ES2202550T3 - Supresor de arcos con dos terminales. - Google Patents
Supresor de arcos con dos terminales.Info
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Abstract
UN CIRCUITO DE SUPRESION DE ARCO (16) QUE INCLUYE UN TRANSISTOR DE UNION BIPOLAR DE PUERTA AISLADA (IGBT) (18) CONECTADO ENTRE LOS CONTACTOS DEL INTERRUPTOR ELECTRICO (10) A PROTEGER. CUANDO LOS CONTACTOS (10) SE ABREN, LA COMBINACION DE LA CAPACIDAD MILLER AÑADIDA Y LA CAPACIDAD DE PUERTA A EMISOR DEL IGBT (18) PRODUCE LA ACTIVACION DEL IGBT (18). EL IGBT (18) ES RAPIDAMENTE DESACTIVADO A CONTINUACION POR UN SEGUNDO TRANSISTOR (40), QUE SE ACTIVA CUANDO EL VOLTAJE A LO LARGO DEL CIRCUITO DE SUPRESION SE ELEVA COMO CONSECUENCIA, A SU VEZ, DE LA ACTIVACION DEL IGBT (18). LA ACTIVACION DEL SEGUNDO TRANSISTOR (40) HACE QUE EL PRIMER TRANSISTOR DE POTENCIA (18) SE DESACTIVE DE FORMA RAPIDA Y ABRUPTA DE MANERA QUE EN EL TRANSISTOR DE POTENCIA (18) SE DISIPE UNA CANTIDAD RELATIVAMENTE PEQUEÑA DE LA ENERGIA DE CARGA.
Description
Supresor de arcos con dos terminales.
Esta invención se refiere en general a los
circuitos supresores de arcos en contactos eléctricos y más
concretamente se refiere a un circuito que comprende un transistor
de potencia, como un IGBT, conectado en paralelo con los contactos
eléctricos que se protegen, en que el circuito protector puede
usarse con una amplia variedad de dispositivos que comportan
contactos eléctricos.
Como se indica en la solicitud de patente
pendiente nº de serie 08/527.185, un problema común en los
contactos eléctricos, por ejemplo, los contactos mecánicos usados
en circuitos eléctricos o electromecánicos, a través de los cuales
circula la corriente cuando se cierran los contactos, es la
creación de un arco eléctrico entre los contactos cuando éstos
empiezan a abrirse a partir de una posición cerrada. Esto puede
ocurrir cuando los contactos se abren, tanto si están normalmente
cerrados como normalmente abiertos. Si la tensión entre los
contactos cuando éstos se abren alcanza un nivel suficiente, se
formará un arco entre ellos. Además, este arco puede continuar
incluso después de que los contactos estén bien abiertos. Esta
formación de arcos es bien conocida por indeseable, debido al
desgaste que produce en los contactos, así como otros efectos en
los circuitos que se pueden producir debido al arco.
Además del diseño de los propios contactos, que
en algunos casos proporciona una capacidad intrínseca de supresión
de los arcos, se han empleado circuitos separados para la supresión
de los arcos a fin de impedir la formación de arcos entre los
contactos eléctricos. Estos circuitos comprenden normalmente un
transistor de potencia con especiales características de
funcionamiento. El aumento inicial de la tensión entre los contactos
eléctricos cuando éstos se abren se emplea como señal activadora
para poner el transistor en estado de conducción, derivando
momentáneamente la corriente de carga en torno a los contactos
durante el tiempo en que los contactos se están abriendo.
Normalmente, esto se consigue mediante el empleo de una
capacitancia de Miller conectada al transistor, siendo la corriente
que circula a través de la capacitancia de Miller suficiente para
disponer el transistor momentáneamente en estado de conducción.
Un circuito de este tipo se conoce por la patente
US nº 4.438.472 concedida a Woodworth. Woodworth presenta la idea
básica de usar un transistor en derivación en combinación con un
transistor de unión bipolar. En esta forma de realización
particular, la capacitancia de Miller adicional debe ser
relativamente grande. Esa gran capacitancia, sin embargo, queda en
paralelo con los contactos que se protegen aún cuando éstos estén
completamente abiertos, actuando en la práctica como un
cortocircuito respecto a los transitorios que se puedan presentar
entre los contactos. Esto, por supuesto, es indeseable en muchos
casos. Además, el transistor de unión bipolar ha de ser capaz de
soportar la energía de la carga inductiva cuando (el transistor)
interrumpe gradualmente la corriente de carga.
En la patente US nº 4.658.320 concedida a Hongel
se describe otra realización. En Hongel, el transistor de unión
bipolar se sustituye por un transistor de efecto de campo de
potencia (FET). Esto reduce el tamaño de la gran capacitancia
requerida por el aparato de Woodworth. No obstante, como en el
dispositivo de Woodworth, la interrupción de la corriente de carga
inductiva gradual exige que prácticamente toda la energía de la
carga se disipe en el propio FET. Un FET capaz de soportar esa
energía es caro y voluminoso. Además, el condensador en el montaje
de Hongel aún está en paralelo con los contactos abiertos, de modo
que es sensible a las tensiones de los transitorios.
El dispositivo descrito en la solicitud de
patente '185, que es propiedad del cesionario de la presente
invención, supera muchos de los inconvenientes de los dos circuitos
anteriores. Disminuye la capacitancia de Miller necesaria y se
diseña para impedir la conducción eléctrica a través del circuito
de protección durante los transitorios de tensión. Sin embargo,
dicho dispositivo se proyectó para usarse con una determinada
disposición de contactos eléctricos, conocida en general como un
contacto forma C. En el circuito '185, la parte no utilizada del
contacto forma C se utilizó para señalar la desconexión del
transistor de potencia en derivación y mantener dicho transistor
desconectado incluso en presencia de transitorios de elevada
tensión.
La presente invención presenta todas las ventajas
del circuito '185, pero no se limita a una determinada disposición
de contactos. En realidad, puede utilizarse prácticamente con todo
tipo de contactos eléctricos en los que la formación de arcos es un
problema, y puede diseñarse fácilmente para funcionar en numerosas
disposiciones de circuitos diferentes. No sólo puede abarcarse una
amplia variedad de contactos eléctricos, sino que también puede
operar con diversos valores de la separación entre los contactos.
Por ello, la presente invención de aplicación general.
Según un aspecto de la presente invención se
presenta un circuito para la supresión de arcos en contactos
eléctricos, que comprende:
un transistor de potencia conectado entre los
contactos;
unos medios de capacitancia unidos entre los
contactos y el transistor de potencia, pero no directamente en los
contactos, suficiente para que el transistor de potencia se active
rápidamente cuando los contactos empiezan a abrirse, impidiendo de
este modo la formación de arcos entre los contactos; caracterizado
por
unos medios para desactivar rápidamente el
transistor de potencia a continuación de una separación suficiente
de los contactos para impedir la formación de arcos; y
unos medios limitadores de la tensión para
limitar cualquier tensión de retorno derivada de la desactivación
del transistor de potencia a un nivel escogido.
Según otro aspecto de la presente invención, se
dispone un procedimiento para suprimir la formación de arcos entre
contactos eléctricos que comprende las etapas de la utilización de
un circuito para la supresión de arcos entre los contactos
eléctricos, que comprende:
un transistor de potencia conectado entre los
contactos;
unos medios de capacitancia conectados entre los
contactos y el transistor de potencia, pero no directamente en los
contactos, suficiente para que el transistor de potencia se active
rápidamente cuando los contactos comiencen a abrirse, proporcionando
un circuito de corriente alrededor de los contactos, impidiendo de
este modo la formación de arcos entre los contactos;
unos medios para desactivar rápidamente el
transistor de potencia a continuación de una separación suficiente
de los contactos para impedir la formación de arcos; y utilizarlos
con dicho circuito,
unos medios limitadores de la tensión para
limitar cualquier tensión de retorno resultante de la desactivación
del transistor de potencia a un nivel escogido.
La figura 1 es un diagrama que ilustra una
realización del circuito supresor de arcos de la presente
invención.
La figura 2 es una realización alternativa del
circuito supresor de arcos de la presente invención.
La figura 3 es un diagrama que ilustra un ejemplo
de un transitorio de tensión eléctrica.
La figura 4 ilustra una representación eléctrica
simplificada de la fuente de transitorios relativa al circuito de
la presente invención.
El circuito supresor de arcos de la presente
invención, una realización del cual se ilustra en la figura 1, está
concebido para funcionar con una amplia variedad de contactos
eléctricos y/o electromecánicos. Los contactos eléctricos, a fines
de la ilustración, se designan en general con la referencia 10. La
pila 12 representa una fuente de tensión que opera a través de una
carga 14, que en la forma de realización representada es una
combinación de inductancia y resistencia. La tensión de la fuente
origina una corriente a través de la carga 14 y a través de los
contactos 10. El circuito (protector) de supresión de arcos de la
presente invención se designa en general con la referencia 16,
conectado a los contactos 10 en los puntos de conexión 17- 17. En la
realización representada, el circuito supresor de arcos 16 comprende
un transistor de potencia 18 que es un transistor de unión bipolar
de puerta aislada (IGBT). Un IGBT es una combinación tipo
Darlington de un transistor de efecto de campo (FET) y un transistor
de unión bipolar (BJT) capaz de manipular elevados niveles de
potencia.
En general, el circuito de supresión de arcos 16
se conecta en paralelo con los contactos 10, de tal modo que el
IGBT 18 esté en derivación con los contactos eléctricos. La
corriente de carga se pone brevemente en derivación en torno a los
contactos mediante el circuito protector cuando se abren los
contactos, hasta que los contactos se hayan separado
suficientemente de modo que puedan resistir la tensión de la fuente,
normalmente de algunos cientos de voltios. Después de que los
contactos 10 se hayan separado, el IGBT 18 se desactiva rápida y
bruscamente; el retroceso o retorno de la tensión inductiva
siguiente es limitada o fijada por un dispositivo limitador de
tensión, tal como un varistor metal-óxido (MOV) representado en la
figura 1 con la referencia 20. En la realización de la figura 1, el
dispositivo limitador 20 de la tensión es interior al circuito,
mientras que en una realización alternativa el dispositivo
limitador de la tensión es exterior y puede ser suministrado por el
usuario del circuito. En aquella realización, las características
de fijación de la tensión pueden ser adaptadas por el usuario a la
carga particular y a los contactos particulares utilizados.
Como se ha expuesto sucintamente con
anterioridad, el circuito de supresión de arcos 16 puede usarse con
contactos eléctricos que están normalmente cerrados o normalmente
abiertos. En cada caso, cuando los contactos se abren después de
haberse cerrado por el paso de la corriente a través de ellos, el
circuito supresor de arcos 16 funciona para impedir que aparezca un
arco entre los contactos eléctricos. A título ilustrativo del
funcionamiento del circuito 16, se supondrá que los contactos 10
están normalmente cerrados y que la corriente de carga circula
desde el terminal positivo de la fuente de tensión 12 a través de
la carga 14, pasa por los contactos 10 y regresa a la fuente 12.
Cuando los contactos 10 empiezan a abrirse en
respuesta a una señal de control eléctrica o al funcionamiento
manual de un interruptor, la corriente de carga que pasa por los
contactos cesará y la corriente empezará a circular por el circuito
supresor de arcos. El IGBT 18 no conducirá inmediatamente la
corriente, ya que se halla desactivada. Asimismo, la tensión entre
los contactos 10 no es suficiente para descargar el elemento
limitador de tensión 20, ni tampoco circulará corriente de forma
apreciable a través de la resistencia combinada 22. Además, a causa
del diodo 24, no circulará corriente a través de la resistencia
combinada 26. Esto origina el paso sucesivo de corriente a través
del condensador 28, que es la capacitancia de Miller, y después a
través de una resistencia de puerta 30, la capacitancia del emisor
de puerta del IGBT 18 y después de regreso a la fuente de tensión
12.
La corriente establecida mediante este circuito
del condensador 28 y la resistencia 30 y la capacitancia
puerta-emisor del IGBT 18 hace que las dos
capacitancias empiecen a cargarse. El IGBT 18 empezará a conducir
cuando su capacitancia de puerta a emisor se cargue más allá de su
tensión de umbral. El condensador 28 presenta una magnitud tal (por
ejemplo, 2,2 nanofaradios) que la carga que es necesaria en la
puerta del IGBT para activarlo se traduce en una tensión en el
condensador 28 que es pequeña en comparación con la tensión en el
IGBT.
En este punto, la tensión en el circuito
supresor de arcos 16 (es decir, entre los puntos de conexión
17-17) y los contactos eléctricos 10 se limita
aproximadamente a la tensión de umbral del IGBT 18. A medida que
aumenta la tensión, circula más corriente por el condensador 28 y a
través de la parte de puerta-emisor del IGBT 18,
activando el IGBT más, lo que limita el aumento de la tensión. En
este momento, parecería que el circuito global está en equilibrio;
un nuevo aumento de la tensión en la puerta del IGBT está limitado
por ese estado de equilibrio de la corriente. Sin embargo, cualquier
retraso en la activación del IGBT 18 podría hacer que se
desarrollase una alta tensión destructiva en la puerta del IGBT,
que podría ser típicamente de 20 voltios. El diodo de zener 32
asegura que la tensión en la puerta del IGBT se limite a un valor
inferior al nivel de peligro, mientras que la resistencia 30 impide
oscilaciones en el funcionamiento del IGBT.
Cuando el IGBT 18 empieza a conducir, la tensión
desarrollada en el circuito supresor de arcos 16 origina una
circulación de corriente a través de la resistencia 22, cargando el
condensador 36. Cuando la tensión en el condensador 36 sobrepasa la
tensión inversa de ruptura del diodo de Zener 38, el diodo 38
empieza a conducir, activando el transistor 40, que en la presente
forma de realización es un FET. El nivel de tensión del circuito
protector 16 se determina según las características del IGBT 18 y el
valor del condensador de Miller 28.
El tiempo de activación del FET 40 se controla
por la constante de tiempo establecida por la resistencia 22 y el
condensador 36. Asimismo, el valor de la resistencia 22 controla
la magnitud de la corriente de fuga para el circuito supresor, que
podría ser, por ejemplo, de 150 microamperios.
El tiempo desde la separación inicial de los
contactos 10 hasta la conducción del diodo de zener 38 se determina
y después se establece seleccionando un valor apropiado para el
condensador 36. Este retraso de tiempo puede conjugarse fácilmente
con el grado de separación de los contactos determinados que se
protegen. Como ejemplo, un milisegundo sería normalmente un valor
seguro, ya que la mayoría de los contactos se separan una distancia
suficiente para resistir la tensión de la fuente en menos de un
milisegundo.
Cuando el FET 40 se activa, se dispone de un
circuito para la descarga de la capacitancia puerta a emisor del
IGBT 18. Dicho circuito de descarga comprende la resistencia 30, el
FET 40 y después la vuelta al emisor de IGBT 18. Una vez se ha
descargado la capacitancia a través de dicho circuito, el IGBT 18
deja de conducir. Este primer cierre abrupto del IGBT 18 después de
que se haya abierto salva o preserva el IGBT.
Como los contactos 10 todavía se están abriendo
(o en algunos casos están completamente abiertos) y el IGBT está
cerrado, la corriente de carga inductiva se ve obligada a circular
por el dispositivo limitador de tensión, como un MOV, representado
en general con la referencia 20.
La tensión a través de MOV 20 y los contactos 10
aumenta hasta el nivel de tensión de retención de MOV 20,
normalmente algunos cientos de voltios. El incremento de la tensión
origina una corriente adicional desde la fuente de tensión 12 a
través de la capacitancia de Miller 36 y FET 40. La corriente
adicional, no obstante, como FET 40 está conduciendo, no hace que
el IGBT 18 vuelva al estado de conducción. Además, como la tensión
de retención de MOV 20 es mayor que la tensión de la fuente 12, se
desarrolla una tensión negativa en la carga 14. Esa tensión
negativa hace que la corriente de carga inductiva disminuya; poco
después, la corriente de carga inductiva disminuye hasta cero.
Como la corriente circula ahora a través de la
resistencia 22, el condensador 36 continuará cargándose. Cuando el
condensador 36 se ha cargado, esto hará que la capacitancia
puerta-fuente de FET 40 se cargue, a través del
diodo de zener 38. Cuando esa carga alcanza la tensión de ruptura
del diodo zener 44, el diodo Zener 44 empieza a conducir, limitando
la tensión de puerta a fuente de FET 40 a un nivel seguro (no
destructivo).
Como no se requiere que FET 40 conduzca una
intensidad de corriente continua o soporte un nivel de tensión
importante, puede escogerse de tal modo que la magnitud de la carga
que puede haber en su capacitancia puerta-fuente
para activar FET 40 es relativamente pequeña. En consecuencia, el
circuito supresor de arcos 16 sólo precisa suministrar una cantidad
relativamente pequeña de corriente a través del zener 38, durante
un corto tiempo, para activar FET 40. Por consiguiente, FET 40 se
abre muy rápidamente después de que la corriente empieza a circular
en el circuito 16; de ahí que IGBT 18 se cierra también
rápidamente, dado que FET 40 controla el cierre de IGBT 18. Ese
rápido y brusco cierre de IGBT 18 hace que prácticamente toda la
corriente de carga pase a través de MOV 20.
Por lo tanto, como la corriente de carga
realmente circula a través de IGBT 18 durante sólo un tiempo
relativamente breve, y es interrumpida rápida y bruscamente, la
energía que debe disiparse en IGBT 18 es relativamente pequeña en
comparación con la energía total que debe disiparse para
interrumpir con éxito la corriente de carga. Esto hace que el
tamaño y el coste de IGBT sea considerablemente reducido con
relación a los circuitos precedentes, como los mencionados
anteriormente. MOV 20, por otra parte, disipa grandes cantidades de
energía, pero esto es aceptable, dado que un MOV de una tal
capacidad es relativamente barato.
Transcurrido un tiempo, los contactos 10 pueden
cerrarse de nuevo, mediante una acción manual o una señal de
control eléctrica. Cuando se cierran los contactos 10, es
importante que el circuito supresor de arcos se lleve de nuevo a su
estado funcional primitivo (es decir, se rearme) tan pronto como
sea posible, de tal modo que pueda ser capaz de una rápida
reapertura. Esto es particularmente necesario en el caso de que los
contactos puedan abrirse fortuitamente muy pronto después de
haberse cerrado inicialmente, como tiene lugar en el caso de
"salto de contactos".
Cuando los contactos 10 se cierran, la tensión en
el circuito protector 16 disminuye hasta cero, haciendo que el
condensador 36 se descargue a través del diodo 24 y la resistencia
26. Esto sucede porque la resistencia 26 se escoge de tal modo que
sea considerablemente inferior a la resistencia 22. Esa corriente
de descarga circula de nuevo a través de los contactos 10 hacia el
condensador 36. Asimismo, la capacitancia puerta a fuente de FET 40
se descargará a través del diodo zener 38, el diodo 24, la
resistencia 26 y los contactos 10, de vuelta a FET 40. Esto hace
que FET 40 se cierre.
Además, la capacitancia de Miller 28 se
descargará a través de los contactos 10 y el diodo de zener 32. El
diodo de zener 32 impide que esa corriente de descarga desarrolle
una tensión negativa destructiva a través de la parte puerta a
emisor de IGBT 18. Asimismo, la capacitancia de puerta a emisor de
IGBT 18 se descargará a través del diodo 50 y los contactos 10.
La rápida descarga de los condensadores 36 y 28 y
la capacitancia interna de FET 40 y de IGBT 18 restituirán
rápidamente al circuito supresor de arcos 16 a su estado primitivo.
Esta acción en efecto "rearma" el circuito protector, de tal
modo que el circuito protector preparado para la siguiente apertura
de los contactos 10. Como se ha expuesto sucintamente más arriba,
ese rápido rearme protege los contactos 10 de los arcos destructivos
durante el "salto de contactos" consecutivo cierre de los
contactos.
En el caso de que el circuito supresor de arcos
16 se conecte involuntariamente invertido en 17-17,
el diodo 52 limitará la tensión negativa del circuito supresor de
arcos, protegiendo los semiconductores del circuito de niveles de
tensión destructivos, hasta que se advierta el error de
conexión.
Como se ha mencionado anteriormente, una de las
ventajas del presente circuito es su protección contra los
transitorios de tensión. Después de que los contactos 10 se hayan
abierto y la corriente de carga que circula entre los contactos esté
a cero, la tensión a través del circuito protector 16 es igual a la
tensión de la fuente, es decir, si la fuente de tensión para la
carga es una batería de 125 voltios, la tensión a través de los
contactos 10 y el circuito protector 16 es asimismo de 125 voltios
de corriente continua CC. Como se ha expuesto anteriormente, la
presencia de esta tensión hace que una corriente circule por la
resistencia 22, el diodo de zener 38 y el diodo de zener 44, que
mantiene FET 40 activado, lo cual a su vez mantiene a IGBT 18
cerrado. Éste es el estado de "reposición" del circuito a
continuación de que los contactos se hayan abierto durante un breve
tiempo. Un transitorio de tensión positiva que pueda tener lugar
después a través de los contactos 10 abiertos hará que, en el
circuito representado, circule de una corriente a través de la
capacitancia de Miller 28, hasta la conexión de drenaje de FET 40.
Sin embargo, el valor de la resistencia 30, y la resistencia en
activo de FET 40 se escogen de tal modo que la mayor parte de la
corriente circule a través de la resistencia en activo del FET. Por
tanto, un transitorio de tensión positiva no dará lugar a una
activación de IGBT. Esto proporciona una protección contra falsos
arranques de IGBT debido a los transitorios de tensión
positivos.
Asimismo, el circuito de la figura 1 protege
también contra los transitorios oscilantes, es decir, aquellos
transitorios que comprenden excursiones positivas y negativas
alternativamente que disminuyen de amplitud, bien rápidamente o con
diversos periodos de oscilación. Es importante que el circuito
protector 16 resista dichos transitorios sin permitir que la
corriente de carga circule desde la fuente de tensión a través de la
carga. Los transitorios oscilantes presentan alguna dificultad
debido a que las excursiones que van al negativo pueden ser
difíciles de distinguir del cierre real de los contactos 10, puesto
que ambos casos hacen que la tensión a través del circuito 16
supresor de arcos caiga rápidamente.
Si el circuito supresor de arcos 16 interpreta
erróneamente la parte negativa de un transitorio oscilante como un
cierre de los contactos, la excursión positiva siguiente
probablemente activará el circuito protector 16 y permitirá que la
corriente circule desde la fuente de tensión a través de la carga.
En la figura 3 se muestra un ejemplo de un transitorio oscilante
59. La fuente del transitorio, como se aprecia en la figura 4, es un
generador de transitorios 60 con una impedancia de fuente 62,
aplicado al circuito supresor de arcos (protector) 16. La fuente de
tensión, la carga y los contactos se designan con las referencias
12, 14 y 10, respectivamente.
Durante la parte negativa del transitorio 59, el
diodo 52 (figura 1) proporciona un circutio de baja impedancia para
la corriente resultante, recortando eficazmente la parte negativa
del transitorio de tensión hasta casi cero voltios; así, toda la
tensión del transitorio (parte negativa) se descarga mediante la
impedancia 62 de la fuente de transitorios.
Durante la parte positiva del transitorio de
tensión 59, el diodo 52 presenta una elevada impedancia a la
tensión positiva. Cualquier corriente que circule a través de la
capacitancia de Miller 36 durante esa parte del transitorio de
tensión será, como se ha dicho anteriormente, desviado de IGBT 18
por FET 40. A tal efecto, IGBT se mantiene cerrado. Cualquier
tensión a través de los contactos 10 se deja que aumente hasta que
la tensión llegue a la tensión de ruptura de MOV 20. Cuando MOV 20
empieza a conducir, presenta un circuito de baja impedancia a la
corriente del transitorio, de tal modo que el transitorio de alta
tensión resulta recortado, porque la mayor parte de la tensión se
descarga de nuevo a través de la impedancia de la fuente 62.
Así, la acción del diodo 52 recorta la parte
negativa del transitorio de tensión hasta prácticamente cero
voltios, mientras que MOV 20 recorta la parte positiva del
transitorio de tensión hasta aproximadamente su tensión de ruptura,
que, por ejemplo, puede de unos cientos de voltios. El resultado es
una asimetría en la forma de onda oscilatoria, produciendo un
desplazamiento o desviación media de corriente continua. Esa tensión
de corriente continua de desplazamiento tiende a cargar más el
condensador 36 durante la parte positiva del transitorio que a
descargarlo durante la parte negativa. Así, la parte positiva tiende
a mantener FET 40 activado, más de lo que la parte negativa tiende
a mantenerlo desactivado. Así, FET 40 permanece activado durante
todo el transitorio, de lo que resulta que IGBT 18 se mantiene
cerrado durante el propio transitorio, impidiendo el falso disparo
de IGBT 18.
El peculiar funcionamiento de FET 40 en respuesta
a los transitorios oscilatorios se traduce en que FET 40 se deja
que se cierre más deprisa de lo que se abre durante el
funcionamiento normal. Esto proporciona una protección adicional
contra los arcos durante el salto de contactos muy rápido que sigue
al cierre inicial de los contactos. Los diodos 24 y 38 y la
resistencia 26 se escogen de modo que la capacitancia de puerta a
fuente de FET 40 y del condensador 28 se descargue mucho más
rápidamente que los valores de la resistencia 22 y el zener 38
permite la carga del condensador 36 y la capacitancia de puerta a
fuente de FET 40. Sustancialmente, esto se debe a que la resistencia
26 se escoge de tal modo que sea mucho más pequeña que la
resistencia 22. Como FET 40 se desactiva rápidamente, el
condensador 28 e IGBT 18 protegen los contactos 10 contra la
formación de arcos durante los saltos.
Incluso con dicha protección contra diversos
transitorios, es posible que IGBT 18 pueda activarse en respuesta a
una carga que, por una gran variedad de razones indeterminadas,
tenga lugar directamente en la capacitancia de puerta a emisor de
IGBT 18. Además, si la carga es suficiente para que se traduzca en
que IGBT 18 se active hasta su conducción completa, y además
existe una tensión insuficiente a través del circuito protector 16
para activar debida y rápidamente el conjunto de circuitos de
desactivación de IGBT formados por la resistencia 22, el
condensador 36, el diodo de zener 38 y FET 40. Así, es posible que
el IGBT 18 pueda continuar en estado de plena conducción, limitado
sólo por corrientes de fuga y/o la acción de condensadores
parasitarios; esto es una situación indeseable. Sin embargo, esta
posibilidad se previene eficazmente con el diodo 50, que se conecta
entre la puerta y el colector de IGBT 18.
Como IGBT 18 presenta una tensión de umbral
inherente de puerta a emisor por debajo de la cual no conduce, y
puesto que el diodo 50 retiene eficazmente el colector de aquél a
una tensión que es por lo menos una caída del diodo por debajo de la
tensión de umbral, el diodo 50 impide eficazmente que la tensión
colector a emisor de IGBT 18 caiga por debajo de la tensión de
umbral de puerta de IGBT 18. Esto asegura que, con independencia de
cómo se activa IGBT 18, quede suficiente tensión a través del
circuito protector 16 para accionar el conjunto de circuitos de
desactivación de IGBT, formado por la resistencia 22, el
condensador 36, el diodo 38 y FET 40.
Como se ha mencionado anteriormente, en el
circuito de la figura 1 el elemento 18 es un transistor de
potencia. Un IGBT satisface las exigencias operativas del circuito
y la descripción precedente. Un ejemplo de un IGBT de esta clase es
IRGBC30S, fabricado por International Rectifier. Otras
posibilidades además de un IGBT podrían incluir un FET de potencia.
El transistor 40, identificado como un transistor de efecto de campo
en la forma de realización preferida, origina una rápida
desactivación de IGBT 18, que reduce a un mínimo el tamaño y el
coste de IGBT 18. El elemento 40 pueden ser diversos dispositivos de
acción rápida, incluyendo diversos FETs, un conmutador bilateral de
silicona, un transistor uniunión o un tiristor normal activado por
un diodo de zener. Además, la realimentación positiva inherente del
propio circuito protector 16 puede usarse para el cierre de IGBT
18. La figura 2 ilustra un circuito alternativo de esta clase.
En la disposición de la figura 2, el diodo 70 es
un diodo de zener. La resistencia 22 y el diodo de zener 38 del
circuito de la figura 1 se han suprimido. En paralelo con el diodo
de zener 74 hay una resistencia 72. En funcionamiento, cuando se
abren los contactos 76, la corriente de carga se deriva a través de
los contactos, desarrollando una tensión a través del circuito
supresor de arcos (protector) 75. Sustancialmente esto es similar al
circuito de la figura 1. La tensión a través del circuito protector
75 aumenta lentamente, debido a la circulación de corriente por la
resistencia 72, que permite que el condensador 80 se cargue, lo
cual a su vez hace que aumente la tensión de colector a puerta del
transistor de potencia (IGBT) 82.
Asimismo, la tensión a través de los contactos 76
aumentará gradualmente hasta que la tensión alcance el valor de la
tensión de ruptura del diodo 70. En este punto, el diodo 70 y la
resistencia 84 soportan la circulación de corriente y el condensador
86 se carga. El condensador 86 puede ser un componente real o bien
puede ser la capacitancia de puerta a fuente del transistor 88
(FET). Al cargarse el condensador 86, el transistor 88 se activa
ligeramente, de tal modo que la carga en la capacitancia de puerta a
emisor de IGBT 82 conduce a través del transistor 88 y vuelve a
IGBT 82, de modo que IGBT 82 comienza a desactivarse.
Esto hace que la tensión a través del circuito
protector 75 aumente, lo cual a su vez hace que el diodo de zener
70 y la resistencia 84 conduzcan más corriente a la puerta del
transistor 88, actuando más. Esto hace que el transistor 82 se
desactive más, aumentando aún más la tensión a través del circuito
protector. Por ello, una disposición de realimentación positiva
derivada de la inicial activación del transistor 88 comienza
inicialmente a desactivar IGBT 82, haciendo que el transistor 88 se
active más, originando que el transistor 82 se desactive más,
proporcionando la deseada respuesta rápida del circuito. IGBT 82 se
desactiva rápidamente y la energía almacenada en la carga se disipa
en MOV 90, como se expuso anteriormente con relación a la figura 1.
El diodo de zener 92 limita la tensión en la puerta del transistor
88 hasta un nivel seguro.
El circuito de la presente invención puede
realizarse como un semiconductor integrado o como un semiconductor
híbrido, excepto para la parte del MOV. Es posible y en algunos
casos deseable, permitir que el usuario suministre el MOV, que puede
adaptarse a la carga específica y a las condiciones de los
contactos.
Aunque en las realizaciones de las figuras 1 y 2
se ha descrito la carga como de tipo inductivo, debe
sobreentenderse que diversas combinaciones de cargas que sean
capaces de producir un arco a través de unos contactos eléctricos
que se abren son adecuadas para su uso con el circuito supresor de
arcos (protector) de la presente invención; es decir, una gran
variedad de cargas puede activar el circuito protector después de la
apertura de los contactos. Mediante la adecuada selección de los
valores de los componentes, la intensidad y las tensiones
necesarias para iniciar un arco a través de los contactos será
suficiente para activar el circuito protector, independientemente
de la tensión y la intensidad de la carga.
Por ello, se ha descrito un circuito supresor de
arcos que proporciona una protección contra la formación de arcos
entre los contactos cuando los contactor se abren, sin falsos
disparos u otras acciones indeseables debido a tensiones de
transitorios. Además, el circuito descrito puede usarse
ventajosamente con una gran variedad de disposiciones y
configuraciones de contactos eléctricos. Asimismo, pueden adaptarse
los valores de los componentes individuales, particularmente las
características de la parte limitadora de la tensión de aquél, a
las condiciones particulares de tensión y de corriente de la
aplicación del usuario.
Aunque en la presente memoria se ha expuesto una
forma de realización preferida de la invención a efectos
ilustrativos, debe comprenderse que pueden incorporarse a dicha
realización diversos cambios, modificaciones y sustituciones sin
apartarse del alcance de la protección que se define en las
reivindicaciones adjuntas.
Claims (18)
1. Circuito (16) para la supresión de arcos entre
contactos eléctricos (10), que comprende:
un transistor de potencia (18) conectado entre
los contactos;
unos medios de capacitancia (28) conectados entre
los contactos y el transistor de potencia, pero no directamente en
los contactos, suficiente para que el transistor de potencia (18)
se active rápidamente cuando los contactos (10) empiezan a abrirse,
proporcionando un circuito de corriente alrededor de los contactos,
impidiendo de este modo la formación de arcos entre los contactos,
caracterizado por
unos medios (36, 40) para desactivar rápidamente
el transistor de potencia (18) a continuación de una separación
suficiente de los contactos para impedir la formación de arcos;
y
unos medios limitadores de la tensión (20) para
limitar cualquier tensión de retorno resultante de la desactivación
del transistor de potencia a un nivel escogido.
2. Circuito según la reivindicación 1, en el que
el transistor de potencia (18) es un transistor de unión bipolar de
puerta aislada.
3. Circuito según la reivindicación 1, que
comprende unos medios para limitar la tensión en una parte de la
puerta del transistor de potencia (18) a un nivel de seguridad.
4. Circuito según la reivindicación 1, en el que
los medios limitadores de la tensión (20) comprenden un elemento
retenedor de la tensión conectado en el circuito supresor en
paralelo con los contactos.
5. Circuito según la reivindicación 4, en el que
el elemento retenedor de la tensión es un varistor de óxido
metálico.
6. Circuito según la reivindicación 1, en el que
la carga es principalmente inductiva.
7. Circuito según la reivindicación 1, que
comprende un segundo transistor (40) conectado al transistor de
potencia (18) de tal modo que, cuando la tensión del circuito
supresor aumenta después de la apertura de los contactos, el segundo
transistor se activa, desactivándose el transistor de potencia tan
rápidamente que sólo una parte relativamente pequeña de la energía
de la carga después de la apertura de los contactos (10) es disipada
por el transistor de potencia.
8. Circuito según la reivindicación 7, que
comprende unos medios (44) formados por un diodo de zener
conectados entre una parte de puerta del segundo transistor (40) y
una parte de fuente del mismo.
9. Circuito según la reivindicación 7, que
comprende una serie conectada de un diodo de zener (38) y un
condensador (36) conectado entre el segundo transistor y uno de los
contactos, unos medios de resistencia (22) conectados entre (1) la
unión del diodo de zener (38) y el condensador (36) y (2) el otro
contacto, y una conexión en serie de un diodo (24) y unos segundos
medios de resistencia (26) conectados entre dicha unión y el otro
contacto, en el que los segundos medios son sustancialmente menores
que los primeros medios de resistencia.
10. Circuito según la reivindicación 1, que
comprende unos medios para limitar la tensión en una parte de
puerta del transistor de potencia (18) a un nivel de seguridad, en
el que dichos medios limitadores son un diodo de zener (32)
conectado entre la parte de puerta del transistor de potencia y una
parte de emisor del mismo.
11. Circuito según la reivindicación 1, que
comprende unos medios de resistencia (30) conectados entre una
parte de puerta del transistor de potencia (18) y el segundo
transistor (40) para impedir oscilaciones del transistor de
potencia.
12. Circuito según la reivindicación 1, en el que
los medios de capacitancia comprenden un condensador (28) conectado
entre una parte de colector y la parte de puerta del transistor de
potencia (18), y en el que la parte de colector del transistor de
potencia está conectada a uno de los contactos, y en el que la
carga total a través del condensador (28) y la capacitancia de la
unión de puerta a emisor del transistor de potencia es suficiente
para activar el transistor de potencia (18), mientras que la
elevación de la tensión producida por la carga es insuficiente para
iniciar un arco entre los contactos (10).
13. Circuito según la reivindicación 12, que
comprende unos medios para descargar dichos medios de capacitancia
(28) de tal modo que el circuito esté preparado para funcionar de
nuevo a continuación de que los contactos se cierren y se abran de
nuevo.
14. Circuito según la reivindicación 11, en el
que dicha resistencia del segundo transistor (40) y los medios de
resistencia (30) definen un divisor de corriente de tal modo que
una corriente muy pequeña pasa a la parte de puerta del transistor
de potencia a continuación de que éste ha sido desactivado,
impidiendo de este modo el falso disparo del transistor de potencia
(18).
15. Circuito según la reivindicación 1, que
comprende un diodo (52) conectado en el circuito supresor y los
contactos para proporcionar un circuito de baja impedancia para una
tensión negativa aplicada a través de los contactos (10).
16. Circuito según la reivindicación 1, que
comprende un diodo (50) conectado entre una parte de puerta y una
parte de colector del transistor de potencia (18) para impedir que
la tensión colector-emisor del mismo disminuya por
debajo de un nivel de tensión umbral de puerta.
17. Procedimiento para suprimir la formación de
arcos en los contactos eléctricos, que comprende las etapas de
utilización de un circuito (16) para la supresión de la formación
de arcos en los contactos eléctricos (10), comprendiendo:
un transistor de potencia (18) conectado en los
contactos;
unos medios de capacitancia (28) conectados entre
los contactos y el transistor de potencia, pero no directamente en
los contactos, suficiente para que el transistor de potencia (18)
se active rápidamente cuando los contactos (10) empiecen a abrirse,
proporcionando un circuito de la corriente alrededor de los
contactos, previniendo así la formación de arcos entre los
contactos;
unos medios (36, 40) para desactivar rápidamente
el transistor de potencia (18) a continuación de una separación
suficiente de los contactos para impedir la formación de arcos
entre ellos, y utilizarlos con dicho circuito;
unos medios limitadores de la tensión (20) para
limitar cualquier tensión de retorno resultante de la desactivación
del transistor de potencia a un nivel escogido.
18. Procedimiento según la reivindicación 17, en
el que el circuito comprende un segundo transistor (40) conectado
al transistor de potencia (18) de tal modo que, a medida que la
tensión a través del circuito supresor aumenta después de la
apertura de los contactos, el segundo transistor se active,
haciendo que el transistor de potencia se desactive tan rápidamente
que sólo una parte relativamente pequeña de la energía de la carga a
continuación de la apertura de los contactos (10) se disipe en el
transistor de potencia.
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