1

Lucrarea 1. EA

ACUMULATOARE ELECTRICEAcumulatoarele electrice sunt o rezolvare foarte rspndit a problemei stocrii energiei electrice (desigur, n curent continuu). Acestea pot fi considerate elemente galvanice secundare, n care procesele electrochimice sunt reversibile, sensul acestora fiind determinat de sensul curentului electric ce apare ntre bornele de ieire ale acumulatorului. Tipul cel mai rspndit de acumulator este cel acid cu electrozi de plumb. Acesta se utilizeaz pentru stocarea unor cantiti mari de energie sau n alte aplicaii pentru care preul este un criteriu determinant. Pentru aparatur de automatizri se folosesc acumulatoare alcaline, denumite aa dup natura electrolitului (hidroxid de sodiu sau potasiu), n care electrozii sunt confecionai din nichel - cadmiu, nichel - fier, nichel - zinc, argint - zinc etc. ACUMULATOARE ACIDE CU PLUMB Simplificat, un element de acumulator const dintr-o cuv confecionat dintr-un material izolator, umplut cu o soluie de acid sulfuric diluat cu ap distilat, n care sunt imersai doi electrozi sub form de plci, unul dintre acetia fiind de polaritate pozitiv i denumit anod, iar cellalt de polaritate negativ i denumit catod. Intre electrozi se introduc membrane microporoase dintr-un material izolator electric, care mpiedic atingerea reciproc a celor doi electrozi (Fig. 1.1).

Fig. 1.1

La un element n stare ncrcat, masa activ a catodului este dioxidul de plumb (PbO2), iar la anod aceasta este format dintr-o structur spongioas de Pb. Electrolitul are densitatea cuprins ntre 1.27 i 1.29 g/cm3. In procesul de ncrcare i descrcare, electrolitul ia parte activ. Pentru un element descrcat, densitatea electrolitului este cuprins ntre 1.15 i 1.26 g/cm 3, n funcie de 2

profunzimea descrcrii. Prin ncrcare, sulfatul de plumb din plcile pozitive se transform n acid sulfuric i dioxid de plumb, iar la plcile negative n plumb spongios i acid sulfuric. (Reaciile sunt cunoscute sub numele de teoria dublei sulfatri).

Combinarea a dou molecule de ap cu sulfatul de plumb reface dou molecule de acid sulfuric, care rmn n soluie crescndu-i concentraia i duce la depunerea la electrozi de plumb atomic i de dioxid de plumb. In procesul de ncrcare, tensiunea la bornele acumulatorului crete. La ncrcare complet, tensiunea poate atinge 2.65 - 2.75 V/element. O ncrcare prelungit peste 2.35V /element provoac apariia unui proces secundar, de electroliz a apei i se degaj n atmosfer oxigen molecular i hidrogen molecular sub form gazoas. In acest fel, electrolitul crete n concentraie de acid sulfuric, fenomen nedorit care trebuie corectat prin adugarea de ap distilat i prin limitarea tensiunii de ncrcare la 2.35 V/element. La descrcare, cnd se restituie energia stocat n acumulator, att plcile pozitive ct i cele negative se sulfateaz progresiv, parial sau total, n funcie de profunzimea descrcrii. Procesul chimic este invers celui de la ncrcare:

Sulfatul de plumb care se formeaz acoper superficial sau profund electrozii, iar apa care apare mrete diluia electrolitului, fcnd s creasc rezistena intern a acestuia. Este evident c apa joac un rol activ n exploatarea acumulatorului cu plumb i de aici rezult importana unei ntreineri corecte, cu completarea periodic a apei pierdute prin suprancrcri. In procesul de ncrcare, respectiv de descrcare, are loc un transfer de ioni. Aceti ioni trec n ambele sensuri prin membrana separatoare dintre electrozi. Membrana, care separ mecanic electrozii (mpiedic scurtcircuitele) trebuie s aib porii suficient de mari nct s permit tranzitul ionic, dar i suficient de mici nct s blocheze trecerea particulelor metalice coloidale. In plus, membranele separatoare se caracterizeaz printr-o rezisten mecanic relativ mare, capabil s suporte operaiile tehnologice i presiunea intern din exploatare. n stare ncrcat, plcile electrod au volumul minim; pe durata descrcrii, sulfatul de plumb provemit din combinarea plumbului atomic i al dioxidului de plumb, provoac o cretere n volum a substanei active de 1.5 ... 1.8 ori. Suprapresiunea provocat de "dilatarea" plcilor este suportat de membranele separatoare. Degradarea acestora provoac apariia de scurtcircuite ntre placi, ceea ce duce la scoaterea din funcie a elementului respectiv. Unitatea de baz a unui acumulator este celula sau elementul, care se compune din dou grupuri de plci electrod, respectiv "n" plci pozitive, cu n>=1 i n> 10 h). -In tampon.

MATERIALE:-Baterie de acumulatori acid cu plumb tip auto de 12 V sau 6V; -Element acumulator alcalin nichel - cadmiu.

APARATE DE LABORATOR:-Voltmetru numeric de c.c. - V; -Ampermetru de c.c. - A; 7

-Surs de c.c. stabilizat max.30 V, 10 A - E; -Redresor n punte - RP; -Osciloscop - O; -Reostat cu cursor - R; -Cordoane de legtur.

MOD DE LUCRU:1. Se studiaz construcia unui acumulator cu plumb, utiliznd elementul n vas de sticl. 2. Se realizeaz circuitul din fig.1.4 i se regleaz tensiunea maxim a sursei la 16 V i curentul maxim debitat la 5 A. Se ncarc bateria de acumulatoare timp de 30 minute, notnd tensiunea la borne din minut n minut. Se reprezint grafic U=U(t).

Fig. 1.4

3. Se realizeaz montajul din fig.1.5. Se stabilete un curent de descrcare a acumulatorului de 1 A i se noteaz tensiunea de ieire. Se descarc acumulatorul cu un curent de 2 A, timp de 30 minute, notnd tensiunea la borne la fiecare minut. Se reprezint grafic U=U(t). La sfritul descrcrii se va micora curentul de descrcare la 1 A i se va citi noua valoare a tensiunii. Se calculeaz rezistenele interne ale acumulatorului la nceputul i sfritul descrcrii cu relaia:

8

Fig. 1.5

4. Se realizeaz circuitul din fig.1.6. Se vor vizualiza cu osciloscopul formele de und ale tensiunii la borne i curentului de ncrcare (forma curentului se va citi pe rezistena serie R, deoarece, pe rezistor, tensiunea i curentul sunt proporionale). Se determin pe osciloscop unghiul de conducie al punii.

Fig. 1.6

5. Se va msura tensiunea la borne pentru acumulatorul nichel - cadmiu.

VERIFICAREA CUNOSTINTELOR:1. Descriei construcia unui acumulator cu plumb. 2. Pe baza rezultatelor experimentale, apreciai gradul de ncrcare al acumulatorului. 9

3. Cum se modific unghiul de conducie al redresorului n funcie de ncrcarea acumulatorului? 4. Scriei relaia care descrie curentul instantaneu de ncrcare a acumulatorului alimentat prin puntea redresoare. 5. Calculai cantitile de electricitate i energie vehiculate n timpul proceselor de ncrcare - descrcare. 6. Observaii personale. BIBLIOGRAFIE: -Boicu I., Stan A.I.- Electroalimentare, curs, IPB 1981. -Stan A.I., David S.- CED i BLA, vol.1, Ed.Didactic iPedagogic, Bucureti 1983 -Tomua O, .a.- Acumulatoare pentru autovehicule, Ed.Tehnic, Buc.1990. ***

10

Lucrarea 2. EA

ELEMENTE GALVANICEElementele galvanice sunt surse primare de energie electric, debitat sub form de curent continuu. Se caracterizeaz printr-un singur ciclu de funcionare, procesele electrochimice care stau la baza producerii energiei electrice nefiind reversibile. Elementele galvanice sunt utilizate pe scar larg, att n aparatura profesional ct i n cea casnic, iar domeniul de utilizare se extinde pe msura reducerii consumului electric al echipamentelor, astfel nct devine mai eficient soluia alimentrii n aceast variant, fa de alimentarea de la reea (ex. ceasuri electronice sau electromecanice, aparate de msur portabile, etc.) Energia electric se obine prin transformarea direct i ireversibil a energiei chimice. Dei se fabric ntr-o gam foarte larg de tipuri i dimensiuni, orice element galvanic este format din dou conductoare de spea I, de obicei metale, imersate ntr-un conductor de spea a II-a, n general soluii acide, alcaline sau sruri metalice, aflat ntr-un vas confecionat dintr-un material electroizolant. n fig. 2.1 sunt reprezentate principalele componente ale unui element galvanic: 1 = diafragm poroas ce permite stabilirea unei legturi electrice ionice; 2 = electrod negativ realizat dintr-un conductor de spea I electronegativ (zinc, fier, nichel ...); 3 = compartiment cu electrolit realizat dintr-un conductor de spea a II-a; 4 = electrod pozitiv realizat dintr-un conductor de spea I, electropozitiv (cupru, argint, mercur ...); 5 = compartiment cu electrolit (conductor de spea a II-a); 6 = vas din material electroizolant.

Fig. 2.1

Electrolitul, ca substan activ, poate fi lichid, umed sau uscat. Electrozii sunt conductori electronici, metal sau crbune, care vin n contact cu conductorul ionic, de regul soluie ionic a metalului respectiv. 11

La suprafaa de contact metal - soluie apare o diferen de potenial; aceasta se explic prin deosebirea de structur a celor dou substane ce vin n contact. Metalul are reea cristalin, constituit din ioni pozitivi, cu poziii fixe n cristal i electroni, dintre care, unii sunt fici, iar electronii de valen sunt mobili, putndu-se deplasa n cristal. Electrolitul este format din ioni pozitivi i negativi, n numr egal, mobili n soluie, obinui n urma disociaiei electrolitice. Sarcinile electrice globale, att pentru electrozi ct i pentru electrolit, sunt nule. La scufundarea unui metal n soluie, acesta tinde s treac n aceast soluie, sub form de ioni pozitivi (fig.2.2). Aceast tendin este caracterizat de tensiunea de disoluie electrolitic P, ce depinde de natura materialului. Datorit trecerii ionilor pozitivi din metal n soluie, suprafaa metalului rmne ncrcat negativ, iar soluia se ncarc pozitiv. La suprafaa de separaie apare un strat dublu, care determin apariia unei diferene de potenial. Acest strat dublu, cu sarcin electric total nul (datorit echilibrului dinamic), prin atracia dintre sarcinile de semn contrar, mpiedic trecerea altor ioni din metal n soluie, stabilindu-se astfel un echilibru, cruia i corespunde o anumit diferen de potenial.

Fig. 2.2

Datorit presiunii osmotice p, ionii pozitivi din soluie tind s treac n metal. Diferena de potenial dintre metal i soluie va depinde deci de mrimile P i p, existnd trei situaii posibile: P > p: n metal apare un exces de electroni, deci se ncarc negativ; P = p: nu exist diferen de potenial; P < p: n metal apare o lips de electroni, deci se ncarc pozitiv. Diferena de potenial ntre metal i soluie se numete potenial de electrod. Electronii liberi i ionii din soluie se supun legii gazelor perfecte. Lucrul mecanic elementar al ionilor este:

Deoarece PV=RT, rezult:

unde R= 8314 J/kmol.K i deci: 12

L=

V2

V RTdV = RT (ln V2 ln V1 ) = RT ln 2 V V1 V1

Deoarece procesul este ireversibil:V2 P = V1 p

Rezult:L = RT ln P p

Mrimea L reprezint lucrul mecanic datorit presiunii osmotice la trecerea unui ion - gram din metal n soluie, fiind egal cu lucrul mecanic efectuat de un ion - gram de valen "n" ntr-un cmp electric (legea lui Faraday):L = RT ln P = enF p

unde e reprezint tensiunea electric elementar de electrod, iar F constanta lui Faraday (9.65 x 104 C/mol). Potenialul de electrod este deci:e= RT P ln nF p

acest potenial depinznd de: -natura materialului (crete cu P i scade cu p); -temperatura ansamblului electrod - electrolit (crete cu T); -concentraia soluiei (scade cu p). Potenialul normal de electrod este acela care apare la scufundarea unui metal ntr-o soluie a srii metalului respectiv cu concentraia 1 n (1 normal = 1 ion-gram metal n 1 litru de soluie la 25oC). Se consider potenial de referin i i se atribuie valoarea 0 potenialul normal de electrod al hidrogenului. n raport cu acesta se stabilesc potenialele de electrod ale altor elemente chimice. Realizarea practic a electrodului de hidrogen este foarte dificil, astfel nct se utilizeaz ca electrod de referin electrodul de calomel (compus al mercurului). Potenialele de electrod ale unor elemente mai frecvent folosite n construcia elementelor galvanice sunt cuprinse n tabelul urmtor:ELEME NT Li Na Mg Mn Zn POTEN IAL [V] -3.02 -2.71 -2.4 -1.05 -0.76

13

ELEME NT Fe Pb Ni H Cu O Ag Hg Cl Au

POTEN IAL [V] -0.44 -0.36 -0.25 0 0.34 0.41 0.81 0.86 1.35 1.5

Pentru a forma o surs sunt necesari doi electrozi; sarcina se conecteaz ntre cei doi electrozi de poteniale diferite. Diferena de potenial ntre electrodul pozitiv i electrodul negativ ai unei pile n gol se numete tensiune electromotoare. Ea depinde de aceeai factori ca potenialul normal de electrod i nu depinde de forma i mrimea electrozilor. De aceea elementele galvanice se preteaz la miniaturizare. Pentru majoritatea elementelor galvanice, valoarea tensiunii electromotoare este cuprins ntre 0.8 ... 1.6 V. La trecerea curentului prin electrolit, cnd n circuitul exterior al elementului galvanic a fost conectat o rezisten de sarcin, se produc fenomene de electroliz i unele reacii chimice, n urma crora electrolitul i electrozii se consum pn la epuizare. Pentru acest motiv, elementele galvanice nu pot fi refolosite. Datorit fenomenului de electroliz, electrodul pozitiv se acoper cu un strat gazos care nrutete caracteristicile electrice prin dou efecte principale: - tensiunea electromotoare scade; - rezistena intern a elementului galvanic crete. Fenomenul de formare a unor bule de gaz pe suprafaa electrodului se numete polarizare i are ca efect scderea curentului debitat i a randamentului. Pentru reducerea polarizrii, n jurul electrodului pozitiv se depune o substan, numit depolarizant, care are rolul de a mpiedica formarea bulelor de gaz. ELEMENTUL LECLANCHE Cel mai frecvent utilizat element galvanic este elementul Leclanche, format dintr-un electrod negativ din zinc, care formeaz chiar vasul elementului, un electrod pozitiv din crbune, electrolit semiumed din soluie de clorur de amoniu i depolarizant (amestec de dioxid de mangan, grafit i negru de fum, n soluie de clorur de amoniu. O seciune printr-un element Leclanche este ilustrat n fig.2.3, unde se pot remarca urmtoarele pri componente: 14

1 nveli protector din carton sau plastic; 2 vas cilindric de zinc (electrod negativ); 3 baston de crbune (electrod pozitiv); 4 aib de carton; 5 sac de tifon cu depolarizant; 6 electrolit; 7 disc de carton parafinat; 8 rumegu sau nisip; 9 strat de rin izolatoare; 10 orificiu pentru evacuarea gazelor; 11 capac metalic.

Fig. 2.3

PARAMETRI ELECTRICI PRINCIPALI 1. Tensiunea electromotoare E se determin pentru un curent debitat nul (trebuie deci msurat cu voltmetre cu rezisten de intrare foarte mare). 2. Tensiunea la borne Ub depinde de valoarea rezistenei de sarcin i, n general, scade n timp, motiv pentru care aceasta se determin n dou momente semnificative: - Ub' - tensiune iniial la borne, care se msoar dup 10 secunde de la conectare (element galvanic nou); - Ub" - tensiune final la borne care se msoar la sfritul descrcrii, depinznd de condiiile de exploatare. ntre tensiunea electromotoare E i tensiunea la borne Ub exist relaia evident:U b = E Ri I d

unde Ri reprezint rezistena intern a elementului, iar Id intensitatea curentului de descrcare. 3. Capacitatea de curent:

15

1 C[ Ah ] = I d d = U bd R0 0

t

t

se poate exprima mai simplu cnd curentul de descrcare este constant:

Capacitatea de curent depinde de urmtorii factori: - regimul de descrcare n timp (capacitatea este mai mare dac descrcarea se face cu intermiten); - valoarea curentului de descrcare (scade cu creterea curentului); - valoarea tensiunii finale la borne (pentru Ub mai mic, capacitatea este mai mare; - temperatura ambiant (crete iniial cu temperatura, apoi se limiteaz).

MATERIALE:-Elemente galvanice diverse i baterii de elemente galvanice;

APARATE DE LABORATOR:-Voltmetru numeric de c.c. - V; -Ampermetru de c.c. - A; -Reostat de 190 ohm - R; -Conductoare de legtur.

MOD DE LUCRU:1. Se identific elementele i bateriile galvanice notnd datele inscripionate pe acestea: tipul, tensiunea nominal, productor, data fabricaiei. Aceste date vor fi nscrise ntr-un tabel de tipul: Nr. TIP TENS.[V] PRODUCTOR DATA TENS.MAS. [V]

2. Se msoar cu ajutorul voltmetrului tensiunile n gol pentru toate elementele (bateriile) puse la dispoziie, iar rezultatele se trec n ultima rubric a tabelului de mai sus. 3. Pentru un element se va realiza circuitul de descrcare prezentat n fig.2.4. Se regleaz reostatul nct s se obin un curent de descrcare de 50 16

mA. Se masoar tensiunea la borne din minut n minut pe o durat de 20 minute, valorile fiind trecute ntr-un tabel. Se va reprezenta grafic Ub=Ub(t).

Fig. 2.4

4. La sfritul perioadei de descrcare se va mri curentul la 100 mA i se va citi noua valoare a tensiunii. 5. Se vor calcula valorile rezistenei interne ale elementului galvanic, nainte de descrcare i dup, cu relaiile urmtoare:

VERIFICAREA CUNOTINELOR:1. Apreciai starea elementelor msurate, n funcie de tensiunea la borne. 2. Care sunt elementele de identificare ale unui element galvanic? 3. Ce parametri electrici ai elementului galvanic sunt afectai de descrcare i n ce mod? 4. In ce condiii se msoar tensiunea electromotoare a elementului galvanic? Dar tensiunea la borne? 5. Ce este capacitatea de curent a unui element galvanic i de ce depinde aceasta? 6. Observaii personale. BIBLIOGRAFIE: -Boicu I., Stan A.I. - Electroalimentare, curs, IPB 1977; -Stan A.I., Boicu I. - Electroalimentare, Lucrri de laborator, IPB 1975. ***

17

Lucrarea 3. EA

ELEMENTE REDRESOARERedresarea se efectueaz cu dispozitive electronice neliniare, a cror comportare depinde de sensul curentului prin dispozitiv. Pn la apariia dispozitivelor electronice au fost utilizate pentru redresare comutatoare mecanice (rotative) antrenate sincron cu tensiunea de redresat. Redresarea cu componente statice s-a realizat cu tuburi electronice vidate sau ionice, care au fost nlocuite treptat de redresoarele semiconductoare, cu cuproxid, iniial (nu se mai folosesc), cu seleniu (nc n funciune, pe alocuri), cu germaniu (scoase din fabricaie, dar prezente nc n echipamente mai vechi) i cu siliciu. REDRESOARELE CU SELENIU: Au fost utilizate pe scar larg, datorit anumitor avantaje: -tehnologie simpl i ieftin de fabricaie; -rcire natural sau cu plci; -suport scurtcircuite de mic durat i suprasarcini; -fiabilitate bun. Exist ins i dezavantaje: -durat limitat de funcionare, peste care parametrii electrici se nrutesc mult; -gam de temperaturi restrns; -dificulti n utilizarea n medii corozive. Redresorul cu seleniu const dintr-o plac de oel moale nichelat sau de aluminiu, sablat, pe care se depune seleniu, cu un grad maxim de impurificare de 0.1 - 0.2%. Electrodul pozitiv este format dintr-un aliaj de metal moale, cadmiu cu staniu sau plumb. Redresoarele cu seleniu pot fi conectate direct, fr elemente de egalizare, att n serie ct i n paralel. Tendina este de a nlocui aceste redresoare cu diode cu siliciu. REDRESOARELE CU GERMANIU: Au fost primele diode realizate n form compact, putndu-se astfel obine gabarite mai reduse dect la redresoarele cu seleniu. Prezint cderi de tensiune n sens direct relativ mici, comparabile cu redresoarele cu seleniu i cureni inveri mai mici. Au fiabilitate mai bun, dar sunt sensibile la temperaturi depind 50 ... 60 grade C. Deoarece nu se mai fabric, ele au fost i sunt nlocuite n echipamentele mai vechi, cu diode cu siliciu. REDRESOARELE CU SILICIU: Sunt foarte fiabile, cu durat de via practic nelimitat n condiiile unor ncrcri moderate. Se apropie mult de caracteristica ideal a diodei, fiind caracterizate de cureni inveri foarte mici, rezistene directe mici. Prezint, totui o cdere de tensiune n sens direct mai mare dect diodele cu germaniu. Majoritatea diodelor cu siliciu se realizeaz pe baza jonciunii p-n, format ntre dou regiuni semiconductoare adiacente avnd tipul de conductibilitate diferit. n unele cazuri, jonciunea se formeaz ntre materiale 18

diferite (ambele semiconductoare, sau un semiconductor i un metal). Jonciunea metal - semiconductor cu conducie unilateral poart numele de diod Schottky. O comparaie intre diode pn i diode Schottky realizate pe acelai tip de semiconductor i avnd jonciuni de arii egale pune n eviden faptul c, n conducie, tensiunea pe dioda Schottky este mai mic dect pe dioda pn, la acelai curent, n timp ce n blocare, curentul prin dioda Schottky este mai mare dect curentul prin dioda pn, la aceeai tensiune. Clasificarea diodelor cu siliciu se poate face dup mai multe criterii: 1. Dup tehnologia de fabricaie: -prin aliere; -cu jonciune mesa difuzat; -cu jonciune planar difuzat; -cu jonciune planar implantat ionic; -cu jonciune metal - semiconductor (Schottky). 2. Dup modalitatea de montare a terminalelor pe diod: -cu contacte lipite; -cu contacte aliate; -cu contacte presate; -variante mixte. 3. Dup ncapsulare: -cu capsul metalic; -cu capsul din plastic; -cu capsul din sticl; -cu capsul ceramic. 4. Dup viteza de comutare: -redresoare normale; -redresoare rapide (diode de comutaie); 5. Dup puterea disipat: -de mic putere P IH (Holding Current). Blocarea tiristoarelor convenionale se poate face: -natural, dac tensiunea de alimentare este alternativ (nu neaprat periodic), caz n care blocarea se face la trecerea tensiunii ctre valori negative; -forat, prin circuite speciale, care unteaz tiristorul n momentul blocrii, prelund curentul anodic al acestuia, sau cel puin, sczndu-l sub valoarea de meninere, sau care aplic o tensiune invers pe tiristorul care trebuie blocat, ceea ce are ca efect tot scderea curentului anodic i chiar inversarea acestuia pe un timp foarte scurt, pn la blocarea tiristorului. Aciunea circuitelor de blocare trebuie s dureze cel puin ct timpul de dezamorsare prin comutarea circuitului tq (Circuit Commutated Turn-Off Time). Acesta poate varia cu temperatura i cu natura sarcinii, rezistiv, capacitiv, inductiv, combinat. Timpul de blocare difer dup tipul tiristorului; tiristoarele rapide blocheaz ntr-un timp aproximativ cu un ordin de mrime mai mic dect tiristoarele normale. Timpul de blocare limiteaz funcionarea tiristoarelor la frecven ridicat. Tiristoarele GTO se pot bloca analog c tiristoarele convenionale sau prin comand pe poart cu o tensiune negativ. Comanda de blocare necesit o putere superioar celei de amorsare. COMANDA N FAZ A TIRISTOARELOR Localizarea exact a amorsrii tiristorului nu se poate face prin comand n curent continuu pe poart, deoarece dependena tensiunii de amorsare pe 38

poart de tensiunea anodic este puternic influenat de temperatur, i plus, n apropierea punctului de amorsare, circuitul este foarte sensibil perturbaii. Din acest motiv, n circuitele n care se cere un control riguros momentului de trecere a tiristorului n conducie, se utilizeaz comanda impulsuri. Fig. 5.4 ilustreaz principiul comenzii n impulsuri.

n la al n

Fig. 5.4

Durata (ntrzierea) ntre momentul aplicrii comenzii i momentul n care tensiunea anodic scade la 10% din valoarea sa iniial reprezint timpul total de amorsare pe poart i este dat de suma dintre timpul de ntrziere la amorsare tgd i timpul de intrare n conducie tgr. Timpul de intrare n conducie depinde de viteza de cretere a curentului anodic (diT/dt), care la rndul su este dictat de natura impedanei de sarcin. Impulsul de comand trebuie s asigure amorsarea n bune condiii a tiristorului, dar trecerea n conducie a acestuia se face diferit, n funcie de temperatur i de natura impedanei de sarcin: rezistiv, inductiv - rezistiv, rezistiv - capacitiv, etc. Forma impulsului de comand este dictat de tipul aplicaiei. Se disting dou tipuri de comand: -impulsuri "tari", utilizate n aplicaiile n care viteza de cretere a curentului de conducie (di/dt) ia valori mari: -invertoare i choppere cu sarcin capacitiv; -anumite aplicaii industriale cu control de faz; -controlul factorului de putere; -sisteme care lucreaz n medii puternic perturbate; -legarea tiristoarelor n serie sau paralel. -impulsuri "slabe", folosite n circuite cu sarcini inductive sau rezistiv inductive, n care viteza de cretere a curentului de conducie este relativ mic (< 2A/s). Fig. 5.5 ilustreaz impulsurile de comand "slabe" i "tari".

39

Fig. 5.5

Formarea impulsurilor reprezint una din problemele comenzii n faz; un alt aspect care trebuie controlat este sincronizarea generatorului de impulsuri cu tensiunea de alimentare anodic, respectiv, cu tensiunea reelei. Pentru comanda n faz a tiristoarelor se utilizeaz circuite pasive (cu rezultate slabe), sau active (cu componente discrete - diace, tranzistoare bipolare, tranzistoare unijonciune, sau cu circuite integrate - de uz general sau specializate). Impulsuri "slabe" de comand se pot obine prin defazarea RC a tensiunii alternative a reelei, momentul de amorsare fiind dictat de depirea pragului de amorsare pe poart, sau, o precizie superioar, se poate obine prin introducerea unor dispozitive cu prag (diode Zener) sau circuite cu prag. Pentru obinerea impulsurilor "tari" se folosesc circuite cu diace (vezi "Lucrarea 6.EA - TRIACE"), sau tranzistoare unijonciune (TUJ). In fig. 5.6 sunt prezentate simbolul TUJ, structura de principiu a unui TUJ i caracteristica acestuia.

Fig. 5.6

40

La capetele zonei "n", uniform dopate, exist dou contacte ohmice, denumite BAZA 1 i BAZA 2. Jonciunea pn situat aproximativ la mijloc ntre B1 i B2, se numete jonciune de emitor, iar contactul ohmic pe zona "p" este EMITOR. Static, TUJ-ul este echivalent cu o diod conectat cu anodul la E i catodul n punctul comun a dou rezistene care sunt conectate cu celelalte terminale la B1, respectiv B2 (fig. 5.7).

Fig. 5.7

Caracteristica curent tensiune a TUJ-ului are trei regiuni distincte: de rezisten mare, specific strii de blocare, meninut ct timp dioda din schema echivalent este polarizat invers (B2 polarizat pozitiv fa de B1, VB2B1 = 5 ... 15V), de rezisten negativ, zon instabil provocat de o multiplicare n avalan a purttorilor de sarcin cnd dioda devine polarizat direct, i de rezisten joas, cnd prin circuitul emitor - baza 1 trece un curent relativ mare. Trecerea TUJ-ului din rezisten mare n rezisten joas se face prin deschiderea diodei echivalente, deci creterea tensiunii emitorului la o valoare egal cu suma dintre tensiunea n punctul de inserie a catodului diodei i tensiunea de deschidere a jonciunii. Tensiunea n catodul diodei este dat de divizarea rezistiv a tensiunii dintre baze: RB1 R V A = V BB = V BB B1 = VBB RB 2 + R B1 RBB Parametrul "eta" poart denumirea de raport de divizare intrinsec (Stand-Off Ratio), i are valori tipice de 0.5 ... 0.8: R B1 R = = B1 R B1 + R B 2 R BB TUJ-ul se utilizeaz frecvent n construcia oscilatoarelor de relaxare, cu semnale de ieire dinte de fierstru, sau impulsuri scurte. Deoarece pragurile de comutare ale TUJ-ului depind direct de tensiunea de alimentare, oscilatorul cu TUJ se sincronizeaz uor cu tensiunea reelei, dac tensiunea sa de alimentare se anuleaz concomitent cu tensiunea reelei. Acest lucru se poate obine alimentnd oscilatorul n tensiune redresat i limitat sus, dar nefiltrat! (vezi fig. 5.8).

41

Fig. 5.8

MATERIALE:-plac cu tiristor, avnd configuraia din fig. 5.9; -plac cu tiristor i reea RC de defazare, fig. 5.10; -plac cu tiristor i TUJ, fig. 5.11; -foaie de catalog pentru tiristorul T16N8.

Fig. 5.9 Plac cu tiristor

Fig. 5.10 Plac cu tiristor i reea RC de defazare

42

Fig. 5.11 Plac cu tiristor i TUJ

APARATE DE LABORATOR:-voltmetru numeric - V; -ampermetru - A; -transformator separator de reea 220V/220V - Tr; -transformator cobortor 220V/15V i 7V - Tc; -osciloscop - O; -surs de tensiune continu 7.5V, 2.5A - E1; -surs de tensiune continu 40V, 1A - E2; -sond atenuator 10:1 pentru osciloscop - ATN; -cordoane de legtur.

MOD DE LUCRU:1. Se studiaz foaia de catalog a tiristorului T16N8, notndu-se valorile semnificative. 2. Cu ajutorul montajului din figura de mai jos se determin caracteristica de poart a tiristorului.

Fig. 5.12 Montaj pentru determinarea caracteristicii de poart a tiristorului

Se completeaz urmtorul tabel:IG(mA) UG(V) 1 2 5 10 20 50 100

43

Caracteristica va fi reprezentat grafic. 3. Se realizeaz montajul din figura de mai jos, cu ajutorul cruia se vor determina tensiunile de amorsare pe poart, pentru diferite valori ale tensiunii anodice.

Fig. 5.13 Montaj pentru determinarea tensiunilor de amorsare pe poarta tiristorului

Se va completa tabelul urmtor, iar dependena va fi reprezentat grafic:UAC=E2 (V) VGT (V) 10 20 30 40

4. Se alimenteaz placa cu tiristor din transformatorul separator, conform figurii de mai jos:

Fig. 5.14 Montaj pentru determinarea unghiului de amorsare a tiristorului

Se vizualizeaz cu osciloscopul tensiunea anod - catod a tiristorului, modificnd lent tensiunea de comand n poart. Se determin limitele unghiului de amorsare a tiristorului. Se va utiliza sonda cu atenuator 1:10 44

pentru osciloscop. ATENIE: La punctele 1-4 se utilizeaz placa cu tiristor (fig. 5.9) i se lucreaz cu tensiuni periculoase (220Vca), deci se vor lua msuri de precauie la manevrarea plcii i a cordoanelor de legtur! Se va urmri gradul de iluminare al becului care constituie sarcina tiristorului. 5. Se alimenteaz circuitul pentru comand n faz cu defazare RC, conform fig. 5.10. Se oscilografiaz urmtoarele tensiuni din montaj: -U. anodic -U. poart; -U. intrare 7V. Masa osciloscopului va fi conectat la catodul tiristorului. Se inverseaz faza pe alimentarea cu 7V i se repet oscilografierea. Formele de und se vor vizualiza pentru trei poziii ale poteniometrului (extreme + median). 6. Se alimenteaz cu tensiune 220V prin transformatorul separator circuitul cu tiristor comandat n faz cu TUJ, conform fig. 5.11. Se vizualizeaz cu osciloscopul tensiunile n montaj: -la ieirea punii redresoare - cu ATN; -pe dioda Zener de 6.8V; -n emitorul TUJ; -n baza 1 a TUJ; -n poarta tiristorului; -n anodul tiristorului - cu ATN. Oscilogramele vor fi desenate astfel nct s se poat pune n eviden corespondena momentelor semnificative. Se vor vizualiza formele de und pentru poziiile extreme ale poteniometrului de reglaj, notnd limitele de variaie ale unghiului de amorsare a tiristorului. ATENTIE! Tensiuni periculoase!

VERIFICAREA CUNOSTINTELOR:1. Care este structura intern a unui tiristor? Cum se explic conducia i blocarea acestuia? 2. Care sunt solicitrile tiristorului? 3. Cum se amorseaz un tiristor? 4. Cum se blocheaz un tiristor? 5. ntre ce limite variaz unghiul de conducie a tiristorului alimentat n tensiune sinusoidal i comandat n curent continuu? 6. Ce nseamn comand orizontal a amorsrii? 7. Ce rol au componentele din fig. 5.10? 45

8. Ce rol au componentele din fig. 5.11? 9. Cum funcioneaz un oscilator cu TUJ? 10. Evaluai limitele raportului dintre puterea obinut pe sarcin prin circuitele din fig. 5.10 i 5.11 i puterea nominal a sarcinii. 11. Observaii personale. BIBLIOGRAFIE: -Bodea M, .a. - Diode i tiristoare de putere, Ed.Tehnic, Buc.1989; -Iosif N., .a. - Tiristoare i module de putere, Catalog, Ed.Tehnic, Buc.1984; -Kelemen A., Imecs M. - Electronic de putere, Ed.Didactic i Pedagogic, Buc.1983. ***

46

Lucrarea 6. EA

TRIACEDenumirea triacului provine din Triode A.C. Switch. Triacul este un ntreruptor bidirecional, avnd o structur intern format din ase straturi semiconductoare, care delimiteaz cinci jonciuni pn. (fig.6.1). Acest dispozitiv const din integrarea pe aceeai structur a dou tiristoare convenionale, conectate n antiparalel: tiristorul A (p1n1p2n2) i tiristorul B (p2n1p1n4). Metalizrile emitorilor n2 i n4 se extind peste straturile p2 i respectiv p1, astfel nct pot servi ca terminale de contact att pentru emitorul de catod, ct i pentru cel de anod. Funcionarea ambelor tiristoare este controlat de un singur terminal de comand (poarta G). Jonciunea de poart J4 este format din straturile semiconductoare p2 i n3. Prezena jonciunii de poart permite controlul conduciei curentului prin dispozitiv n ambele sensuri, prin aplicarea semnalelor bipolare ntre terminalul G i unul dintre celelalte dou terminale.Anod 2

n2

J3 J2

p2

J4

n3

Poarta

n1

J1p1 n4 tiristor A tiristor B

J5

Anod 1

Fig. 6.1 Structura intern a triacului

Caracteristica U - I static a triacului este simetric fa de origine (fig.6.2), fiind rezultat din caracteristicile celor dou tiristoare antiparalel. Datorit conduciei att n cadranul I, ct i n cadranul III, triacele de curent alternativ, aplicaiile cele mai frecvente fiind n comanda vitezei motoarelor, a temperaturii, a iluminrii etc. Pe caracteristica ilustrat n fig.6.2 se disting: -dou zone de blocare: -n sens direct Bdir; -n sens invers Binv; -dou zone de conducie: -direct Cdir; -invers Cinv. sensurile direct sau invers fiind raportate la tensiunea aplicat ntre cei doi anozi: -UA1 > UA2 = sens direct; -UA1 < UA2 = sens invers.

Tensiunea anodic de trecere din blocare n conducie depinde de curentul stabilit n circuitul poart - anod 2, fiind maxim, n valoare absolut, pentru curent de poart nul. Dup ncetarea comenzii pe poart, triacul rmne n conducie pn la scderea curentului anodic (n valoare absolut) sub valoarea de meninere IH.IA

Cdir

Binv B dir

C inv

Fig. 6.2 Caracteristica curent-tensiune a triacului

In funcie de polaritile tensiunilor aplicate pe terminale, exist patru modaliti de comand a trecerii triacului n conducie:UA1-A2 + + UG-A2 + + CADRAN I I III III PUTERE POART 100% 300% 400% 200% PE

Se observ c prima combinaie necesit puterea minim de comand pe poart, iar a treia, puterea maxim, ntre cele patru cazuri diferind att tensiunea ct i curentul de poart. Asemntor cu tiristorul, triacul poate fi comandat n poart n curent continuu, pe orizontal, sau n impulsuri, n faz, sau nesincronizat; metodele de comand ale triacului pstreaz avantajele i dezavantajele celor utilizate pentru tiristor. La blocare, Funcionarea triacului difer de cea a dou tiristoare conectate antiparalel. Dac tiristoarele alimentate n tensiune alternativ sinusoidal au la dispoziie, pentru blocare, cte o semisinusoid (cea n care sunt polarizai invers), integrarea celor dou tiristoare pe aceeai structur creeaz dependene ntre acestea, ceea ce face ca timpul disponibil de trecere n blocare s fie intervalul n care curentul anodic variaz ntre IH i -IH, ntr-un

sens, sau n cellalt. Pe sarcini rezistive, la frecvene industriale, 40 ... 60Hz, blocarea triacului se realizeaz fr probleme, dar pe sarcini inductive, exist riscul ca triacul s nu se blocheze. Acest fenomen limiteaz utilizarea triacelor n frecvene ridicate. Comanda triacelor n curent continuu este limitat la circuitele n care acestea nlocuiesc contacte mecanice. Pentru reglarea puterii pe un consumator, alimentat n tensiune alternativ sinusoidal, se utilizeaz exclusiv comanda n faz, deoarece, dup cum s-a artat n tabelul anterior, caracteristica de comand a triacelor este foarte neuniform, ceea ce ar duce la apariia unor componente continue n curentul de sarcin. O variant foarte simpl i rspndit de comand n faz, sincronizat pe tensiunea anodic, utilizeaz diacul. Diacul (Diode A.C. Switch) este un dispozitiv cu dou terminale, format din dou structuri PNPN (diode Schockley), legate antiparalel (fig.6.3).n3 p2 n2 n1 p1

Anod 2

Fig. 6.3 Structura intern a diacului

Diacul este un dispozitiv bidirecional, prezentnd cte o zon de blocare i cte una de conducie pentru ambele polarizri. Caracteristica sa curent tensiune este simetric fa de origine (fig.6.4).

Fig. 6.4 Caracteristica current-tensiune a diacului

Diacul blocheaz tensiunile aplicate de ambele polariti i conduce n direct n ambele sensuri. Trecerea din blocare n conducie se face prin depirea tensiunii de strpungere; trecerea propriu-zis este un fenomen

instabil, n care diacul se comport cu o caracteristic de rezisten negativ. Trecerea din conducie n blocare se face tot printr-un proces instabil, la scderea curentului prin diac (n valoare absolut) sub valoarea de meninere. Deci, diacul se caracterizeaz prin doar dou stri stabile: conducia i blocarea. Diacul se utilizeaz i n schemele de comand a tiristoarelor, n configuraii asemntoare. Tensiunile de deschidere ale diacelor sunt n intervalul 25 ... 50V. Fig. 6.5 reprezint schema tipic de aplicaie pentru comanda triacului cu diac. Becul B reprezint sarcina triacului. Circuitul se alimenteaz n tensiune alternativ sinusoidal.

Fig. 6.5

La trecerea tensiunii de alimentare prin zero, triacul se blocheaz Tensiunea pe condensator este aproximativ nul. Pe semisinusoida care urmeaz, condensatorul C ncepe s se ncarce prin grupul serie R i r. Diacul este blocat, prin urmare prin el nu trece curent, deci circuitul de ncrcare al condensatorului este simplu. Rezistenele R i r sunt mult mai mari dect rezistena becului (sarcinii), motiv pentru care se neglijeaz cderea de tensiune pe bec. Iniial condensatorul este descrcat la 0. Tensiunea pe condensator se modific pe durata unei semisinusoide, crescnd n valoare absolut, urmrind relaia: t 2 2 2 02 1 0 u C (t ) = 0 cos 0 t + sin 0 t + e 2 2 1 2 0 1 2 0 unde :

= ( R + r )C 0 = 2f = 100 [ s 1 ]

pentru frecvena reelei de 50Hz. Cnd tensiunea pe condensator atinge valoarea:U C = U Bdiac +VGT

diacul se deschide, trece brusc n conducie, ceea ce creaz un impuls de curent n poarta triacului, datorit descrcrii condensatorului pe circuitul format din nserierea diacului cu circuitul de poarta-catod. Triacul trece i el n

conducie. Curentul prin poarta triacului are valori relativ mari; n primul moment el nu este limitat dect de rezistena dinamic a diacului n conducie (mic), rezistena dinamic a circuitului poart - catod al triacului (mic) i rezistenele conexiunilor (foarte mici). Din aceast cauz, comanda de deschidere este foarte bun, permind iniierea conduciei pe toat suprafaa structurii triacului. Curentul de comand este mult mai mare dect curentul de ncrcare al condensatorului, energia acumulndu-se lent prin ncrcarea n curent mic i degajndu-se rapid prin descrcarea ntr-un circuit de mic rezisten. Diacul se va bloca atunci cnd curentul care l parcurge scade sub valoarea de meninere, datorit descrcrii condensatorului. Rezistenele R i r se dimensioneaz astfel nct curentul prin ele nseriate, la tensiune maxim de alimentare s se afle sub valoarea curentului de meninere a diacului. Dup blocarea diacului, condensatorul continu s se descarce prin triacul aflat n conducie. Procesul se repet la fiecare semisinusoid. Dac suma R+r este de valoare mare, tensiunea pe condensator nu mai atinge valoarea de amorsare a diacului, care rmne blocat n permanen, meninnd blocat i triacul. In acest caz, dup un regim tranzitoriu, tensiunea pe condensator va reprezenta o sinusoid defazat n urma tensiunii reelei (cu o amplitudine sub tensiunea de strpungere a diacului), respectiv suma primilor doi termeni din expresia tensiunii pe condensator (mai sus menionat). In afara componentelor menionate, n schem apar i altele: -L: inductana de filtrare contra perturbaiilor care apar n procesul de comutare a triacului; -F1: siguran fuzibil, cu rol de protecie la supracurent (scurtcircuitarea rezistenei de sarcin). Protecia este eficient doar pentru circuitul de alimentare, nu i pentru triac; -F2 - UR: siguran fuzibil ultrarapid, cu rolul de a proteja triacul la scurtcircuitarea sarcinii. Exist posibilitatea de a monta F2 n locul F1, caz n care sigurana ultrarapid protejeaz att triacul, ct i sursa de alimentare. Alegerea acesteia se face dup valoarea integralei de curent a triacului, adic se alege o siguran cu integral de curent mai mic; n plus curentul nominal al siguranei trebuie s fie superior curentului efectiv maxim din circuit; -Rp i Cp: grupul serie R-C este un circuit de protecie la supratensiuni n impuls. Impulsurile scurte de tensiune ridicat sunt aplatizate i lite, ca efect al condensatorului, rezistena limitnd curentul de descrcare a condensatorului prin triac, la comutarea n conducie. Pe sarcini inductive, prezena condensatorului cu rezisten de limitare accelereaz comutarea n conducie.

MATERIALE:-plac cu triac, bec i dou rezistene (fig.6.6); -plac cu diac, triac, poteniometru, rezisten, condensator i bec.

APARATE DE LABORATOR:-surs de tensiune continu, dubl, 2x40V, 1A, - E1 i E2; -surs de tensiune continu, 7.5V, 2A - E3; -voltmetru numeric - V; -ampermetru - A; -osciloscop - O; -atenuator 10:1 pentru osciloscop - ATN; -transformator cobortor 220V/15V - Tr; -transformator de separare 220V/220V - TrS; -cabluri de legtur.

MOD DE LUCRU:1. Se identific placa corespunztoare fig. 6.6 i se completeaz cu aparatele din fig. 6.7.

Fig. 6.6

Fig. 6.7

Pe acest circuit se va determina caracteristica U - I a porii triacului. Se variaz tensiunea sursei E1 de la 0 la 24V, cu pas de 2V, notnd tensiunea pe poart, indicat de voltmetrul V, i curentul de poart, msurat de ampermetrul A. Se inverseaz polaritatea sursei E1 i se repet msurtorile. Se reprezint pe acelai grafic cele dou curbe. Se completeaz tabelul urmtor:

E1[V] UG[V] IG[mA]

-24

-22

-20

...

0

2

...

22

24

2. Se realizeaz montajul din fig. 6.8, cu ajutorul cruia se vor determina tensiunile i curenii de poart de amorsare.

Fig. 6.8

Circuitul de poart i circuitul anodic vor fi alimentate cu tensiuni pozitive i negative, nct s rezulte cele patru cazuri de conducie. Sursa E 2 va fi reglat pe valorile 10V, 20V, 30V i prin inversarea bornelor de alimentare -10V, -20V, -30V. Sursa E1 va fi adus la 0V naintea fiecrei msurtori. Inaintea fiecrei msurtori se ve deconecta, pentru cteva secunde, fia de alimentare de pe borna X5, pentru a bloca sigur triacul (triacul amorsat la msurtoarea precedent nu se blocheaz prin anularea tensiunii de comand n poart). Dup blocarea triacului, se crete treptat i continuu tensiunea E 1 urmrind indicaiile voltmetrului i ampermetrului, pn la trecerea triacului n conducie, fapt semnalizat prin iluminarea becului de pe plac i prin creterea curentului debitat de sursa E2, vizibil pe ampermetrul de pe panoul frontal al sursei. Se completeaz tabelul urmtor:

-30V

-20V

-10V

E2[V] UG[V] IG[V]

10V

20V

30V

Se reprezint grafic dependenele UG = f(UA1-A2) i IG = f(UA1-A2), considernd c, pentru triacul blocat, E2 = UA1-A2. 3. Cu ajutorul montajului din fig. 6.9 se va determina caracteristica U - I a circuitului anodic al triacului.

Fig. 6.9

Se vor studia ambele cazuri: comand pozitiv pe poart i apoi tensiune negativ de comand. Sursa E1 se va regla la maximul valorii obinute la punctul precedent + 3V (n valoare absolut), pentru o deschidere sigur. Poteniometrul de tensiune al sursei E3 va fi reglat pentru o tensiune n gol de 5V. Curentul anodic al triacului va fi modificat prin acionarea poteniometrului reglaj curent limitat al sursei. Se va porni de la valori mari de curent 2A spre 0, cu pas 0.2A. Msurtorile vor fi repetate dup schimbarea polaritii alimentrii din sursa E3. Se va reprezenta grafic dependena IA = f(UA1-A2). Se va calcula rezistena dinamic a triacului n conducie, prin aproximarea acesteia cu raportul diferenelor finite dintre tensiunile, respectiv curenii, obinui la pai consecutivi. Se va completa urmtorul tabel, cuprinznd tensiunile i curenii prin triacul n conducie:-2 -1.8 ... -0.2 IA[A] UA1A2

0.2

...

1.8

2.0

[V]

Relaia de calcul pentru rezistena dinamic: U U AA :k 1 rk = AA :k +1 I A:k +1 I A:k 1 unde "k" este numrul de ordine al determinrii. 4. Se alimenteaz montajul n curent alternativ, conform fig. 6.10, din transformatorul cobortor, cu tensiune secundar de 15V (A NU SE CONFUNDA TRANSFORMATORUL COBORATOR CU TRANSFORMATORUL SEPARATOR). Se vor studia posibilitile de comand n curent continuu a deschiderii triacului. Cu ajutorul osciloscopului se pot msura unghiurile de deschidere i de blocare ale triacului, cnd pe poarta acestuia se aplic tensiuni continue, lent variabile n timp, att pozitive, ct i negative.

Fig. 6.10

5. Comanda triacului prin diac (comand n faz) se studiaz pe schema din fig. 6.5. Se va desena schema real a circuitului realizat pe plac, acesta fiind mai simplu dect cel din fig. 6.5 (Se va utiliza, evident, cealalt plac!). Se va conecta secundarul transformatorului separator la bornele X1 i X2, iar apoi se va alimenta primarul transformatorului de la reea. ATENTIE! Acest montaj funcioneaz la tensiunea reelei, deci exist pericol de electrocutare. Se va lucra cu atenie sporit. Cu ajutorul osciloscopului se vor vizualiza tensiunile marcate pe schem: sunt puncte de conectare a osciloscopului cu borna "cald". 1 2 3 Masa osciloscopului se va conecta la anodul 2 al triacului. ATENIE! Pentru vizualizarea tensiunii n punctul "3" se va utiliza obligatoriu atenuatorul 10:1, altfel se poate defecta intrarea osciloscopului. Formele de und se vor reprezenta pentru minimum trei situaii: cursorul poteniometrului la cele dou capete i ntr-o poziie median.

VERIFICAREA CUNOTINELOR:1. S se descrie structura intern a triacului. 2. Comparai posibilitile de comand ale triacului, n funcie de polaritile tensiunilor aplicate. 3. Cum se blocheaz un triac n conducie? 4. Comparai funcionarea tiristorului i triacului. 5. Desenai formele de und ale tensiunii pe sarcin pentru circuitele studiate la pct. 4 i 5. 6. Calculai, cunoscnd unghiurile de conducie i blocare ale triacului din circuitele de la pct. 4 i 5, raportul dintre puterea pe sarcin i puterea maxim care s-ar obine pe sarcin, dac triacul ar conduce permanent.

t bl +

r=

t cond + T

u ( ) d +2 s

tbl

t cond

u

2 s

( ) d

u0

2 s

( ) d

7. Care sunt avantajele i dezavantajele schemei de comand din fig. 6.5? BIBLIOGRAFIE: -Bodea M., .a. - Diode i tiristoare de putere, Manual de utilizare, Ed.Tehnic, Buc.1989; -Iosif N., .a. - Tiristoare i module de putere, Catalog, Ed.Tehnic, Buc.1984. ***

Lucrarea 7. EA

STABILIZATOARE PARAMETRICEElementele folosite n stabilizatoarele parametrice sunt dispozitive neliniare, a cror caracteristic U - I tinde ctre o paralel la axa tensiunilor sau la axa curenilor (fig.7.1). Cu ajutorul acestor elemente se construiesc scheme de stabilizare a tensiunii sau a curentului, n configuraii complementare (fig.7.2). Aceste scheme de stabilizare reprezint sisteme de reglare automat cu ciclu de reglare deschis (fr reacie); performanele electrice (stabilizarea, n special) sunt inferioare stabilizatoarelor cu reacie, dar sistemele cu ciclu de reglare deschis nu sunt susceptibile de a autooscila. Neliniaritatea caracteristicii U -I poate fi determinat de mecanismul de trecere a curentului i, n acest caz, elementul neliniar se numete varistor. Din aceast categorie fac parte tuburile electronice i ionice, stabilovolii, celule semiconductoare, rezistoarele cu tirit, vilit sau carborund, bobinele cu miez de fier, condensatoarele cu dielectric din sare Seignette, etc. Caracteristica U - I neliniar poate fi determinat i de efectul termic al curentului care circul prin dispozitiv; acestea sunt componente de tipul termistoarelor: becuri cu incandescen, semiconductoare cu coeficient negativ de temperatur, termistoarele propriu-zise, etc. Prin dezvoltarea tehnologiilor semiconductoarelor, gama dispozitivelor neliniare utilizate practic s-a restrns, nct, n prezent se folosesc predominant diode "Zener", termistoare, VDR (Voltage Dependent Resistor), i rar, elemente cu filament (becuri, baretoare) i foarte rar, tuburi ionice sau electronice. Bobine i condensatoare neliniare se utilizeaz n aplicaii speciale, relativ pe scar restrns. Elementele neliniare a cror caracteristic U - I este simetric fa de origine pot fi folosite att n curent continuu, ct i n alternativ. Alimentate n curent alternativ acestea produc, n general, deformri ale tensiunii alternative, care se traduc n apariia armonicelor superioare, fenomen nedorit ce trebuie nlturat prin filtrare n anumite aplicaii mai pretenioase. DIODE STABILIZATOARE DE TENSIUNE CU SILICIU: Numite i diode "Zener", aceste dispozitive se fabric intr-o gam foarte larg de tensiuni i puteri, nct sunt cele mai folosite dispozitive neliniare discrete de stabilizare. Aceste diode funcioneaz n zona de strpungere a caracteristicii curent - tensiune, regiune n care tensiunea rmne practic constant la variaii apreciabile ale curentului. Domeniul tensiunilor de lucru al diodelor stabilizatoare este de aproximativ 3 ... 300V, sub aceast gam utilizndu-se diode polarizate direct, existnd diode de referin n sens direct (DRD), i peste 300V putndu-se nseria diode stabilizatoare. Puterile disipate se gsesc n domeniul 0.4W ... 50W. Denumirea de diode "Zener" este improprie (dar intrat n uzul curent), deoarece efectul Zener (tunelarea purttorilor de sarcin din banda de valen n cea de conducie sub aciunea unui cmp electric intens) explic numai 57

funcionarea diodelor cu tensiuni de stabilizare pn la circa 5.5V. La tensiuni mai mari de stabilizare, funcionarea diodelor se bazeaz pe efectul de multiplicare n avalan (purttorii de sarcin sunt accelerai de cmpul electric i capt energii suficient de mari nct pot s ionizeze, prin ciocnire, atomii reelei). Grania dintre cele dou mecanisme de conducie n polarizare invers nu este net, la diodele cu tensiuni de stabilizare n zona de separaie, strpungerea datorndu-se ambelor fenomene. In polarizare direct, caracteristica diodei Zener este similar cu cea a unei diode redresoare cu Si, diferena intre cele dou caracteristici aprnd n polarizare invers, n zona de strpungere. Fig.7.3. ilustreaz caracteristica U I a unei diode Zener. Diodele Zener accept cureni importani de strpungere, notai Iz, iar tensiunea de strpungere Vz este controlat fin tehnologic, pentru a se obine valoarea dorit.

Fig. 7.1

Principalele caracteristici ale diodelor stabilizatoare sunt: -Tensiunea de stabilizare VZT: VZT este parametrul principal al diodelor stabilizatoare. n datele de catalog, VZT este specificat la curentul de msur IZT, dependent de tipul diodei. n utilizarea unei diode trebuie avute n vedere cteva aspecte: -exist o dispersie de natur tehnologic a valorilor tensiunii VZT n jurul valorii nominale; -valorile de catalog (nominale, minime sau maxime) sunt garantate pentru cazul n care temperatura jonciunii este egal cu temperatura ambiant de referin T0 (in general T0 = 25oC). Aceast proprietate rezult din necesitatea sortrii unui numr mare de diode intr-un timp rezonabil, ceea ce impune testarea n regim de impulsuri, pentru ca temperatura s nu se modifice. Tensiunea de stabilizare a diodei la alt temperatur, fa de cea de referin, i/sau pentru condiii de polarizare care implic nclzirea diodei, se poate calcula cu relaia urmtoare:

V Z (T)= V Z ( T 0 )[1+ VZ (T - T 0 )]58

Dependena de temperatur este considerat liniar, prin coeficientul de

temperatur al tensiunii de stabilizare. -Rezistena diferenial pe caracteristica de stabilizare: In cazul general, aceast rezisten rZ, este format din dou componente: rezistena diferenial a jonciunii pentru condiii izoterme, rZj, i o rezisten diferenial de natur termic, rZth:

rZ =

dT dV Z = ( V Z ) +( V Z ) I Z T=const T I Z =const dI Z dI Z r Z = r Zj + r Zth

Primul termen reprezint rZj i cel de-al doilea rZth, adic: Variaiile rapide ale curentului nu pot fi urmrite de temperatura jonciunii; n acest caz rezistena total diferenial este rZj. Foile de catalog nscriu chiar aceast valoare ca rezisten diferenial, msurarea fiind efectuat la frecven de 1kHz, deci suficient de mare nct variaiile de temperatur ale jonciunii s fie neglijabile. Creterea curentului Zener IZ atrage dup sine scderea rezistenei rZ, pentru aceeai diod. -Curentul minim de stabilizare IZm: Este curentul minim la care dioda funcioneaz nc n regim de stabilizare. Curentul IZm nu este indicat n foile de catalog, el fiind impus de aplicaia concret prin valoarea maxim admis pentru rezistena diferenial. -Curentul maxim de stabilizare IZM: Este impus de regimul termic staionar al diodei Zener, astfel nct Tvj < Tvj.max. Catalogul indic valorile curentului maxim de stabilizare corespunztoare puterii maxime disipate de diod, n regim staionar. n regim de impulsuri de scurt durat, curentul IZM poate fi depit. Valoarea maxim n impuls se determin, n dependena de forma i durata impulsului, tot din condiia ca temperatura jonciunii s nu depeasc valoarea sa maxim, innd cont de impedan termic a diodei. - Coeficientul de temperatur al tensiunii de stabilizare: Reprezint variaia procentual a tensiunii de stabilizare cu temperatura jonciunii:

VZ =

[%/ C] ( VZ ) V Z T I Z =const. 1

Coeficientul de temperatur are valori negative pentru diodele cu V ZT < 5.5 ... 6V i pozitive pentru celelalte. Schimbarea de semn este cauzat de trecerea de la strpungerea prin efect Zener la strpungerea prin multiplicare n avalan. Practic, pentru diodele cu VZT = 5 ... 6V, coeficientul de temperatur este minim. -Curentul rezidual invers: Este curentul invers al diodei stabilizatoare, msurat la o tensiune mai mic dect tensiunea de stabilizare. Curentul invers are valori inferioare pentru diodele care se strpung n avalan VZT > 6V, i la diodele fabricate n tehnologie planar (ex. DZ1 ... DZ51, ZP1 ... ZP100). Dependena de temperatur a curentului invers este mare, acesta 59

dublndu-se la o cretere de temperatur de aproximativ 10oC. -Zgomotul diodelor stabilizatoare de tensiune: Este mai pronunat la diodele cu strpungere prin avalan, datorit chiar mecanismului statistic de strpungere i apariiei de microplasme. La creterea curentului IZ, tensiunea echivalent de zgomot prezint maxime i minime, datorit apariiei de puncte suplimentare de strpungere. Pentru reducerea zgomotului propriu al diodelor se folosesc mai multe metode, printre care: -alegerea unui curent de polarizare IZ suficient de mare pentru a fi evitat zona de cot, unde zgomotul este foarte mare; -cuplarea n paralel pe diod a unui condensator de cca. 100nF, neinductiv, caz n care tensiunea echivalent de zgomot scade de aproximativ 10 ori. Deoarece caracteristica de polarizare invers a diodelor stabilizatoare nu prezint zone de rezisten negativ, nu exist pericolul autooscilaiilor. In utilizarea diodelor stabilizatoare se va ine cont de puterea maxim care poate fi disipat de dispozitiv, n funcie de temperatura ambiant; valoarea maxim a puterii este indicat n catalog. V.D.R.: Numite i varistoare, prezint o neliniaritate pronunat intre tensiunea i curentul aplicate la borne. Sunt rezistene comandate n tensiune. Acestea sunt fabricate din materiale neomogene, cu proprieti de redresare la contactul dintre particule. Materiale utilizate n fabricaia VDR: carburi de siliciu, oxid de zinc, oxid de titan, etc. Caracteristicile electrice sunt determinate de reeaua complex de contacte cristaline cu proprieti redresoare. Se folosesc frecvent ca soluii ieftine i fiabile de protecie a dispozitivelor semiconductoare, circuitelor electronice, colectoare de motoare, contacte de releu, etc. contra supratensiunilor i consecinelor acestora. Relaia dintre tensiune i curent pentru VDR:

V = CI unde V este tensiunea n voli, I curentul n amperi, iar C i "beta" sunt constante. VDR nu are efect directiv; caracteristica U - I este simetric fa de origine. Relaia de legtur intre tensiune i curent este valabil doar pentru valori instantanee, i nu poate fi aplicat pentru valori medii, efective, etc. n cazul utilizrii VDR n circuite de curent alternativ. Coeficienii C i "beta" depind de compoziia materialului i de dimensiunile volumului activ; "beta" ia uzual valori intre 0.02 ... 0.40, iar C, intre 14 i cteva mii. TERMISTOARE: Sunt rezistoare a cror rezisten variaz cu temperatura intr-o proporie 60

superioar rezistoarelor convenionale. Se disting dou categorii de termistoare: NTC (Negative Temperature Coefficient), a cror rezistena variaz invers proporional cu temperatura, i PTC (Positive Temperature Coefficient), la care variaia este direct proporional. Termistoarele NTC sunt rezistoare construite din oxizi ai elementelor din grupa fierului (crom, mangan, cobalt sau nichel). Aceti oxizi au rezistivitate mare n stare pur, dar pot fi transformai n semiconductoare prin adaus de materiale cu alt valen. Conductivitatea materialului este:

= n* e* q2 KT

unde e este sarcina electronului, n i reprezint concentraia i mobilitatea purttorilor de sarcin electric. Ultimele dou mrimi depind de temperatur:

n

e e

T q1 KT

T

unde q1 i q2 sunt energii caracteristice purttorilor de sarcin electric. Dependena conductivitii de temperatur este urmtoarea:

T -ce- kT ( = direct proportional cu)unde q2 poate fi 0. n practic exponeniala este valoarea hotrtoare, nct, pentru un domeniu de temperaturi, rezistena unui termistor NTC se aproximeaz prin relaia:

( q 1+q 2 )

R = Ae T

B

Termistoarele PTC: Se folosesc ca limitatoare de curent, senzori de temperatur, compensatoare de temperatur, temporizatoare, etc. Prezint coeficient pozitiv de dependen cu temperatura intr-o anumit gam de temperaturi, n rest acesta fiind nul sau negativ. Se fabric din titanat de bariu sau stroniu (BaTiO3, SrTiO3), care se impurific cu alte substane. Rezistena termistoarelor PTC este:

1 eV b R b e kT aunde a este dimensiunea cristalitelor, Vb este potenial electric de barier. Pentru domenii limitate de temperatur, rezistena poate fi scris:

RT = A+ Ce BTi prin difereniere se poate calcula coeficientul de temperatur:

= 100B%/ C61

=

BT 1 dR = BCe R dT A+ CeBT

ultima relaie fiind valabil pentru acea poriune a caracteristicii pentru care RT >> A. n general n practic aceast condiie se ndeplinete rar, ceea ce duce la folosirea unor metode grafice sau numerice de proiectare. BARETOARE: Sunt un caz particular de termistoare PTC, a cror element activ este constituit dintr-un filament de fier n atmosfer inert. Pentru un anume domeniu de tensiuni aplicate la borne, acestea se comport ca stabilizatoare de curent (generatoare de curent constant). Datorit ineriei termice a filamentului, nu pot fi folosite n aplicaii unde exist variaii rapide ale mrimilor electrice din circuit. Becurile uzuale cu incandescen au caracteristici asemntoare, dar stabilizarea obinut este inferioar. In caracterizarea elementelor stabilizatoare se definesc:

R st =Rd =

dU (rezistenta dinamica) dI

U (rezistenta statica) I

MATERIALE:-plac cu -plac cu -plac cu -plac cu diode Zener fig. 7.4; termistoare i VDR fig. 7.5; baretor fig. 7.6; becuri fig. 7.7.

62

R 1 K E 1

1

B

a

r e t o

r

AD Z

AE 1 E 2 1 2 B E C V / 1 5 W

V

Fig. 7. 2

Fig. 7. 3

AE 2

AT e r m i s t o rE 1 1 B E C 2 V / 1 5 W

E

1

Fig. 7. 5 Fig. 7. 4

APARATE DE LABORATOR:- voltmetru numeric - V; - ampermetru - A; - ohmmetru - ; - surs de tensiune continu 2x(40V, 1A) - E1, E2;

MOD DE LUCRU:1. Se identific diodele de pe plac i se caut caracteristicile acestora n catalog. Se determin experimental dependena curent - tensiune, n polarizare invers pentru toate diodele. Se va utiliza montajul din fig. 7.4. Se completeaz tabele de tipul urmtor:

IZ(m A) VZ (V)

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Se reprezint grafic rezultatele msurtorilor. 2. Se polarizeaz diodele, pe rnd, cu jumtate din tensiunea V ZT, n sens invers, i se msoar curentul rezidual. 3. Se calculeaz rezistenele dinamice ale diodelor n zona de stabilizare, conform relaiei:

rd =

V Z V Z = [k ] I Z 2mA

4. Se msoar cu ohmmetrul rezistena termistoarelor, la temperatura camerei. 63

V

V

Termistorul de 0.3A va fi alimentat, conform fig.7.5. cu o tensiune de 80V, obinut prin nserierea celor dou jumti ale sursei duble. Se vor nota tensiunea i curentul la fiecare 10 s, timp de 5 min, sau pn cnd curentul atinge 0.3A.

ATENTIE! Tensiune periculoas! ATENTIE! Termistorul se nclzete puternic!Se reprezint grafic dependena curent - tensiune. 5. Se alimenteaz VDR cu tensiune continu intre 0V i 80V, cu pas 10V, i se msoar curentul prin dispozitiv. Se reprezint grafic dependena obinut. 6. Se determin caracteristica de stabilizare a baretorului, alimentndu-l ca n fig.7.6., cu tensiuni intre 0V i 27V, din volt n volt, notnd curentul prin circuit i tensiunea pe sarcin. Se reprezint grafic funciile I = f(Ualim) i US = f(Ualim). 7. Se determin i se reprezint grafic dependena curent tensiune, i se calculeaz rezistena dinamic, pentru un bec cu incandescen, alimentat intre 0V i 13V, din volt n volt, ca n fig. 7.7.

VERIFICAREA CUNOSTINTELOR:1. Care sunt parametrii electrici caracteristici ai unei diode Zener? 2. Cum se definete i cum se msoar rezistena dinamic a unui dispozitiv stabilizator? Ce diferen exist fa de rezistena static? 3. Ce sunt termistoarele? Cte tipuri exist? 4. Ce este VDR? 5. Ce proprieti prezint baretorul? Comparai-le cu cele ale unui bec cu incandescen. 6. Observaii personale. BIBLIOGRAFIE: - Boicu I., Stan A.I. - Electroalimentare, curs, IPB 1977; - Stan A.I., Boicu I. - Electroalimentare, Indrumar de laborator, IPB 1975; - Petru A.D., .a. - Diode cu siliciu, Catalog, Ed.Tehnic, Buc.1986; - *** - MBLE, Components and materials, Non-linear resistors, Part 11, 1979. ***

64

Lucrarea 8. EA

CONTACTOAREContactoarele sunt dispozitive mecanice, electromecanice sau electronice care inchid sau deschid circuitele electrice. Din punct de vedere cronologic, primele contactoare folosite au fost cele mecanice; n urma introducerii schemelor de acionare la distan i de automatizare au aprut contactoarele electromecanice, iar ca urmare a dezvoltrii tehnologiei semiconductoarelor s-au rspndit contactoarele electronice. CONTACTOARE MECANICE I ELECTROMECANICE: Sunt cele mai frecvent utilizate contactoare, acoperind aplicaii n toate gamele de tensiuni, cureni i puteri. Se folosesc pentru conectarea i deconectarea circuitelor electrice, sau pentru comutarea acestora. Principial, un contactor mecanic este compus dintr-unul sau mai multe contacte electrice, acionate prin intermediul unui mecanism, care poate cuprinde prghii, came, angrenaje cu roi dinate, etc. Contactoarele electromecanice posed suplimentar un element de execuie electromecanic (electromagnet, motor electric), care transform comanda electric n deplasare sau rotaie mecanic, acionnd astfel asupra mecanismului de comand a contactorului mecanic. Exist i contactoare la care ntre partea de comand electric i partea de execuie mecanic se intercaleaz dispozitive pneumatice sau hidraulice. Clasificarea contactoarelor se face dup: - tensiunea nominal suportat de contacte: - de joas tensiune, sub 500V, - de tensiune nalt, peste 500V, - de foarte nalt tensiune, pentru zeci de mii V; - dup tipul tensiunii: - de curent continuu, - de curent alternativ; - dup numrul de contacte; - dup modul de comand: -mecanic, -electric, -pneumatic, -hidraulic; - dup viteza de acionare: - normale, - rapide; - dup tipul de protecie; - dup utilizare: -butoane i comutatoare, -chei, 65

-manipulatoare, -selectoare, -limitatoare de cap de curs, -senzori de poziie, -contactoare electromagnetice, etc. LIMITATORII CAP DE CURS: Sunt dispozitive cu acionare mecanic montate pe mecanisme, avnd rolul de a sesiza sfritul domeniului permis de deplasare pentru organele mobile. n general se monteaz pe prile fixe ale mecanismului, din considerente de cablare, dar pot fi amplasate i pe piesele mobile, fiind atunci racordate prin conductoare flexibile. Sesizarea deplasrii se face direct pe piesa mobil (variant evitat, de regul), sau prin aciunea unei came solidare pe piesa n micare. Cama (1) este n contact cu un palpator mecanic (3), care poate fi prevzut cu o roat (2) pentru a micora uzura datorat frecrilor. Palpatorul poate fi montat ntr-un lagr de alunecare, sau de rotaie. Translaia sau rotaia, dup caz, a palpatorului, antreneaz deplasarea unuia sau mai multor contacte electrice (4), izolate ntre ele i fa de carcasa (5) limitatorului (fig.8.1). Contactele pot fi de lucru (normal deschise ND, sau NO normal open), de repaus (normal inchise NI, sau NC - normal close), sau contacte comutatoare, n care borna comun se noteaz COM, sau similar.

Fig. 8. 1

Limitatorii cap de curs se fabric ntr-o gam foarte larg, att ca domenii electrice de tensiuni i cureni, ct i ca forme constructive i clase de izolaie. Comanda elementului de execuie se poate face direct, sau prin mijlocirea unor relee, n scheme de repetoare sau n configuraii complexe de automatizare. O variant este utilizarea unor limitatori fr contact mecanic, interaciunea producndu-se prin cmp magnetic. Pe piesa fix se amplaseaz 66

o fiol cu contact REED (tub de sticl vidat sau umplut cu gaz inert, n care se gsete un contact electric, format din lamele feromagnetice), iar pe organul mobil, n locul camei, se monteaz un magnet permanent, care, la deplasarea piesei mobile, ajunge n imediata vecintate a fiolei Reed (fig.8.2).

Fig. 8.2

Contactoare mecanice cu protecii: Sunt contactoare cu acionare mecanic (manual), n care se introduc elemente de sesizare a supracurentului i de deconectare, astfel nct contactorul ndeplinete i funcia de siguran. Sistemele electromecanice de protecie sunt bazate pe dou tipuri de elemente: - lamele bimetalice (cu nclzire direct sau indirect), utilizate pentru suprasarcini mici dar de durat. La nclzire, lamelele bimetalice se curbeaz, acionnd printr-un sistem de prghii mecanismul de deconectare al contactorului. Au aciune lent, fiind bazate pe un proces termic. -electromagnei, a cror bobin este parcurs de curentul de sarcin, i a cror armtur mobil acioneaz mecanismul de deconectare al contactorului. Au aciune rapid, dar funcioneaz doar la suprasarcini mari. Cele dou tipuri de protecii se pot utiliza separat, dar de regul sunt combinate, nct deconectarea s se realizeze att la suprasarcini mici, ct i mari, n timp util. Contactoare electromagnetice: Sub acest nume sunt cunoscute contactoarele formate din electromagnei a cror armtur mobil acioneaz grupe de contacte. Diferena fa de relee este minim, costnd n special n funcia indeplinit (ultim element de comand ntr-o schem de automatizare) i de intensitatea curenilor comutai. Suplimentar pot fi prevzute cu dispozitive de stingere a arcului electric care se poate forma intre contacte. Constructiv, contactoarele ale cror bobine sunt excitate n curent continuu se deosebesc de cele cu excitaie n curent alternativ. Excitaia n curent alternativ prezint un avantaj major: iniial, circuitul magnetic are ntrefier mare deoarece armtura mobil este deprtat; inductana bobinei este mic, deci curentul prin aceasta este mare, ceea ce implic for mare de atragere. Pe msur ce armtura mobil se apropie de cea fix, inductana 67

bobinei crete, curentul scade, fora se pstreaz suficient de mare (variaz direct proporional cu curentul i invers proporional cu ntrefierul). Cnd armtura este complet apropiat, curentul are valoare minim, ceea ce implic o disipaie minim de cldur pe rezistena bobinei. La contactoarele excitate n curent continuu aceast scdere a curentului nu se produce, motiv pentru care bobina este proiectat s reziste n regim permanent la curentul de atragere, sau se realizeaz circuite auxiliare de limitare a curentului prin nfurare. Fig.8.3 prezint o seciune prin electromagnetul unui contactor cu excitaie n curent alternativ. Sunt vizibile armtura mobil (1), cea fix (2), nfurarea (3), spira n scurtcircuit (4), cu rol de defazare a fluxului magnetic ntr-o coloan magnetic a miezului, pentru ca fora de atracie s nu se anuleze, respectiv electromagnetul s funcioneze fr trepidaii.A

A1 2 3 4

A-A

Fig. 8.3

CONTACTOARE ELECTRONICE (STATICE): Durata de via a contactoarelor (electro-) mecanice este invers proporional cu frecvena conectrilor i deconectrilor. Uzual, n cataloage se indic numrul mediu de comutri suportate de contactor. nlocuirea contactelor mecanice prin dispozitive electronice, cu dou stri: conducie i blocare, fr piese n micare, a permis construcia unor contactoare cu o fiabilitate superioar. Totui, contactoarele statice, dei prezint avantajul incontestabil al duratei de via, la care se adaug posibilitatea obinerii unor frecvene mari de comutare, au i dezavantaje fa de contactoarele convenionale: - dei, n condiii normale de funcionare, au durat superioar de via, sunt mult mai sensibile la suprasarcini; - prezint o cdere de tensiune "pe contact" mult mai mare dect contactoarele mecanice; - n blocare au rezisten inferioar celor mecanice. n trecut s-au utilizat ca dispozitive electronice tuburi electronice sau ionice; n prezent contactoarele statice se bazeaz n exclusivitate pe semiconductoare, tranzistoare, tiristoare (inclusiv GTO), triace, completate 68

uneori cu diode. Contactoarele statice pot fi construite pentru curent continuu sau pentru curent alternativ, existnd variante care funcioneaz n ambele situaii. Se pot utiliza tranzistoare de comutaie, care sunt comandate nct s funcioneze n saturaie sau n blocare. Trebuie asigurate comenzi puternice, astfel nct tranzistoarele s comute ct mai rapid n vederea minimizrii pierderilor de putere n comutaie. Pentru tensiuni i cureni mici, tranzistorul poate lucra i n curent alternativ, dar pentru tensiuni superioare (> 10V), este necesar conectarea tranzistorului n diagonala de curent continuu a unei puni redresoare, ca n fig.8.4, pentru a obine un comutator bilateral.

Fig. 8.4

Tiristoarele pot echipa contactoare de curent continuu, dar trebuie prevzute circuite de stingere (de blocare) - pentru tiristoarele convenionale. n curent alternativ, stingerea este asigurat, dar trebuie conectate cte dou tiristoare antiparalel, pentru a asigura conducia bilateral. Triacele pot fi utilizate n contactoarele de curent alternativ, nefiind folosite pentru curent continuu. Contactorul cu tiristoare de 16A, tip CFR: In instalaiile SCB se utilizeaz n mod curent, circuite de cale cu codificare n impulsuri, la care semnalul de control este o tensiune alternativ sinusoidal de 75Hz, modulat n amplitudine, cu grad de modulaie 100%, de un semnal dreptunghiular generat de emitorul de cod KPT-10 (codul este generat prin contacte acionate de came rotite de un electromotor printr-un reductor; sunt disponibile dou semnale de comand identice ca form i defazate ntre ele). Puterea consumat n circuitele de cale este superioar cu mult celei pe care o pot comuta contactele generatorului de cod. n varianta clasic, fiecare circuit de cale este alimentat de un releu transmitor, cu contacte ntrite, comandat de generatorul de cod. Dei special concepute pentru comutri repetate pe sarcini inductive, releele transmitoare au o fiabiliate sczut, fiind necesare lucrri de verificare i ntreinere la fiecare 3 - 6 luni. Eliminarea releelor transmitoare s-a fcut prin introducerea contactoarelor statice; acestea sunt n numr de maximum 6 pe staie (cte unul pe fiecare secven n staie i, similar, pentru blocul de linie automat din captul X i Y), minimum 2, n staiile mici, fa de releele transmitoare, cte 69

unul pe fiecare seciune (respectiv cteva zeci). Schema contactorului static de 16A este ilustrat n fig. 8.5.

Fig. 8.5

Pentru funcionare n curent alternativ, contactorul este format din dou tiristoare, montate antiparalel, Th1 i Th2. Acestea sunt comandate n curent continuu. Tensiunea de comand, 220V 75Hz, n impulsuri, se aplic pe primarul unui transformator cobortor, Tr, care are dou nfurri secundare, identice, separate galvanic, uneori prezentnd i prize mediane pentru reglajul brut al tensiunii de ieire. Tensiunile alternative furnizate de nfurrile secundare sunt redresate de dou puni redresoare PR 1 i PR2, i apoi filtrate prin celulele "PI", formate din C11, P1, C12, respectiv, C21, P2, C22, astfel obinndu-se tensiunile continue de comand n poart pentru tiristoare. Rezistenele R1 i R2, conectate ntre poarta i catodul fiecrui tiristor, descarc condensatoarele din celulele de filtrare pe perioadele de pauz ale codului, mpiedicnd totodat stocarea sarcinilor electrice n porile tiristoarelor, ceea ce asigur meninerea ferm n blocare a acestora. Poteniometrele P1 i P2, montate ca rezistene variabile, permit un reglaj fin i individual al curenilor de comand n porile tiristoarelor. Grupul RC, conectat n paralel pe cele dou tiristoare, le protejeaz pe acestea mpotriva supratensiunilor n impuls care pot apare n circuit, datorit sarcinilor inductive, iar la amorsare, asigur viteza necesar de cretere a curentului anodic. Contactorul conine dou sigurane fuzibile, F1, ultrarapid, nseriat cu tiristoarele, i F2, normal, montat n primarul transformatorului. Datorit utilizrii a dou tiristoare antiparalel, cu circuite de comand individuale, exist posibilitatea s apar o component de curent continuu n curentul anodic, datorit deschiderii ntrziate a unuia dintre tiristori (respectiv, unul dintre tiristoare poate s nu conduc pe semialternana care i corespunde, sau s conduc pe mai puin de 180o). Deoarece contactorul poate fi amplasat i n dulapurile blocului de linie automat, fiind alimentat printr-un cablu cu lungime de ordinul kilometrilor, tensiunea minim pentru 70

funcionarea normal trebuie s fie de 150 ... 180V. Poteniometrele se regleaz astfel nct la tensiunea minim ambele tiristoare s fie deschise complet, iar diferena ntre tensiunile de deschidere total a tiristoarelor s nu fie mai mare de 20V. Schema prezentat are unele neajunsuri: -necesit reglaj individual pe fiecare tiristor; -comanda nu este discret "conducie" - "blocare", tensiunea n poart variind destul de lent intre aceste dou stri, la grania dintre impuls i pauz, ceea ce duce la apariia unor regimuri tranzitorii necontrolate, cu efecte negative asupra tiristoarelor; -reglarea poteniometrilor la valoare minim provoac cureni mari de comand prin tiristoare, ducnd la mbtrnirea prematur a acestora i a altor elemente de circuit. Contactorul poate fi simplificat, conform fig. 8.6, n care tensiunea de comand este preluat din tensiunea anodic. Nu sunt necesare reglaje individuale, iar puterea disipat pe poart scade mult. Dezavantajul metodei este c nu se mai pot comanda mai muli contactori de acelai contact al emitorului de cod, deoarece nu se mai asigur separare galvanic ntre circuitele de comand i cele de sarcin.

Fig. 8.6

MATERIALE:- limitatoare cap de curs 2 buc.; - micrometru; - contactor cu protecie tip AMRO; - contactor electromagnetic TC 32; - contactor static cu tranzistor n punte de diode; - contactor static cu tiristoare tip CFR; - contactor cu tiristoare, modificat; - becuri: 220V / 100W, 12V / 5W; - catalog Electroaparataj; - cabluri de legtur.

APARATE DE LABORATOR:- autotransformator reglabil - AT; 71

- transformator tip "L" - TL; - transformator tip "E" - TE; - transformator cobortor, 220V / 12V - TC; - surs de c.c. 7.5V / 2A - E; - ampermetru de c.a. 30A - A; - osciloscop - O; - sond cu atenuator 10:1 - Atn; - voltmetru numeric - V.

MOD DE LUCRU:

ATENTIE! n aceast lucrare se folosesc tensiuni periculoase.1. Se identific limitatorii cap de curs. Se demonteaz i se studiaz construcia mecanic. 2. Pentru limitatorul de interior, se determin, cu ajutorul micrometrului, poziiile de conectare i de deconectare, i se calculeaz diferena dintre acestea. 3. Se studiaz construcia contactorului tip AMRO i se caut n catalog caracteristicile acestuia. 4. Se realizeaz circuitul din fig.8.7. Se verific acionarea proteciei cu lamele bimetalice, pentru cureni de 10, 15 i 20A, cronometrnd timpul de rspuns.

Fig. 8.7

5. Se studiaz construcia contactorului TC 32, amplasarea bobinei, numrul i tipul contactelor, articularea contactelor. 6. Se alimenteaz contactorul tip TC 32, conform fig.8.8 i se verific atragerea acestuia, n condiii normale, sau cu corp strin ntre armturi. Nu se va menine alimentat contactorul peste 5 secunde!

Fig. 8.8

7. Contactorul static cu tranzistor se alimenteaz conform schemei din fig.8.9. Sursa E va fi reglat la 7.5V! Se vizualizeaz cu osciloscopul forma 72

tensiunii pe sarcin (bec) i pe contactor.

Fig. 8.9

8. Se realizeaz circuitul din fig.8.10, care cuprinde contactorul tip CFR. Se regleaz autotransformatorul nct voltmetrul s indice 150V. Se regleaz poteniometrele, evitnd poziionarea acestora la minim, pentru a obine deschiderea complet a tiristoarelor la aceast tensiune, iar diferena tensiunilor de deschidere total s nu depeasc 20V. Deschiderea tiristoarelor se va observa pe osciloscop.

Fig. 8.10

9. Se vizualizeaz forma tensiunii pe contactorul n conducie. 10. Se alimenteaz contactorul cu tiristoare modificat, ca n fig.8.11. Se vizualizeaz formele de und pe sarcin i pe contactorul n conducie.

Fig. 8.11

VERIFICAREA CUNOSTINTELOR:1. S se explice funcionarea mecanic a contactoarelor mecanice, identificnd rolul pieselor. 2. Cum variaz timpul de deconectare cu coeficientul de suprasarcin la contactorul tip AMRO? 3. Ce se ntmpl dac armtura unui contactor electromagnetic nu se 73

nchide perfect? 4. Interpretai formele de und vizualizate pe contactoarele statice n conducie. 5. Calculai pierderea de putere datorat amorsrii ntrziate, pentru contactorul modificat, fa de contactorul tip CFR. 6. Observaii personale. BIBLIOGRAFIE: -Boicu I., Stan A.I. -Electroalimentare, curs, IPB 1977; -Stan A.I., David S. -Centralizri electrodinamice i bloc de linie automat, Ed.Didactic i pedagogic, Buc. 1983; -Bureea L.D. -Dou metode de cretere a fiabilitii contactoarelor statice cu tiristoare, Buletin informativ, MTTc, DLI, 1987. ***

74

Lucrarea 9. EA

AMPLIFICATOARE MAGNETICEAmplificatorul magnetic, sau bobina cu miez saturabil, este un dispozitiv utilizat pentru reglarea curentului alternativ sinusoidal, de regul, n frecvene industriale. Termenul "amplificator" este folosit impropriu, acest dispozitiv neavnd o caracteristic de amplificator convenional, la care semnalul de ieire este proporional cu semnalul de intrare, adic:

s out(t)= K s * s in(t)

n care Ks este factorul de amplificare. Pentru amplificatorul magnetic, semnalele de intrare i ieire au forme diferite (cel de intrare este un curent continuu, sau lent variabil n timp, iar semnalul de ieire este un curent alternativ). Sensul de amplificator poate fi justificat doar prin considerente energetice, respectiv, cu puteri de ordinul 1 ... 20W se pot comanda variaii ale puterii n circuitul de ieire de ordinul 1 ... 10kW.

Fig. 9.1

In circuitul din fig.9.1, rezistena de sarcin RL este alimentat n curent alternativ de la o surs de tensiune U, constant ca valoare efectiv, n serie cu o bobin de inductan Lv, variabil i de valoare considerabil. Se neglijeaz rezistena nfurrii bobinei, aceasta fiind mult mai mic dect rezistena de sarcin i dect reactana bobinei. Curentul prin sarcin este dat de relaia:

I=

U ( Lv )2 + R 2 L

Dac se modific, printr-un mijloc oarecare, inductana bobinei Lv, atunci curentul n sarcin se va modifica la rndul su. Pentru ca modificarea curentului da sarcin s fie ct mai pronunat, este necesar ca reactana bobinei s fie ct mai mare n raport cu rezistena de sarcin. Inductana bobinei este mare dac are miez de fier. Valoarea inductanei se poate modifica acionnd asupra permeabilitii relative a materialului din care este confecionat miezul magnetic. Inductana unei bobine cu miez magnetic din fier este dat de relaia:

n 2S L= l 0 rn care, "n" este numrul de spire al bobinei, "S" este seciunea miezului, 75

"l" lungimea medie a liniilor de cmp magnetic, 0 = 410-7 H/m este permeabilitatea absolut, iar r permeabilitatea relativ a miezului bobinei. Pentru a comanda din exterior valoarea inductanei bobinei, deci a r, se folosete o nfurare suplimentar parcurs de un curent continuu, Ic, ca n fig.9.2. Deoarece acest curent este continuu, iar caracteristica de magnetizare nu este liniar, prezentnd att saturaie ct i histerezis, creterea curentului de comand duce la intensificarea cmpului magnetic, ceea ce are ca efect scderea permeabilitii miezului.

Fig. 9.2

Micorarea permeabilitii miezului provoac scderea inductanei, respectiv creterea curentului prin circuitul de sarcin. Curentul de comand are o valoare sub 1A, cu o tensiune pe nfurarea de comand, de ordinul volilor, iar curentul n sarcin variaz cu zeci de amperi, provocnd variaii de tensiune de zeci sau sute de voli, ceea ce nseamn c amplificatorul magnetic are amplificarea n putere de ordinul miilor sau zecilor de mii. Circuitul din fig.9.2 reprezint cel mai simplu amplificator magnetic, avnd comanda n curent continuu i sarcina n curent alternativ. Aceast schem nu se utilizeaz practic deoarece curentul de sarcin Is induce o tensiune alternativ n nfurarea de comand, tensiune care se suprapune peste tensiunea de comand i duce la modificarea curentului de comand. De aceea, n practic, se recurge la nfurri multiple, n antifaz, prin care s se anuleze inducerea unei componente alternative peste tensiunea de comand. O variant n care se folosesc dou nfurri de sarcin, montate pe coloanele laterale ale unui miez n form E + I, este prezentat n fig.9.3. nfurrile sunt astfel fazate, nct cmpul indus n coloana central este nul. n amplificatoarele magnetice de putere mare se separ prin diode alternanele curentului alternativ.

76

Fig. 9.3

n fig.9.4 este ilustrat caracteristica B = f(H) pentru materiale magnetice. Caracteristica desenat este idealizat, n sensul c pierderile prin histerezis n material au fost neglijate, iar graficul a fost liniarizat.

Fig. 9.4

Tensiunea maxim care se poate aplica unei nfurri de bobin astfel nct miezul s nu intre n saturaie:

U = 4.44* N 1 * S m * B0 * f Ix= H 0l m N1

Pentru aceast tensiune curentul prin nfurare este:

unde: - U, Ix: valorile maxime efective ale tensiunii, respectiv curentului pentru care miezul nu intr n saturaie; - lm, Sm: lungimea, respectiv seciunea circuitului magnetic; - N1: numrul de spire ale nfurrii; - f: frecvena tensiunii aplicate. Creterea curentului de comand prin nfurarea N2 conduce la creterea curentului efectiv de sarcin I1ef prin nfurrile N1. Atunci cnd miezul este saturat pe toat perioada curentului de sarcin, acesta din urm atinge valoarea sa maxim, denumit valoare de scurtcircuit Isc.ef, sau, dac curentul de sarcin este redresat, se pot utiliza valorile medii ale curenilor (redresai!).

77

Fig. 9.5

n fig.9.5 este reprezentat caracteristica tip a unui amplificator magnetic:* * I 1.med = f ( I 2 )

n care cu asterisc sunt notate valorile normate ale curenilor (normarea reprezint mprire la curentul de scurtcircuit i reflectare la nfurarea de sarcin):

I* 1.med =

I 1.med I sc.med I 1.ef I* = 1.ef I sc.ef I2 I sc.med I x.med I* = x I sc.med N2 N1

I* = 2

Din caracteristica tip se pot determina: - Factorul de amplificare al amperspirelor: I* I N = 1.med = 1.med 1 * I2N2 I2 - Factorul de amplificare n curent: I 1.med I 1*.med N 2 Ki = = * I 2 I 2 N 1 sau:

Ki =

I1.ef I 2

=

I1*.ef N 2* I 2 N1

Factorul de amplificare n curent, care, uzual are valori de ordinul zecilor, crete n cazul utilizrii reaciei pozitive. Pentru a obine reacia, curentul de sarcin, sau o parte din el, se aplic redresat pe o nfurare amplasat similar cu nfurarea de comand. n funcie de sensul nfurrii de reacie, reacia este pozitiv pentru cadranul I al caracteristicii i negativ pentru cadranul II, sau invers. 78

Curentul de comand devine prin aplicarea reaciei:* * * I cc = I 2 K s K p I 1.med

In aceast relaie: Ks: raportul numerelor de spire al nfurrilor de reacie, respectiv, de sarcin; Kp: raportul dintre curentul care intr n bucla de reacie i curentul de sarcin. Produsul KsKp = Kr este coeficientul de reacie. Dac tot curentul de sarcin intr n bucla de reacie:

Kr=este:

Nr N1

Factorul de amplificare n curent al amplificatorului magnetic cu reacie

K i.r =

Ki 1- Kr

Amplificarea devine infinit pentru valori care anuleaz numitorul. In acest caz, amplificatorul magnetic se comport ca un bistabil.

MATERIALE:-placa cu amplificator magnetic, avnd configuraia din fig.9.6.

Fig. 9.6

APARATE DE LABORATOR:-transformator cobortor 220V/15V - Tr; -ampermetru de curent alternativ - A; -surs de curent continuu 7.5V, 2A - E; -conductoare de legtur.

MOD DE LUCRU:1. Se identific montajul, conform planei 9.6. 79

2. Se realizeaz circuitul amplificatorului magnetic fr reacie, conform fig.9.7. Se determin caracteristica amplificatorului magnetic, pentru un curent de comand variind ntre -400mA i 400mA, cu pas 50mA, reglat din sursa E i citit pe ampermetrul sursei. Pe ampermetrul A se va citi curentul de sarcin.

Fig. 9.7

Se completeaz urmtorul tabel: IC(mA ) 400 350 IS(mA) ... -50 0 50 ... 350 400

Se reprezint grafic aceast caracteristic. 3. Se modific circuitul pentru a obine conexiunile din fig.9.8.

Fig. 9.8

Se repet determinrile de la punctul anterior, pentru coeficient de reacie 0.33 (conexiune ntre X4 i X5) i apoi pentru coeficient de reacie 1.00 (conexiune ntre X4 i X6). Pentru coeficient de reacie 1.00, msurtorile se vor efectua n ambele sensuri, de la -400mA ctre +400mA i de la +400mA ctre -400mA, cu atenie, manevrnd poteniometrul sursei E ntr-un singur sens. (altfel este posibil s nu se poat pune n eviden histerezisul). Se reprezint grafic.

VERIFICAREA CUNOTINTELOR:1. Descriei principiul de funcionare a unui amplificator magnetic. 2. Cum se obine reacia ntr-un amplificator magnetic? In ce mod influeneaz funcionarea amplificatorului magnetic? Ce este coeficientul de reacie? 3. Calculai amplificarea n curent a amplificatorului magnetic. 80

BIBLIOGRAFIE: -Boicu I., Stan A.I. - Electroalimentare, curs, IPB 1977; -Stan A.I., Sandu D. - Centralizri electrodinamice i bloc de linie automat, Ed.Didactic i pedagogic, Buc.1983; -Lozneanu S., Arpad L. - Memoratorul radiotehnicianului, Ed. Junimea, Iai, 1985; -Popescu V. - Stabilizatoare de tensiune n comutaie, Ed. de Vest, Timioara, 1992. ***

81

Lucrarea 10. EA

CIRCUITE INTEGRATE PENTRU COMANDA N FAZ A TIRISTOARELOR SI TRIACELORn practic se utilizeaz o mare varietate de circuite de comand pentru tiristoare sau triace, tipul adoptat pentru o aplicaie dat fiind dictat de particularitile circuitului comandat. Circuitele simple de comand pot fi realizate cu componente discrete, dar creterea preteniilor utilizatorilor n privina performanelor electrice ale circuitelor, concomitent cu scderea costului de fabricaie i dezvoltarea tehnologiilor de integrare, au condus inevitabil la apariia unor circuite integrate specializate. n prezent toi productorii de circuite integrate au n fabricaie cel puin o variant de circuit de comand n faz pentru tiristoare i triace, majoritatea prezint o ntreag gam de astfel de produse, care se deosebesc ntre ele prin unele opiuni suplimentare funciei de baz i chiar micii productori posed licene de fabricaie. Avantajele utilizatorului pentru a recurge la circuite integrate specializate const n reducerea costului produsului final datorit simplificrii schemelor prin micorarea numrului de componente i obinerea unei caliti superioare. Simpla amorsare a unui tiristor sau triac necesit circuite de mic complexitate. Prin utilizarea circuitelor integrate specializate se poate controla puterea disipat pe sarcin. Din punctul de vedere al amorsrii, funcionarea circuitelor integrate produse de diverse firme se aseamn: sunt furnizate impulsuri de curent (pozitive sau negative) pe poarta tiristorului (triacului). Circuitele se deosebesc, ns, prin modalitatea de control a puterii disipate pe sarcin. Din aceast perspectiv, exist trei soluii de comand a puterii pe sarcin: 1. Comand prin faz; 2. Comand prin zero cu referin constant n timp; 3. Comand prin zero cu referin liniar variabil n timp. Variantele 2 i 3 de comand sunt cunoscute sub denumirea de "comand cu und plin" ("two-points driver", respectiv "proportional driver"). Fig.10.1 pune n eviden tensiunile i curenii care caracterizeaz comenzile 1, 2, i 3, pe un circuit schematic.

iL RL VS Compar . VR R VSINC

VG Etaj de iesire i GT

Fig.10. 1

-

-

vS = tensiune proporional cu puterea disipat n sarcin. Aceast tensiune poate fi utilizat la inchiderea unei bucle de reacie negativ care s stabilizeze puterea pe sarcin; vR = tensiune intern de referin, cu care se compar tensiunea vS; vG = tensiunea de ieire a comparatorului, adic rezultatul comparaiei dintre vS i vR; iGT = pulsul de curent pentru comutarea n conducie, care poate fi validat sau nu de vG; vSINC = tensiunea de sincronizare (n majoritatea aplicaiilor, aceasta este tensiunea alternativ a reelei).

1.COMANDA PRIN FAZA: Caracteristica acestui tip de comand este tensiunea de referin liniar variabil, cu perioada egal cu cea a reelei i sincronizat cu aceasta. Impulsurile de amorsare se genereaz la coincidena rampei tensiunii de referin vR cu tensiunea vS. Formele de und ilustrate n fig.10.2 demonstreaz c se poate regla puterea pe sarcin cu o finee ridicat, fiind posibile variaii foarte mici de putere. Dezavantajele acestei metode de comand constau n regimul puternic deformant care duce la apariia de armonici superioare, precum i n posibilitatea obinerii unei componente continue prin sarcin.

VSINC

t VR , VS

S R t

iGT

t iL

t

Fig.10.2

2.COMANDA PRIN ZERO CU REFERIN FIX: n aceast variant, vR este o tensiune de valoare fix i n intervalul de timp n care vS