Транзисторы. Использование транзисторов в сварочном производстве

Силовые транзисторы разработаны сравнительно недавно. Хотя они еще ненадежны и дороги, ожидается их широкое внедрение благодаря уникальным возможностям регулирования, которые они предоставляют. В сварочных выпрямителях перспективна схема с общим эмиттером ОЭ (рисунок 2.27, б). Обычно транзистор используется в качестве ключа. В поло­жительном полупериоде, пока в режиме отсечки до момента α₁ на базу Б не подан ток I _б, практически отсутствует и прямой ток I _пр коллектора К, а значит, и ток в нагрузке. При подаче достаточно большого тока базы I _б транзистор в момент α₁ перейдет сразу в режим насыщения, в котором прямой ток коллектора I _пр резко возрастает до значения, ограничен­ного только напряжением питающей сети u ~ и сопротивлением нагруз­ки R_H. При снятии тока базы в момент α ₂ резко снизится и прямой ток. В отрицательном полупериоде ток в нагрузке практически отсутствует. Среднее значение тока I _пр зависит от величины α₁ и α₂ и может регули­роваться в широких пределах двумя способами:

Рисунок 2.27 –Транзистор в цепи переменного тока

Рисунок 2.27, б иллюстрирует работу транзистора при выпрямлении тока. Од­нако вероятней использование транзистора для управления уже выпрям­ленным током.

Выпрямитель с транзисторным регулятором

Транзисторный регулятор, как правило, устанавливается в цепи по­стоянного, т.е. сварочного тока. Чаще всего в качестве такого регулятора используется силовой транзистор, включенный по схеме с общим эмит­тером (ОЭ). При недостаточной мощности одиночного транзистора используют несколько параллельно соединенных транзисторов или транзисторных модулей, т.е. конструктивно и схемно оформленных уст­ройств. Обычно транзистор работает в режиме ключа, т.е. при достаточ­ной величине тока базы почти мгновенно из состояния отсечки перево­дится в состояние насыщения. Ключевой режим принят потому, что в отличие от режима усилителя потери энергии на транзисторе при этом минимальны, что гарантирует высокий КПД и сравнительно малый на­грев транзистора. Используются как биполярные, так и полевые транзисторы. Биполярные транзисторы имеют большую номенклатуру, лучше освоены и дешевле в производстве. Полевые МДП-транзисторы (MOSFT) имеют больший КПД и более высокое быстродействие. В последнее время управление силовыми цепями сварочного контура стало возможным при появлении транзисторов IGBT.

Изучим принцип работы транзисторного источника (рисунок 2.28). В на­чальный момент t ₁ при подаче от системы управления сигнала на базу транзистор КГ быстро приходит в состояние насыщения, и по нагрузке идет ток, направление которого показано на рисунок 2.28, атонкой линией. Скорость нарастания тока ограничивается индуктивностью дросселя L.

Рисунок 2.28 – Принципиальная схема (а) и осциллограммы при частотном (б) и широтном (в) регулировании транзисторного источника

Регулирование напряжения выполняется частотно-импульсным (рисунок 2.28, б) и широтно-импульсным (рисунок 2.28, в) способами. Если при постоянной длительности включенного состояния транзистора t _т увели­чить частоту его включений (рисунок 2.28, б), это вызовет сокращение ин­тервала работы дросселя на разрядку t _од и, следовательно, увеличение среднего напряженияна выходе источника U _н:

При широтном регулировании частота включения транзистора так же как и период следования импульсов Т= 1/ f, остается постоянной. В этом случае при увеличении длительности включенного состояния транзистора t_T напряжение источника U _и возрастает (рисунок 2.28, в):

Частотное регулирование технически проще осуществимо, при ши­ротном регулировании меньше пульсации тока и выше быстродействие системы управления. Транзисторные источники наибольшее распрост­ранение нашли в составе установок для специальных способов сварки.

Приведем технические характеристики нескольких силовых вен­тилей, используемых в сварочных выпрямителях. Кремниевый диод широко применявшейся ранее неунифицированной серии В2-200-6-1, 60-1,70 — штыревого исполнения с гибким выводом анода на предель­ный ток 200 А и повторяющееся напряжение 600 В с разбросом прямого падения напряжения 1,6-1,7 В. Кремниевый диод унифицированной серии Д171-400 У2 — штыревого исполнения с гибким выводом като­да на предельный ток 400 А. Кремниевый тиристор унифицированной серии ТБ143-320-8 У2 — быстродействующий таблеточного исполне­ния на предельный ток 320 А и повторяющееся напряжение 800 В. Кремниевый транзистор ТК 152-100-3 У2 — штыревого исполнения на предельный ток коллектора 100 А и максимально допустимое напряже­ние цепи «коллектор-эмиттер» 300 В.

Модули

Для передачи большей мощности транзисторы соединяют параллельно. Однако возникает опасность их пробоя из-за неправильно подобранных полупроводниковых приборов, а также возникновения паразитных токов и емкостей. Для обеспечения надежной работы в источниках повышенной мощности переключающие устройства создают из транзисторов, диодов и драйверов их управления в одном блоке (chopper – прерыватель). Тенденция к созданию в одном корпусе силовых переключающих приборов, схем их управления, запуска, защиты, регулирования и диагностики проявились в разработке и внедрении разумных силовых модулей (IPM – Intelligent Power Module).