5 sierpnia 1940 roku przyniósł interesujący opis Leo Goldberga, osoby którą autorka wspomnień znała z czasów swojej pracy w Gdańsku: (…) ostatnią wiadomością, jaką o nim miałam, był wyrok, który dostał za puszczanie w obieg fałszywych guldenów. Został wtedy skazany na długoterminowe więzienie, a po dziewięciu miesiącach wydalony przez władze gdańskie (…) Dora powiedziała, że Goldberg jest od jakiegoś czasu oficjalnym agentem policji kryminalnej w getcie i że Rumkowski wie doskonale o tym, co robi dla kripo.
Dnia 1 listopada 1940 roku Elżbieta Cherezińska zapisała informację, że wzięła udział w koncercie z okazji Jom Kippur. W swoich wspomnieniach zwróciła uwagę, że na koncert muzyczny Towarzystwa Hazomir w dawnym kinie Bajka bilety (…) wyprzedały się co do jednego (…) Był też Richter z gestapo, ze strony niemieckiej (…) Muzycy grali wyśmienicie. Na Sali delikatny zapach perfum, jak kiedyś!. Podobna informacja o koncertach w getcie pojawia się pod datą 3 grudnia 1941 roku, kiedy to pisze: (…) Już wcześniej w getcie było wielu dobrych muzyków, a teraz w transportach z Europy Zachodniej przyjechało kilku wirtuozów. Dzisiaj ma zagrać wiedeński pianista Birkenfeld. Biletów praktycznie nie można było dostać.

Pod datą 5 listopada 1940 roku sekretarka umieściła charakterystykę Dawida Gertlera. Był on w łódzkim getcie szefem Sonderkommando i kierownikiem „Wydziału Specjalnego” Sonderarbeiteilung , jednostki policji w getcie, służącej Niemcom na zasadach tajnej policji wywiadowczej. Jak zapisała sekretarka Rumkowskiego: (…) Jest oficjalnym agentem gestapo i nie kryje się z tym w najmniejszym stopniu (…) Najogólniej rzecz ujmując, nie jest to ciekawa figura (…) Ostatnio chwalił się, że przed wojną był macherem i załatwiał najróżniejsze sprawy dla łódzkich kupców. Mrugał przy tym, dając do zrozumienia, że nie były to interesy całkiem legalne.

Jednak najbardziej wymowny obraz stosunków panujących w getcie autorka umieściła pod datą 30 października 1941 roku. Odnosząc się do kwestii przyjazdu Niemców z zachodniej Europy do łódzkiego getta, zapisała: (…) Nowi w żaden sposób nie chcą zrozumieć, że getto wykonało wielki wysiłek, aby ich przyjąć (…) A oni zachowują się tak, jakbyśmy to my byli wszystkiemu winni, a nie Niemcy i wojna. To jakaś paranoja. Najwięcej arogancji wykazują niemieccy Żydzi. Odkąd wysiedli na rampie na Marysinie, narzekają. Że w getcie brud, że śmierdzi, że fatalne warunki. Sama słyszałam, jak mówili z pogardą, że Żydzi „stąd” zawsze żyli w biedzie jak w chlewie, więc są do tego przyzwyczajeni. To niesprawiedliwe, oni myślą, że jak przybyli z Zachodu, z „wielkiego świata”, to mogą nas obrażać! (…) Niemieccy Żydzi odmówili noszenia gwiazdy Dawida, takiej jak tu wszyscy nosimy, chcą nosić swoje gwiazdy (z napisem Jude), bo wydaje im się, że to znaczy coś więcej, że to ich odróżnia od nas, „biedaków ze Wschodu”. Naziści podzielili świat na panów i podludzi, a zachodni Żydzi, jakby w tym samym duchu odróżniają „lepszych Żydów” (siebie) od gorszych (nas)!.

Wzburzeniem dla Żydów były różnice w warunkach mieszkaniowych zaprowadzone na terenie getta. Jak zapisała sekretarka Rumkowskiego pod datą 24 grudnia 1940 roku, (…) ludziom (…) kłuje w oczy, że część dygnitarzy gettowych tak się ponad ogół wywyższa. Wiem, że i Prezes ma dwa mieszkania (…) W każdym razie, co do tych willi marysińskich, rozumiem wzburzenie ludności w getcie, kiedy docierają do nich informacje, że ten czy tamten mieszka sobie pięknie i swobodnie w domu, który też przed utworzeniem getta nie należał do niego.

Wymieniając zasługi dla getta, jakie poczynił Rumkowski autorka pod datą 12 stycznia 1941 roku wylicza, że w okresie ośmiu miesięcy od zamknięcia (…) ma swoją walutę, swoją pocztę, Bank Przełożonego, swoją policję i Służbę Porządkową, swoje szkolnictwo, opiekę zdrowotną, ma zorganizowane zakłady pracy i system zasiłków, ma kartki żywnościow, własny sąd, prokuraturę, więzienie i Najwyższą Izbę Kontroli. Od sierpnia ponownie otwarto Domy Modlitwy, jest nawet szkoła z wychowaniem religijnym.

Powyższe fragmenty są tylko wybranymi, które ukazują realizm życia w łódzkim getcie. Ukazują one jedną rzecz, którą stara się zataić w dyskusji publicznej – fakt, że w społeczności żydowskiej w czasie przebywania w getcie istniały różnice wynikające z zajmowanej pozycji, wpływów etc. Naszym obowiązkiem jest poznawać tą historię, gdyż inaczej będziemy bezbronni w argumenty w czasie dyskusji historycznych, które tak często przetaczają się na polskiej scenie politycznej. "

PE Nagrzewanie indukcyjne Archiwum

PE Nagrzewanie indukcyjne Archiwum

W nagrzewaniu indukcyjnym stosuje się prąd o częstotliwości od 16 2/3Hz ( częstotliwość stosowana w trakcji kolejowej krajów niemieckojęzycznych ) do 27.12 MHz czyli do pasma niestrzeżonego łączności CB.

Gęstość mocy może 30-40 razy przekroczyć gęstość nagrzewania płomieniowego sięgając 40 kW/cm2. Szybkość nagrzewania dochodzi do 20 000 C/s.

Grzejnictwo indukcyjne stosowane jest w procesach:

-hartowania w wielu odmianach, odpuszczanie, wyżarzania

-przed obróbką plastyczną: wyciskania, tłoczenia, walcowania, kucia, ciągnienia

-lutowania, zgrzewania

-topienia

-topienia strefowego i rafinacji materiałów. Przy wyciąganiu walcowych monokryształów krzemu o średnicach do 200 mm metodą Czochralskiego stosuje się częstotliwość 2-3 MHz i moc do 100 kW.

-suszenia

-utwardzania

-odgazowywania materiałów przedmiotów

Główną zaletą nagrzewania indukcyjnego jest duża szybkość procesu ograniczająca straty na utlenianie metalu. Metal nie styka się także z substancjami płomienia.

Szybkie nagrzewanie indukcyjne przed szybko następującą obróbką plastyczną powoduje zmniejszenie strat materiału wskutek utlenienia co w efekcie daje zmniejszenie zużycia się wykrojników pras i walcarek. Może wyeliminować konieczność usuwania zgorzeliny co ułatwia i upraszcza automatyzacje produkcji i zwiększa wydajność procesu produkcyjnego.

Zasadniczą wadą nagrzewania indukcyjnego jest konieczność doboru zasilania i wzbudnika do konkretnego detalu.

Sprawność nagrzewania indukcyjnego jest tym mniejsza im lepsza jest przewodność nagrzewanego materiału. Sprawność ta dla miedzi wynosi jedynie około 50% ale generalnie wynosi 70-90%.

Programy metody elementów skończonych FEM są ułatwieniem w trudnym, czasochłonnym projektowaniu i testowaniu wzbudnika. Proces nagrzewania można utrwalić kamerą termowizyjną.

Nagrzewnice indukcyjne średniej częstotliwości są najczęściej elementem automatycznego systemu produkcyjnego. W związku z tym są one wyposażone w odpowiedni interfejs akceptujący sygnały sterujące emitowane przez automatykę linii produkcyjnej i wysyłający sygnały o zaistniałych nieprawidłowościach.

System może być dla łatwości obserwacji wyposażony w tradycyjne mierniki wskazówkowe

Przy małych indukcyjnościach obwodu rezonansowego LC należy stosować zasilany prądem Idc falownik równoległy a przy „dużych” indukcyjnościach falownik szeregowy zasilany napięciem Udc. Dla mniejszych mocach stosujemy półmostek lub układ przeciwsobny a dla dużych mocach pełny mostek. Przy dużych mocach zasilany prądem falownik równoległy w układzie mostkowym jest bezpieczniejszy przy braku komutacji i zwarciu.

Problem zwarcia w falowniku napięcia jest trudny do rozwiązania i omówiono go osobno.

Działanie tyrystorowych rezonansowych falowników napięć i prądów jest znane z literatury od połowy lat sześćdziesiątych i szkoda miejsca na powtarzanie informacji.

General Electric rozpoczął produkcje odkrytego w Bell Laboratories tyrystora. Znane z czasopism naukowych o energoelektronice tyrystorowej i książek nazwiska to pracownicy działu naukowo – badawczego GE. Oni też kreowali zastosowania dla tyrystorów.

Na schemacie pokazano opatentowany przez GE na początku lat siedemdziesiątych półmostkowy inwerter szeregowy którego cewka - indukcyjność jest umieszczona pod dnem kuchennego garnka w „induction cooking appliance” czyli kuchni indukcyjnej.

Regulowany fazowo półsterowany mostek trójfazowy 3D+3T dostarcza pożądanej wielkości napięcie stałe zasilające inwerter. GE bardzo chętnie w układach sterujących tyrystory stosował tranzystor jednozłączowy i diak, które to produkował. Oczywiście GE użył tych elementów w prostym sterowaniu tej kuchni indukcyjnej. Co jest nieoczywistego w schemacie prostownika i invertera trudno powiedzieć bowiem patent dotyczył też układu sterowania.

Zanim zoptymalizowana kuchenka mikrofalowa mocno staniała i stała się w USA tanim masowym towarem minęło ponad 20 lat. W Polsce jest ona nadal praktycznie nieznana.

Pomysł na kuchnie indukcyjną o wysokiej sprawności jest bardzo dobry i energooszczędny ! Moc jest wydzielana w całym dnie garnka i nie dochodzi do przypalania potrawy. Inteligencje kuchni może zapewnić mikrokontroler jednoukładowy wspomożony sensorami - na przykład prostym pirometrem. Taka kuchnia może oszczędzić sporo czasu przygotowującemu potrawy.

Mankamentem wszystkich układów tyrystorowych niekomutowanych siecią jest konieczność użycia gasików RC równoległych do tyrystorów ograniczających szybkość zmian napięcia na nich du/dt co zapobiega niechcianemu załączeniu tyrystorów. W rezystorach gasików wydziela się spora moc. Do układów dużej mocy produkowane są specjalne rezystory mocy nawet 200-500 W. Także straty dynamiczne w szybkich tyrystorach są duże. Kuchnia powinna pracować z częstotliwością naddźwiękową aby nie ogłuszać ludzi a tyrystory nie bardzo nadają się do takich częstotliwości.

W typowym systemie przemysłowym nagrzewania indukcyjnego użyto równoległego falownika prądu ( szeregowe są trochę mniej popularne ) średniej częstotliwości ( prądu Idc zasilającego falownik dławikiem a nie napięcia usztywnionego kondensatorem ! ) zasilający cewkę nagrzewnicy równoległego obwodu LC. Częstotliwość rezonansowa obwodu LC i pracy falownika nie przekracza 5 KHz. Stosowane są w obwodzie LC tylko niskostratne kondensatory polipropylenowe w wykonaniach zdolnych przewodzić duże prądy. Miedziana cewka obwodu LC dużej mocy jest chłodzona wodą. W tym przypadku stosowana jest na cewkę rurka miedziana a nie drut lub płaskownik. Brak przepływu wody chłodzącej blokuje pracę falownika. Prędkość przepływu wody chłodzącej wynosi około 5 m/s a gęstość prądu we wzbudniku dochodzi do 100A/mm2. Gdy wzbudnik jest jedno lub kilkuzwojowy stosowany jest obniżający transformator. Umieszczony w wzbudniku - cewce produkowany przedmiot lub jego fragment nagrzewany jest prądami wirowymi i zjawiskiem histerezy.

Na przykład nagrzewane może być hartowane ostrze produkowanej siekiery zanurzane po tym w oleju, wodzie, emulsjach, solach, ługach... celem szybkiego schłodzenia i wytworzenia struktury martenzytycznej lub bainitycznej. Nagrzewanie indukcyjne może być też stosowane do hartowania powierzchniowego. Hartowanie ma powiększyć twardość i wytrzymałość stali. Istnieje jego wiele odmian i tutaj tylko proces hartowania zasygnalizowano. Nagrzewnica indukcyjna jest jednym z urządzeń procesowych.

Falownik równoległy LC zasilany jest z pełnosterowanego trójfazowego mostka 6T lub półsterowanego mostka 3D+3T. Zadaną wielkość kąta fazowego czyli też prądu wyjściowego prostownika / invertera sieciowego podaje sterownikowi fazowemu regulator PI utrzymujący prąd Idc wygładzany wyjściowym dławikiem na zadanym jemu poziomie. Wartość tego zadanego prądu Idc jest wypracowana przez kontroler procesowy czuwający nad właściwym przebiegiem procesu nagrzewania przedmiotu a zarazem zapobiegający podawaniu zbyt dużej mocy do falownika przy braku właściwego nagrzewanego przedmiotu w cewce równoległego obwodu LC. Pełnosterowany mostek trójfazowy 6T pozwala szybko ( chwilowe przejście z modu prostownika na inwerter ) do zera obniżyć wartość prądu Idc po braku komutacji tyrystorów falownika równoległego LC i zwarciu zasilania w falowniku. Ponieważ stabilizowany jest prąd Idc to układ jest „zwarciowo” samobezpieczny. Natomiast system wykrywający zwarcie falownika zadaje przez chwile regulatorowi zerowy prąd Idc i po zaniku prądu czyli odblokowaniu tyrystorów falownika LC system wznawia prace. Zwarcie falownika nigdy nie powinno mieć miejsca. Można też stosować mostek półsterowany 3D + 3T. Przy małych napięciach wyjściowych Udc składowy półmostek 3T pracuje jako inverter ! Wyzerowanie prądu jest jednak niemożliwe ale nie osiąga on szybko niebezpiecznego poziomu bowiem w miarę szybko odcinane jest przy rozwiązaniu 3D+3T kontaktorem ( po polsku stycznik) zasilanie trójfazowe.

Zastosowanie transformatora sieciowego pozwala na dowolny wybór maksymalnego napięcia Udc a dodatkowo polepsza bezpieczeństwo zwarciowe częściowo celowo nieuziemionego systemu. Zwarcie mimo iż w systemie izolowanym bezpieczne musi być monitorowane i doczekać się właściwej reakcji. Indukcyjność rozproszenia transformatora ogranicza szybkość komutacji prostownika i wyższe harmoniczne prądu wprowadzane do sieci zasilającej oraz ogranicza prąd superzwarcia. Alternatywnie można zastosować trójfazowy dławik komutacyjny o napięciu circa 5%.

Ponieważ izolowany pomiar prądu stałego Idc jest kosztowny można też stosować pomiar prąd zmiennego na wejściu prostownika – invertera dwoma lub trzema transformatorkami - przekładnikami prądowymi.

Prostownik sterowany fazowo i jego system jest typowy i powinien być zbudowany ( koszt projektu i produkcji ) ze standardowych „klocków”

Z punktu widzenia efektywności procesu przemiany przez falownik mocy prądu stałego w moc prądu zmiennego tyrystory mostka falownika równoległego LC powinny być wyzwalane jak najpóźniej pod koniec swojego półokresu ale jednak na tyle wcześnie aby komutacja była pewna. Indukcyjność rozproszenia połączeń może być nie wystarczająca dla ograniczenia szybkości narastania prądu di/dt po załączeniu nowej pary tyrystorów falownika i konieczne jest zastosowanie dławików stromościowych ( najlepiej nasycanych czyli przewleczony pierścień ferrytowy lub pierścień z proszków żelaza lub pierścień z cienkiej taśmy ) w szereg z tyrystorami lub obwodem LC. Bramkowe impulsy wyzwalania tyrystorów muszą być szybkie i silne z uwagi na szybko narastający załączany prąd. Z uwagi na podanie tyrystorom falownika napięcia wstecznego nie wolno stosować tyrystorów asymetrycznych ASCR. W gruncie rzeczy prawdziwie szybki tyrystor jest zawsze tyrystorem asymetrycznym ASCR. Oczywiście w falowniku są stosowane szybkie tyrystory ale jednak nie te prawdziwie szybkie ASCR co ogranicza częstotliwość pracy do 5 KHz a typowo do 1-3 KHz.

Gdy konieczna jest większa częstotliwość pracy nawet do 20 KHz konieczne jest zastosowanie prawdziwie szybkich tyrystorów asymetrycznych ASCR wraz z dodatkowymi szybkimi odcinającymi szeregowymi diodami mocy. Czasem może być konieczne dodatkowe chronienie wrażliwych tyrystorów ASCR przed napięciem wstecznym antyrównoległymi diodami ale już na małe prądy.

Tyrystory ASCR lepiej nadają się do falownika szeregowego jak w schemacie GE.

W razie problemów ze startem falownika można dołożyć jeszcze rozruchową parę tyrystorów i kondensator komutacyjny.

Wszystkie tyrystory są chronione przed przepięciami komutacyjnymi dwójnikami RC. W nagrzewnicach dużej mocy moc strat w rezystorach dwójników gasików / snubberów RC falownika jest duża i stosowane są specjalne rezystory mocy.

Temperatura radiatorów czy innych elementów systemu powinna być monitorowana jako że świadczy to o długotrwałym przeciążeniu, awarii wentylatora lub awarii pompy zdemineralizowanej wody chłodzącej radiatory tyrystorów lub zbyt wysokiej temperaturze otoczenia. Osiągniecie poziomu ostrzeżenia emituje Alarm dla systemu monitoringu i automatyki ale nie przerywa pracy. Dopiero przekroczenie kolejnego pułapu temperatury przerywa prace. Takie rozwiązanie daje obsłudze czas na adekwatną reakcje nie dezorganizując od razu pracy linii produkcyjnej.

Podaną do nagrzewanego przedmiotu moc można w przybliżeniu zmierzyć odpowiednim watomierzem elektromagnetycznych podając mu napięcie na cewce obwodu LC i przekładnikiem prąd w cewce L co może być trudne lub pomnożyć Idc x Udc uzyskując moc prądu stałego podanego do falownika. Można też mierzyć moc zasilającego sieciowego prądu trójfazowego. W praktyce prąd Idc ustala się przy rozruchu procesu produkcyjnego na takim poziomie aby w warunkach procesowych uzyskać odpowiednią temperaturę nagrzewanego przedmiotu mierzoną pirometrem lub kamerą termowizyjną. Właściwa końcowa temperatura i czasy dają w efekcie weryfikowalną w laboratorium na przykład twardość i wytrzymałość zahartowanego przedmiotu.

Sterowany fazowo prostownik wprowadza do sieci zasilającej spore harmoniczne (5, 7, 11, 13...) i przy niepełnym wysterowaniu dodatkowo pobiera moc bierną. Lepszy z tego punktu widzenia jest półsterowany prostownik 3D+3T. Przy dużych mocach rozwiązaniem jest bezzakłóceniowe załączanie do sieci zasilającej trójfazowych szeregowych obwodów LC nastrojonych na dominującą 5 harmoniczną. Bezzakłóceniowe załączanie musi być wykonywane tyrystorami jako że powtarza się wraz cyklem produkcyjną ogromną ilość razy. Pojemność trójfazowego kondensatora kompensacyjno – filtrującego wynika z faktycznie pobieranej mocy biernej i musi być dobrana do konkretnej potrzeby. Gdy inne odbiorniki pobierają dużo mocy biernej trójfazowy obwód LC może być załączany na stałe i operacyjne łączniki tyrystorowe są zbędne.

W rozwiązaniach bardzo dużej mocy należy połączyć szeregowo dwa sterowane fazowo prostowniki zasilane z transformatora sieciowego napięciami przesuniętymi o 30 deg czyli w konfiguracji gwiazdowej i trójkątnej co eliminuje największe harmoniczne 5 i 7.

W generatorach mocy do nagrzewania indukcyjnego i pojemnościowego częstotliwości średnio i krótkofalowej tradycyjnie są stosowane lampy nadawcze. Stosowane dawniej do regulacji fazowej napięcia anodowego tyratrony zostały zastąpione tyrystorami. Przykładowy schemat generatora średniofalowego mocy 10 KW z triodą nadawczą i tyratronami podano w S. Malzacher, Elektronika przemysłowa, PWN 1976, na stronie 156.

O ile tyratrony były sterowane fazowo po stronie wysokiego napięcia do 6 KVdc trójfazowego transformatora, to tyrystory podają transformatorowi regulowane fazowo napięcie sieciowe 380Vac a po stronie wysokiego napięcia stosowany jest prostownik diodowy.

Do generatorów małych nagrzewnic średniofalowych i krótkofalowych doskonale nadają się tranzystory Mosfet.

PE Kolej Archiwum

PE Kolej Archiwum

  W Stanach Zjednoczonych po częściowej elektryfikacji kolei odstąpiono od niej demontując nawet istniejące już sieci trakcyjne. W sytuacji gdy duży nowoczesny silnik Diesla lokomotywy ma sprawność dochodzącą do 43-50% ( średnią oczywiście mniejszą ) a gaz ziemny i ropa naftowa służą do opalania mniej sprawnych elektrowni cieplnych wytwarzających energie elektryczną dla alternatywnej kolei elektrycznej dochodzi do ciężkiego nonsensu. Większe jest zużycie paliwa a dodatkowo sporo kosztuje elektrownia, system przesyłowy i trakcyjny oraz ich eksploatacja.

Ograniczony przyczepnością kół, lokomotywy lub zestawu wagonów z napędem, do szyn maksymalny moment napędowy jest proporcjonalny do wagi jednakowo dla lokomotywy Diesla i Elektrycznej. Moc lokomotywy ograniczona przyczepnością kół do toru jest proporcjonalna do prędkości. Zatem lokomotywa elektryczna może być mocniejsza od lokomotywy Diesla dopiero przy prędkości powyżej circa 180-200 km/h.

Technologia silnika Diesla nie powiedziała jeszcze ostatniego słowa. Możliwe jest przykładowo ulepszenie i ułatwienie rozruchu i zatrzymywanie silnika na dłuższe postoje na stacjach celem ograniczenia jałowego spalania paliwa. W Wielkiej Brytanii od 1976 pracują lokomotywy spalinowe jeżdżące z prędkością 200 km/h

Prawdziwie szybka kolej czyli o prędkościach znacznie większych od 200 km/h jednak jest i będzie wyłącznie elektryczna jako że wykluczona jest ciężka lokomotywa niszcząca torowisko, które musi pozostać w znakomitym stanie.

Pociąg japońskiej elektrycznej szybkiej kolei Shinkansen nie ma lokomotywy a napędzana jest większość osi całego pociągu. Pozwala to uzyskać duże przyspieszenie pociągu a torowisko nie jest dynamicznie i statycznie obciążone ciężką lokomotywą. Torowisko szybkiej kolei musi być bardzo „gładkie”. Po chronionych przed wtargnięciem torach Shinkansen nie kursują normalne pociągi ! Ich małe obciążenie pozwala utrzymać je w doskonałym stanie jaki jest wymagany.

USA są krajem rozległym i tam optymalne są podróże lotnicze. W Europie i Japonii średnia długość trasy przebywanej przez podróżnego jest znacznie mniejsza niż w USA i szybkie pociągi mają większy sens.

Najtańszym paliwem dla elektrowni jest węgiel brunatny a po nim kamienny. W sytuacji gdy w Europie tylko Wielka Brytania i Norwegia oraz Holandia eksploatują złoża ropy i gazu ziemnego użycie węgla do pośredniego napędu pociągów może mieć wąsko widziany ekonomiczny sens. Jeśli jednak weźmiemy pod uwagę że spalanie węgla uwalnia do atmosfery połowę tablicy Mendelejewa i dewastuje zdrowie mieszkańców to dojdziemy do wniosku że węgiel nie jest paliwem dla bogatych krajów i nie jest paliwem przyszłości dla świata.

Błędna decyzja o elektryfikacji kolei może obniżyć tempo wzrostu gospodarczego kraju na pół wieku.

Najwcześniej w Europie kolej elektryfikowano w krajach niemieckojęzycznych. Wprowadzono tam system 15KVac, 16 2/3 Hz. Jest on używany także w Szwecji. Szeregowe trakcyjne silniki komutatorowe źle pracowały zasilane prądem o częstotliwości 50Hz i stad wybór trzykrotnie mniejszej częstotliwości. W krajach tych istnieje dziwna, osobna jednofazowa sieć energetyczna na potrzeby kolei. Moc jest generowana jednofazowo lub uzyskiwana przetwornicami maszynowymi ( para silnik synchroniczny zasilany siecią energetyczną 50 Hz i generator synchroniczny 16 2/3 Hz ze sprzęgłem do tłumienia drgań momentu generatora ) lub przekształtnikiem statycznym czyli cyklokonwerterem obecnie realizowanym na tyrystorach dużej mocy.

Cyklokonwetery stosowano też do zasilania silników o bardzo małej prędkości do obracania pieca obrotowego cementowni.

Regulując prędkość i moment napędowy napięcie do silników trakcyjnych podaje się w lokomotywie przełącznikami z odczepów uzwojenia obniżającego transformatora.

System ma zalety i wady.

Zalety:

-Znaczne napięcie trakcji umożliwia pobór dużej mocy przy niewielkim przekroju sieci trakcji. Podstacje mogą być w znacznej odległości. Napięcie o częstotliwości 16 2/3 Hz jest znacznie bezpieczniejsze dla człowieka niż standardowe napięcie 50Hz i dopuszczalne są większe spadki napięć na torach. Napięcie zmienne słabo działa elektrokorozyjnie.

-Możliwy jest zwrot energii z hamowania lokomotyw do sieci

-Przy małej częstotliwości mała jest reaktancja przewodów trakcji oraz rezystancja torów. Z powodu naskórkowości przy częstotliwości 50Hz rezystancja torów jest około 7-9 razy większa niż

przy prądzie stałym.

-Regulacja szybkości lokomotywy jest bezstratna a użyte przełączniki napięć mocy prądu zmiennego są względnie proste

-Nawet zakłócenia harmoniczne są nieszkodliwe dla sieci telekomunikacyjnej bowiem są nadal niewielkiej częstotliwości

-Łatwość regulacji tyrystorowej w lokomotywie /pociągu

-Możliwość dowolnego wyboru napięcia za transformatorem dogodnego dla inwerterów z wyłączalnymi tyrystorami GTO dla zasilania trakcyjnych silników asynchronicznych.

Wady:

-Kosztowna, osobna generacja i sieć energetyczna

-Znaczne pulsacje momentu silników napędowych

-Cięższy ( circa 2 razy niż na 50 Hz) transformator na lokomotywie

Kolejową trakcje 3 KVdc ma część obszarów ZSRR, Polska, Czechosłowacja, Włochy i Hiszpania.

Wady:

-Trudność bezstratnej regulacji napędu prądu stałego. Układy z szybkimi tyrystorami niewyłączanymi są drogie i mają spore straty. Nadal używany jest wysokostratny archaiczny rozruch oporowy i przełączanie grup silników oraz ich odwzbudzanie poprzez bocznikowanie oporem szeregowych uzwojeń wzbudzenia dla szybkiej jazdy. Szybkie wyłączniki prądu stałego są duże, drogie i mało trwałe.

-Podstacje zasilające muszą być często rozmieszczone jako że napięcie trakcji jest niewielkie. Koszt przewodów o wymaganym dużym przekroju jest znaczny

-System nie nadaje się do szybkiej kolei ani do ciężkich pociągów towarowych gdzie potrzebne są duże moce. Duże są spadki napięć czyli straty mocy w sieci

-Spadek napięcia stałego na torach ( mają być one izolowane od Ziemi ale oczywiście nie są zwłaszcza na zaniedbanych torowiskach ) ma dewastujący wpływ elektrokorozyjny na wszystkie pobliskie metalowe przedmioty w ziemi. Coraz więcej jest rurociągów z ropą naftową i paliwami oraz gazem ziemnym. Koszt awarii spowodowanej korozją może być potężny a sama korozja pożera w gospodarce gigantyczne środki hamując wzrost gospodarczy co przynosi jeszcze większe skumulowane straty. Ponieważ napięcie stałe na torach jest porażeniowo bezpieczniejsze niż napięcie zmienne dopuszczalne są na torach spadki napięć rzędu 100 Vdc !

-Harmoniczne pulsacji wyprostowanego napięcia stałego trakcji zakłócają systemy telekomunikacyjne

-Harmoniczne prądów pobierane z sieci energetycznej przez prostowniki 6 pulsowe zniekształcają napięcie w sieci 15KV powodując problemy u innych odbiorców. Rozwiązaniem są prostowniki 12 pulsowe i zasilanie podstacji z sieci 110KV co jest jednak kosztowne.

-Podstacja zwracająca do sieci energetycznej moc z hamowania lokomotyw odzyskowych musi mieć dodatkowo komutowany siecią falownik tyrystorowy wprowadzający więcej harmonicznych niż prostownik i pobierający moc bierną. Koszt odzyskowej podstacji jest oczywiście większy a napięcie w sieci trakcyjnej przy odzysku znacznie większe. Faktycznie podstacje ze zwrotem energii są eksperymentalną rzadkością podobnie jak lokomotywy 3KVdc zwracające do trakcji energie hamowania. Obecnie odzysk energii hamowania nie ma sensu ekonomicznego.

Zalety:

Małą oporność szyn dla prądu stałego

Napięcie trakcyjne 1.5 kVdc stosowane jest częściowo we Francji i Belgii. Użyteczność tego przestarzałego systemu jest bardzo wątpliwa.

System 25KVac, 50Hz stosowany jest na dużych obszarach ZSRR ( tam faktycznie 27.5 KV ) i Francji a także w części Skandynawii i w Wielkiej Brytanii oraz Japonii.

Zalety:

-Trakcja nadaje się do szybkich i ciężkich pociągów

-Odległości podstacji zasilających mogą być znaczne. Typowo 40-50 Km a na odcinkach o małym ruchu gdzie nie ma znacznego nachylenia torów i konieczności przyspieszania nawet do 90 km. -Przekroje przewodów mogą być rozsądnej wielkości.

-Możliwy zwrot energii z hamowania lokomotyw do sieci

-Słaba elektrokorozyjność

-Łatwość bezstratnej regulacji fazowej prostownika – falownika tyrystorami

-Możliwość dowolnego wyboru napięcia za transformatorem na lokomotywie dogodnego dla inwerterów z wyłączalnymi tyrystorami GTO dla zasilania trakcyjnych silników asynchronicznych.

Wady:

-Pobieranie mocy przez podstacje tylko z jednej lub dwóch faz sieci energetycznej powoduje asymetrie napięć trójfazowych i pojawienie się szkodliwej składowej przeciwnej wytwarzającej momenty hamujące w silnikach asynchronicznych oraz silnikach / generatorach synchronicznych zasilanych z sieci energetycznej. Dla zmniejszenia asymetrii napięć podstacja trakcyjna musi być zasilona z sieci o bardzo dużej mocy zwarciowej czyli z sieci 400 KV i niektórych sieci 220 kV. Składowa przeciwna powiększa straty mocy w generatorach elektrowni (przegrzewanie klatki tłumiącej w rotorze ) co jest wysoce niepożądane. Tak czy owak asymetria poboru mocy i napięć musi być zwalczana. Podstacja trakcyjna mimo iż ideowo jest prosta to skojarzona z podstacją energetyczną 220-400 KV jest jednak kosztowna.

Pożądany przepływ mocy z fazy nieobciążonej do obciążonych można uzyskać włączając kondensator i dławik między fazę i fazy ( K. Mikołajuk, Z. Trzaska, Zbiór zadań z elektrotechniki teoretycznej PWN , 1976. Zadanie 2.126) ale ich wielkość musi być proporcjonalna do pobieranej mocy. Zatem rozwiązanie jest niepraktyczne. Niemniej przy stale występującej asymetrii poboru mocy i napięć trójfazowych w systemie przesyłowym można ją usunąć.

Na rysunku pokazano zasilanie podstacjami trakcji 27.5KVac ( początkowo było25 kVac ) w ZSRR z użyciem transformatorów trójfazowych standardowej budowy. Typowy konstrukcyjnie transformator trójfazowy ma oczywiście gwiazdowe uzwojenie pierwotne wysokiego napięcia i trójkątowe wtórne. Zasilanie kolejnych izolowanych od siebie odcinków trakcji z różnych kombinacji faz zmniejsza asymetrie napięć w sieci przesyłowej.

-Z powodu naskórkowości przy częstotliwości 50Hz rezystancja torów jest około 7-9 razy większa niż przy prądzie stałym. Stosowany jest przewód ochronny – powrotny co pewien odcinek łączony z torami. Ze względów bezpieczeństwa spadek napięcia na torach nie powinien przekroczyć 48Vac co ogranicza długość zasilanego odcinka. Stosując co 3-4 km ( na mniej uczęszczanych liniach odcinek może być większy) niewielki transformator prądowy Booster wymuszający w przewodzie powrotnym taki sam prąd jak w przewodzie jezdnym można wyzerować prąd ( i spadek napięcia ) na odcinku torów bez pobierającej energie lokomotywy. Zastosowanie transformatorów Booster pozwala mocna ograniczyć napięcie na torach kosztem pewnego zwiększenia strat mocy bowiem prąd powrotny płynie tylko ( poza odcinkiem z lokomotywą ) przewodem ochronnym / powrotnym.

Mankamentem tyrystorowych prostowników sterowanych fazowo jest pobór silnie zniekształconego prądu z sieci. Poniżej pokazano schemat obwodu mocy lokomotywy ASEA. Pierwsze lokomotywy ze sterowaniem tyrystorowym ten silny szwedzki koncern światowy jako lider wypuścił już w 1967 roku opracowując pionierskie tyrystory mocy na duże napięcia . Zasilany z trakcji transformator obniżający TT ma kilka uzwojeń wtórnych o napięciu dU. Półsterowane mostki tyrystorowo – diodowe połączone są szeregowo. Przy jeździe z małą prędkością wysterowany jest tylko jeden mostek i prąd płynie diodami pozostałych nie wysterowanych mostków. Przy większej prędkości jeden mostek jest całkowicie wysterowany a kolejny połowicznie. I tak dalej. Dzięki temu amplitudy szkodliwych harmonicznych prądów sieciowych są sporo zredukowane. Dobry układ znalazł licznych naśladowców. Łatwa jest implementacja wysokiej niezawodności stosunkowo małym kosztem. Przy uszkodzeniu jednego z mostków wystarczy awaryjnie odkręcić jeden przewód od transformatora ( jeśli nie zadziałał bezpiecznik lub CB ) co może zająć 5 minut. Tyrystory i diody mocy w obudowie metalowo - ceramicznej zawsze przebijają się na zwarcie. Lokomotywa nie pojedzie co prawda z pełną prędkością ale pojedzie a jazda z pełną prędkością nie występuje zawsze a tylko na wybranych odcinkach. Dopiero po zakończeniu służby w dniu i na trasie można ją naprawić.

Stosując pełnosterowane mostki czterotyrystorowe prostowników / falowników uzyskuje się układ ze zwrotem energii hamowania do sieci ! Ciekawa jest konfiguracja mostków tyrystorowych i uzwojeń transformatora o napięciach 2dU, dU i dU.

Znak napięcia silników prądu stałego DC zmienia się ( konieczne jest przecież przejście konwertera przy hamowaniu z pracy prostownikowej na falownikową ) zmieniając pomocniczym prostownikiem tyrystorowym sterowanym fazowo kierunek prądu wzbudzenia silników.

Przy pełnym napięciu z prostowników obniżenie prądu wzbudzenia silników pozwala uzyskać większą prędkość kosztem mniejszego momentu napędowego. Lokomotywa jest uniwersalna mogąc ciągnąć ciężkie pociągi towarowe i szybko znacznie lżejsze pociągi osobowe.

Dla zmniejszenia poboru harmonicznych i powiększenia napięcia trakcyjnego ( kompensacja indukcyjności trakcji i mocy biernej ) może być stosowany załączany bezzakłóceniowo antyrównoległą parą tyrystorów obwód LC o częstotliwości rezonansowej 3 harmonicznej częstotliwości sieci czyli 150 Hz. „Inteligentny” układ sterowania musi załączyć kompensacje w odpowiednich okolicznościach. Stosowanie kompensacji mocy biernej pozwala stosować podstacje na większych odcinkach co w sytuacji gdy muszą być one zasilane z sieci przesyłowej 400 KV / 220KV ma ogromne znaczenie.

W podstacjach trakcyjnych stosowana jest czasem szeregowa pojemnościowa kompensacja indukcyjności sieci trakcyjnej. Kompensacja zwiększa napięcie zasilające 50Hz redukując przy przy tym w małym stopniu prądy harmoniczne Gdy napięcie na szeregowym kondensatorze niedopuszczalnie wzrośnie skutkiem zwarcia lub uderzenia w sieć pioruna kondensator ( oczywiście przez niewielki dławik ograniczający prąd zwarcia do bezpiecznej wartości ) jest momentalnie zwarty przez iskrownik ( może być z trzecia elektrodą sterowany przez system elektroniczny ) a po czasie zadziałania przez wyłącznik. Znanym mankamentem kompensacji szeregowej jest skłonność do ferrorezonansów z transformatorami w sieci. Potrzebne są środki zapobiegawcze jak niewielka modyfikacja transmitancji regulatorów prądów i sterowników fazowych tyrystorów na lokomotywie aby tłumiły niskie ferrorezonanse.

Jeśli stosowana jest kompensacja równoległa to szeregowy z kondensatorem dławik jest nastrojony na trzecią harmoniczną napięcia sieciowego bowiem indukcyjność rozproszenia transformatora podstacji i indukcyjność sieci zasilającej wraz z pojemnością bez dławika rezonansowo wzmocni harmoniczne co jest zabronione !

W nowej generacji szybkich japońskich pociągów Shinkansen zastosowano lżejsze, tańsze i niezawodne silniki asynchroniczne zasilane z inverterów w których jako klucze zastosowano potężne tyrystory wyłączane bramką GTO. Mimo iż są one stosunkowo szybkie to częstotliwość modulacji PWM jest ograniczona do 500-1000 Hz. Niestety literatura nie podaje szczegółów zastosowanych rozwiązań a nawet z różnych źródeł pochodzą sprzeczne informacje. Możliwe że zastosowano inwerter trójpoziomowy z 12 kluczami pozwalający znacznie ograniczyć poziom harmonicznych prądu czyli straty mocy w silniku.

Konstrukcje mostków trójfazowych invertera z tyrystorami GTO omówiono w rozdziale o tyrystorze GTO BTS59.

Kolej elektryczna jest dla systemu energetycznego szybko zmieniającym się obciążeniem niespokojnym. Zmiany napięcia sieciowego wywołują irytujące i męczące migotanie oświetlenia ale także zmniejszają sprawność silników asynchronicznych będących w każdej gospodarce największym konsumentem energii elektrycznej.

Wnioski:

1.Sprawność komutatorowych silników kolejowych jest całkiem dobra. Średnia eksploatacyjna sprawność nowoczesnych silników przekracza 90-92%. Są jednak circa dwa razy cięższe i droższe od silnika asynchronicznego. Mankamentem jest też mała trwałość komutatora.

2.Silniki asynchroniczne po raz pierwszy zastosowano w szybkich pociągach Shinkansen. Invertery zasilane napięciem maksymalnym 1600Vdc używają wyłączalnych tyrystorów GTO na prąd średni 1000A i napięcie szczytowe 3000V. Nie jest znany eksploatowany użytkowo pociąg gdzie w inverterach do silników AC użyto by konwencjonalnych tyrystorów. O ile w układach komutowanych siecią tyrystory cieszą się dobrą opinia to w układy z wymuszoną komutacją uchodzą za zawodne i nie zyskały nigdzie szerszej popularności.

3.Przy rozruchu oporowym w opornikach tracona jest energia. Przy wolnej jeździe silniki połączone są szeregowo aby zmniejszyć problem z rozruchem. Przykładowy silnik do lokomotywy towarowej przy prądzie forsownego rozruchu o 50% większym od prądu godzinowego wymaga oporników do szybkości 18.5 km/h a przy mniejszym prądzie oczywiście większej. Dla lokomotywy osobowej prędkość ta wynosi ponad 25 km przy forsownym rozruchu. Udział straty energii w bilansie jest tym większy im mniejszy jest dystans do pokonania po rozruchu.

Technologia polskich lokomotyw elektrycznych pochodzi z licencji English Electic. Jest to technologia początka lat pięćdziesiątych. Polska technologii napędu kolejowego nie była w stanie opracować

4.Argumentem przemawiającym za elektryfikacją polskiej kolei była dostępność wydobywanego węgla dla elektrowni i niedostępność ropy naftowej kupowanej ( także od ZSRR) za deficytowe dolary. Niemniej wydajność polskich górników jest wprost żenująca. Górnictwo węgla kamiennego obciąża całą gospodarkę.

5.Szybka kolej jest konkurencyjna czasowo dla samolotu na dystansie 300-700 km dlatego że lotniska są poza miastami a dojazd zabiera czas podczas gdy dworce kolejowe są w centrach miast. Czas zabiera też odprawa bagażu czyli check-in.

6.O wyborze w Polsce trakcji 3KVdc zadecydowała możliwość zagranicznego zakupu pierwszych lokomotyw i podstacji dla tego systemu. Trakcja 3 KVdc ma obecnie za małą moc do szybkich i ciężkich pociągów. Oczywistym rozwiązaniem jest zastosowanie w podstacjach prostowników 12 pulsowych i zasilanie podstacji z sieci 110 KV bowiem sieć SN 15KV jest często za słaba czemu towarzyszą niedopuszczalne spadki napięcie w trakcji i straty energii.

7.Przyrostowi dochodów narodowych towarzyszy wzrost produkcji energii elektrycznej per capita.

Z określonej odległości i mocy do przesłania wynika optymalne ekonomicznie napięcie do przesyłu. Im większy dystans i moc tym większe jest optymalne napięcie przesyłu. W USA domowe napięcie sieciowe 100V podniesiono do 110, 115, 117 i 120 V. Ponieważ odbiorniki muszą działać poprawnie w określonym zakresie napięcia sieciowego to powolne podnoszenie standardu połączone wraz ze stopniową wymiana sprzętu jest naturalne.

Można rozważyć powolne podnoszenie napięcia trakcji. Wyższe napięcie jest korzystne dla szybkiej jazdy a mniejsze dla rozruchu. Potrzeba konkretnych danych do rozważań.

8.Zakupienie lokomotywy standardu 25KV-27.5KV /50Hz wydaje się łatwe. Przezbrojenie izolacji na 25KVac na istniejącej osobnej eksperymentalnej linii 3KVdc wydaje się możliwe do szybkiego wykonania. Produkowane są transformatory do GPZ na napięcie SN 20 KV z napięciem WN 220 KV. Faktycznie napięcie jest większe a transformator ma regulację odczepów. Wyłączniki używane w systemach SN 15-20 KV wymagają tylko niewielkiej ( lub żadnej) adaptacji na potrzeby trakcji 25KVac jako że są to kopie modeli zachodnich wyłączników do sieci SN 20 kV. Wyłączniki na SN 20 KV na Zachodzie są masowo produkowane i nie są drogie. Otworzenie pierwszej osobnej linii kolejowej 25KVac może być całkiem proste. Wykonanie tyrystorowego sterowania dla systemu 25KVac w miejsce usuniętej aparatury 3KVdc w lokomotywie EU07 i pochodnych od niej jest jak najbardziej możliwe i niezbyt kosztowne. Odpowiednie diody i tyrystory mocy są w Polsce produkowane. Funkcjonalność dodatkowego zwrotu energii z hamowania do sieci jest tania a jej implementacja nie jest na początek konieczna.

Systemy trakcji 25KV-27.5KV / 50Hz i systemy prądu stałego koegzystują w innych krajach. Konieczność użycia systemu 25-27.5 KV / 50 Hz zależy od realnej ( a nie statystycznej bowiem papier przyjmie wszystko ) szybkości wzrostu gospodarczego Polski. Zakładając że kryzys się w końcu zakończy trzeba myśleć o nowej trakcji dużej mocy.

9.Wraz z napięciem nominalnym szybkich tyrystorów szybko rośnie ich czas wyłączania. Szeregowe łączenie tyrystorów na wysokie napięcia przy komutacji wymuszonej wymaga mocnego przewymiarowania gasików RC rozpraszających bardzo dużo mocy. Wykonanie dobrej jakości Choppera na nominalne napięcie 3.3KV (a tolerowane znacznie większe) jest bardzo trudne.

Dochody do dyspozycji na mieszkanca regionu UE

Dochody do dyspozycji na mieszkanca regionu UE
Za https://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php?title=GDP_at_regional_level

PE Driver klucza ogolnie i jego integracja

PE Driver klucza ogolnie i jego integracja Archiwum

  Wszystkie wielkie wynalazki dokonane na Zachodzie są rozwijane i szeroko stosowane. Tranzystory szybko wyparły lampy elektronowe w większości zastosowań ale kineskop i klistron pozostają niezastąpione. Ale technologia wyświetlaczy LCD robi postępy i kineskop prędzej czy później skończy swój żywot. Klistron wydaje się niemożliwy do zastąpienia ( materiałowe ograniczenie krzemu Uce x Ft= 200 VGHz) tranzystorami krzemowymi ( nawet przy równoległym łączeniu wielu wzmacniaczy) ale przecież na krzemie świat się nie kończy.

Dzięki scaleniu technologią mikroelektroniczną wielu tranzystorów w układzie scalonym komputery są coraz szybsze, mają większą pamięć i są coraz tańsze.

Większość urządzeń energoelektronicznych ma alternatywę. Alternatywą do energetycznej linii prądu stałego HVDC z konwerterami tyrystorowymi jest linia prądu zmiennego z ewentualnym ( łączenie sieci asynchronicznych ) konwerterem maszynowym czyli parą silnik i generator synchroniczny wielkiej mocy.

Alternatywą do elektrycznych serwomechanizmów są serwomechanizmy hydrauliczne chociaż ich zastosowanie tam gdzie wymagana jest czystość jest trudne. Robot przemysłowy zastępuje człowieka z ewentualnym manipulatorem mechanicznym. Sterowana komputerowo maszyna CNC zastępuje robotnika wykwalifikowanego.

Sterowanie CNC jest skomplikowane i zbudowane z wielu elementów elektronicznych.

Czego potrzeba do popularyzacji robotów przemysłowych skoro komputery szybko tanieją. Od invertera, których jest 6, małej – średniej mocy oczekujemy że będzie w miarę prosty i tańszy.

O popycie na każdy towar decyduje iloraz funkcjonalności do ceny. Gdy bardzo drogie obecnie roboty przemysłowe stanieją znajdzie się dla nich multum zastosowań

Inverter składa się z części sygnałowej która daje driverom kluczy mocy rozkazy do wykonania. Jest ona możliwa w całości do scalenia w wydajnym mikrokontrolerze w technologii CMOS

Ponieważ napięcia w inwerterze mocy są duże i szybkozmienne to poziom sygnału do górnych kluczy przesuwa się specjalnym układem i podaje do wtórników szybko sterujących klucze mocy. Rozwiązanie to bez izolacji galwanicznej jest możliwe do scalenia i stosowania tylko do napięć <600V i przy małych zakłóceniach powstających na połączeniach kluczy czyli w inverterach małej i co najwyżej średniej mocy. W pozostałych wypadkach stosuje się izolacje galwaniczną specjalnymi szybkimi i odpornymi na potężne zakłócenia transoptorami lub transformatorkami.

Nie wchodząc tymczasowo w szczegóły stwierdzić należy że pożądany prąd wyjściowy drivera klucza (scalonego,dyskretnego lub mieszanego ) może być bardzo duży i wymagana jest duża szybkość jego działania.

Tranzystory mocy ( tylko NPN ) są od lat stosowane w układach scalonych:

-Licznych wzmacniaczach mocy Audio. Mają one coraz większą moc wyjściową i lepsze parametry. Układ Philips „TDA1514A 50 W high performance hi-fi amplifier” ma bardzo dobre parametry. Tranzystory mocy w nim są o Uce=70 i Ic=8A.

-Regulator napięcie +5V typu 7805 ( także na napięcia 8,12,15 i 24V) oraz ujemne napięcie -5V typu 7905 (także na napięcia 8,12,15 i 24V) oraz układy LM317/337 które z dwoma dodatkowymi rezystorami ustalającymi napięcie stabilizują napięcie z przedziału +/-1.25-30V. Prąd obciążenia układów nie przekracza 1A. Ale są regulatory dostarczające prąd 3A a nawet jak LT1038 i LM196/396 prąd 10A a chwilowo do 24A. Wadą dotychczasowych regulatorów jest za duży minimalny spadek napięcia na nich.

-Układach odchylania pionowego do odbiorników TV i TVC. Popularny układ TDA1170 jest już starawy. Układ posiadając zintegrowany podwajacz napięcia zasilania dla okresu powrotu jest energooszczędny

-Driverach (!) do tranzystorów Darlingtona firmy Thomson

-Układ regulatora przetwornicy Flyback Quasi Resonance TDA4601 do sterowania tranzystora wysokonapięciowego SMPS

-Sterownikach silników krokowych i silników BLDC do urządzeń biurowych ( Office Automation ) o prądach do 1A.

National Semiconductor podaje że scalone w układach tranzystory mocy (tylko NPN) mają częstotliwość graniczną Ft około 200-250 MHz a więc są szybkie. W istocie jest to wiele połączonych równolegle małych tranzystorów. Parametry tranzystorów PNP w starej i taniej technologi monolitycznej są słabe a tranzystory PNP porównywalne parametrami do NPN zapewniają dopiero nowe i droższe technologie.

Jakiej wielkości prądu i napięcia drivery są potrzebne do kluczy mocy energoelektroniki ? Jak jest pożądana szybkość ich pracy ? Czym powinny się one charakteryzować.

Stosowne informacje o kluczach są podane w katalogach i Notach Aplikacyjnych producentów kluczy. Przyjęto ( domyślenie) podawać parametry półprzewodników w typowych ich zastosowaniach, jeśli są to elementy dedykowane. Dla wysokonapięciowego tranzystora BU208 ( w obudowie TOP3 oznaczony BU508 ) warunki pomiarów przypominają stopień końcowy odchylania poziomego odbiornika z kineskopem 26 cali choć w katalogach nic o tym nie ma. Podstawowym zastosowaniem tego tranzystora jest stopień H-Out chociaż może być też stosowany w zasilaczach impulsowych.

1.Tyrystory wyłączalne GTO.

Nowoczesny wyłączalny bramką tyrystor GTO BTS59 koncernu Philips (osobno omówiony, w każdym GTO występuje przy wyłączaniu mocno stratne przeciąganie prądu anodowego ) w obudowie TOP3 ( SOT-93 ) jest na prąd średni Itav=15A ( jest zatem w inwerterze znacznie mocniejszy niż tranzystor o Ic=15A), prąd wyłączany maksymalny wynosi 50A ale tyrystor toleruje niepowtarzalny impuls prądu przeciążenia 100A ale oczywiście bez możliwości wyłączenia bramką. Rodzina ma napięcia maksymalne 850 /1000 / 1200 V. Z wykresów wynika że obszar bezpiecznej dynamicznie pracy ( bardzo ważne ! ) jest tym większy im większe jest szybko podane ujemne napięcie do bramki przy jak najmniejszej indukcyjności połączeń ale nie jest rekomendowane napięcie wyższe od 10V jako że przy przebiciu lawinowym bramka absorbuje energie z indukcyjności rozproszenia. Jeśli sterownik bramki jest na płycie PCB umieszczony w miarę blisko tego GTO to bezpiecznie można stosować napięcie -12V.

Przy wyłączaniu ( Vgr=10V i Lg=0.5uH ) prądu anodowego 10A prąd bramki sięga 10A a przy 50A sięga 17A. Zatem względnie szybki tranzystor bipolarny BUV26 o Ic=12A w podanym przez Philipsa układzie testowego drivera jest za słaby i driver nie wykorzystuje możliwości tego GTO ! Tylko przy szybkim „brutalnym” wyłączeniu istnieje realna ochrona zwarciowa tyrystora przed zniszczeniem. W inverterze napięciowym błędne - awaryjne załączenie w półmostku drugiego GTO bez wyłączenia pierwszego klucza powoduje szybkie narastanie prądu anodowego a czas nasycenia ts chronionego tyrystora wynosi 0.6 uS. Przy uszkodzeniu i zwarciu tyrystora załączanie musi być momentalnie wycofane i zamienione w wyłączania - żaden tranzystor w driverze nie może więc być nasycony bo to daje czasy martwe.

Zatem driver ma ekstremalnie szybko dostarczyć ujemny prąd bramki maksymalnie trochę ( 20-70%) większy niż Itav. Z punktu widzenia wyjścia scalenie drivera do tego tyrystora BTS59 jest wykonalne.

Domeną zastosowań tyrystorów GTO są jednak duże i wielkie moce.

Zatem dla dużego GTO o Itav=1000A driver bramki musi być na szczytowy prąd 1000-1500A. Scalenie jego jest jest jeszcze absolutnie niemożliwe Driver taki można łatwo wykonać na tranzystorach Mosfet. Tranzystor IRFZ40 w małej obudowie TO220 o Uds=50V ma Id=35A ale dopuszczalna wartość impulsowa prądu wynosi 160A. Dla niezawodności zastosujmy 12-20 równolegle ( ale dla circa 3 tranzystorów osobny driver końcowy bramki ) połączonych takich tranzystorów. Można założyć że IR wypuści lepsze – mocniejsze tranzystory i wystarczy ich 6-10 sztuk. Średnia moc strat w tranzystorach jest niewielka ( częstotliwość modulacji potężnych GTO PWM jest zawsze mniejsza od 1 KHz) i tranzystory Mosfet gęsto upakowane nie zajmą dużo miejsca na PCB.

Minimalny prąd bramki załączający każdy egzemplarz GTO BTS59 w ujemnej temperaturze wynosi 300 mA ale dla zmniejszenia strat mocy przy załączaniu wskazany jest początkowy forsujący (1-1.5 uS) impuls wartości conajmniej 1A. Sam impuls wyzwalający bez podtrzymania nie wystarczy jako że może być podany w momencie gdy będzie przewodzić dioda antyrównoległa do GTO a prąd obciążenia dopiero zmieni znak.

Zatem dla dużego GTO o Itav = 1000 A forsowany impuls załączający bramkę winien mieć circa 50 A i spaść do 5 A. Potrzebny jest mocny zasilacz dla takiego drivera. Temat rozważono osobno. Już załączenie 12-20 równolegle (niedługo 6-10 sztuk a później mniej ) połączonych tranzystorów Mosfet wyłączających potężny GTO nie jest łatwe i można będzie użyć do tego monolitycznego drivera. Właściwie sterowane Mosfety mocy są bardzo szybkie i z tym nie ma problemu. Problemem jest nisko - indukcyjne połączenie drivera z GTO.

Jaka jest wymagana inteligencja drivera GTO ? To zależy od mocy GTO i jego ceny. Szybkie japońskie GTO na prąd średni Itav=1000A i szczytowe napięcie 3000V kosztują 1/5 tego co średniej klasy samochód osobowy !

Zatem driver małego GTO przy awaryjnym przeciążeniu może się zablokować na czas rzędu 20 ms do lokalnego ostygnięcia struktury aby bezpiecznie móc podjąć pracę jeśli tego żąda rozkazodawca choć raczej nie powinien. Natomiast driver potężnego GTO musi się zablokować i podać w stronę rozkazodawcy informacje o blokadzie. Zbyt szybkie operacje jako niedozwolone i niebezpieczne musi zignorować i powiadomić o tym rozkazodawce. Driverowi nie wolno podjąć pracy przy zbyt niskim napięciu zasilającym go - Under Voltage Lock Out czyli UVLO.

Przy dużych prądach szybki sensor jest kłopotliwy i sygnałem sytuacji awaryjnej jest brak typowego spadku napięcia na załączanym GTO lub zbyt szybkie narastanie prądu di/dt. Tą metodę detekcji sytuacji awaryjnej czyli braku saturacji w czasie akcji włączania lub desaturacji można stosować do każdego wyłączanego klucza !

2.Tranzystory Darlingtona

Tranzystory wysokonapięciowe mają małe wzmocnienie i wykazują efekt quasisaturacji i powolnego wchodzenia po quasinasyceniu w nasycenie. Model ładunkowy tranzystora dość dobrze wyjaśnia zjawisko powolnego przechodzenia przez quasinasycenie w nasycenie. Parametr Ucesat_dyn pokazuje napięcie nasycenia tranzystora po określonym czasie. Sterowany z forsowaniem nowoczesny tranzystor Darlingtona na napięcie Uceo=450 w nasycenie ( szczegóły podano osobno ) po quasi nasyceniu wchodzi po około 5 us. Wszystkie bipolarne klucze są tym wolniejsze im większe jest ich napięcie Uceo. Wszystkie klucze bipolarne są mocno stratne dynamicznie.

Panuje konsensus co do tego że przy załączaniu należy stosować forsowanie a tranzystory nie powinny być nasycane ( tylko pozostawać w granicznym quasinasycenie) to znaczy powinny być tak sterowane aby Uce=Ube. Układ przeciwnasyceniowy w driverze z reguły daje też dynamiczne forsowanie prądu bazy. Ogranicza też straty mocy w driverze.

Dla dwustopniowego tranzystora Darlingtona ( Darlingtony na duże napięcia 700-1000V są już trzystopniowe) General Electric typu D66V5 o Ic=50A i Uceo=500V dla Ic=50A ma przy załączaniu Ib1=2.5A czas narastania prądu Tr=0.65us zaś przy wyłączaniu Ib2=-5A czas opadania prądu wynosi tf=0.6 us. Tranzystor jest więc dość wolny. Przy napięciu Uce=300V ( czyli w zwarciu ) prąd narasta z szybkością około 200A/us a więc czasu na awaryjną reakcje ochronną jest niewiele.

Przy napięciu Uce=5V wzmocnienie stałoprądowe przy Ic=50A jest w przedziale 50-300 a napięcie nasycenia przy Ib=4A wynosi 1.4V. W przypadku gdy Uce=Ube ( takie sterowanie tranzystor ma przy sterowaniu driverem z antynasyceniem po początkowym forsowaniu) wzmocnienie wynosi 30-100 razy. Driver z antynasyceniem oszczędnie dozuje prąd bazy szczególnie przy małych prądach kolektora i zapewnia dużą dyspozycyjność klucza mocy bowiem klucz bez nasycenia można szybko wyłączyć. Ma to duże znaczenie dla maksymalnej głębokości modulacji PWM.

W pokazanym układzie testowym GE w driverze pracuje komplementarna para tranzystorów D44VH1 / D45VH1 w obudowach TO220 o Ic=15 i Uceo=30V. Tranzystory tej rodziny są dość szybkie i mają dobre wzmocnienie prądowe ale niestety mają bardzo wąski obszar pracy bezpiecznej SOA co jednak w tym zastosowaniu nie ma znaczenia.

Zatem driver wysokonapięciowego Darlingtona winien dostarczać prąd załączający 5-10% nominalnego Ic do momentu osiągnięcia quasi saturacji i następnie dostarczać znacznie mniejszy prąd podtrzymujący tak aby Uce=Ube. Maksymalny prąd wyłączania winien wynosić circa 10% Ic.

Zatem wykonanie scalonego drivera dla Darlingtonów w inwerterze nie jest problemem nawet obecnie.

N.B. W Europie jest produkowanych mało szybkich tranzystorów nadających się do szybkich driverów kluczy mocy. Popularne i tanie komplementarne tranzystory BD131-132 o Ic=3A i Uceo=45V mają częstotliwość Ft=60 MHz ale spadającą wraz z prądem kolektora. Lepsze w przełaczaniu tranzystory niskonapięciowe BD329-330 o Uceo=20V i Ic=3A mają częstotliwość Ft=100 MHz i duże wzmocnienie prądowe. Nie ma nawet odpowiedników rodzin tranzystorów D44 i D45 koncernu GE.

Pytanie o ilość stopni kaskady komplementarnych lub quasikomplementarnych wtórników emiterowych ale też Darlingtonów dla uzyskania określonej szybkości narastania /opadania impulsu jest nie trywialne.

W układach wielkiej skali integracji wewnętrzne tranzystory są maleńkie i nie mają zdolności sterowania poprzez piny układu ścieżkami płytki drukowanej o rezystancji falowej ca 90 Ohm. W układach CMOS stosuje się kaskadę inverterów z coraz większymi tranzystorami. Najszybsza jest kaskada gdy iloraz powierzchni tranzystorów kolejnych inverterach wynosi e=2.72... czyli liczbę Eulera. Łatwo zauważyć że w szybkich driverach z kaskadą komplementarnych wtórników gdy tranzystor końcowy jest na 3 A to sterujący go na 1A.

Ogromne postępy w elektronice i w energoelektronice poczyniła Japonia. Koncern Mitsubishi produkuje kompletne moduły mostów trójfazowych do inverterów z tranzystorami Darlingtona. Tym bardziej aktualny jest problem scalenia driverów i nie tylko driverów !

Schematy driverów kluczy - Darlingtonów omówiono na przykładzie serwomechanizmu Seidel i radzieckiego falownika Razmer 2.

Dyskretne drivery stosują tranzystory NPN i PNP i podobnego schematu nie można scalić starą technologią monolityczną z bardzo słabymi tranzystorami PNP.

Zachodnia Europa coraz mocniej odstaje ( a co dopiero RWPG ) w mikroelektronice od światowych liderów. Francuski Thomson produkuje scalony driver do Darlingtonów typu UAA4002. Nie jest to raczej produkt udany a jego schemat wewnętrzny nie jest ujawniony.

3.Tranzystor IGBT.

Koncern GE katalogowe tranzystory IGBT oferuje od 1985 roku. Jest to element zupełnie nowy i dynamicznie się rozwijający. Wydaje się że będzie to wół roboczy energoelektroniki do czasu odkrycia (?) nowego rodzaju tranzystora i użycia lepszych materiałów niż krzem.

W tranzystorach IBGT podobnie jak w tyrystorach GTO występuje przeciąganie prądu i tradycyjnie definiowany czas zanikania prądu Tf jest bezużyteczny. Producenci podają miarodajną energie impulsu strat przy wyłączaniu lub równoważny energetycznie czas opadania.

Tranzystory IGBT produkowane są w dwóch wersjach: szybkiej o małym wzmocnieniu „tranzystora PNP” i wolne o dużym wzmocnieniu. Gęstość prądu tranzystora IGBT wolnego jest kilka razy większa niż szybkiego i stąd różnica w cenach.

GE oferuje tranzystory IGT6D21 i IGT6E21 o Uce=400/500V i prądzie gorącego tranzystora 20A a zimnego 32A. Przy sterowaniu bramki tranzystora przełączającego prąd 20A napięciem 0/15V czas narastania prądu wynosi tr=150 ns przy Rg=33.3 Ohm a równoważny czas opadania tf=600 ns przy Rg=100 Ohm. Prądy sterowania bramki są więc małe: +0.45A i -0.15A. Nie wiadomo dlaczego tranzystor w układzie testowym jest powoli wyłączany i czy szybsze wyłączanie jest zabronione z jakiegoś względu. Katalog tego nie wyjaśnia. O ile tranzystory Mosfet sterowane są napięcie bramki 10V to jest ono za małe dla tranzystorów IGBT. Scalone drivery w technologii CMOS firmy International Rectifier mają za niski próg układu UVLO dla tranzystorów IGBT i system sygnałowy invertera musi to wziąć po uwagę dla pełnego bezpieczeństwa.

Co do zasady bramka tranzystora IGBT jest nieliniową pojemnością tak samo jak bramka Mosfeta. Jedyna różnica wynika z tego że tranzystor IGBT do bezpiecznego, głębokiego załączenia potrzebuje napięcia 15V czyli większego niż Mosfet

4.Tranzystor Power Mosfet.

Koncerny japońskie w 1975 roku wypuściły odmianę tranzystora JFET jako duże struktury tranzystora mocy VFET. Oczywiście w strukturze połączonych jest wiele tranzystorków Mankamentem tranzystorów VFET jest ich trudna i nietypowa technologia produkcji skutkująca małym uzyskiem i wysokimi cenami. Ich produkcje podjęto tylko w Japonii, której koncerny zastosowały te tranzystory m.in. w znakomitych wzmacniaczach akustycznych całkiem dużej mocy. Tranzystory te zastosowano też w pionierskim „cyfrowym” wzmacniaczu z modulacją PWM o częstotliwości 500 kHz, Sony TAN-88. Tranzystory VFET nie mają antyrównoległej pasożytniczej diody i nie wymagają antyrównoległej diody co jest ich zaletą. Wzmacniacz ten o dekady wyprzedził swoje czasy. Miał jednak prohibicyjną cenę. Czasy przełączania VFET-ów w TAN-88 są poniżej 20-30 ns. Bramki tranzystorów są sterowane napięciem 0/-43 V (dla typu N a napięcie dodatnie dla komplementarnego typu P ) a więc bardzo dużym. Cały driver jest genialny ! W części końcowej zastosowano dwa kaskadowe komplementarne wtórniki emiterowe.

Wyjściowe komplementarne tranzystory drivera 2SC1173 i 2SA473 o Ic=3A, Ft=100MHz mają katalogowe napięcie Uceo=30V czyli dużo za małe w tym układzie. Są wyselekcjonowane na Uceo jako że tranzystory na wyższe napięcie Uceo mają z kolei mniejsze Ft. Układ TAN-88 jest obszernie omówiony osobno jako że na to w pełni zasługuje.

Przy okazji zwróćmy uwagę na to że częstotliwość Ft bipolarnych tranzystorów mocy szybko maleje przy dużych prądach kolektora co rzadko pokazywane jest na wykresach. Częstotliwość Ft wysokonapięciowego tranzystora BU208 do stopnia H-Out przy małym prądzie kolektora wynosi 7Mh by przy dużym prądzie spaść poniżej 1 MHz.

Tranzystor Mosfet znany jest od 1959 roku. Bardzo szybko użyto go w układach scalonych. Amerykańska firma International Rectifier stosując technologie używaną do produkcji układów scalonych MOS w 1976 roku wypuściła pierwsze tranzystory Mosfet mocy nazywając je od sześciokątnego kształtu elementarnej komórki tranzystora HexFet. Zaletą Mosfeta jest jego technologiczność i wysokie uzyski produkcyjne. Początkowo tranzystory miały cenę nowości ale już z przystąpieniem do produkcji Siemensa ( jego nazwa to SIPMOS czyli Siemens Power Mosfet ) i innych koncernów ceny zaczęły spadać. Obecnie wszystkie światowe koncerny półprzewodnikowe produkują tranzystory Mosfet mocy. Perspektywy rozwoju przed Mosfetami są bardzo dobre dlatego ze do ich produkcji używane są wycofywane z produkcji mikroprocesorów pamięci i układów peryferyjnych technologie już za mało dla nich rozdzielcze.

W odróżnieniu od przyrządów bipolarnych w Mosfetach w obszarze aktywnym ( czyli sterowanym bramką przy Uds>0 ale bez przebicia lawinowego ) w akcji biorą udział tylko nośniki większościowe z czego wynika duża częstotliwość graniczna tych tranzystorów.

Pozytywnie odróżnia tranzystory Mosfet od tranzystorów bipolarnych bardzo szeroki obszar pracy bezpiecznej SOA.

IR zastosował bardzo prosty kod dla oznaczania swoich tranzystorów. Oznaczenia te stosują też drudzy naśladowczy producenci. Początkowe cyfry 1,2,3,4 oznaczają obudowę TO3 zaś cyfry 5,6,7,8 obudowę TO220. Podstawowe ( najlepsze przyrządy mają trzecia cyfrę zero) mają napięcie Uds=100 dla początkowych cyfr 1 i 5, 200V dla 2 i 6, 400V dla 3 i 7 oraz 500V dla 4 i 8.

Druga cyfra oznacza wielkość struktury - chipa w milicalach:

1 - 91 x 69

2 - 137 x 87

3 - 175 x 115

4 - 227 x 170

5 – 257x 257

Ale największe struktury rozmiaru 5 ( to jest 6.3 x 6.3 mm a więc całkiem sporo ) montowane są tylko w obudowie TO3 bowiem obudowa TO220 jest dla nich za mała. Zatem typ IRF740 to tranzystor na napięcie 400V ze strukturą rozmiaru 4 w obudowie TO220. Tą samą strukturę ma w obudowie TO3 typ IRF340. Cena chipu i tranzystora zależy od wielkości chipu i rodzaju obudowy.

Trzecia cyfra 1 oznacza typ o zmniejszonym napięciu w stosunku do typu podstawowego o cyfrze zero, 2 o zwiększonej oporności Rdson a 3 o zmniejszonym napięciu i zwiększonej oporności. Pochodzą one z selekcji poprodukcyjnej i jako gorszy gatunek raczej nie należy ich bez konieczności stosować. Później IR dodał linie o napięciu 600V ale o niealgorytmicznym oznaczeniu.

Moc tranzystora Mosfet firmy IR jako przełącznika (jest to kwadrat Uds podzielony Rdson) początkowo rośnie wraz z napięciem i osiąga maksimum dla typu 400V. Typ o napięciu 500V jest nieznacznie gorszy a typ o napięciu 600V znacznie gorszy a typ na napięcie 800 jest beznadziejny. Taka jest uroda tranzystorów Mosfet jako przełączników. W europejskim zasilaczu impulsowym flyback trzeba zastosować tranzystor na napięcie conajmniej 600V podczas gdy w USA z napięciem sieciowym 117Vac wystarczy wydajniejszy typ na napięcie 400V.

Tranzystor bipolarny na napięcie Uceo=400V ma około 40% mniejszą strukturę niż tranzystor Mosfet na to napięcie o takiej samej mocy przełączanej. Przy wyższym napięciu przewaga ( w tym parametrze) tranzystora bipolarnego jest jeszcze większa. Dodać należy ze tranzystor bipolarny jest wykonany tańszą technologią o mniejszej rozdzielczości ale to przestaje mieć znaczenie. Tranzystor bipolarny jest wolny na tle Mosfeta.

Pierwsza cyfra 9 w kodzie IR oznacza tranzystor P a nie N. Typ IRF9540 jest komplementarny do IRF540 ale ma znacznie większą oporność Rdson niż typ N. Na komplementarnej parze tranzystorów Mosfet można zbudować wzmacniacz mocy Audio. IR daje w katalogu na 1982-83 roku schemat takiego wzmacniacza ale o miernych parametrach no bo układ jest mierny a wręcz kompromitujący.

Mosfety mają dużo zalet ale rozpocznijmy od wad. Tranzystor bipolarny także Darlingtona i tyrystor GTO i tranzystor IGBT nie mają diody antyrównoległej ale w procesie monolitycznym łatwo jest wolną (!) diodę uzyskać w Darlingtonie. Toteż często w obudowie montuje się „hybrydowo” antyrównoległą szybką diodę dla Darlingtonów i tyrystorów GTO przeznaczonych do układów z PWM.

Natomiast tranzystor Mosfet zawsze ma zintegrowaną „diodę” antyrównoległą. Ta dioda to faktycznie tranzystor NPN o małej oporności między B-E pracujący inwersyjnie z czego wynika ze wraz ze wzrostem napięcia nominalnego Mosfeta ta dioda robi się okropnie wolna i bardzo niebezpieczna przy próbie jej szybkiego wyłączenia ( duża stromość wstecznego prądu i napięcia ) bowiem pasożytniczy tranzystor NPN daleko poza swoim obszarem bezpiecznej pracy SOA po prostu się niszcząco drugo przebije. W tranzystorach na małe napięcie dioda jest dość szybka a dodatkowo może być zbocznikowana wysterowanym bramką przewodzącym tranzystorem Mosfet.

Pasożytnicza „dioda” a faktycznie tranzystor NPN może się nawet otworzyć przez pojemność Cdg między D a B tego tranzystora przy bardzo szybkim wyłączeniu tranzystora Mosfet bramką jeśli szybkość narastania du/dt nie jest zewnętrznie ograniczona !

Producenci poszli w kierunku zmniejszenia oporności między B-E pasożytniczego tranzystora – diody a nawet zwarcia B-E.

IR podaje odporność na energie (przy określonym wyłączanym prądzie ) przebicia lawinowego tej „diody” w Mosfetach. Obecnie jest już ona tak duża że nie ogranicza standardowych zastosowań tranzystora. Odporność na przebicie lawinowe jest różna dla producentów ! Autor badając użyteczność tranzystorów Mosfet do zapłonu samochodowego stwierdził że tranzystor firmy IR doskonale toleruje awaryjną ( przy braku iskry na świecy zapłonowej) energie avalanche która przebija typ Siemensa pozornie mocniejszy.

Diodę antyrównoległa Mosfeta można w półmostkach ( mostek jednofazowy to dwa półmostki a trójfazowy trzy ) używać tylko do typów maksymalnie na 100V. Powyżej tego napięcia trzeba dać szeregową do Mosfeta diodę odcinającą i dopiero szybką diodę antyrównoległą co jest bardzo kłopotliwe i kosztowne.

W niskonapięciowych półmostkach tranzystor Mosfet musi być jak najdłużej załączony aby mostkować swoją pasożytniczą diodę aby ta nie gromadziła ładunku. Czas między zdjęciem sterowania bramką jednego tranzystora półmostka a wysterowaniem drugiego musi być bardzo mały ( bowiem zaczyna przewodzić antyrównoległa dioda i akumulować ładunek ) a najlepiej zerowy aby dioda zmagazynowała jak najmniejszy ładunek co przełoży się na delikatne i niskostratne a nawet bezstratne jej wyłączenie. Dla realizacji takiej strategi drivery wraz z Mosfetami muszą być szybkie i stabilne cieplnie.

Tam gdzie wymagana jest praca przełączników z dużymi częstotliwościami operacji ( na przykład PWM 500 KHz ) tranzystor Mosfet jest bezkonkurencyjny. Natomiast przy niskiej częstotliwości modulacji PWM rzędu 3-4 KHz Mosfet ustępuje przełącznikom bipolarnym przy napięciach powyżej 200-400V. Tranzystor Mosfet jest potencjalnie doskonały przy małych napięciach zasilania systemu.

N.B. Tranzystor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) został wynaleziony przez Mohameda Atalla i Dawon Kahnga w Bell Labs w 1959 roku. Fizyk Atalla dokonał szeregu niezwykle ważnych wynalazków. Mimo tego nazwiska wynalazców są prawie nieznane w świecie mimo niesamowitej wagi ich wynalazków. Pierwsze tranzystory P i N wykonali w technologi 20 um z możliwością ich scalania ale Bell Labs zupełnie nie był wtedy zainteresowany układami scalonymi. Katastrofalny błąd był kosztowny w skutkach dla ATT.

W teorii tranzystora Mosfet nie ma odpowiednika napięcia Ube tranzystora bipolarnego, które przy normalnych prądach jest >0.6V. Wykonany wysokorozdzielczą technologią układ CMOS może być na napięcie 1 V !

Przy zastosowaniu Mosfeta jako klucza mocy normą jest podawanie do bramki napięć 0/10V. Pojemność Cgs jest silnie nieliniowa i ładunek bramki załączonego tranzystora szybko rośnie z napięciem bramki Ugs. Z tego względu niecelowe i szkodliwe ( rośnie czas martwy przy wyłączeniu ) jest podawanie napięć bramki powyżej 10V poza przypadkami impulsowego załączania bardzo dużych prądów do czego Mosfet jest bezpiecznie zdolny.

Szkodliwa pojemność bramka - dren Cgd jest duża i silnie nieliniowa. Producenci modyfikują technologie aby tą pojemność zmniejszyć. Dla uniknięcia nawet niewielkiego załączania tranzystora Mosfet w półmostkach prąd wyłączania bramki musi być 1.5-5 razy większy od prądu załączania bramki. Pożądaną wielkość prądów bramki ustala się rezystorami Rg w bramkach.

Oporność wewnętrzna bramki jest mała i przy równoległym połączeniu tranzystorów Mosfet może powstać symetryczny generator na zakres VHF gdzie indukcyjnościami są indukcyjności ścieżek PCB i wyprowadzeń tranzystorów a pojemnościami pojemności wewnętrzne tranzystorów. Nawet niewielkie rezystory Rg w szereg z bramką eliminują oscylacje.

Wymagany prąd bramki Mosfeta dostarczony przez driver jest proporcjonalny do wielkości struktury tranzystora i wymaganej szybkości operacji. Standardem jest komplementarny wtórnik emiterowy a przy dużych wymaganych prądach bramki ( lub bramek przy łączeniu równoległym Mosfetów ) kaskada dwóch wtórników. Bardzo dobrze we wtórnikach sprawują się popularne i tanie tranzystory komplementarne BC328-338 lub 327-337 lub 2N2222 i 2N2907. Te drugie są szybsze ale mają niestety trochę mniejszy prąd kolektora. Wykonania w obudowie plastikowej są znacznie tańsze niż w metalowej. Wydaje się że udane scalone drivery półmostków Mosfetów IR szybko wyprą rozwiązania dyskretne. Mosfety mogą być w zasilczach sterowane transformatorkami bramkowymi. Szybkość ogranicza szkodliwa indukcyjność rozproszenia transformatorka.

Rozwiązania dyskretnych driverów Mosfetów omówiono na przykładzie urządzenia UPS.

5.Tyrystor

Przed przejściem do meritum sterowania tyrystorów parę uwag ogólnych.

Tyrystor został odkryty w Bell Laboratories ( tam też odkryto tranzystor bipolarny i Mosfet ) potężnego koncernu AT&T a spopularyzowany przez koncernu General Electric w 1957 roku, który podjął produkcje tyrystorów. Koncern ten w gospodarce amerykańskiej pełni taką rolę jak potężny koncern Siemens w gospodarce niemieckiej. Są to narodowe koncerny elektrotechniczne. Organizują one wokół siebie duża część gospodarki i faktycznie ją modernizują. Są oczkiem w głowie rządów. Znane nazwiska z książek techniki tyrystorowej to wszystko pracownicy działu naukowo – badawczego General Electric.

Początkowo tyrystory produkowano technologią stopową a później też planarną. Gospodarka USA bardzo szybko przeszła z zawodnych tranzystorów germanowych na krzemowe i technologie planarną. Tyrystorów germanowych nigdy nie produkowano. Produkcje prostych tyrystorów szybko opanowano w całym cywilizowanym świecie. Oferowano coraz mocniejsze przyrządy. Już w latach sześćdziesiątych pojawiły się tyrystory w których duży chip jest z obu stron chłodzony w obudowie dyskowej. Szwedzka Asea w 1967 dla sterowanego fazowo prostownika do lokomotywy zasilanej z sieci 25KVac-50Hz ( napięcie jest w lokomotywie obniżone transformatorem ) zastosowała tyrystory tolerujące przepięcie 6 KV !

Gęstość prądu w zwykłych ( to znaczy nie szybkich i nie GTO wykonanych technologią planarną z rozwiniętą bramką ) tyrystorze jest tylko o 30% mniejsza niż w diodzie. Są to więc elementy tanie jak na swoją załączaną moc.

Koncerny od razu uruchomiły u siebie lub w innych współpracujących firmach produkcje całego ich otoczenie jako standardowe produkty: radiatory ( także miedziane chłodzone zdemineralizowaną wodą dla dużych mocy oraz osprzęt hydrauliczny z teflonu ) z mechanicznymi akcesoriami, szybkie bezpieczniki, kondensatory komutacyjne i do gasików – snubberów oraz dławiki komutacyjne, rezystory mocy do 200W do gasików, transformatorki bramkowe, warystory i diody lawinowe oraz diody Zenera mocy, tranzystory jednozłączowe i diaki oraz tyrystory wyzwalane światłem światłowodem lub w jednej obudowie z diodą LED jako optotyrystory i optotriaki.

General Electric szybko udostępnił też know – how tyrystorów z licznymi przykładami: „SCR manual, nth edition, Syracuse N.Y. General Electric Co”, gdzie nth oznacza kolejne edycje. Ostatnia znana autorowi 5 edycja jest z 1972 roku a pierwsza była z 1959 roku.

Dygresja.

W 3 edycji tej książki podano już schemat choppera w układzie Jonesa do regulowanego zasilania silnika prądu stałego DC z akumulatora na przykład do elektrycznego samochodzika czy sztaplarki. Obok schematu jest wykaz wszystkich użytych elementów wraz ze wskazaniem producentów i konkretnego oznaczenia elementu aby bez problemu zamówić wszystkie elementy. Oczywiście nie wskazano producentów zwykłych oporników i kondensatów czy diod. Przykładowo transformatorek bramkowy jest dużej firmy Pulse Engenering. Inżynier amerykańskiej firmy konstruujący taki lub podobny napęd da książkę z wykazem elementów sekretarce aby zamówiła dwa ( na wypadek uszkodzenia prototypu ) komplety elementów w firmach. Dostawcy raczej nie wystawią rachunków wiedząc że chodzi o budowę prototypu (o pozyskanie klienta) i dostarczą próbki gratis jesli nie jest to coś drogiego gdy opłaci się już pisać rachunek i płatność obsłużyć księgowością. W mniejszej firmie inżynier sam będzie musiał listy do firm napisać na firmowym papierze. Korespondencje można też szybko wysłać faxem. Po kilku dniach kurier lub poczta dostarczy zamówione próbki.

W czasopismach poświęconych elektronice często są zamieszczane „Bussines Replly Card” czyli karty pocztowe przeznaczone do wydarcia, które zainteresowany wysyła do firmy której elementy są akurat omówione w numerze czasopisma. Zainteresowany otrzymuje firmowe publikacje z reguły książki i próbki elementów. W koncernie czy dużej firmie obsługa tych kart jest rutynowa i zdarza się że dostaje się książki i próbki od amerykańskich firm mimo iż formalnie jest to zabronione trwającym embargiem ale Amerykanin nie zawsze kojarzy Polskę i może nie pamiętać wykazu wrogich krajów. Może wiedzieć że jest to Europa a Polakami byli Pułaski i Kościuszko, którzy mają pomniki i są uznani w historii. Przesyłki takie często są kradzione na poczcie polskiej.

Zatem zbudowanie takiego układu w USA jest od strony dostępności do elementów trywialne. Można go modyfikować do potrzeb - danego prądu i napięcia, sterowania... Wystarczy miernik uniwersalny, oscyloskop...

Schemat ten został umieszczony w dwóch polskich książkach ale bez wykazu elementów i bez wskazania źródła ! Co gorsza nie podano nawet wartości zwykłych rezystorów i kondensatorów.

To przykład tego jak zachodnie koncerny organizują gospodarkę. Zlecają produkcje firmom i wskazują klientom te firmy. Udostępniają wiedzę – książki i publikacje dl agrona współpracowników oraz próbki. Czynią opracowanie prototypu prostym lub trywialnym.

GE w książce nie podaje złożonych schematów trójfazowych prostowników/ inverterów do serwo napędów ale i tak jego przykłady są bardzo użyteczne.

General Electric słusznie nazwał tyrystor jako SCR = „Silicon Controlled Recyfier” sugerując sterowanie fazowe z napięciem sieciowym jako że to zastosowanie dominowało i nadal dominuje.

Później pojawiły się znacznie droższe tyrystory szybkie do falowników i inverterów.

Tyrystor jest wyzwalany bramką natomiast zdolność blokowanie uzyskuje po czasie tq od zaniku prądu lub podania ujemnego napięcia anodowego.

Załączający ładunek elektryczny podany do bramki tyrystora spada wraz ze skracaniem impulsu do pewnej wartości. Dla tyrystorów niskonapięciowych czas optymalnego impulsu największej czułości ładunkowej wynosi około 0.2 us a dla tyrystorów wysokonapięciowym 2 us a nawet więcej. Szerokość tych impulsów jest niekrytyczna. Dla małego niskonapięciowego tyrystora czułość ładunkowa wynosi poniżej 2 nc czyli 2 nano kulomby. Czułość jest zatem spora. W praktyce stosowane są dłuższe i mniejsze impulsy bowiem ładunek załączania jest zwykle bez znaczenia natomiast uzyskanie krótkich i silnych impulsów kosztuje.

Typowy wyzwalający prąd bramki dla tyrystora C106 4A/600V koncernu GE wynosi 20 uA ale bez bocznikowania G-K tyrystor sam wyzwala się przy podwyższonej temperaturze i i toleruje tylko znikomą szybkość narastania napięcia du/dt. Zatem w urządzeniu mikromocowym złącze G-K wymaga aktywnego blokowania.

Przy podaniu dodatniego prądu do bramki przy ujemnym napięciu anody tyrystor oczywiście się nie wyzwoli ale ma wzmocnienie około 0.5 raza do znaczy ma wtedy dużą upływność wsteczną i w tyrystorze z nierozwiniętą bramką punktową wydziela się punktowo moc strat co może przy dużym napięciu wstecznym doprowadzić do jego uszkodzenia. Dawniej stosowano przy bramce kłopotliwy układ blokujący a później stosowano wyzwalanie krótkimi, powtarzanymi ( tyrystor oczywiście załączy się dopiero przy dodatnim napięciu anodowym) impulsami. Najlepiej aby układ sygnałowy w ogóle nie podawał impulsu wyzwalania na bramkę gdy napięcie anodowe jest ujemne ale nie jest czasem to takie proste a z kolei układ przy bramce jest niepraktyczny i wymaga rezystora na pełne napięcie anodowe.

Prąd zwarciowy tyrystora winien być ograniczony indukcyjnością sieci zasilającej oraz indukcyjnością rozproszenia transformatora lub dławika komutacyjnego do wartości tolerowanej przez tyrystor. Specjalne bezpieczniki topikowe oraz szybkie bezpieczniki automatyczne pewnie chronią tyrystory sieciowe.

W sześciopulsowych napędowych układach nawrotnych dwa sześciotyrystorowe mostki trójfazowe są połączone antyrównolegle. Mostki operują rozłącznie w czasie. Załączenie tyrystorów obu mostków oznacza zwarcie międzyfazowe. Aby nawet przy ekstremalnie wysokiej temperaturze nie nastąpiło zakłóceniowe załączanie stromościowe du/dt biernych tyrystorów przy załączaniu aktywnych tyrystorów G-K tyrystorów są bocznikowane równoległym dwójnikiem RC.

Efektywność antyzakłóceniowa i skracająca czas wyłączenia tq rezystora lub dwójnika G-K oraz ujemnej polaryzacji G-K zależy od rozwinięcia bramki. Ujemną polaryzacje bramki stosuje się w tyrystorach GATT które nie zyskały popularności.

Skuteczność rezystora G-K na zakłóceniowe załączanie stromościowe du/dt pokazano na przykładzie tyrystora BT152.

Współcześnie najmocniejsze tyrystory ( grupy phase control ) stosuje się w układach transmisji wielkiej mocy prądem stałym HVDC.

Każdy funkcjonalny „tyrystor” przekształtnika to kilkadziesiąt (mniej niż sto) połączonych szeregowo potężnych tyrystorów dyskowych. Z uwagi na ogromne napięcia, wyzwalające impulsy światła podane są światłowodami. System ma co najmniej dwie redundancje. System ma zapas napięciowy i po przebiciu- uszkodzeniu jednego tyrystora reszta ma wystarczający margines napięcia. Miedzy G-A tyrystora włączona jest dioda Zenera ( razem z szeregową diodą odcinającą w kierunku zaporowym) załączająca tyrystor przy uszkodzenie systemu bramkowego i braku impulsu załączającego gdy prawidłowo załączają się pozostałe tyrystory i podskakuje napięcie na tyrystorze z uszkodzonym wyzwalaniem. Sam tyrystor może mieć charakterystykę lawinową i wyzwalająca dioda Zenera jest wtedy zbędna. Każdy tyrystor w połączeniu szeregowym przy napięciu wstecznym jest chroniony gasikiem RC gwarantującym dobry podział napięć między tyrystory z rezystorem mocy i warystorem. Stos szeregowych tyrystorów może mieć wysokość ponad 10 metrów. Przekształtniki i transformator sieciowy stoją w dużej hali.

Regułą są dwa dwa szeregowo połączone pełne mostki trójfazowe prostowników / inverterów dołączone do uzwojeń gwiazda i trójkąt sieciowego transformatora mocy celem zmniejszenia wielkości harmonicznych napięć i prądów. Mimo tego zarówno po stronach sieci przesyłowych prądu zmiennego jak i stałego stosuje się filtry harmonicznych.

Moc systemu transmisji prądu stałego na tle mocy zwarciowej systemu prądu zmiennego jest znaczna i stosuje się pętle fazową PLL synchronizowaną napięciami sieciowymi jako generator do systemu wyzwalania tyrystorów. Pętla PLL skutecznie filtruje zakłócenia i poprawia stabilność pracy całego systemu.

Tyrystory wysokonapięciowe są rozpaczliwie wolne. Czas tq wynosi kilkaset us.

Moc największych szybkich tyrystorów nie jest wielka. Na tle zwykłych tyrystorów sieciowych ( phase control) są one drogie. Mankamentem inwerterów z wymuszonym wyłączaniem tyrystorów są duże straty mocy w tyrystorach, gasikach i obwodach LC bowiem ujemny komutacyjny impuls wyłączający musi być z zapasem wystarczający ma maksymalny prąd obciążenia nawet gdy klucze pracują z niewielkim prądem. W inverterach stosuje się topologie powiększającą prąd komutacji wraz z prądem obciążenia ale rezultaty są tylko połowicznie dobre.

Invertery z wymuszoną komutacją szybkich tyrystorów nie cieszą się dobrą opinią.

Przy danym napięciu i wartości kondensatora C obwodu komutacyjnego LC i prądzie wyłączanego tyrystora można znaleźć optymalną wartość indukcyjności L dającej najdłuższy czas wyłączania tyrystora głównego i towarzyszący temu szczytowy prąd komutacji. Jest on 2-3 krotnie większy od wyłączanego prądu. I tak w odbiorniku TVC z tyrystorowym układem odchylania gdzie szczytowy prąd odchylania poziomego wynosi 6A szczytowy prąd komutacji wynosi circa 16A.

Najszybsze jako komutowane prądem anodowym są niewielkie tyrystory GTO z ujemnie spolaryzowaną bramką ale niewyłączane bramką. Philips dla swoich GTO na prąd 10-15A podaje czas tq=1 us. Czas ten jest niesamowicie krótki.

Dwa asymetryczne tyrystory ASCR (nie tolerują napięcia wstecznego, tyrystor wybierający i komutacyjny ) do telewizyjnych układów odchylania poziomego dla odbiorników kolorowych mają tq=4.2 i 2.4 us przy ujemnym polaryzowaniu bramki napięciem -27V poprzez opornik 47 Ohm.

Tyrystory przeznaczone do inverterów mają tq>6 us. Dalej omówiono szybki tyrystor BTW62 Philipsa na napięcie 1000V. Jednak większość mocniejszych tyrystorów jest dużo wolniejsza.

Producenci nazywają szybkimi nawet duże tyrystory o tq=100 us.

Tyrystory szybkie z reguły mają mocno rozwiniętą bramkę. Dla ułatwienia wyzwalania i polepszenia tolerancji di/dt duże szybkie tyrystory mają bramkę dynamiczną czyli mały tyrystor ( oczywiście z rozwiniętą bramką) połączony w „Darlingtona” z tyrystorem roboczym.

Tyrystory szybkie z rozwiniętą bramka tolerują szybkie narastanie załączanego prądu bowiem moc nie jest zlokalizowaną punktowo przy bramce jak z nierozwiniętą bramką. Jednak rekomendowany jest znaczny impuls bramkowy. Znaczna stromość narastania prądu skutkuje ograniczeniem trwałości tyrystora. Dlatego w inverterach stosowane są dodatkowo dławiki nasycane co pokazano w omówionym dalej urządzeniu General Electric.

Wydaje się że szybkie tyrystory zostaną wyparte przez GTO oraz w zastosowaniach mniejszej mocy przez Darlingtony i IGBT.

Normą jest bezpośrednie galwaniczne wyzwalanie tyrystorów, wyzwalanie przez transformatorek i wyzwalanie optyczne a w optotriakach i optotyrystorach izolowane elektryczne za pośrednictwem światła wewnątrz przyrządu.

W niektórych tyrystorach przy załączaniu sporo podskakuje napięcie na bramce, szczególnie przy dużej stromości narastania załączanego prądu di/dt szczególnie w tyrystorach z bramką dynamiczną. Przy wymuszonym wyłączaniu tyrystora na bramce pojawia się napięcie ujemne. Trzeba więc uważać aby te impulsy wstecznie nie zakłóciły działania systemu szczególnie przy połączeniu galwanicznym ale także przez transformatorek bramkowy.

Rozmaitość tyrystorów i problemów z nimi jest duża.

Pozornie tyrystory są mało wymagające na sygnał wyzwalający. Jednak przy zbyt słabym i wolno rosnącym impulsie bramkowym tyrystor źle toleruje szybko narastający prąd przy załączaniu nawet od równoległego gasika RC. Efektem jest skrócenie żywotności tyrystora. Szybkość narastania impulsu bramkowego limitowana jest głównie indukcyjnością rozproszenia transformatorka. Powiększająca rozproszenie grubość izolacji międzyuzwojeniowej wynika z wymaganej wytrzymałości elektrycznej. Z tego względu korzystne są krótkie silne impulsy co pozwala zmniejszyć liczbę zwojów uzwojeń i szkodliwą indukcyjność rozproszenia. W czasie podania impulsu w polu magnetycznym rdzenia transformatorka gromadzi się energia która następnie się rozprasza diodą, diodą Zenera lub obwodem RC. Z tego względu należy stosować ferryty lub inne magnetyki o dużej przenikalności aby tą rozpraszaną energie minimalizować.

Próba wyzwalania tyrystora z ujemnym napięciem anodowym daje wielki upływ wsteczny i co gorsza moc jest w strukturze zlokalizowana. Najlepiej w ogóle nie podawać impulsów wyzwalających przy ujemnym napięciu anodowym ale czasami nie jest to łatwe do implementacji. Również z tego względu należy stosować krótkie impulsy bramkowe o małym wypełnieniu.

Pojawiające się na bramce tyrystora w czasie załączania i przy wymuszonym wyłączaniu napięcia oczywiście zakłócą układ wyzwalający na bardzo popularnym jeszcze do niedawna tranzystorze jednozłączowym. GE opracował układ z mostkiem diodowym eliminujący te interakcje.

Odporność tyrystora na załączanie dynamiczne szybko rosnącym napięciem anodowym du/dt polepsza się obowiązkowo stosując w większości zastosowań równoległy do G-K dwójnik RC.

Tyrystory GE serii C, jak C106 są super czułe i umożliwiają minimalizacje mocy zasilania urządzeń z nimi przy bezpośrednim wyzwalaniu ale należy aktywnie blokować ich złącze G-K. Bez tego tyrystor nie wyłączy się gdy powinien się już wyłączyć.

W czterokwadrantowym napędzie tyrystorowym stosowane są dwa antyrównoległe mostki trójfazowe. Układ ma 12 tyrystorów i 12 transformatorków bramkowych i 12 sterujących układów elektronicznych. Użycie tak dużej ilości elementów ( a robot ma 6 serwonapędów !) wymaga mocnej optymalizacji płyty drukowanej. W zależności od kierunku prądu wyjściowego aktywny jest tylko jedne mostek trójfazowy. W części układ logiczny można wykonać na bramkach CMOS4000 lub alternatywnie podając napięcie zasilania do jednej z dwóch grup driverów. To drugie rozwiązania oszczędza na komplikacji połączeń.

Rozwiązania omówiono na przykładzie systemu CNC 6M Fanuc i napędu tyrystorowego Fuji.

Drivery CMOS

W driverze górnego klucza półmostka w systemie bez izolacji galwanicznej transoptorem lub transformatorkiem zachodzi trudność przesunięcia poziomu sygnału sterującego dla zmiennego i wysokiego poziomu górnego klucza mocy. W rozwiązaniach dyskretnych do transmisji informacji do drivera stosuje się układ sterowanego źródła prądowego niestety statycznie pobierający moc. Z tego względu rozwiązanie to słabo nadaje się do integracji jako że rozpraszanie mocy przy dużym napięciu Uce nie rokuje dobrze niezawodności układu scalonego.

W scalonych kluczach i analogowych multiplexerach / demultiplexerach CMOS zastosowano sprytne ( geniusz ludzki jest nieograniczony !) przesuwniki poziomu napięć nie pobierające statycznej mocy ! Przykładowo układy kluczy DG200/201 mogą być zasilane „ analogowymi” bipolarnymi napięciami +/-15V i przełączać sygnały analogowe mieszczące się z tym zakresie napięć. Bramki tranzystorów klucza muszą być przełączane pełnymi napięciami. Natomiast zewnętrzny sygnał logiczny operujący kluczami może mieć wygodny dla logiki poziom 0/5V ale nie większy niż dodatnie napięcie zasilania układu.

Przesuwniki są bardzo pomysłowe.

NB. Układy CMOS stwarzają duże pole zastosowań i mają dużą elastyczność co w układach VLSI pozwala oszczędzać ilość tranzystorów i przyśpieszać logikę. Przyszłość należy do CMOS.

Zastosowano dwa kaskadowo połączone przesuwniki napięć. Pierwszy przesuwnik ze sterującego sygnału logicznego wytwarza sygnał o wartości dodatniego zasilania „analogowego”. Tranzystory przewodności P Q3 i Q7 w pierwszym przesuwniku tworzą górny przerzutnik RS ( bardzo niefortunnie jest to narysowane co utrudnia w zorientowaniu się co to jest ) którego stan jest wymuszany tranzystorami Q1,Q2 sterowanymi sygnałem logicznym od strony bramki i źródła ! Tranzystory Q1,Q2 dostarczają drenami tylko krótki impuls prądu ( patrz dalej omówienie układów IR 2110 ) do przełączenia przerzutnika. Oczywiście przewodzi tylko tranzystor Q1 albo Q2. W innym rozwiązaniu nie jest stosowane sterowanie od strony źródła ale sterowanie tranzystora bramką bramką poprzez inverter ale z wyrównaniem czasu propagacji. Przerzutnik RS steruje tranzystory P Q5 i Q8 na identycznej zasadzie wymuszające stan drugiego dolnego przerzutnika RS na tranzystorach N Q5 i Q6 którego poziom zmienia się między ujemnym i dodatnim analogowym napięciem zasilającym. Sygnał z drugiego dolnego przerzutnika zbuforowany typowymi inverterami przełącza tranzystory kluczy.

Zauważmy że przy zasilaniu V+/V- napięciami +/-15V na bramkach tranzystorów w drugim przerzutniku RS i dalszych tranzystorach logicznych jest napięcie Ugs sięgające 30 V. Zatem idei tej wprost nie można zastosować do przesuwania poziomów w scalonym energoelektronicznym driverze CMOS wysokonapięciowych kluczy jako że możliwe jest wytworzenie w układzie scalonym tranzystorów na napięcie drenu 1000 V ale napięcie bramki nie może przekroczyć 40-50V.

Firma International Recifier produkuje jednak scalone drivery górnych kluczy na napięcia 600V ale nie podaje wewnętrznego schematu chipa a schemat blokowy może być bardzo nieścisły.

Autor odkrył że wystarczy w odpowiedniku górnego przerzutniku RS dać w „kaskodzie” dwa wysokonapięciowe tranzystory P. Zależnie od stanu przerzutnika RS potencjalnie aktywny jest tylko ten tranzystor P w kaskodzie który może zmienić stan przerzutnika RS króciutkim impulsem prądu z napięcia statycznego podanego dwoma wysokonapięciowymi tranzystorami N bowiem po zmianie stanu przerzutnika RS jest wyłączony. Oczywiście nie ma żadnego generatora impulsu. Układ więc zachowuje cechy logiki CMOS nie pobierającej prądu w stanie statycznym. Z uwagi na de facto różnicowe przekazywanie sygnałów przy potężnej różnicy napięć bardzo silnie tłumione są zakłócenia du/dt co ma pierwszorzędne znaczenie. Autor sprawdził praktycznie działanie układu ale dysponował tylko sygnałowymi tranzystorami N i P na napięcie 200V.

Układ IR2110 sterujący półmostek ma trzy napięcia zasilające:

-Napięcie Vdd/Vss to napięcie systemu sygnałowego. Może być 5V

-Napięcie Vcc/Com dolnego drivera dla tranzystorów Mosfet winno być około 10V zaś dla tranzystorów IGBT 15V lub trochę ponad 15V.

-Napięcie Vb/Vs z zasilającego kondensatora bootstrap. Jest ono circa o napięcie przewodzącej diody mniejsze od Vcc

Wejściowe logiczne sygnały sterujące są podane do buforów z histereza co ułatwia konstrukcje układu energoelektronicznego z dużymi szumami. Sygnał blokujący ShutDown po odblokowaniu akcją przerzutników TS opóźni odrobinę załączanie kluczy.

Po przesuwnikach poziomu sygnał dla dolnego drivera jest podany przez opóźnienie podobne do opóźnienia układu przesuwania poziomu dla górnego drivera. Dolny i górny driver mają układy UV ( Under Voltage) blokujące drivery przy zbyt małym napięciach zasilania dla pewnego czyli bezpiecznego załączania Mosfetów. Próg działania UV jest za niski dla sterowanych tranzystorów IGBT o czym koniecznie należy pamiętać.

Sygnał sterujący górnego drivera jest różniczkowany i podany na dwa wysokonapięciowe tranzystory przełączające górny przerzutnik RS.

Celowo wprowadzono asymetrie czasów propagacji aby ułatwić sterowanie kluczy – sygnały wyłączające klucze są szybciej propagowane niż sygnały je włączające.

Od strony projektu i wykonania chip IR2110 nie jest specjalnie trudny. Jednak pasożytnicze pojemności muszą być mocno zredukowane aby układ działał poprawnie przy szybkim przełączaniu kluczy mocy.

Do pewnego, głębokiego załączania kluczy Mosfet i IGBT napiecie zasilające drivery musi mieć określona wartość minimalną. Aby przy załączaniu jednego klucza pojemność bramka - dren nie załączała drugiego klucza półmostka rezystancje bramki Rg+ (większa) i Rg- (mniejsza) są celowo asymetryczne. Układ IR2110 montowany jest w obudowie DIL. Po użyciu obudowy DIL 16 można by osobno wyprowadzić wyjścia załączające i wyłączające obu driverów co pozwoliłoby oszczędzić na elementach dyskretnych i miejscu na PCB.

Aplikacja układu jest bardzo prosta. Niestety układ nie jest bez drobnych wad:

-Tak jak w każdym ( !) rozwiązaniu z zasilaniem górnego drivera klucza z kondensatora Bootstrap koniecznie należy zadbać o sekwencje startową dla naładowania tych kondensatorów. Bez tej sekwencji zachowanie systemu może być bardzo dziwne.

-Z powodu indukcyjności rozproszenia połączeń półmostka i czasu załączenia diody antyrównoległej dolnego klucza na Vs może się pojawić króciutka szpilka ujemnego napięcia. Dopuszczalna wielkość tej szpilki jest ograniczona a zbyt duża jest wartość zakłóca działanie układu. Z tego względu układy IR2110 nie nadają się do dużych kluczy gdzie ujemna szpilka jest za duża. Czasem szpilkę trzeba ograniczyć ultraszybką diodą tuż przy układzie. Indukcyjność rozproszenia połączeń mocy jest krytyczna. Tym bardziej warto scalić w moduł klucze mocy.

-Sygnały do górnego drivera są podane dynamicznie ( jeśli chemat blokowy nie wprowadza w błąd a jest to możliwe z uwagi na zastosowane patenty) i w skojarzeniu z działaniem układu UV powoduje to zlekceważenie statycznego sygnału załączającego górny klucz po incydencie z UV lub w czasie startu. Należy zadbać o to aby napięcie Vb/Vs na kondensatorze bootstrap po sekwencji startowej nigdy nie spadło.

W zasadzie układ IR2110 służy do sterowania półmostka. Wydaje się że przy wadliwym jednoczesnym podaniu destrukcyjnego rozkazu załączenia obu kluczy półmostka układ powinien oba klucze wyłączać i następnie opóźnić rozkaz załączenia. Ta prosta w realizacji funkcjonalność przy poprawnym sterowaniu byłaby nieużywana ale w krytycznej sytuacji zapobiegłaby zniszczeniu półmostka i pewnie drivera. Układ IR2110 może sterować dwu - tranzystorowy układ zasilacza Forward z jednoczesnym załączaniem dolnego i górnego klucza. Po modyfikacji w tej roli układ nie mógłby być niestety obsadzony.

Układ ma za małe maksymalne napięcie dla mostka zasilanego wyprostowanym napięciem trójfazowym 220/380Vac czyli 535Vdc. Dla bezpiecznej pracy z marginesami układy dla tego zastosowania powinny być na napięcie conajmniej 800V.

Scalony driver IR2110 jest dużym, milowym krokiem naprzód w stosunku do drivera wykonanego z elementów dyskretnych ale potrzebna jest dalsza integracja monolityczna i hybrydowa. IR oferuje nie tylko obudowane klucze ale też same ich struktury. Hybrydowy układ mostka trójfazowego winien zawierać elementy mostka razem z driverami oraz prostym i pewnym w działaniu systemem zabezpieczającym a najlepiej i z systemem do pomiaru prądów. Bardzo uprościłoby to projektowanie i produkcje napędów i serwonapędów. Mitsubishi produkuje hybrydowe mostki trójfazowe z tranzystorami Darlingtona więc napewno wyprodukuje mostki z tranzystorami IGBT. Pozostaje dodać conajmniej drivery.

Zaletami takiego hybrydowego modułu są:

-Krótkie połączenia między kluczami o małej indukcyjności i małe przepięcia

-Małe zużycie materiałów

-Bardzo staranne przetestowanie co nie ma miejsca przy małoseryjnej produkcji urządzeń energoelektroniki

-Prosta aplikacja jako „building block” czyli cegły w murze umożliwiająca zmniejszenie nakładu pracy na projekt finalnego urządzenia i projektowanie złożonych urządzeń mniejszym firmom.