نمونه سوالات تشریحی الکترونیک صنعتی(بخش سوم- روش‌های کموتاسیون)

۱-کموتاسیون چیست ؟

تریستور معمولا با اعمال یک پالس به گیت روشن می شود. هنگامی که تریستور در وضعیت هدایت قرار گرفت افت ولتاژ آن کوچک و بین۰.۲۵ تا ۲ است اما در این فصل از آن صرف نظر می کنیم . هنگامی که تریستور روشن شد و شرایط خروجی مورد نظر بر قرار گشت معمولا لازم است که آن را خاموش نیز بکنیم . خاموش کردن به این معنی است که هدایت مستقیم تریستور، متوقف شده و تکرار یک ولتاژ مثبت در سر آند ، بدون اعمال سیگنال گیت موجب عبور جریان نخواهد شد. کموتاسیون ، فرایند خاموش کردن تریستور بوده و معمولا موجب انتقال جریان به قسمت دیگری از مدار می شود . در یک مدار کموتاسیون برای خاموش کردن تریستور معمولا از المانهای اضافی استفاده می شود . با پیشرفت در امر ساخت تریستورها، مدارهای کموتاسیون متعددی ساخته شده و هدف از ساخت همه آنها ، خاموش کردن راحت تر تریستورهاست .

 

۲-دو نوع کموتاسیون اصلی را نام ببرید.

الف)کموتاسیون طبیعی       ب)کموتاسیون اجباری

۳-انواع کموتاسیون اجباری کدامند؟

۱-کموتاسیون خودی      ۲-کموتاسیون ضربه       ۳-کموتاسیون با پالس تشدیدی       ۴-کموتاسیون تکمیلی (مکمل)                                 ۵-کموتاسیون با پالس خارجی          ۶-کموتاسیون طرف بار            ۷-کموتاسیون طرف خط

 

۴-تفاوت بین خودی و طبیعی در چیست ؟ هر کدام را توضیح دهید.

اصلی ترین تفاوت این است که در طبیعی همان طور که از اسم بر می­آید فقط به دلیل منفی شدن ولتاژ سینوسی در نیم سیکل منفی بدون نیاز به المان دیگری خود به خود خاموش شده.

اما در خودی یک المان L یا C نیاز است چرا که با توجه به پاسخ گذاری این المان ها می توانند پس از ۵τ جریان را قطع کنند (خازن سری با تریستور) یا جریان را به مسیر دیگری منتقل کنند (سلف موازی تریستور)

 

کموتاسیون طبیعی:

اگر ولتاژ منبع (یا ورودی ) ac باشد. جریان تریستور از یک صفر طبیعی می گذرد و یک ولتاژ معکوس در دو سر تریستور ظاهر می گردد ؛ لذا این وسیله بدلیل رفتار طبیعی ولتاژ منبع بطور خودکار خاموش می شود . این مساله ، به نام کموتاسیون طبیعی یا کموتاسيون خط معروفست. در عمل، تریستور بطور همزمان ( سنکرون ) با عبور ولتاژ ورودی مثبت از صفر در هر سیکل آتش می شود تا کنترل پیوسته آتش عملی گردد . این نوع کموتاسیون در کنترل کننده های ولتاژ ac یکسوکننده ها با فاز کنترل شده ، و سیکلوکنورترها بکار برده می شود. شکل ۱-۳ (الف)، مداری برای کموتاسیون طبیعی و شکل ۱-۳(ب )، شکل موج ولتاژ و جریان با زاویه تاخیر α=۰ را نشان میدهد . زاویه تأخیر α طبق تعریف عبارتست از زاویه بین عبور از صفر ولتاژ ورودی و لحظه ای که تریستور آتش می شود.

 

کموتاسیون خودی:

در این نوع کموتاسیون، تریستور بدلیل مشخصه های طبیعی مدار خاموش می شود . مدار شکل ۲-۳ (الف ) را با ، این فرض که خازن ابتدا بدون بار است. در نظر بگیرید. هنگامی که تریستور T_۱  روشن شود. پس از گذشت جریان شارژ کننده به صفر رسیده و تریستور T_۱ خودبخود خاموش می شود. هنگامی که تریستور T_۱ آتش می شود، یک تاخیر  t_۰ ثانیه ای قبل از خاموش شدن آن وجود دارد و لذا t_۰ را می توان زمان کموتاسیون مدار خواند. این روش خاموش کردن تریستور، کموتاسیون خودی خوانده شده و می گویم که تریستور T_۱ کموتاسیون خودی دارد. هنگامی که جریان مدار به صفر تنزل یافت خازن تا ۲V_S  شارژ شده است. شکل موجهای مربوطه در شکل ۳-۲ (ب) رسم شده اند.

شکل ۲-۳ (الف) یک مدار عادی را نشان می دهد که در آن خازن، ولتاژ اولیه V_۰ دارد. هنگامی که تریستور T آتش می شود جریان گذرنده از مدار با رابطه زیر داده می شود

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

۵-اصل عملکرد کموتاسیون ضربه،پالس تشدیدی چگونه است؟

 کموتاسیون با ضربه:

 در شکل۶-۳، مداری با کموتاسيون ضربه نشان داده شده است. در اینجا فرض کرده ایم که خازن، دارای ولتاژ اولیه –V_۰  با پلاریته مشخص شده در شکل است.

فرض کنید که تریستور T_۱ ، بدوا در حال هدایت بوده و جریان بار I_m از آن می گذرد. هنگامی که تریستور کمکی T_۲ آتش می شود، تریستور T_۱  توسط ولتاژ خازن، بایاس معکوس می شود. جریان گذرنده از تریستور T_۱ ، متوقف شده و جریان بار از خازن خواهد گذشت. خازن از ولتاژ –V_۰ شروع به تخلیه کرده و ولتاژ دو سر آن به صفر می رسد و سپس وقتی جریان خازن به صفر تقلیل یافته و تریستور T_۲­ خاموش می شود تا ولتاژ ورودی )dc یعنی (V_s شارژ می شود. سپس معکوس شدن بار دو سر خازن از V_۰ (=V_s) به –V_۰، با آتش کردن تریستور T_۳ ، مشابه مدار شکل ۳- ۳، کموتاسیون خودی دارد.

مدار معادل در خلال پریود کموتاسیون در شکل ۳-۷ (الف) دیده می شود. ولتاژ تریستور و خازن در شکل۷-۳ نشان داده شده است. مدت زمان لازم برای اینکه خازن از-V_۰  به صفر تخلیه شود زمان قطع مدار ( t_q) خوانده میشود و باید از زمان قطع تریستور t_off بزرگتر باشد. مدت تخلیه شدن به جریان بار بستگی داشته و با فرض جریان ثابت I_m برای بار، با روابط زیر داده می شود

 

 

 

با توجه به اینکه بلافاصله پس از آتش شدن تریستور T­_۲ ، ولتاژ معکوس V_۰ به دو سر تریستور اعمال می شود، به این پدیده کموتاسيون ولتاژ گفته می شود. بدلیل استفاده از تریستور کمکی T_۲ ، به این نوع کموتاسیون، کموتاسیون کمکی نیز اطلاق می شود. تریستور T_۱  ، برخی اوقات تریستوراصلی نیز گفته می شود زیرا جریان بار از آن می گذرد. با توجه به این معادله می توان دریافت که مدت قطع مدار، با عکس جریان بار متناسب است

 

 

 

 

 

و در جریان بار کم زمان قطع بزرگ خواهد بود. از طرف دیگر در جریان بار زیاد، زمان قطع کوچک خواهد بود. در یک مدار کموتاسیون ایده آل، زمان قطع باید مستقل از جریان بار باشد تا کموتاسیون تریستور T_۱ را تضمین کند. تخلیه شدن خازن را با اتصال یک دیود D_۱  و یک سلف L_۱ در دو سر تریستور اصلی می توان سرعت بخشید .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

کموتاسیون با پالس تشدیدی:

کموتاسیون با پالس تشدیدی در شکل نشان داده شده، خازن ابتدا با پلاریته مشخص طبق شکل باردار شده و تریستور T_۱ ، که جریان بار I_m از آن می­گذرد در وضیعت هدایت است. هنگامی که تریستور کموتاسیون T_۲ آتش می­شود یک مدار تشدیدی توسط L C  T_{۱­  ­} T_۲ تشکیل می­شود.

بدلیل وجود مدار تشدید، جریان مستقیم T_۱ در لحظه t=t_۱ وقتی که جریان تشدید با جریان بار I_m مساوی می­شود به صفر تنزل می­یابد زمان ­t_۱  باید در شرط i(t=t_­۱)=I_m صدق کند

جریان گذرنده از تریستور T_۱ متوقف شده و خازن با سرعتی که توسط جریان بار I_m تعیین می گردد، مجددا شارژ می شود. سپس خازن از –V_۰ تا صفر تخلیه شده و ولتاژ آن تا ولتاژ dc منبع افزایش می یابد و در این وضعیت، دیود D_m شروع به هدایت میکند و به مدت t_o ، وضعیتی مشابه مدار شکل ۴-۳ وجود خواهد داشت. این وضعیت در شکل ۱۲-۳(ب) دیده میشود. انرژی ذخیره شده در سلف L ناشی از جریان بار I_m به خازن منتقل شده و موجب اضافه بار شدن آن می گردد ولتاژ خازن در اثر آتش T_{۳­ ­}از V_c(=V_۰) تا –V_۱ معکوس می­شود T_۳ تحت کموتاسیون خودی خاموش می­شود.

 

بدلیل این حقیقت که پالس تشدیدی جریان برای کاهش جریان مستقیم T_۱ به صفر استفاده میشود این نوع کموتاسیون، به نام کموتاسیون جریان نیز معروفست. تخلیه ولتاژ خازن را می توان با متصل کردن دیود D طبق شکل  (الف) سریعتر کرد.

 

 

 

۶-اصل عملکرد تکمیلی با پالس خارجی چگونه است؟

کموتاسیون تکمیلی:

کموتاسیون تکمیلی برای انتقال جریان بین دو بار استفاده می شود و چنین وضعیتی در شکل ۳- ۱۴ رسم شده است. در این نوع کموتاسیون آتش یک تریستور، موجب کموتاسيون دیگری می شود. هنگامی که تریستور T_۱ آتش می شود بار R_۱ به ولتاژ منبع V_s متصل شده و در همان موقع، خازن C از طریق بار دیگر، بوسیله R_۲  تا V_s  شارژ می شود. پلاریته خازن C در شکل ۱۴-۳ مشخص شده است. هنگامی که تریستور T_۲ آتش می شود، خازن در دو سر تریستور T_۱ قرار گرفته و بار توسط R_۲ به ولتاژ تغذیه V_s متصل می گردد. T_۱ ، بایاس معکوس شده و توسط کموتاسيون ضربه خاموش می شود هنگامی که تریستور T_۱ قطع شد، ولتاژ خازن از طریق T_۲ ، R_۱ و منبع، معکوس شده و مساوی –V_s  می گردد. اگر تریستور T_۱ مجددا آتش شود تریستور T_۲ خاموش شده و سیکل مذکور تکرار می گردد. بطور عادی، دو تریستور با بازه های زمانی مساوی هدایت می کنند. شکل موج مربوط به ولتاژ و جریان به ازای R_۱ =R_۲= R نشان داده شده است. با توجه به اینکه هر تریستور بدلیل کموتاسیون ضربه خاموش می شود، برخی اوقات این نوع کموتاسیون، کموتاسيون ضربه تکمیلی خوانده می شود.

 

 

                       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

کموتاسیون پالس خارجی:

در اینجا برای خاموش کردن یک تریستور در حال هدایت از یک پالس جریان استفاده می­کنیم که از یک ولتاژ خارجی بدست می­آید در شکل یک مدار تریستوری را که از یک کموتاسیون با پالس خارجی و دو منبع تغذیه استفاده می­کند نشان می­دهد V_s ولتاژ منبع تغذیه V ولتاژ منبع کمکی است.

اگر تریستور T_۳ آتش شود خازن از منبع کمکی شارژ می­گردد می­گردد. با فرض اینکه خازن در ابتدا بدون بار است یک پالس جریان تشدیدی با اوج  ، که مشابه با وضعیت مدار کموتاسیون خودی است که T_۳­ خاموش می­شود خازن تا ۲V شارژ می­شود. اگر تریستور T_۱ در حال هدایت بوده و جریان بار از منبع اصلی V_s تامین می­شود، آتش شدن تریستور T_۲­ موجب اعمال ولتاژ معکوس V_s – ۲V به دوسر تریستور شده و آن را خاموش می­کند. هنگامی که تریستور T_۱ خاموش شود خازن از طریق بار ، و با سرعتی که توسط جریان بار تعیین می­شود تخلیه خواهد شد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

۷-تفاوت بین کموتاسیون طرف بار و طرف خط کدامند؟

در کموتاسیون طرف بار بار با خازن تشکیل یک مدار سری را می­دهند و تخلیه شدن و شارژ مجدد خازن از طریق بار انجام می­شود. عمکلرد مدار­هایی با کموتاسیون طرف بار ، به بار بستگی دارد و بعلاوه، مدار­های کموتاسیون را نمی­توان بدون وصل بودن بار آزمایش کرد ؛ ازجمله کموتاسیون های ضربه و پالس تشدیدی

در صورتی که در کموتاسیون طرف خط شارژ و دشارژ خازن از طریق بار انجام نمی­شود و مدار کموتاسیون را می­توان بدون بار آزمایش کرد. شارژ و دشارژ مجدد از طریق منبع انجام می­شود. در این جا اتصال دادن بار برای آزمودن مدار کموتاسیون لازم نیست.

 

 

۸-تفاوت بین کموتاسیون های ولتاژ و جریان چیست؟

تریستور را می توان هم با اعمال ولتاژ معکوس در بایاس معکوس قرار داد و خاموش کرد که در کموتاسیون ضربه به کار گرفته می­شود. هم می توان با ایجاد جریانی معکوس جریان گذرنده از تریستور را برای مدت بیشتر از زمان قطع و کمتر از جریان نگه­دارنده رساند؛ که در کموتاسیون پالس تشدیدی به کار گرفته می­شود.

 

 

۹-هدف از اتصال یک دیود موازی معکوس به دوسر تریستور اصلی ، با سلف سری و بدون آن در چیست ؟

دیود موازی معکوس هم در مدار کموتاسیون ضربه و هم در کموتاسیون پالس تشدیدی وجود دارد. اما سلف فقط در مدار کموتاسیون ضربه وجود دارد. علت این دیود و سلف به وابستگی زمان قطع ایجاد شده توسط مدار کموتاسیون به جریان بار بوده به طوری که بدون دیود و سلف معکوس زمان قطع ایجاد شده توسط مدار برای تریستور اصلی از این رابطه به دست می­آید:

همان که مشخص است با افزایش جریان بار  زمان قطع کاهش میاید که می توان این وابستگی را با ایجاد مسیر دیود و سلفی که ایجاد تاخیر در جریان می­کند؛ وابستگی را کاهش داد و پس از آن زمان قطع از این رابطه به دست می­آید:

 

۱۰-اهداف یک مدار کموتاسیون را بیان کنید.

دو هدف وجود دارد که رسیدن حداقل به یکی از انها شرط لازم کموتاسیون می­باشد:

۱-کاهش جریان آند به کمتر از جریان نگهدارنده I_H به مدت بیشتر از زمان قطع تریستور t_q

۲- اعمال ولتاژ معکوس دوسر اند و کاتد به مدت بیشتر از t_q برای تغییر حالت تریستور به حالت سدکننده مستقیم

 

 

۱۱-نقش خازن های کموتاسیون را توضیح دهید.

عمده عملکرد خازن در کموتاسیون ذخیره­ی انرژی در طول زمان وصل بوده تریستور و شارژ کامل در این زمان برای تخلیه به صورتی که باعث قطع تریستور شوند. البته برای طراحی مدار باید در نظر داشت که اگر فرکانس کلیدزنی زیاد باشد (بیشتر از ۵kHz) باید در نظر داشت که در بخش قابل توجهی از زمان فرایند کموتاسیون، جریان از خازن عبور می­کند که باید برای مقدار نامی مقدار پیک جریان را به صورت پیوسته برای خازن لحاظ کنیم.