اتصال کوتاه

.

.

طراحی اسنابرهای مقاومت – خازن – دیود

اسنابرهای مقاومت – خازن – دیود، همان طور که در تصویر 8 دیده می‌شود، برتری‌های زیادی نسبت به اسنابرهای مقاومت – خازن دارند. از میان این مزیت‌ها می‌توان موارد زیر را برشمرد:

• افزون بر محدودکردن قله ی ولتاژ، این اسنابرها می توانند مجموع تلفات مدار را کاهش دهند، اعم از تلفات کلیدگری و تلفات خود اسنابر را،
• با آن‌ها می‌توان به «خط بار^[1]»های بسیار بهتری دست یافت که در نتیجه‌ی آن، خط بار به خوبی در محدوده‌ی «منطقه‌ی ایمن کاری^[2]» باقی می‌ماند،
• برای یک C_s با مقدار معیّن، تلفاتِ مجموع کم‌تر خواهد بود،
• خازن شنت بر دو سر کلید (C_p) عضو سودمندی از اسنابر خواهد بود.

.

.

البته یک کاستی نیز وجود دارد: به علت حضور دیود بر دو سر R_s، در طول زمان شارژشدن C_s، مقدار اهمی موثر R_s عملاً صفر می‌شود. با داشتن یک مقدار معین برای C_s این مقدار بهینه نیست و باعث می‌شود که E₁ بزرگ‌تر از مقداری باشد که در صورت استفاده از یک اسنابر بهینه شده‌ی مقاومت – خازن به دست می‌آمد.

شکل موجِ نوعیِ قطع جریان برای این اسنوبر در تصویر 9 داده شده است. این شکل‌موج‌ها با فرض L_p = 0 رسم شده‌اند. اثر L_p بعداً تشریح خواهد شد. ویژگی مهم این شکل‌موج‌ها این است که «ولتاژ کلیدگری»، با پایین‌آمدن جریان کلید، به آهستگی زیاد می‌شود. این بدان معناست که از به وجود آمدن قله‌ی توان بسیار زیادی که ناشی از همزمانی در بیشینه‌ی ولتاژ و جریان است، پیش‌گیری شده است.

.

.

نتیجه آن که، مقدار قله‌ی تنش و نیز تلفات کلیدگری پایین آورده می‌شود. شکل‌موج‌های ولتاژ برای دو مقدار مختلف C_s نشان داده شده‌اند. در این مثال I_o = 10A و E_o = 300V است. با انتخاب C_s بزرگ‌تر، تلفات توان قله‌ای و تلفات کلیدگری کاهش پیدا می‌کنند. البته ظرفیت خازنی بزرگ‌تر به معنای تلفات بیش‌تر در R_s است، زیرا در زمان وصل‌شدن کلید، بار الکتریکی ذخیره شده در C_s توسط R_s و خودِ کلید مصرف می‌شود. ملاحظه می‌شود که ما دوباره با موضوع مصالحه میان تلفات و دقتِ کِیفی اسنابر روبرو هستیم.

بسته به اندازه‌ی C_s ولتاژ کلیدگری ممکن است پیش از، همزمان با، و یا پس از رسیدن جریان کلیدگری به صفر، به مقدار E_o برسد. حالتی که در آن، در لحظه‌ی صفر بودن جریان، E = E_o باشد، به عنوان «اسنابر نرمال» خوانده می‌شود و C_s = C_n است. در این حالت خواهیم داشت:

که در آن t_s «زمان نزول^[3]» جریان کلید است (تصویر 9 را ببینید). به عنوان مثال، در تصویر 9 داریم: C_n = 1/667nF .

رابطه‌ی میان C_n، تلفات کلیدگری، «قله‌ی تنش کلید^[4]»، تلفات اسنابر و تلفات کل در تصویر 10 نمایش داده شده است.

.

.

اندازه‌ی اسنابر نسبت به C_n نشان داده شده است. هنگامی که حتی یک اسنابر کوچک به کار گرفته شود (C_s < C_n)، تلفات کلیدگری به سرعت افت می‌کند. هنگامی که C_s بزرگ‌تر گرفته شود، بهبود در تلفات کلید پایین می‌آید. مثلاً، اگر C_s = C_n باشد، تلفات کلید به 16% تقلیل پیدا می‌کند. با بزرگ‌تر شدن C_s تلفات کلیدگری تنها به میزان اندکی کاهش می‌پذیرد، اما تلفات اسنابر را به شدت افزایش می‌دهد. در واقع، یک کمینه‌ی تلفات در بازه‌ای وسیع در اطراف C_s = 0/45.C_n وجود دارد و این مکانی است که تلفاتِ کل به 53% از مقداری که بدون نصب اسنابر بود، کاهش می‌یابد. لازم به یادآوری است که C_p بخشی از C_s است و این که مقدار واقعی C_s = 0/45.C_n - C_p است. برای C_s/C_n = 2 تلفات کل برابر است با همان مقداری که بدون کاربرد اسنابر ایجاد می‌شد، البته تحت این شرایط، «خط بار کلیدگری^[5]» در تنش بسیار پایینی واقع خواهد شد.

در حالت‌هایی که دغدغه‌ی اصلی پایین آوردن کل تلفات کلیدگری باشد، مقدار C_s معمولاً برابر  0/5C_n در نظر گرفته می‌شود. در این حالت، R_s طوری انتخاب می‌شود که به ولتاژ روی C_s اجازه دهد، در طول «کمینه‌ی زمان وصل^[6]» (t_on,min)، به سطح بسیار کمی تنزّل پیدا کند. افت ولتاژ این خازن به صورت یک تابع ساده‌ی نماییِ RC در دو چرخه‌ی «ثابت زمانی^[7]» (t = R_s.C_s) به _0/14E_o است. این مقدار افت معمولاً کافی است. پس، مقدار R_s برابر است با:

اگر مقدار L_p قابل توجه باشد، در زمان قطعِ کلید یک جهشِ ولتاژی به وجود خواهد آمد. اگر کنترل E₁ ضروری باشد، ممکن است به مقادیر مختلفی برای C_s نیاز باشد تا ظرفیت مورد نظر به وجود آید.

.

.

تصویر 11 مقایسه‌ای میان اسنابر مقاومت-خازنی که پیش از این محاسبه شده بود، و یک اسنابر مقاومت-خازن-دیود را که در آن از همان مقادیر (R_s = 51R, C_s = 680pF) استفاده شده، نشان می‌دهد. ملاحظه می‌شود که تلفات کم‌تر خواهد شد، اما قله‌ی ولتاژ برای اسنابر مقاومت-خازن-دیود بالاتر خواهد بود. در این اسنابر، برای داشتن تلفاتِ کلِ مشابه، خازن C_s می‌تواند مقداری بزرگ‌تر باشد، امری که باعث پایین آمدن E₁ خواهد شد. افزودن بر ظرفیت C_s به 1/2 نانوفاراد، دامنه‌ی E₁ را به 424 ولت کاهش می‌دهد. برای نیل به تلفات کلِ مشابه، ظرفیت C_s را می‌توان باز هم بالاتر بُرد، اما در اسنابرِ مقاومت-خازن-دیود، E₁ همچنان بالاتر خواهد ماند.

اسنابر ترکیبی: هر گاه به کمینه رساندنِ هم تلفات در کلید و هم E₁ واجد اهمیت باشد، یک «اسنابر ترکیبی^[8]» با استفاده از هر دو اسنابر RC و اسنابر RCD مورد استفاده قرار می‌گیرد که قادر است نتایج بسیار خوبی را ضمن تلفات کم‌تر به دست دهد. یک مثال از چنین ترکیبی در تصویر 13 داده شده است. در همین تصویر، شکل موج حاصل از آن با اسنابر RC قبلی، در حالی که از همان مقادیر مقاومت و خازن استفاده شده است، مقایسه گشته است.

.

.

انتخاب افزاره‌ها و طراحی چینش آن‌ها

افزاره‌های مورد استفاده در اسنابرها ممکن است زیر تنش الکتریکی بسیار شدیدی واقع شوند و بنابراین باید با دقت و وسواس انتخاب گردند.

.

طراحی مدار چاپی، چینش افزاره‌ها و اندوکتانس‌های پارازیتی

یکی از نخستین علت‌های به کارگیری اسنابرها، حضور اندوکسیون‌های پارازیتی (L_p) در مدار است که بر اثر عمل کلیدگری تهییج می‌شوند و پالس‌های سوزنیِ ولتاژی و نوسانات میرنده یا رینگینگ تولید می‌کنند. هر چه این اندوکسیون‌ها بزرگ‌تر باشند، افزاره‌های اسنابر و تلفات آن‌ها هم بزرگ‌تر خواهند بود. پیش از طراحی یک اسنابر واقعی، بسیار مهم است که نخست اندوکتانس‌های پارازیتی مدار را به کمینه‌ی خود برسانند و در این مسیر، طراحی دقیق طرح چینش فیزیکی افزاره‌ها نقش اساسی ایفا می‌کند. اهمیت این موضوع در مدارهایی با قدرت‌های بالاتر به مراتب بیش‌تر است زیرا در آن‌ها نسبت dI/dt بالاتر می‌باشد.

.

.

تصویر (14-الف) یک مدار اصولیِ «وارونگر قطب^[9]» یا «مبدّل نیم‌پُل^[10]» را نشان می‌دهد. آن مسیر رسانایی که چشمه‌ی ولتاژ (V_dc) را به نقاط پایانیِ مثبت و منفی وصل می‌کند (کابل یا نوار مسی روی فیبر مدار چاپی)، دارای مقداری «اندوکتانس ذاتی» خواهد بود که سرچشمه‌ی آن در ساختار مسیرِ رسانا و خازن‌های ذخیره‌کننده‌ی انرژی قرار دارد (در تصویر C₁, ESL). اثر L_p را می‌توان با به‌کارگیری خازن‌های کوچک‌تر و خازن‌هایی که «معادل مقاومت داخلی سری» یا ESR کمی داشته باشند، و نصب آن‌ها مستقیم و با کم‌ترین فاصله از کلید، آن طور که در مورد C₂ نشان داده شده است، به مقدار بسیار زیادی کاهش داد. یک امکان، استفاده از مدول‌های خازنیِ اسنابر است که بجای پایه، اتصال‌های ورقه‌ایِ تخت دارند و مستقیم روی مدول‌های آی.جی.بی.تی.، همان طور که در تصویر 15 آمده است، نصب می‌شوند. در بازار این مدول‌ها یا به صورت یک خازن ساده یا افزاره‌هایی مرکّب از خازن و دیود عرضه می‌شوند.

.

.

در برخی حالات افزودن C₂ خود به تنهایی نمی‌تواند پاسخ کاملی باشد، زیرا امکان نوسانی‌شدنِ ولتاژ مسیر رسانا به خاطر بروز پدیده‌ی تشدید در L_p، C₁ و C₂ وجود دارد. یک راه حل جایگزین، استفاده از اسنابرِ مقاومت-خازن-دیود به عنوان «کلمپ^[11]» مطابق تصویر (14-ب) است. میانگین ولتاژ در دو سر C₂ معادل ولتاژ مسیر رسانا خواهد شد. در زمان قطع، ولتاژ دو سر C₂ بالا می‌رود و قله‌ی آن توسط این خازن محدود می‌گردد، اما دیرتر، در چرخه‌ی سیگنال، ولتاژ در حد ولتاژ مسیر رسانا از طریق R_s بازنشانی می‌شود. این R_s همچنین ولتاژ رینگینگ روی مسیر رسانا را نیز محدود می‌کند. برتری اضافی این راه حل این است که چون L_p مانند یک «اسنابر زمان وصل^[12]» عمل می‌کند، تلفاتِ وصلِ کلید را نیز کاهش می‌دهد.

به علت وجود dl/dt های خیلی بزرگ، که در اسنابرها معمول است، مقادیر کوچک اندوکتانس پارازیتی در درون اسنابر می‌تواند با عملکرد اسنابر تداخل کرده و به پیدا شدن قله‌های ولتاژی بلندتری از آن چه  انتظار می‌رود، منجر شود. اندوکتانس پارازیتی از دو منبع سرچشمه می گیرد: اندوکتانس ذاتی افزاره‌ها به خاطر اندازه‌های فیزیکی و پایه‌های آن‌ها و کیفیت طراحی چینش آن‌ها. اندوکتانس افزاره را می توان با انتخاب نوع بدنه‌ی آن به کم‌ترین مقدار رساند (مانند استفاده از افزاره‌های ایستاده^[13] به جای خوابیده^[14]) و با استفاده از افزاره‌های کوچک‌تر به موازات هم، آن را باز هم پایین‌تر آورد. به ویژه، موازی‌کردن در اسنابرهای قدرت بالا سودمند است، زیرا این کار علاوه بر این که آرایشی با اندوکتانس کم تر است، نسبت مساحت به حجم را بهبود می‌دهد که این امر امکان خنک‌سازیِ بهتر و رسیدن به جریان‌های موثر بالاتر کمک می‌کند.

منشاء اولیه‌ی اندوکتانس ناشی از چینش افزاره‌ها، اتصال اجزای اسنابر به کلید است. اجزای اسنابر باید تا حد ممکن در نزدیک‌ترین نقطه به پایه‌های کلید مستقر شوند. این افزاره‌ها باید طوری مرتب شوند که « حلقه‌ی جریانی» که توسط اسنابر شکل می‌گیرد، تا جایی که ممکن است، مساحت کوچک‌تری را در بر بگیرد. مدول‌های اسنابر با پایه‌های مسطح و تخت به طور مستقیم و با نوارهای مسی کوتاه و کم‌اندوکتانس به پایه‌های کلید وصل می‌شوند.

.

انتخاب خازن: خازن‌های اسنابر دایماً باید زیر جریان‌هایی با مقدار موثر خیلی زیاد و قله‌های جریانی خیلی بزرگ و dV/dt‌ی بالا خدمت کنند. در تصویر 16 نمونه‌ای از پالس‌های جریانیِ سوزنی^[15] ناشی از عمل قطع و وصل در یک اسنابر رایج از نوع مقاومت-خازن-دیود داده شده است.

.

.

این ضربه‌ها (پالس‌ها) دارای دامنه‌ی موثر بزرگ و قله‌های بلند هستند. به این دلیل، باید در انتخاب خازن‌های اسنابر دقت کرد و خازن های بسیار مرغوب از سازندگان شناخته شده را به کار گرفت. یکی از این تولیدکنندگان «کُرنل دابیلی‌یر^[16]» است. این شرکت انواع زیادی از خازن‌ها را که به صورت ویژه برای کاربرد در اسنابرها مناسب هستند، روانه‌ی بازار کرده است. جدول زیر انواع این خازن‌ها و مشخصات فنی آن‌ها داده شده است.

.

.

در پایین این نوشتار نشانی‌هایی از دیگر تولیدکنندگان معتبر خازن‌های اسنابر در اینترنت داده شده تا خواننده‌ی علاقه‌مند بتواند از ریزِ داده‌های محصولات آن‌ها نیز آگاهی به دست بیاورد.

.

انتخاب مقاومت: همان گونه که پیش از این نیز گفته شد، در اسنابرهای مقاومت-خازن ضرورت دارد که مقاومت اسنابر (R_s) «اندوکتانس ذاتی^[17]» کمی داشته باشد. وجود خودالقایی در این مقاومت سبب بالا رفتن قله‌ی ولتاژ (E₁) و تمایل به کم‌اثر ساختن اسنابر می‌شود. در اسنابرهای مقاومت-خازن-دیود هم کم‌اندوکتانس بودنِ مقاومت مطلوب هست، اما اهمیت فوق‌العاده ندارد، زیرا اثرِ مقدار کمی خودالقایی، زمان بازنشانی C_s را اندکی افزایش می‌دهد و در نتیجه‌ی آن، قله‌ی جریانی  را که در هنگام وصل کلید ایجاد می‌گردد، کاهش می‌دهد. انتخاب عادی و معمول برای R_s در اغلب موارد «مقاومت ترکیبیِ کربنی^[18]» و یا «مقاومت فیلم فلزی^[19]» است. در سطوح بالاتر قدرت می‌توان حتی از «مقاومت‌های سیم‌پیچیِ کم‌اندوکتانس» هم استفاده نمود. البته باید در هنگام طراحی به این اندوکتانس اضافی و تاثیر آن بر عملکرد اسنابر دقت داشت. بار دیگر یادآوری می‌گردد که وجود اندوکسیون‌های پارازیتی در اسنابرهای مقاومت-خازن بسیار دغدغه‌برانگیز است.

.

انتخاب دیود:  ولتاژ مجاز دیودی که در اسنابر مقاومت-خازن-دیود به کار گرفته می‌شود، باید در حدود قله‌ی ولتاژی باشد که بر دو سر C_s پدیدار می‌شود. در کل، میانگین جریان در این دیود به نسبت کوچک است، اما جریان‌های قله‌ای شدید می‌باشند. مقدار قله‌ی جریان باید پایه‌ی انتخاب دیود قرار داده شود. عملکرد اسنابر می‌تواند تحت تاثیر «زمان احیای معکوس دیود^[20]» (t_rr) قرار گیرد و به این دلیل معولاً دیودهای سریع و مافوق سریع با t_rr زیر 100 نانوثانیه به کار گرفته می‌شوند. پاسخگوییِ مطلوبِ عملکردیِ دیودِ انتخاب شده باید در مدار و در عمل اثبات شود تا اطمینان حاصل گردد که اسنابر همان گونه که انتظار می‌رفته عمل می‌کند.

در انتخاب دیود، هر چه ولتاژ مجاز بالاتر رود و سرعت احیای معکوس آن بیش‌تر شود، ممکن است «سرعت احیای پیشرو^[21]»ی آن بحرانی و مساله‌برانگیز گردد. این امر بدین خاطر است که افت ولتاژ درونی دیود در سویِ پیشرو ممکن است به مدت چند صد نانوثانیه بالاتر از «مقدارِ دایمیِ هدایت^[22]» بشود. این مشکل بر اثر dI/dtهای خیلی بزرگ در شکل‌موج‌های نوعیِ جریانِ اسنابر تشدید می‌شود. در زمانی که دیود انتخاب شده به طور کامل به حالت هدایت رفته باشد، پایان‌گرفتنِ پالس جریان اسنابر ممکن است طولانی شود. ممکن است لازم شود چندین افزاره‌ی مختلف در مدار واقعی مورد امتحان قرار گیرد تا نتیجه‌ی رضایت‌بخش به دست بیاید.

.

(بخش پسین)

(بخش پیشین)

.

.

مطالب مرتبط:

طراحی «اسنابر» برای حفاظت مدارهای الکترونیک قدرت  - بخش 1

طراحی «اسنابر» برای حفاظت مدارهای الکترونیک قدرت  - بخش 2

طراحی «اسنابر» برای حفاظت مدارهای الکترونیک قدرت - بخش 4 _بخش آخر)

.

مشخصات فنی خازن‌های ویژه‌ی اسنابرها:

خازن برای اسنابرهای IGBT

خازن های ویژه‌ی اسنابر ساخت WIMA

خازن های ویژه‌ی اسنابر ساخت Vishay

خازن های ویژه‌ی اسنابر ساخت  ALCON

.

.

پانویس‌ها:

.

.

.