Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 133

 Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 133

Archiwum EnergoPatent: Świetlówka Zapłon Balast.
 W zastosowaniach nieprzemysłowych najwyższą społeczną użyteczność Energia Elektryczna ma w oświetleniu. Przed erą elektryczności z oświetlenia świeczkami i późniejszą lampą naftową korzystały tylko wąskie warstwy materialnie uprzywilejowane. Na wsi chodziło się spać wraz ze zmrokiem.
 Przy długości fali świetlnej 555 nm ( kolor zielony ) 1 W mocy odpowiada strumień światła 683 lm.
Sprawność żarówek i żarówek halogenowych jest niezwykle mała. Przy zmianie zasilającego napięcia od nominalnego o +-1%, pobierany prąd zmienia się +-0.5%, pobierana moc o +-1.5%, strumień świetlny o +-3.5%, efektywność barwy o +-1.8% a trwałość aż o -+13%.
Zatem nominalna temperatura wolframowego włókna ma ogromne znaczenie ekonomiczne. Gdy temperatura włókna  jest wyższa sprawność rośnie ale trwałość błyskawicznie spada. Wymiana żarówki wymaga jej zakupu i wymiany oraz utylizacji zużytej żarówki. W firmach i instytucjach czynności te wykonuje m.in. etatowy elektryk czyli koszty tego są znaczne. Przy znacznej zawodności system oświetlenia musi mieć więcej żarówek aby przy uszkodzeniu zachował swoją minimalną wydajność i użyteczność.
Ta nominalna temperatura żarnika żarówki jest trochę różna w różnych krajach a zatem temat optymalizacji jest kontrowersyjny.  
Oczywiście jedna żarówka większej mocy emituje więcej światła niż kilka żarówek  mniejszych o identycznej sumarycznej mocy.
W Polsce za mało uwagi przykłada się do sprawności opraw czyli domowych lamp. Drobna niestaranność w produkcji  wystarczy aby oprawa była nieszczelna co prowadzi z czasem do jej zabrudzenia i dużego spadku efektywności.

 Na oświetlenie zużywana jest niewielka część wytwarzanej energii elektrycznej. W Polsce dominują elektrownie zasilane węglem kamiennym. Już pod koniec lat sześćdziesiątych część kopalń węgla kamiennego była mocno i trwale nierentowna. Obecnie górnictwo węgla kamiennego zasilane jest wysokimi jawnymi i ukrytymi datacjami. Nierentowne są wszystkie kopalnie. Zatem energia elektryczna też jest wysoko dotowana. Dotacje sprzyjają marnotrawstwu i nieracjonalności.

 W głównym standardowym – historycznym  szeregu świetlówek najwyższą sprawność świetlną dochodzącą do 90 lm / W mają świetlówki o mocy 40 W i świetle białym. Podane dalej dane dotyczą właśnie świetlówki o mocy 40 W. W świecie są już produkowane świetlówki o wydajności do 110 lm / W. Trwałość typowych świetlówek wynosi około 16 tysięcy godzin pracy przy spadku strumienia świetlnego do 70% początkowego ale każde poprawne załączenie skraca trwałość świetlówki o 1-2 godziny. Liczne niepoprawne próby załączenia świetlówki szybko ją dewastują. Są już świetlówki ( konieczny do współpracy jest optymalny zapłonnik elektroniczny ) o szacowanej trwałości ponad 100 tysięcy godzin pracy. Średnica rur nowoczesnych świetlówek została mocno zmniejszona.
Niestety w Polsce poważny ekonomicznie temat optymalizacji  jest martwy.
Na korytarzach różnych obiektów ( szpital, recepcja hotelu...) część świetlówek pali się przez okrągły rok ! To jest ich właściwe zastosowanie. Ich włączniki powinny być zabezpieczone przed przypadkową operacją lub umieszczone w miejscach nie od razu widocznych. I tak recepcja izby przyjęć w dużym budynku szpitala pracuje ( nie tylko małe spoczynkowe oświetlenie ) przez okrągły rok 24 godziny na dobę !
Żywot świetlówki kończy się na utracie zdolności emisyjnych katod lub przepaleniu żarnika / żarników. Optymalna temperatura do jakiej podgrzane są katody w czasie Startu ma dać najdłuższą żywotność w pracy i pewność szybkiego startu. Mocne podgrzanie katod daje szybki pewny start i małe rozpylenie materiału tlenkowego z powierzchni katod ale rośnie ryzyko przepalenia żarników.
W stanie ustalonym podgrzewania ( nie pracy !) wraz z rosnącym napięciem na żarniku prąd rośnie powoli podobnie jak to jest w żarówce skutkiem dodatniego współczynnika temperaturowego oporności wolframu.  Przy napięciu żarnika 6Vdc prąd wynosi 460 mA a przy 9V – 580 mA  ale przy napięciu 12V prąd dziwnie nagle podskakuje do 920 mA i tylko koniec rury świetlówki świeci jak normalnie pracująca świetlówka czyli już przy tym napięciu ale na małym dystansie odbywa się wyładowanie przy anormalnie gorącej katodzie !  
Świetlówka może pracować zasilana prądem stałym ( nie napięciem, ujemna oporność dynamiczna !) aby przy kolejnych włączeniach musi się zmieniać biegunowość prądu bowiem inaczej jej żywotność jest krótka.
Przy rosnącej częstotliwości prądu zasilania sprawność świetlówek rośnie w stosunku do zasilania prądem 50 Hz o około 30% do częstotliwości 10-15 KHz z racji ciągłości procesów fizycznych.
Zatem celowe jest zasilanie świetlówki z invertera o częstotliwości > 15 KHz. Zaletą takiej częstotliwości pracy jest też brak zakłóceń akustycznych.  

Wadą świetlówek jest:
-Konieczność użycia nietaniego układu startu i indukcyjnego (lub pojemnościowo - indukcyjnego ) stabilizującego balastu. Straty mocy w balaście dla świetlówki 40 W wynoszą do 5 W.
-Skracanie trwałości każdym załączeniem. Świetlówki winny być stosowane tylko tam gdzie są załączane na wiele godzin pracy. W Recepcji hotelu, Portierni szpitala i jego Izbie przyjęć, sterowni i maszynowni statku ... gdzie części lub całości oświetlenia w ogóle się nie wyłącza przez cały rok !  
-Praca w ograniczonym do 5-40 C zakresie temperatur otoczenia.  Nie mogą a przynajmniej nie powinny być więc w Polsce użyte do oświetlenia zewnętrznego. N.B. Przy niskich temperaturach nie pracują też poprawnie rtęciówki ale przy ulepszeniu układu startowego wada może być wyeliminowana.
-Choć strumień światła mniej zależy od napięcia zasilania niż dla żarówek to start przy napięciu sieciowym obniżonym o 20% jest niemożliwy.
-Pulsacje strumienia światła o częstotliwości 100 Hz. Można je bardzo zmniejszyć stosując pracę z dwoma świetlówkami w oprawie z balastami antystroboskopowymi.
-Dyskretne widmo promieniowania i resztkowa obecność promieniowania UV  
-Użycie niewielkiej ilości bardzo toksycznej rtęci.
-Pobór z sieci mocy biernej i zniekształconego prądu.

 Świetlówka ma wokół nominalnego punktu pracy ujemną dynamiczna oporność. Nie jest to jednak szybkie zjawisko. Przy zasileniu jej ze sztywnego źródła napięcia ulega zniszczeniu. Z reguły napięcie sieciowe zasilania balastem – dławikiem musi być najmniej 2 razy większe niż napięcie na samej  świetlówce. Napięcie pracy na świetlówce mocy 40 W dla sieci 220 Vac wynosi 102 V przy prądzie 430 mA.
Wykres (dla ilustracji ) dotyczy świetlówki zasilanej z sieci 127 V.

 W oprawie antystroboskopowej jedna świetlówka zasilana jest jak zawsze przez dławik ale druga przez kondensator ale z dodatkowym niewielkim szeregowym dławikiem właśnie dla neutralizacji ujemnej dynamicznej oporności, która wykazuje pewną zwłokę i dla ułatwienia zapłonu. Dodatkową zaletą takiej oprawy jest poprawiony współczynnik mocy ale pobierany prąd jest dalej zniekształcony.

Znany jest układ bez zapłonnika. Transformator HT podaje napięcia żarzenia do włókien świetlówki ale bez kondensatora obniżyłby z dławikiem ( dzielnik indukcyjny) napięcie zasilania świetlówki utrudniając zapłon.  Stabilizujący prąd pracy dławik wraz  z kondensatorem daje pseudo rezonans podnoszący trochę napięcie na świetlówce.

 Tradycyjny zapłonnik z neonówką z bimetalem i z równoległym kondensatorem zapewnia zapłon od pierwszej sekwencji  ale wykazuje starzenie. Starzeje się też  świetlówka. Po pewnej ilości zapłonów  rośnie ilość prób zapłonu aż w końcu świetlówka ciągle mruga i bardzo szybko się starzeje i jest niemożliwa do zapalenia . Od momentu załączenia zasilania neonówka się jarzy do momentu rozgrzania swojego bimetalu. Czas ten dla procesu zapłonu świetlówki jest stracony.
Standardowa świetlówka dopuszcza zapłon tylko i wyłącznie z rozgrzanymi oboma żarnikami. Świetlówkę można zapalić dużym napięciem z zimnymi żarnikami  czemu towarzyszy mocne rozpylanie (uderzenia przyśpieszonych ciężkich jonów rtęci ) materiału tlenkowego na żarnikach osadzającego się na końcach rury świetlówki co daje jej szarzenie tam. Każdy taki zimny zapłon skraca żywotność świetlówki o około 50-300 godzin !
Zapłonnik elektroniczny zapewnia szybki i pewny start oraz wysoką trwałość świetlówki. Jest mechanicznie zgodny z tradycyjnym zapłonnikiem. Znane są następujące rozwiązania zapłonników elektronicznych które mogą być stosowane zamiast konwencjonalnych zapłonników neonówkowych.
-W zapłonniku jest sterowany prostym układem elektronicznym czuły miniaturowy Przekaźnik. Identycznie jak z neonówką początkowy czas do załączenia przekaźnika i grzania katod jest stracony. Ale czas ten jest krótki. Jest to najgorszy z elektronicznych zapłonników.
-Zapłonnikiem jest Pozystor PTC czyli ceramiczny termistor o dodatnim współczynniku temperaturowym rezystancji. Po załączeniu zasilania zimny PTC powoduje płynięcie nagrzewającego żarniki i siebie samego prądu. Rozgrzanie PTC powoduje bardzo szybki, wręcz skokowy wzrost rezystancji i zapłon świetlówki. PTC jest tylko dla danej mocy świetlówki. Gdy z PTC włączona jest dodatkowo szeregowa dioda dławik ulega nasyceniu pulsującym prądem stałym  i prąd znacznie wzrasta co daje szybkie nagrzanie i załączenie świetlówki. Mankamentem jest minimalny czas wyłączania świetlówki wystarczający na ostygnięcie termistora PTC oraz niewielka strata mocy na ciągle gorącym miniaturowym PTC ! Całościowo jest to rozwiązanie najlepsze.
-Załączanym dla nagrzania żarników kluczem mocy jest bardzo czuły tyrystorek ( obudowa TO92 lub TO126 ) przewodzący półokresowo dający nasycenia dławika i duży prąd grzania. Bramka sterowana jest prostym układem elektronicznym.  
-Załączanym dla nagrzania żarników kluczem mocy jest czuły tyrystorek za mostkiem diodowym przewodzący pełnokresowo. Bramka sterowana jest prostym układem elektronicznym.
-Załączanym dla nagrzania żarników kluczem mocy jest  triak przewodzący pełnokresowo. Bramka sterowana jest prostym układem elektronicznym.
 
 Układ elektroniczny mieści się w obudowie zwykłego zapłonnika z neonówką i zapłonnik elektroniczny i jest z nim zgodny mechanicznie.
 Odpowiednie czułe miniaturowe przekaźnik nie są w kraju produkowane ale odpowiednią technologie mamy opanowaną przemysłowo. Nie jest to jednak dobre rozwiązanie z wielu powodów.
Uruchomienie produkcji odpowiednich ceramicznych termistorów – pozystorów PTC jest proste i nie wymaga wielkich środków bo jest to w Polsce znana technologia. PTC mają wiele różnych zastosowań. Między innymi zasilają po włączeniu zasilania sieciowego pętle rozmagnesowująca kineskopu kolorowego w odbiorniku TVC. Zapłonnik z PTC doskonale sprawdza się w RFN gdzie przerwy w dostawie energii elektrycznej są bardzo rzadkie. Ponieważ zapłon wymaga wystygnięcia PTC w Polsce mogły by być z tym problemy.
Tańsze od zachodnich ale bardzo dobrej jakości zapłonniki elektroniczne mogły by być eksportowane w dużej ilości na cały świat najlepiej z trwałymi świetlówkami i ładnymi oprawami . To jest prawie najlepsze rozwiązanie. Najlepszym bowiem rozwiązaniem jest eksportowa budowa dużego i drogiego obiektu pod klucz z oświetleniem jako cząstką nakładów.
Choć tanie tyrystorki z bardzo czułą bramką (Igt< 200 uA a często 20 uA ) są produkowane w świecie od lat to nie są produkowane w Polsce i w krajach RWPG. Uruchomienie ich produkcji w kraju jest trywialne.
Czechosłowacja od lat produkuje triaki w małych obudowach TO220. Produkuje też diaki. Wykonanie z tych elementów zapłonnika też jest możliwe.

 Energia elektryczna w pociągu, na statku, w autobusie i samolocie jest dużo droższa niż z sieci energetycznej. Średnia sprawność dwumaszynowej przetwornicy obniżającej w lokomotywie  trakcyjne napięcie 3 KV wynosi tylko około 64%. Wagę tego tematu szybko doceniono na Zachodzie.
 Prawdopodobnie pierwszą pełnowartościową przetwornice do poprawnego zasilania świetlówek opisano w Application Note Mullarda - Philipsa. Na schemacie dodano brakujące kropki kierunków przy uzwojeniach transformatora.

 Zastosowane tu wspomniane połączenia „antystroboskopowe” (dla sieci energetycznej 50 Hz) dwóch świetlówek 2 x 40 W pozwala mocno zmniejszyć cyrkulująca  moc bierną i obciążenie kluczy mocy. Użyta para prymitywnych tranzystorów germanowych OC28  ma Ic=8A i Uceo=80V. Ponieważ Ft tranzystorów wynosi tylko 250 KHz (przy dużym prądzie jest jeszcze mniejsza) to częstotliwość pracy wynosi tylko około 5 KHz. Podano jednak iż już przy tej częstotliwości świetlówki mają większą sprawność emisyjną ( w stosunku do zasilania sieciowego 50 Hz) pokrywającą straty mocy w przetwornicy. Rdzeń transformatora pracuje tu bez nasycenia i sterowanie baz tranzystorów daje względnie małe straty dynamiczne w kluczach. Częstotliwość pracy przetwornicy trochę rośnie z obciążeniem. Napięcie na ( niestety ) ciągle zasilanych żarnikach świetlówki wynosi 9 V RMS.
Z powodu niedostępności starych tranzystorów OC28 użyto dawno temu do budowy takiego układu dostępnych tranzystorów  ASZ1015 ( 6A, 60V a więc są słabsze i trzeba o 1-2V zmniejszyć napięcie zasilania ), tranzystorów GD produkcji NRD oraz wolne P produkcji ZSRR. Wszystkie one pracują. Największe straty mają tranzystory GD, po nich P a najmniejsze ASZ.
Nie można tu zastosować tranzystorów krzemowych ponieważ mają zbyt niskie napięcie Ubeo. Wymagane jest  zmniejszeniu o połowę ilości zwojów uzwojenia sterującego bazy tranzystorów  i ewentualnie (zależy od wzmocnienia tranzystorów prądowego ) rezystorów Rbe. Znacznie lepszym rozwiązaniem jest dodanie diod 1N400X równolegle do B-E tranzystorów i szeregowego rezystora z kondensatorem.
Z szybkimi tranzystorami krzemowymi ( tranzystory 2N3055 i pochodne są powolne ale BDY25 i jemu podobne są już „szybkie” ale przy niezbyt dużym Ic ) mimo bifilarnego nawinięcia uzwojeń kolektorowych ( redukcja indukcyjności rozproszenia transformatora) konieczne jest użycie snubbera RC między kolektorami co ogranicza wyłączeniowe straty mocy w tranzystorach i na przewodzenie lawinowe avalanche a czasem zapobiega ich zniszczeniu.
Tranzystory krzemowe mają też z reguły małe wzmocnienie inwersyjne i może być konieczne dodanie tanich diod antyrównoległych do C-E.
Ogólnie znacznie mniejszą moc strat w kluczach przetwornic uzyskujemy stosując sterowanie baz poprzez malutki pomocniczy nasycany transformatorek ferrytowy. Najlepsze jest prądowe sterowanie proporcjonalne dające płytkie nasycenie i w rezultacie szybkie wyłączenie.  Wymagany jest prosty impulsowy układ startowy. Choć tu tranzystory krzemowe bez radiatora są mocno ciepłe to dowolnie długo pracują poprawnie czyli z małym radiatorem ich trwałość będzie „nieskończona” ! Z „szybkimi” tranzystorami krzemowymi częstotliwość pracy powinna wynosić 15-20 KHz aby nie było uciążliwego szumu akustycznego i znacznie mniejsze są wtedy elementy indukcyjne.
Deliberowani nad tym układem jest bezcelowe bo znane są znacznie lepsze rozwiązania.
Mankamentem przetwornic przeciwsobnych jest szybka komutacja prądu między połówkami uzwojenia pierwotnego co daje duże straty w miedzi na prądy wirowe. Lepszym rozwiązaniem jest uzwojenie bifilarne wykonane Litzą. Generalnie układy przeciwsobne mają lepszą sprawność niż półmostkowe i mostkowe tylko do napięcia 24-48V.  
Energia elektryczna jest bardzo droga w wagonach osobowych pociągu ciągnionego przez lokomotywę Diesla (importowana ropa naftowa jest bardzo droga ) lub parowóz (szalenie mała sprawność i konieczny węgiel wysokiej jakości). Droga jest też energia elektryczna na pokładzie statku wytworzona obecnie z ciężkiego oleju czy mazutu.
Wszędzie tam gdzie energia jest droga warto stosować energooszczędne świetlówki.   
 
 Światową nowością jest sieciowa świetlówka Compactowa firmy Osram z wbudowanych balastem elektronicznym. Zastosowano w niej zasilany wyprostowanym napięciem sieciowym ( mostek diodowy i kondensator elektrolityczny ) półmostek z dwoma tranzystorami o napięciu Uceo=400V pracujący z częstotliwością ponad 30 KHz.
Schemat i działanie prostego układu szybko opisano w literaturze. Samo to adaptowane rozwiązanie testowano  z normalnymi świetlówkami o mocy 20 W ( napięcie pracy na nich wynosi tylko 57V ) z tranzystorami BDY25, KD503... z napięciem zasilania do 120 Vdc. Działa ono bez zastrzeżeń.
Tranzystory BF459 ( 100 mA / 300 V ) realnie mają w większości większe niż katalogowe napięcie Uceo. Ogólnie mankamentem wszystkich tranzystorów tego rodzaju do wzmacniaczy Video sterujących katody kineskopu odbiornika TVC  jest bardzo szybko spadające z prądem  kolektora wzmocnienie prądowe ale tu nie ma to znaczenia. Znacznie gorszy jest szybki spadek z prądem Ft  czyli zwiększenia czasu wyłączania. Podawane wzmocnienie prądowe z Ic=100 mA i Uce=20V spada do 20 razy ale przy Ucb=0 spada do 6 razy czyli jest tu klasyczne dla tranzystorów wysokonapięciowych quasi nasycenie. Przy wyłączaniu tego nasyconego tranzystora prądem bazy równym 1/3 Ic prąd kolektora wpierw spada nie za szybko ale w miarę wzrostu Uce spada bardzo szybko. Widać  przeciągania czyli dynamiczne straty energii przy wyłączaniu są za  duże.
Tranzystor wysokonapięciowy mocy BU208 ma Ft=4 MHz ale mierzoną przy prądzie tylko 100 mA. Przy pełnym prądzie kolektora Ic=5A spada ona poniżej 500 KHz czyli dziesięciokrotnie. Jest to typowe dla tranzystorów wysokonapięciowych. Zatem podobnie jest też z małymi tranzystorami wysokonapięciowymi  BF459, BD159  i  MPSA42.  
Układ eksperymentalny do „normalnej” świetlówki 40W na napięcie sieciowe zbudowano z tranzystorami bez radiatorów BU326 i BD159 ( BD159 po trzy równolegle,  Ic=500mA, Uceo=350V, TO126 użyte w stabilizatorze napięcia odbiorników Uran, Cygnus ). Tranzystory BU326 pracują zimne czyli moc strat jest znikoma. Ponieważ tranzystor BD159 nie jest szybki  moc strat w  tranzystorach jest za duża ale tranzystory nie ulegają uszkodzeniu w czasie długiej pracy !
Tranzystory MPSA42 ( po trzy równolegle, Ic=500 mA, Uceo=300V, TO92 )  robią się za gorące i układ trzeba raczej wyłączyć po pewnym czasie  aby uniknąć zniszczenia tranzystorów.
Do takiej świetlówki z elektronicznym balastem w kraju nie są produkowane tranzystory wysokonapięciowe oraz diac ( układ startowy ), miniaturowe kondensatory polipropylenowe i odpowiednie rdzenie ferrytowe no i sama miniaturowa świetlówka.

Zatem w temacie świetlówek celowe jest ulepszenie technologii produkcji świetlówek (w tym redukcja średnicy) i zapłonników oraz ich szczelny test produkcyjny tak aby ich żywotność radykalne powiększyć oraz produkcja zapłonników elektronicznych do uzyskania trwałości 100 tysięcy godzin pracy ulepszonych świetlówki przy sprawności 110 lm/W.

 W licencyjnej rodzinie tranzystorów „BDY25” były jeszcze typy 26, 27 i 28 o kolejno coraz większych napięciach Uceo. Niezabezpieczony chip Mesa BDY25 musi być umieszczony w  drogiej hermetycznej obudowie  metalowej TO3.  Drogi jest też pracochłonny ręczny  montaż tej obudowy w produkowanym urządzeniu. Przybliżonym odpowiednikiem BDY25 jest radziecki tranzystor  KT805 w masywnej obudowie metalowej. Po zabezpieczeniu brzegów chipa ( prawdopodobnie GP czyli Glass Passivation, litera M w oznaczeniu jako modernizowany ) jest on umieszczony w taniej „plastikowej” obudowie TO220 mającej wiele zalet. Produkcje linii tranzystorów KT80X podjęto w 1968 roku a więc niewiele  później co w Europie Zachodniej. Tranzystor KT809 ma Uceo=400 V.
Zatem po modernizacji do Uceo=400V i GP do obudowy TO220  wyjściowego tranzystora BDY25 możliwe jest wyprodukowanie tranzystorów do invertera zasilającego 2,3,4 świetlówki 40 W w ładnej oprawie zdolnej dobrze oświetlić dużą powierzchnie.         
Niestety Cemi nie rozwija nabytej licencyjnej zachodniej technologii. O ile trwa zachodnie embargo  na technologie mikroelektroniczną to pozyskanie wiedzy ( proces GP jest znany od lat ) lub maszyn z ZSRR może być darmowe  lub tanie.
 
W okresie 1970-1980 produkcja czysta polskiego przemysłu elektrotechnicznego i elektronicznego wzrosła z umownych 100% do 229%. To efekt dolarowych - kredytowych inwestycji „Gierka”
W XX wieku do bogatego Zachodu (z USA) udało się trwale (!) dołączyć tylko Japonii i małym azjatyckim Tygrysom i prawdopodobnie Korei Południowej. Firmy Japonii kopiowały rozwiązania zachodnie ale  były w stanie ulepszać i rozwijać dalej kupowaną zachodnią technologie. Dziś są liderami technologii i jedynym krajem świata gdzie roboty przemysłowe stosuje się rutynowo. A jeszcze 20 lat temu już dobrą japońską produkcje pogardliwie nazywano „japońszczyzna” Dziś koncerny Japonii agresywnym eksportem likwidują nowoczesne zachodnie firmy !
Musimy ulepszać i rozwijać nabytą technologie póki nie jest ona jeszcze archaiczna !   


Patent 135. Elektroniczne zapłonniki świetlówek.
Przedstawiono 5 rozwiązań. Elementami wykonawczymi są czułe tyrystorki i triaki. Układy są proste i znakomicie działają ze świetlówką o mocy 40 W. Tyrystorki (rekomendowane rozwiązanie) są bardzo czułe i konieczne jest aktywne blokowanie ich G-K załączonym po circa sekundzie tranzystorkiem. Koncern GE czułe tyrystorki produkuje od 1966 roku a w ślad za nim od początka lat siedemdziesiątych inne koncerny mikroelektroniczne. Jest to prosty i taniutki element. Układy mieszczą się w obudowie zwykłego zapłonnika z neonówką.  
 
Patent 136. Przetwornica przeciwsobna zasilana siecią 28 Vdc zasilająca parę świetlówek 2 x 40 W.
Świetlówki zapalają się na gorąco po czasie około 1 sekundy co zapewnia ich długą żywotność podczas gdy w rozwiązaniach  z zimnym zapalaniem jest ona znikoma. Świetlówka zapalają się jeszcze z napięciem zasilania obniżonym do 20 Vdc co jest zupełnie wystarczające. Zasilany mniejszym napięciem  układ nadaje się też do świetlówek mniejszej mocy. Sterowanie baz tranzystorów małym, nasycanym transformatorkiem ferrytowym daje bardzo małe straty statyczne i dynamiczne. Tranzystory KD503 są zimne i radiator jest zbędny. Tranzystory 2N6488 (=BDP395) również pracują bardzo dobrze.

Patent 137. Układy startowe do przetwornic.
Pierwsze tranzystorowe przetwornice ( opis z 1955 roku) pracowały z nasyceniem rdzenia transformatora. Ich sprawność była niska a dynamiczne straty mocy przy wyłączaniu tranzystora/ów wysokie. W generatorze samodławnym czasy włączania  / wyłączania są jednak krótkie co posłużyło do udoskonalenia przetwornic. Czas okresu wyznaczają obwody RC lub czas nasycenia małego pomocniczego transformatorka  użytego do sterowanie tranzystorów mocy. Praca odbywa się bez nasycenia rdzenia transformatora mocy a czas wyłączania jest limitowany przez własności tranzystorów. Przy sterowaniu proporcjonalnym prądowym proporcjonalnym możliwe jest bardzo szybkie wyłączenie tranzystora.
Spolaryzowanie klucza/y prądem stałym dla rozpoczęcia pracy jest proste ale daje straty mocy w rezystorach i pogarsza wyłączanie tranzystorów. W przypadku wysokich napięć HV przy zwarciu obciążenia po dłuższym czasie na nagrzanie dochodzi do uszkodzenia klucza /y.  
      
A.Znaczne zmniejszenie mocy strat w przetwornicy Philipsa do zasilania świetlówek i polepszenie sprawności uzyskujemy  podając (tranzystory mocy NPN ) tylko zasilanie startowe  do obu rezystorów 1 K ( 20% mniejsze wartości z tranzystorami krzemowymi ) tranzystorem PNP sterowanym poprzez  tranzystor NPN sterowany bramką AND stworzoną z dwóch diod idących katodami do kolektorów tranzystorów mocy. Gdy jeden z  kluczy jest załączony (a przy pracy zawsze tak jest ) prąd startowy nie jest podawany  Układ jest bardzo prosty i stosuje tylko tanie elementy.

B.Prąd baz tranzystorów mocy w układzie przeciwsobnym płynie przez tranzystor Q (środek uzwojenia sterującego bazy tranzystorów - kluczy ) nasycony przy pracy. Ma on równoległy kondensatorek C istotny dla procesu startu. Niewielki Prąd startowy z zasilania daje rezystor.
 
Patent 138. Impulsowe układy startowe przetwornic i SMPS.
 Znane są układy startowe z tranzystorem jednozłączowym, diakiem i innymi elementami monolitycznymi blokowane po podjęciu pracy przez przetwornice. Mogą być zasilane z napięcia 24V lub wysokiego napięcia. Zamiast tranzystora jednozłączowego lub diaka stosowane mogą być ich analogi z tranzystorów NPN i PNP ale mankamentem tego rozwiązania  jest mały prąd impulsu równy podwójnemu prądowi bazy tranzystorów NPN+PNP. W prezentowanych układach krótkie  impulsy prądu do 1A dostarcza wyjściowy tranzystor BC327 lub BC337.
 Start impulsowy jest bezpieczny przy zwarciu szczególnie dla tranzystorów mocy wysokiego napięcia  HV. Rozpraszania mocy w rezystorach jest małe. Często mniejsze są straty mocy w kluczach mocy.  

Patent 139. Przetwornice z napięcia 20-30V o bardzo wysokiej sprawności.
Analizowane i sprawdzone praktycznie  przetwornice o bardzo wysokiej sprawności ze sterowaniem proporcjonalnym baz nasycanym pomocniczym transformatorkiem ferrytowym i pseudorezonansem szeregowym zmniejszającym wyłączany przez klucze prąd (znikome Eoff) i odciążającym dynamicznie diody prostownicze na wyjściu.  
Omówiono je w zastosowaniu do rekuperacji energii w systemie  snubbera di/dt + dv/dt Undelanda.
N.B. Przetwornica nie ma regulacji wypełnienia PWM, którą ma zasilacz impulsowy SMPS.
W zastosowaniu do rekuperacji w systemie Undelanda potrzebna jest właśnie przetwornica bowiem  na drodze sprzężenia zwrotnego automatycznie samo-optymalizuje się działanie systemu.


Użyteczny Chopper tyrystorowy
Od tyrystorowego regulatora dużej mocy obniżającego napięcie stałe czyli regulatora Buck oczekujemy:
-Dobrej sprawności
-Niezawodności z minimalizacją skutków utraty komutacji tyrystora
-Niskiej masy jednostkowej
-Niskiego kosztu jednostkowego
-Małych tętnień prądu zasilającego i prądu wyjściowego
-Czasem szerokiego pasma przenoszenia

 Tyrystory mają wielokrotnie większą moc niż tranzystory wysokonapięciowe HV. Natomiast szybko rośnie moc tyrystorów wyłączanych bramką GTO ale również są to elementy powolne  i wysokostratne dynamicznie.
Jak to pokazano osobno optymalna częstotliwość pracy Fpwm spada z mocą systemu !

 Chopper tyrystorowy może wprost zasilać silnik komutatorowy DC lub zasilać inverter VSI lub CSI napędzający silnik synchroniczny ( w szczególności BLDC ) lub asynchroniczny.
Chopper tyrystorowy może być jądrem potężnego zasilacza do laboratorium energoelektroniki lub nowoczesnej fizyki.
Chopper tyrystorowy ma jednak zasadnicza wadę – w podstawowej wersji jest bezużyteczny.

 Literatura USA i zachodnioniemiecka od dawna wyczerpująco omawia podstawy teoretyczne tematu tyrystorowych chopperów. Kluczowe publikacje teoretyczne USA są już z 1963-1965 roku ale tematy są dalej wtórnie publikowane w czasopismach i książkach.
Większa część książki J.Luciński, „Układy tyrystorowe”, WNT 1973 to fragmenty z „GE-SCR manual” z 1964 roku mimo iż w 1972 roku wypuszczono mocno rozbudowaną i unowocześnią 5 edycje „GE-SCR manual” O ile wszędzie w tej książce dyskretnie podano odnośniki to  inne późniejsze polskie „dzieła” zahaczają o plagiat. Ale i tak jest mnóstwo błędów i faktycznej dezinformacji. Na rysunku 13.15 jest wzięty od GE ( „Za uprzejmą zgodą GE... ” ) układ choppera Jonesa sterowania silnikiem DC. Rysunek jest odrysowany z błędami. Pomiędzy diodami Zenera zasilającymi układ z tranzystorem jednozłączowym T1 a zasilaniem brakuje rezystora ! W oryginale u  GE pod rysunkiem jest pełen wykaz elementów który u Lucińskiego jest pominięty. W piątej edycji książki GE z 1972 roku układ jest mocno zmodyfikowany i ulepszony  Ale i tak jest to najlepsza książka w tym temacie w języku polskim.

 W układach zasilanych niskim (24-48 Vdc) napięciem użycie popularnej konfiguracji Jonesa pozwala zmniejszyć pojemność kondensatora komutacyjnego. Przy dużym napięciu zasilania sprzężenie magnetyczne  między L1 i L2 jest zbędne i wracamy do podstawowego układu. L1 zmniejsza w takim przypadku szybkość narastania prądu di/dt załączonego tyrystora głównego zmniejszając straty Eon w nim i we współpracującej diodzie.
 Natomiast zupełnie ignorowany jest podstawowy fakt o dominującym znaczeniu że system musi być odporny na niepowodzenie komutacji tyrystora. Każdy udany system tyrystorowy znany ze świata minimalizuje skutki takiego incydentu.
Racje ma genialny Einstein że ludzie dobrej woli znając okropną, drugą mroczną stronę jakiegoś tematu starają się to wyprzeć ze świadomości i widzieć tylko pozytywy i zalety.
Niepowodzenia komutacji są praktyczną prozą układów tyrystorowych i każde udane zastosowanie systemów tyrystorowych bierze to pod uwagę ! Sprawiło to że układów tyrystorowych z wymuszoną komutacją było produkowanych niewiele i systemy niedojrzałe cieszą się zasłużenie złą opinią. Sumaryczna moc tyrystorowych systemów z wymuszoną komutacją to zaledwie 9% całości mocy systemów tyrystorowych. Dominuje więc sterowanie fazowe.
W Aplikacjach tyrystorów koncernu Westinghouse omówiono tylko zabezpieczenia zwarciowe tyrystorów dla układów sterowanych fazowo tak jakby układów z wymuszoną komutacją w ogóle nie było.
Dojrzałe odbiorniki TVC z tyrystorowym układem odchylania poziomego miały specjalny system zabezpieczeń z „elektronicznym bezpiecznikiem”. Powodem utraty komutacji i zwarcia jest nieomal zawsze przebicie w kineskopie. Po chwili system wznawiał pracę. Przerwa trwa 300-500 ms i nie zawsze widz ją zauważył.

Niech chopper zasila silniki trakcyjne DC w lokomotywie systemu 3 KVdc lub inverter CSI lub VSI do silników synchronicznych lub asynchronicznych. W pobliżu podstacji prąd zwarcia ciężkiej  trakcji dochodzi do 50 KA ! Przy niepowodzeniu komutacji prąd dodatkowo ograniczy SEM i rezystancja  silnika i rezystancja dławika wygładzającego. Wyłącznik szybki DC rozłączy to zwarcie po ca 20 ms ale ucierpi na tym conajmniej tyrystor, trwałość komutatora i dławika wyjściowego i filtru wejściowego. Wyłącznik takich ciężkich przypadków w swoim życiu może znieść niewiele. Przy ekstremalnym  bezwietrznym upale może nastąpić szkodliwe przegrzanie i wydłużenie przewodu trakcji ! Możliwe jest nawet zespawanie pantografu z przewodem jezdnym i zerwanie sieci.
Aby lokomotywa kontynuowała prace trzeba w scenariuszu optymistycznym mechanicznymi przełącznikami załączyć rezerwowy tyrystorowy chopper.

Między pantografem a chopper-ami jest wyłącznik szybki i filtr LC zmniejszający pulsacje prądu wprowadzane do trakcji. Filtr LC ma dodatkowy szeregowy rezystor  z wyłącznikiem dla ograniczenia oscylacyjnego przepięcia w momencie załączenia. Wyższa częstotliwość modulacji sprzyja ograniczeniu masy i kosztu tego filtru. Znaczne ( w przybliżeniu 1 / N^2 ) zmniejszenie pulsacji prądu wejściowego i wyjściowego daje równoległa praca N chopperów z przesunięciem fazy.     

 Tyrystory, nawet szybkie - inverterowe, są najwolniejszymi kluczami półprzewodnikowymi.
Najszybsze tyrystory asymetryczne ASCR produkowano do telewizyjnych układów odchylania poziomego. Czas wyłączenia Tq dla tyrystora komutującego wynosił 2.4 us a dla tyrystora wybierania 4.2 us. Tak krótkie czasy  Tq osiągane są tylko z ujemną polaryzacją bramki. Ujemne napięcie polaryzacji dochodziło do -30 V ! Moc strat w snubberze RC przy tyrystorze komutacyjnym była większa niż w tyrystorze.
   Czas wyłączenia szybkiego tyrystora  mocy Tq rośnie od 10 us (na duże prądy 15 i 18 us ) dla napięcia 600 V do 80 us dla napięcia 2800 V. Przy danym napięciu jednostka na większy prąd jest trochę wolniejsza.
Z tym samym prądem i napięciem Tq tyrystora asymetrycznego ASCR wynosi około 60% Tq  tyrystora symetrycznego.   
Na przełomie lat 70/80 prąd / napięcia diod sięgały, ale nie jednocześnie, 2200A / 4000V.
Szybkich diod 1400 A/ 3200 V   
Tyrystorów 1400 A / 3000 V    
Szybkich tyrystorów 900 A /2200 V.
Ale prądy i napięcie tyrystorów i diod dalej rosną. Napięcie przy którym chip ma  maksimum mocy ( rozumianej jako iloczyn napięcia i prądu ) rośnie ze średnicą chipa. Dla tabletki o średnicy 33 mm wynosi ono 2000 V (A.G.Milnes. Semiconductor Devices and Integrated Electronics, Van Nostrand N.Y 1980 )

 Energia  strat dynamicznych  w diodach i tyrystorach oraz rezystorach snubberów RC jest proporcjonalna do częstotliwości pracy. Moc strat w rezystorach może (ale nie musi) być znacznie większa od dynamicznej mocy strat w kluczach. Energie strat Eon od załączania snubbera RC można ograniczyć stosując snubber RCD ( faktycznie 2R) ale tylko w układach asymetrycznych.
Rosnącej częstotliwości pracy towarzyszy więc spadek prądu klucza.
Straty dynamiczne bierzemy po uwagę do optymalizacji systemu.
Czas załączania tyrystorów czyli również energia Eon rośnie z ich napięciem nominalnym.
Szybkie tyrystory serii BStN61 są na Itav=600A   i napięcia zaledwie 200..600V a ich  Tq wynosi 15 i 18 us. W katalogu tyrystorom tym poświęcono 13 stron. Dominują informacje o parametrach dynamicznych w a szczególności de facto o stratach Eon i Eoff.
Przy załączaniu prądu trapezoidalnego ( pierwsza kolumna na rysunku ) jak w chopperze przy częstotliwości 1 kHz tyrystor ten trzeba odciążyć do 85% prądu nominalnego aby pokryć straty dynamiczne. Warunki załączania są przy tym bardzo komfortowe bowiem załączanie jest przy napięciu ledwie 300 V. Pojemność pokazanego snubbera 0.68 uF +5.6 Ohm z reguły będzie w większości zastosowań za mała. W stratach dynamicznych Eon tyrystora typowy udział strat z załączania snubbera RC dochodzi z reguły do połowy. Prąd załączania bramki Igt wynosi tu aż 3 A i przy mniejszym prądzie wyzwalania prąd główny spada jeszcze szybciej z częstotliwością.
W przypadku tyrystorów wysokonapięciowych na maksymalne napięcie 2400-2800 V odciążenie do 85% prądu nominalnego jest konieczne przy Fpwm zaledwie około 200-350 Hz !  
Zwróćmy uwagę na to ze duże napięcie wsteczne (nie dotyczy ASCR bo jest niedopuszczalne) zmniejsza czas wyłączania Tq tyrystora ale zwiększa straty dynamiczne Eoff  a to podnosi temperaturę chipa (elektrotermiczne sprzężenie zwrotne ) i zwrotnie powiększa czas Tq ! Okazuje się całościowo że duże napięcie wsteczne jest niekorzystne dla Tq ale niewielkie napięcie wsteczne jest korzystne ! Niewielkie napięcie wsteczne da antyrównoległa do tyrystora dioda z niewielką szeregową indukcyjnością. Wystarczy indukcyjność połączeń  a nawet duże początkowo napięcie przewodzenia wysokonapięciowej diody antyrównoległej  Ufr w czasie Tfr.

Zatem ze wzrostem częstotliwości pracy -  modulacji Fpwm rośnie jednostkowy koszt ( i masa ) prądu kompletnego klucza. Klucz z tyrystorem ma radiator z systemem wentylacji, snubber, transformatorek bramkowy. Wszystko to kosztuje. Niebagatelny jest też koszt montażu.
Kosztuje też energia tracona w rezystorze snubbera i Eon w tyrystorze przez okres 30 lat pracy.  
Kosztuje też energia tracona na wożenie przez 30 lat w lokomotywie masy kompletnego klucza choppera.

W układach energoelektronicznych dławiki magazynujące energie czyli zmniejszające pulsacje prądu mogą być:
-Bez rdzenia. Jest to rozwiązanie tylko dla największych mocy.  
-Z rdzeniem  ferrytowym. Są one generalnie niekonkurencyjne poniżej częstotliwości pracy 10 KHz. Obecnie górna częstotliwość z którą jeszcze rośnie moc transformatora ferrytowego wynosi standardowo 50-70 KHz a są już ferryty gdzie przekracza ona 500 KHz. Dla takiej częstotliwości kluczami mocy muszą być Mosfety ale gęstość mocy może być duża.
-Z rdzeniem  proszkowym. Uzyskany z wtrysku żelaza do wodoru (zapobieżenie utlenieniu ) drobny proszek żelazowy miesza się z żywicą i zwykle formuje w toroid. Są one konkurencyjne powyżej częstotliwości pracy 5 KHz. Ponieważ szczelina jest w nich równomiernie rozłożona są idealnym materiałem na toroidalny rdzeń dławika magazynującego. Ich popularność w SMPS Forward szybko rośnie.  
-Z rdzeniem z cieńkiej blaszki permalloyowej (nikiel, żelazo, molibden). Rdzeń z 0.1 mm blaszki z permalloy-u 60-70 % Ni przy częstotliwości 1 KHz pracuje z indukcją do 1.4 T natomiast z blaszki 0.05 mm 79% Ni przy częstotliwości 5 KHz pracuje z indukcją do 0.7  T. Zatem przy średnich częstotliwościach gęstość mocy jest bardzo duża. Permalloye są jednak bardzo drogie dlatego że bardzo drogi jest Nikiel. Drogie rdzenie z tego materiału stosowano tylko do transformatorów przetwornic z powolnymi tranzystorami germanowymi.
Sendust to spieczony proszek ze  stopu 85% żelaza, 9 krzemu i 6% aluminium. W elektronice mocy bardzo rzadko spotykany. Toleruje indukcje pracy do 0.8 T.   
-Z rdzeniem ze standardowej  blachy elektrotechnicznej o grubości 0.17 i 0.35 mm.

 Do regulatorów tyrystorowych mocy ponad megawatowej z tyrystorami wysokonapięciowymi z niewielką częstotliwością przełączania Fpwm w ekonomiczną  grę wchodzą więc tylko rdzenie z  blachy elektrotechnicznej lub przy bardzo dużej mocy (>>10MW) dławiki bezrdzeniowe.
Dla optymalizacji kosztu transformatorów i dławików przyjmuje się że stosunek kosztu kilograma miedzi do „żelaza”  wynosi 4-6 razy. W wypadku zimnowalcowanej blachy izotropowej 0.17 mm jest to 4 a w wypadku prostej blachy 0.35 mm jest to 6. Ale na rynku światowym iloraz ceny kilograma miedzi do żelaza cały czas się zmienia !
Dla blach elektrotechnicznych grubości 0.35mm moc dławika lub transformatora rośnie tylko do częstotliwości ca 400 Hz co pokazano na wykresie wziętym z „Transformatory i dławiki...”, T.Konopiński, R.Pac, WNT 1979.
Zatem do częstotliwości 400 Hz (blacha 0.35 mm ) tanieje dławik i spadają w nim straty czyli koszt energii zużywanej przez 30 lat pracy. Powyżej tej częstotliwości masa dławika jest już stała ale koszt jego rośnie ponieważ wieloprzewód uzwojenia musi mieć mniejsze przekroje drutów składowych z uwagi na prądy wirowe. Kosztów ewentualnego 30 letniego wożenia masy dławika w lokomotywie nie wzięto pod uwagę ale nie ma przeszkód aby je uwzględnić.

Ale dla zimnowalcowanej izotropowej blachy grubości 0.17 mm moc (iloczyn B x F) rośnie do częstotliwości circa 700 Hz.
Częstotliwość pracy tyrystorowego choppera dużej mocy powinna być na pewno mniejsza od 400 Hz. Ale jej ustalenie musi być ścisłe.
Przy przykładowych kosztach otrzymujemy taki wykres.

Wykres trochę przypomina parabole ( ale jest wyraźnie niesymetryczny ) i wybór F pracy wokół częstotliwości optymalnej 294 Hz nie jest Krytyczny co świadczy o prawidłowości rozumowania. Oczywiście gdy użyjemy współczynników typowych dla tyrystora niskonapięciowego i blachy 0.17 mm będzie to raczej 500 Hz.

Zwróćmy uwagę na potrzebę realnych stosunków cen odwzorowujących nakład czynników produkcji na wytworzenie przedmiotów. Rozbudowany system dotacji zaburza stosunki cen tak że  żadna optymalizacja „ekonomiczna” nie jest możliwa !

 Jednoczesnym rozwiązaniem problemu niezawodności oraz zmniejszenia wielkości tętnień prądu wejściowego i wyjściowego jest zastosowanie N równoległych chopperów pracujących z przesunięciem fazowym.
Na optymalną liczbę N składa się m.in stosunek maksymalnego prądu wyjściowego całego regulatora do prądu jednego tyrystora.   
Im większa jest N tym po awarii jednego podsystemu większy jest nadal osiągalny prąd wyjściowy.
Rozsądna jest więc N=3..4.
Efekt skali w  transformatorach  i dławikach jest silny. Trzy mniejsze dławiki są cięższe niż jeden duży dławik o sumarycznej mocy tych trzech. W trzech dławikach większe są straty mocy i spadek napięcia, który jednak pozytywnie choć trochę ogranicza prąd „zwarcia”.  

 Do ochrony zwarciowej (tutaj niepowodzenie komutacji ) tyrystorów stosowane są specjalne szybkie bezpieczniki topikowe. Jest to złożony osobny temat. Bezpieczników dotyczą serie norm światowych IEC, norm amerykańskich i europejskich jak zachodnioniemieckie normy VDE. Przykładowo norma IEC 127 dotyczy bezpieczników miniaturowych jak m.in. popularne 5 x 20 mm.
Bezpieczniki dzieli się na niskiego napięcia do 660/690/1000 Vac i średniego do 3 KV. Długość walcowego bezpiecznika rośnie z napięciem. Bezpiecznik 630 A / 3 KV to ceramiczna rura  50 x 600 mm o wadze około 6 kg. Poziomy definicyjnych napięć w tym obszarze są więc inne niż w energetyce. Bezpieczniki topikowe wykonywane są na napięcia do 110 KV - głównie do ochrony przekładników napięciowych. Ponieważ ograniczają prąd zwarcia na małym poziomie nie ma przerwy w działaniu systemu energetycznego po przebiciu chronionego bezpiecznikiem przekładnika napięciowego.
 Stosowane powszechnie w energetyce SN bezpieczniki eksplozyjne nie nadają się do ochrony obwodów prądu stałego !   
Prąd w bezpieczniku płynie przez folie - blaszkę z okresowym zwężeniami gdzie przy przeciążeniu metal się topi. Im gęstszy jest wypełniający obudowę bezpiecznika kwarcowy piasek tym wyższy jest przy działaniu bezpiecznika przyrost ciśnienia i szybciej stopiony kwarc wypełnia miejsce po metalu. Lepsze jest też chłodzenie  elementu aktywnego. Fala wysokiego ciśnienia sprzyja szybkiemu zgaszeniu łuku  ale wymaga wytrzymałej obudowy bezpiecznika co przekłada się na jego zwiększony koszt. Z tego względu szybki miniaturowy bezpiecznik 5x20 mm z wypełnieniem ma rurkę ceramiczną znacznie bardziej wytrzymałą mechanicznie niż rurka szklana. Tylko w krótkich bezpiecznikach ciepło jest odprowadzane metalowymi wyprowadzeniami.
Jednym z parametrów bezpieczników jest całka Joula z kwadratu prądu po czasie. Im lepszy jest bezpiecznik tym wolniejszy jest przyrost całki z rosnącym napięciem zasilania w rozłączanym obwodzie. Całka etapu przedłukowego często przy napięciu nominalnym (!) stanowi circa 33% wartości z całego procesu rozłączenia obwodu.   
Bezpieczniki szybkie DC ograniczają narastający prąd zwarcia w przeciwieństwie do starszych normalnych bezpieczników AC gdzie dopiero przy przejściu prądu zmiennego przez zero następuje schłodzenie i wygaszenie łuku.
Bezpieczniki szybkie uniwersalne mogą być stosowane w obwodach prądu stałego DC ale ekstremalna zdolność rozłączenia prądu zwarcia DC jest 2-3 krotnie mniejsza niż AC.
Bezpieczniki do ochrony tyrystorów produkowane są w USA od 1959 roku. Są one cały czas nadal doskonalone. Zmieniane są też wszelkie normy dotyczące bezpieczników. Dla dużych tyrystorów koszt bezpiecznika ( u tego samego producenta, na przykład Siemens ) wynosi 5-10% kosztu tyrystora.
Krajowe bezpieczniki Btp500 (maksymalne napięcie systemu 500 Vac)  są mocno przestarzałe i na tle nowych światowych bezpieczników są bardzo słabą ochroną.
Tradycyjnie charakterystyki bezpieczników podawano dla czasów powyżej 10 ms. Ale w nowych normach dla bezpieczników szybkich te czasy zmniejszono do 1 ms ! Przy czasie rozłączenia 1 ms typowy czas przedłukowy wynosi tylko 300 us ! Już po tym czasie zaczyna się ograniczanie prądu zwarcia. Dla optymalizacji konstrukcji takich bezpieczników użyteczne są pomysłowe systemy rejestracji przebiegu procesów i programy symulacyjne. Dla całego procesu rozgrywającego się w czasie 1 ms adekwatne jest porównanie ze zjawiskami wybuchowymi lub tymi po eksplozji jądrowej.

 Bezpieczniki szybkie nie chronią tyrystorów przy długotrwałych, niewielkich  prądach przeciążeń i przy bardzo dużych, ekstremalnych  prądach przeciążeń. O ile rozwiązania dla pierwszej sytuacji są trywialne to druga sytuacja jest trudna. Ilustruje to wykres z „GE SCR Manual”, 5 edycja 1972.

Przy niepowodzeniu wymuszonej komutacji tyrystora następuje z czasem w załączonym chopperze nasycenie wygładzającego dławika z rdzeniem nadmiernym prądem i zaczyna on szybko narastać. Indukcyjność zasilanego  silnika przy nadmiernym prądzie też szybko zaczyna maleć. Oczywiście lepszy byłby z tego względu dławik bezrdzeniowy. Rozwiązaniem jest lepszy bezpiecznik i ewentualne przewymiarowanie tyrystora. Mniejsza częstotliwość przełączania choppera jest więc korzystniejsza dla ochrony „zwarciowej” bezpiecznikiem.   
Zwraca uwagę to że tyrystory dyskowe mają mniejszą przeciążalność bowiem obustronne jest normalne chłodzenie struktury i może ona dla danego prądu być mniejsza niż w tyrystorze „śrubowym”. Zdolność szybko - przeciążeniowa tyrystora zależy natomiast od rozmiaru struktury.    
 
Oczywiście następuje momentalne nagrzanie uzwojenia dławika przy zwarciu i wzrost jego rezystancji.  

Dla N=3...4 przy niepowodzeniu komutacji w jednej gałęzi prąd wyjściowy systemu oczywiście wzrośnie ponad nominalny przez moment ale tym mniej im większe jest N.
Po krótkim incydencie niezawodny system musi dalej dostarczać maksymalnie prąd wyjściowy 2/3 lub 3/4 prądu nominalnego. W przypadku lokomotywy awaryjne szarpnięcie przyspieszające powinno być niewyczuwalne. System Alarmowy winien informować operatora o uszkodzeniu (bezpieczniki mogą mieć monitorujący stan przełącznik) domagając się „pokwitowania” ale po wyłączeniu alarmu akustycznego i migającego optycznego kontrolka Alarmu powinna się stale świecić i Reset może być wykonany po naprawie systemu przez upoważnione osoby.      

Niezawodność systemu chopperów winna być taka aby w 30-letnim okresie eksploatacji lokomotywy w zdecydowanej większości lokomotyw nie doszło do zadziałania żadnego bezpiecznika.
Na etapie prób prototypu i wczesnej eksploatacji muszą być usunięte wszelkie zauważone wady.

Dominującymi przyczynami zerwania komutacji wymuszonej tyrystorów są:
-Zbyt duży prąd obciążenia szczególnie przy obniżonym napięciu zasilania. Pętla regulacji prądu redukuje ryzyko szczególnie gdy maksymalny zadany prąd będzie ograniczony proporcjonalnie do napięcia zasilania
-Zbyt wysoka jest temperatura tyrystorów
-Za mały margines Tq. Można go znacznie powiększyć podając ujemne napięcie na bramki wyłączanych tyrystorów ale wymagany driver jest na tle transformatorka bramkowego dość drogi.    
-Prawdopodobnie  w układach wysokonapięciowych promieniowanie kosmiczne załącza tyrystor gdy jest na nim bardzo wysokie napięcie
W lotnictwie używana jest Czarna Skrzynka ( w rzeczywistości jest pomarańczowa ) zapisująca parametry lotu i systemów samolotu. W razie katastrofy odczyt może posłużyć do ulepszenia konstrukcji samolotu.
W przypadku tyrystorowego choppera zapis parametrów ( system rejestrujący z mikrokontrolerem ) z chwili przed zerwaniem komutacji może służyć do odkrycia słabości i ulepszenia systemu.

 Zerwanie komutacji nie zawsze prowadzi do szybkiego powiększenia prądu obciążenia i zadziałania bezpiecznika. Jeśli lokomotywa jedzie dość szybko po detekcji braku komutacji system ma aktywować odcinający wyłącznik szybki. Jeśli po ponownym załączeniu ( podobieństwo do systemów energetycznych w reakcji na uderzenie piorunem ) za sekundę system dalej jest wadliwy należy wadliwy pod-chopper odłączyć co może zając kilka minut a wystarczające może być też nie wyzwalanie jego tyrystorów.
Użycie mikrokontrolera w systemie sterowania jest tu raczej konieczne.   

 Wybór ilości równoległych pod - chopperów N jest ograniczony czynnikami ekonomicznymi ( w tym skwantowanymi normą prądami nominalnymi tyrystorów) do 2,3,4.
Naśladując rozumowanie dotyczące optymalnej ekonomicznie częstotliwości pracy Fpwm choppera  można wyznaczyć optymalne N.
-Im mniejsze jest N tym większy jest rozłączany prąd zwarcia i ryzyko kaskady uszkodzeń systemu.
-Tym mniejsza jest pozostała moc napędu po awarii co skutkuje zakłóceniem ruchu na linii kolejowej i wymaganiem szybszego wycofania lokomotywy do naprawy
-Tym droższy jest wejściowy filtr LC filtrujący pulsacje    

W chopperze tyrystorowym jest minimalny czas załączenia ON i minimalny czas wyłączenia OFF tyrystora głównego. Przy wymaganej głębokiej regulacji przy małym i dużym wypełnieniu PWM konieczne jest obniżenie częstotliwości modulacji PWM.


Sprawdzenie
Na rysunku pokazano jeden z 16 systemów filtrów w stacji uzdatniania wody. Filtry są automatycznie okresowo czyszczone wstecznym przepływem. Wszystkimi 16 filtrami zarządza jeden PLC.
Zdalne I/O tego PLC obsługuje binarne I/O oraz analogowe I/O ( litery A na połączeniach  i grube trójkąciki przy I/O).
Binarne stany zaworów dyktowane przez binarne wyjścia „Open Close” są monitorowane przez binarne wejścia „Status”.
Analogowe stany aktuatorów dyktowane przez analogowe wyjścia „Modulate”.
Analogowe stany zmiennych procesu (Level, Turbidity, Press difference, Eff flow, Backwash flow) podano na analogowe wejścia. 

-Jaki powinien być maksymalny czas niezgodności stanu wyjścia „Open Close” z odpowiadającym mu  binarnym wejściem „Status”.
-Jaka jest tu wystarczająca dokładność wejść analogowych do sensorów   
-Jaka jest tu wystarczająca dokładność wyjść analogowych do aktuatorów.