Глава 12
ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
12.1. Бесконтактные защиты тиристорных устройств
Такие системы находят применение в современных преобразователях наряду с защитой автоматическим выключателями и плавкими предохранителями. Используются следующие основные способы бесконтактных защит; снятие (блокирование) управляющих импульсовтиристоров; переводустановкиврекуперативныйрежим в результате сдвига управляющих импульсов; принудительное прерывание аварийного тока с помощью предварительно заряженной коммутирующей ёмкости.
12.2. Защита от перенапряжений
Перенапряжения возникают в процессе срабатывания коммутационных аппаратов в питающей сети, из-за атмосферных грозовых явлений, включенияпреобразовательныхтрансформаторовилидругих реактивных элементов, а также при переключениях полупроводниковыхприбороввсхемахпреобразователей. Энергия, связанная с сетевыми перенапряжениями, достигает 103—104 Дж, коммутационные перенапряжения сопровождаются энергией 10—102 Дж, а схемные — энергией 1 Дж. Кремниевые диоды, тиристоры и силовые транзисторы могут быть повреждены при перенапряжениях даже наносекундного диапазона длительностей.
Подавление помех, создаваемых аппаратурой
При переключении СПП возникает «всплеск» напряжения, пропорциональный di/dt. Частотный спектр выделившейся при этом энергиивесьмаширок. Поэтомусоответствующиепомехимогутрас-
280
пространяться по соединительным проводам питающей сети и в |
|
результатеизлучениявокружающеепространство. Помехи, распро- |
|
страняющиеся посоединительным проводам, могутбытьуменьше- |
|
ны при помощи LC-фильтра (рис. 12.1), в котором 0,1 мкФ ≤ ≤ |
|
Свх ≤ 2 мкФ, 2,2 нФ ≤ С ≤ 33 нФ, 18 мГн ≤ L ≤ 47 мГн. |
|
Сеть |
Оборудование |
Рис. 12.1. Схема сетевого фильтра |
|
Помехи, излучаемые в окружающее пространство, подавляются |
|
компоновкойэлектростатических имагнитныхэкранов. Целесооб- |
|
разно также использовать схемы с высокой помехоустойчивостью, |
|
например, устройства на МДП-транзисторах. |
|
12.3. Охлаждение силовых полупроводниковых |
|
приборов |
|
Способы охлаждения. Отведение от полупроводниковых прибо- |
|
ров греющей мощности, достигающей сотен ватт и даже несколь- |
|
кихкиловатт, осуществляетсясистемойохлаждения, вкоторуювхо- |
|
дят охладитель и охлаждающая среда. В качестве охлаждающей |
|
среды используется воздух, масло или вода. Сравнительная тепло- |
|
отдача системы, в которой используется в качестве охлаждающей |
|
средывоздух, масло, вода, характеризуетсясоотношением1:10:100, |
|
т.е. наилучшийотводтеплотыдостигаетсяприпередачеотметалла |
|
охладителя к охлаждающей воде. |
|
Передача теплоты (в газах, жидкостях и твердых телах) проис- |
|
ходит от молекулы к молекуле. При конвекции передача теплоты |
|
происходит в результате взаимодействия масс материальных час- |
|
тиц. Различают свободную и принудительную конвекцию. В при- |
|
нудительнойконвекцииохлаждающаясреда(воздухилижидкость) |
|
перемещается посредством вентилятора или насоса. При тепловом |
|
излучении теплота передается благодаря распространению элект- |
|
ромагнитных волн в области инфракрасного спектра. Излучение |
|
|
281 |
являетсявидомпередачитеплоты, котораяможетосуществлятьсяв том числе и в вакууме.
Взависимостиотвидаохлаждающейсредысистемыохлаждения принято разделять на воздушные, жидкостные и испарительные.
Способы охлаждения полупроводниковых приборов разнообразны и могут основываться на их прямом (непосредственном) взаимодействии с внешней охлаждающей средой или на применении промежуточного контура с теплоносителем. В зависимости от реализации движения охлаждающей среды относительно охладителя различают естественное и принудительное охлаждение.
Воздушноеестественноеипринудительноеохлаждение. Естествен-
ноеохлаждениедостигаетсяблагодаряконвекции иизлучениюпри свободном движении воздушного потока вдоль поверхностей охладителя и самого прибора.
12.4. Стабилизаторы напряжения и тока
Качество работы электронных устройств в значительной степени определяется стабильностью питающего напряжения или тока, которая должна быть обеспечена не только при изменении напряжения в сети, но и при изменении нагрузки, температуры окружающей среды и других дестабилизирующих факторов.
Качество работы стабилизатора оценивается коэффициентом стабилизации — отношением относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения (тока) на выходе.
Коэффициент стабилизации по напряжению:
K = |
∆Uвх / ∆Uвх. ном |
, |
(12.1) |
U |
∆Uвых / ∆Uвых. ном |
|
где ∆Uвх = Uвх.max – Uвх.min; Uвых = Uвыхmax – Uвыхmin.
Коэффициент стабилизации по току:
KI = |
∆Uвх /Uвх. ном , |
(12.2) |
|
∆Iн / ∆Uн. ном |
|
где ∆Iн = Iн max – Iнmin.
Стабилизаторыделятнапараметрическиеикомпенсационные. В параметрическихстабилизаторахпроцессстабилизацииоснованна использованиинелинейныхэлементов, вкомпенсационных— стабилизациянапряжениядостигаетсяспомощьюустройствасОС, контроли-
282
рующегоуровеньвыходногонапряжения. Приотклоненииотэтого уровнярегуляторвосстанавливаетзаданноенапряжениенавыходе.
Параметрические стабилизаторы
Впараметрическихстабилизаторахиспользуютсяактивныеили реактивные нелинейные сопротивления. Активные нелинейные сопротивленияпохарактерунелинейностиподразделяютнадватипа: RU и RI. Сопротивления типа RU и RI используются в стабилизаторах напряжении и тока соответственно.
Практическая схема стабилизатора постоянного напряжения приведена на рис. 12.2. В качестве нелинейного элемента в схеме
используетсякремниевыйстаби- |
|
литрон VD, RБ — линейное со- |
|
противление. |
|
Для стабилизации тока в ка- |
|
честве нелинейного сопротивле- |
|
ния применяют барретер, состо- |
|
ящий из стеклянного баллона, |
|
заполненного водородом, в ко- |
Рис. 12.2. Схема стабилизатора на- |
тором помещается вольфрамо- |
пряжения |
ваянить. Припрохождениитока |
|
по нити барретера сопротивление нити вследствие разогрева увеличивается. Барретер включается в цепь последовательно с нагруз-
л(рис. 12.3).
Вцепях питания переменного тока для стабилизации часто используют реактивные нелинейные сопротивления. Они обеспечивают более высокий КПД.
Взависимости от типа нелинейного реактивного элемента электромагнитныестабилизаторыделятнастабилизаторынапряжения
снасыщенным стальным сердечником и феррорезонансные стабилизаторы.
Коэффициент стабилизации
стабилизаторовнапряженияснасыщенным стальным сердечником достигает примерно 15—20, а КПД порядка 50 %.
Коэффициент стабилизации феррорезонансныхстабилизато- Рис. 12.3. Схемастабилизаторатока
283
ровдостигает50—70. Стабилизаторы, основанныенаферрорезонансе |
||
токов, строят на различные мощности — от десятков киловольт-ам- |
||
пер; ихКПД75—85 %. Основнойнедостатокэтихстабилизаторов— |
||
сильная зависимость выходного напряжения от частоты. |
||
Компенсационные стабилизаторы |
||
При компенсационной стабилизации осуществляется автома- |
||
тическое регулирование выходного напряжения. Компенсационный |
||
|
стабилизатор(рис. 12.4) состоитиз |
|
|
трёх узлов: измерительного (1), |
|
|
обнаруживающего отклонение |
|
|
выходной стабилизируемой ве- |
|
|
личины от заданного значения; |
|
|
усилительного(2), осуществляю- |
|
|
щего усиление обнаруженной |
|
Рис. 12.4. Структурнаясхемастаби- |
разностинапряженийилитоков; |
|
лизатора |
исполнительного (3), компенси- |
|
рующегоизменениевходногона- |
||
|
||
пряжения. Одна из возможных схем компенсационного стабилиза- |
||
тора напряжения на полупроводниковых приборах приведена на |
||
рис. 12.5 |
|
|
Транзистор Т1, включённый последовательно с сопротивле- |
||
нием нагрузки Rн, является исполнительным элементом, а тран- |
||
зистор VТ2 выполняет эту функцию измерительного и одновре- |
||
менно усилительного элемента. |
|
|
Рис. 12.5. Принципиальная схема стабилизатора |
||
|
284 |
|
Кремниевый стабилитрон VD используется в качестве источникаопорногонапряжения, атранзисторVT2 усиливаетразность, об-
разованную опорным напряжением Uоп и падением напряжения на резисторе R2 делителя R1R2, подключённого к нагрузке. Если напряжениенавыходеUвх возрастает, товпервыймоментповышает-
сянапряжениеинавыходеUвых. Этоприведётктому, чтоповысится напряжение на резисторе R2 делителя, а следовательно, к увеличению базового тока IБ2. при этом увеличится ток коллектора IК2 и падениенапряжениенарезистореR3. Потенциалбазытранзистора Т1 повышается и ток базы IБ1 снижается. Это приводит к уменьшению тока коллектора IК1 транзистора VT1, равного приближённо току нагрузки, до того значения, при котором значение напряжения Uвых становится близким к прежнему.
285