Dispositivi a semiconduttore CA

Il diagramma schematico e la progettazione dei dispositivi elettrici a semiconduttore CA sono determinati dallo scopo, dai requisiti e dalle condizioni operative. Con l'ampia applicazione che trovano i dispositivi senza contatto, esiste un'ampia varietà di possibilità per la loro implementazione. Tuttavia, tutti possono essere rappresentati da un diagramma a blocchi generalizzato che mostra il numero richiesto di blocchi funzionali e la loro interazione.

La Figura 1 mostra uno schema a blocchi di un dispositivo a semiconduttore AC in costruzione unipolare. Comprende quattro unità funzionalmente complete.

L'unità di alimentazione 1 con elementi di protezione contro le sovratensioni (circuito RC in Figura 1) è la base del dispositivo di commutazione, il suo corpo esecutivo. Può essere fatto sulla base di sole valvole controllate - tiristori o con l'aiuto di diodi.

Quando si progetta un dispositivo per correnti superiori ai limiti di corrente di un singolo dispositivo, è necessario collegarli in parallelo.In questo caso, è necessario adottare misure speciali per eliminare la distribuzione irregolare della corrente nei singoli dispositivi, dovuta alla non identità delle loro caratteristiche corrente-tensione nello stato conduttivo e alla distribuzione del tempo di accensione.

Il blocco di controllo 2 contiene dispositivi che selezionano e ricordano i comandi provenienti dagli organi di controllo o protezione, generano impulsi di controllo con parametri impostati, sincronizzano l'arrivo di questi impulsi agli ingressi del tiristore con i momenti in cui la corrente nel carico attraversa lo zero.

Il circuito della centralina diventa molto più complesso se il dispositivo, oltre alla funzione di commutazione del circuito, deve regolare tensione e corrente. In questo caso, è integrato da un dispositivo di controllo di fase, che fornisce uno spostamento degli impulsi di controllo di un dato angolo rispetto alla corrente zero.

Il blocco di sensori per la modalità di funzionamento dell'apparato 3 contiene dispositivi di misura di corrente e tensione, relè di protezione per vari scopi, un circuito per generare comandi logici e segnalare la posizione di commutazione dell'apparato.

Il dispositivo di commutazione forzata 4 combina una batteria di condensatori, il suo circuito di carica e tiristori di commutazione. Nelle macchine a corrente alternata questo dispositivo è contenuto solo se sono utilizzate come protezione (interruttori).

La parte di potenza del dispositivo può essere realizzata secondo uno schema con connessione antiparallela di tiristori (vedi figura 1), basato su un tiristore simmetrico (triac) (figura 2, a) e in varie combinazioni di tiristori e diodi (figura 2, b e c).

In ogni caso specifico, quando si sceglie un'opzione circuitale, è necessario tenere conto dei seguenti fattori: i parametri di tensione e corrente del dispositivo in fase di sviluppo, il numero di dispositivi utilizzati, la capacità di carico a lungo termine e la resistenza ai sovraccarichi di corrente, il grado di complessità della gestione del tiristore, i requisiti di peso e dimensioni e il costo.

Figura 1 — Schema a blocchi di un dispositivo a tiristori CA

Figura 2 — Blocchi di potenza di dispositivi a semiconduttore CA

Un confronto tra i blocchi di potenza mostrati nelle figure 1 e 2 mostra che lo schema con tiristori collegati in antiparallelo presenta i maggiori vantaggi: tale schema contiene meno dispositivi, ha dimensioni, peso, perdita di energia e costi inferiori.

Rispetto ai triac, i tiristori con conduzione unidirezionale (unidirezionale) hanno parametri di corrente e tensione più elevati e sono in grado di sopportare sovraccarichi di corrente significativamente maggiori.

I tiristori delle compresse hanno un ciclo termico più elevato. Pertanto, un circuito che utilizza triac può essere raccomandato per la commutazione di correnti che, di norma, non superano la corrente nominale di un singolo dispositivo, ovvero quando non è richiesta la loro connessione di gruppo. Si noti che l'uso di triac aiuta a semplificare il sistema di controllo dell'alimentatore, deve contenere un canale di uscita al polo dell'apparato.

Gli schemi mostrati in figura 2, b, c illustrano la possibilità di progettare dispositivi di commutazione in corrente alternata utilizzando diodi. Entrambi gli schemi sono facili da gestire, ma presentano svantaggi dovuti all'utilizzo di un gran numero di dispositivi.

Nel circuito della Figura 2, b, la tensione alternata della sorgente di alimentazione viene convertita in una tensione a onda intera di una polarità utilizzando un raddrizzatore a ponte a diodi. Di conseguenza, solo un tiristore collegato all'uscita del ponte raddrizzatore (nella diagonale del ponte) diventa in grado di controllare la corrente nel carico durante i due semicicli, se all'inizio di ogni semiperiodo il controllo gli impulsi vengono ricevuti al suo ingresso. Il circuito viene spento al passaggio per lo zero più vicino della corrente di carico dopo aver interrotto la generazione degli impulsi di controllo.

Va tenuto presente, tuttavia, che l'intervento affidabile del circuito è garantito solo con un'induttanza minima del circuito sul lato della corrente raddrizzata. Altrimenti, anche se la tensione scende a zero alla fine del semiciclo, la corrente continuerà a fluire attraverso il tiristore, impedendogli di spegnersi. Il pericolo di intervento di emergenza del circuito (senza intervento) si verifica anche quando la frequenza della tensione di alimentazione aumenta.

Nel circuito, in figura 2, il carico è controllato da due tiristori collegati tra loro, ognuno dei quali è manovrato in senso opposto da una valvola non controllata. Poiché in tale connessione i catodi dei tiristori sono allo stesso potenziale, ciò consente l'uso di generatori di impulsi di controllo a uscita singola o a due uscite con una massa comune.

I diagrammi schematici di tali generatori sono notevolmente semplificati. Inoltre, i tiristori nel circuito, in Figura 2, c, sono protetti contro la tensione inversa e quindi dovrebbero essere selezionati solo per la tensione diretta.

In termini di dimensioni, caratteristiche tecniche ed indicatori economici, i dispositivi realizzati secondo gli schemi mostrati nella figura 2, b, c sono inferiori ai dispositivi di commutazione i cui circuiti sono mostrati nelle figure 1 c, 2, a. Tuttavia, sono ampiamente utilizzati nell'automazione e nei dispositivi di protezione dei relè, dove la potenza di commutazione viene misurata in centinaia di watt. In particolare, possono essere utilizzati come dispositivi di uscita di formatori di impulsi per controllare blocchi di tiristori di dispositivi più potenti.

Timofeev A.S.