Лекция 12. Коммутаторы: характеристики и типы

Коммутаторы (переключатели) один из основных элементов любой установки высокого напряжения. Коммутаторы имеют два основных состояния: разомкнутое (ток через коммутатор не течет) и замкнутое (ток течет). В идеальном коммутаторе время переключения между этими состояниями равно нулю; сопротивление и индуктивность в замкнутом состоянии равны нулю, а в разомкнутом сопротивление имеет бесконечную величину; время между подачей управляющего сигнала на переключение состояний равно нулю. В реальных коммутаторах эти идеальные условия не выполняются.

К основным характеристикам реальных коммутаторов относятся:

1. Рабочее напряжение, кВ.

2. Величина коммутируемого тока, А.

3. Время задержки - фактическое время между приложением переключающего импульса и началом проводимости между главными электродами коммутатора.

4. Разброс времени задержки – различие времен задержки при различных коммутациях одного и того же коммутатора или различие начала времени коммутации различных однотипных коммутаторов при одновременной подачи на них переключающего импульса.

5. Время коммутации является временем от начала проводящего состояния между контактами (конец времени задержки) до максимальной проводимости.

6. Разброс времени коммутации.

7. Время восстановления электрической прочности после коммутации.

8. Срок службы (число коммутаций на максимальном токе).

9. Частота коммутаций.

По техническому исполнению коммутаторы бывают следующих типов:

- твердотельные полупроводниковые управляемые коммутаторы (тиристоры);

- вакуумные газонаполненные коммутирующие лампы (к этому типу также относятся лампы с заполнением различными газами при давлении значительно ниже атмосферного, порядка 10 ¸ 100 Па);

- разрядники с электродами различной формы, работающие при атмосферном или повышенном давлении газа;

- сверхпроводящие коммутаторы;

- взрывающиеся проводники в комбинации с вакуумными выключателями.

Управляемые полупроводниковые коммутаторы – обычно силовые тиристоры с устройствами управления. Ток отключения I < 1 кA при напряжении U < 2-3KВ для одного тиристора. Для получения требуемой величины тока и напряжения применяют последовательное и параллельное соединение многих элементов. Для обеспечения надежной работы всего коммутатора необходимо выравнивать напряжение на отдельных элементах. Эти коммутаторы имеют ограничение по времени, громоздки и дорогостоящи.

Вакуумные и газонаполненные коммутирующие лампы

Имеются очень много различных типов электровакуумных приборов, однако возможно сгруппировать их согласно некоторым основным критериям. Есть две основные черты различия, источник свободных электронов в пределах устройства и наличие газообразного заполнения (или отсутствие его) внутри оболочки трубы. Электровакуумный прибор - устройство, заполненное вакуумом (газ с очень низким давлением). Газонаполненное устройство заполнено газом с давлением несколько выше или ниже атмосферного. Тип использованного газа является важной особенностью, особенно в коммутирующих лампах, где встречается широкое разнообразие заполнений.

Источник свободных электронов проводимости может быть:

- тепловой (термальный), типа нагретой нити, физически связанной с катодом устройства – подогреваемый катод (термокатод);

- холодный катод, в котором выход электронов с катода происходит под действием высокого градиента электрического поля вблизи катода (автоиспускание с катода).

Коммутирующие лампы с холодным катодом (триггерные лампы) имеют невысокие рабочие напряжения (до 1 кВ) и рабочие токи до 1 А. Время коммутации таких устройств составляет ~ 1-10 мс, в разброс времен коммутации доходит до 10 мс. Характеристики значительно зависят от условий освещенности этих ламп. Обычно они предназначены для переключения и подачи переключающего сигнала на другие, более мощные коммутаторы. Основным недостатком таких переключателей является отсутствие свободных электронов вблизи катода до подачи переключающего импульса и, как следствие этого, большое время (и разброс времён) первичной ионизации газа. Большинство триггерных ламп имеет три или четыре электрода, анод, катод и несколько управляющих электродов, т.е. являются управляемыми коммутаторами.

Существенное улучшение характеристик коммутаторов с холодным катодом достигнуто в современных устройствах, названных крайтронами.

Крайтрон (Krytron) это лампа с четырьмя электродами (катод, анод, поджигающий и управляющий электроды), холодным катодом и заполнением газом при давлении до 100 Па. Между катодом и поджигающим электродом, расположенным вблизи катода, поддерживается тлеющий разряд с током несколько десятков мкА. Имеет следующие характеристики:

Время коммутации - ~100 нс.

Разброс времен коммутации ~50 нс.

Рабочее напряжение – до 20 кВ.

Коммутируемые токи – до 5 кА.

На управляющий электрод, который расположен за поджигающим электродом, но значительно ближе к катоду, чем к аноду, до требуемого момента коммутации подается отрицательное запирающее напряжение. Создаваемое им поле удерживает плазму тлеющего разряда в области между катодом и поджигающим электродом. Запускающий положительный импульс с амплитудой порядка 500 ¸ 2000 В подается на управляющий электрод, открывая путь для ударной ионизации всего промежутка между катодом и анодом. Наличие уже сформированной плазмы в тлеющем разряде обеспечивает высокие скоростные характеристики коммутации крайтронов. Наличие управляющего электрода, удерживающего плазму вблизи катода, позволяет достичь высоких рабочих напряжений. В специальных модификациях крайтронов время коммутации удается сделать меньше 1 нс, а время задержки менее 30 нс. В ряде модификаций у крайтроны помещают радиоактивный источник первичной ионизации - слабый бета-излучатель на основе изотопа Никель - 63 (⁶³ Ni). Этот изотоп излучает «быстрые» электроны (бета –частицы) с энергией 65.9 кэВ, которые ионизируя газ вблизи катода создают необходимое для быстрой коммутации число первичных электронов.

Число коммутаций на максимальном токе не превышает 1000. Частота следования импульсов до нескольких герц.

Игнитрон. Электровакуумный коммутатор с катодом из ртути. Поджигающий электрод (игнайтер) выполнен из полупроводящего материала и погружен в ртуть. При подачи импульса на игнайтер вблизи места погружения возникает разряд, приводящий к испарению ртути катода, резкому увеличению числа носителей заряда в пространстве катод-анод и основному разряду. Число коммутаций до 8 миллионов.

Время коммутации - ~100 нс

Разброс времен коммутации ~50 нс

Рабочее напряжение – до 25 кВ

Коммутируемые токи – до 10 кА

Дата добавления: 2014-01-07