ES2339363T3 - Dispositivo de conmutacion para interconectar condensadores electroliticos. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de conmutación para la conmutación en paralelo controlada de un condensador electrolítico de por lo menos 500 μF de capacidad a otro condensador electrolítico de almacenamiento de energía; el dispositivo de conmutación comprende un conmutador electrónico formado por un dispositivo de semiconductor y un elemento de retardo; el dispositivo de semiconductor tiene una entrada de control la cual está conectada, a través de un elemento de retardo del tipo RC, a una entrada de control (VS) que suministra la señal de conmutación; el dispositivo de conmutación tiene un retardo de conmutación de una extensión previamente determinada; caracterizado porque el dispositivo de semiconductor es un transistor de efecto de campo (FT); el circuito principal del transistor de efecto de campo (FT) está acoplado a través de un elemento inductivo (L), el cual suministra un segundo retardo, al condensador (C1) que se va a conmutar; el elemento inductivo es un conductor (10) de una longitud determinada rodeado por un núcleo de ferrita de alta frecuencia (11, 12); el retardo efectuado por el elemento RC asegura sólo aquella fracción del retardo de conmutación definido que se requiere para una carga dentro del límite de carga del transistor de efecto de campo (FT) y el retardo restante es suministrado por el elemento inductivo (L).
Description
Dispositivo de conmutación para interconectar
condensadores electrolíticos.
La presente invención se refiere a un
dispositivo de conmutación para una conmutación paralelo controlada
de un condensador electrolítico de por lo menos 500 \muF de
capacitancia a otro condensador electrolítico de almacenamiento de
energía. El dispositivo incluye un conmutador electrónico formado
por un dispositivo de semiconductor y un elemento de retardo al
cual el dispositivo de semiconductor tiene una entrada de control y
la entrada está conectada a través de un elemento de retardo del
tipo RC a una entrada de control la cual suministra la señal de
conmutación. El dispositivo de conmutación tiene un retardo de
conmutación de una duración determinada.
En el momento de la descarga o la carga
repentina de los condensadores cargados con energía, durante un
período determinado, fluyen corrientes transitorias muy grandes las
cuales pueden dañar tanto al condensador como al dispositivo de
conmutación que efectúa el proceso transitorio.
En la solicitud de patente húngara publicada Nº
P 9902383 se revela un circuito de carga de una batería el cual
incluye un condensador. Un conmutador incrementa la capacidad del
condensador conmutando otro condensador en paralelo con el mismo.
Como se representa en la figura 4 de la solicitud de patente
referida, se inserta un elemento LC en serie en la trayectoria de
conmutación.
El documento US 5122724 revela un sistema para
la conexión de un condensador grande y una carga a un suministro de
potencia. La conmutación se realiza mediante un único conmutador
mecánico y se utiliza un FET para limitar la corriente de entrada
dentro del condensador en combinación con un inductor en serie. El
conmutador está controlado por una combinación de un inductor en
serie y una combinación de resistencia y capacitancia (RC) que
actúan conjuntamente para limitar la corriente que fluye a través
del FET hacia el condensador y a través del inductivo al
condensador, el circuito RC conectado a la puerta del FET y la
carga. La velocidad de conmutación está definida por el circuito
LCR.
La capacidad del condensador que se va a cargar
tiene una capacidad de típicamente en la gama de
100-10.000 \muF pero ventajosamente está en la
gama de 500-10.000 \muF. El dispositivo de
conmutación de semiconductores más ampliamente extendido es el
transistor de efecto de campo del tipo MOSFET, cuya resistencia
interna es muy pequeña en el estado abierto y el cual puede ser
abierto y cerrado fácilmente a una impedancia de entrada muy
alta.
El comportamiento de conmutación de los
transistores de efecto de campo adaptados para conmutar corrientes
grandes está constantemente en el incremento, pero cualquier tipo
determinado de corrientes en exceso de una intensidad determinada
compromete la solidez del transistor. En la utilización ejemplar, la
intensidad de corriente máxima permisible es 180 A. Cuando los
transistores de efecto de campo se utilizan como dispositivos de
conmutación, la disipación de calor en el dispositivo semiconductor
durante el proceso de conmutación transitoria también constituye
una barrera. En el estado abierto la tensión residual del transistor
de efecto de campo es muy baja, es típicamente del orden de 50 mV;
por esta razón la pérdida de potencia en un transistor de este tipo
es muy pequeña incluso en el caso de corrientes grandes. Durante el
proceso de conmutación transitoria, sin embargo, existen riesgos
muy sustanciales de que el transistor de efecto de campo esté
expuesto a cargas mayores que los valores límites permisibles.
Por lo tanto, cuando se conmutan energías
elevadas, se tiene que prestar atención a las cargas a las cuales
se permitirá que se exponga el propio dispositivo de conmutación y
también a la máxima carga permisible para el circuito conmutado. La
carga en el circuito conmutado se puede reducir retardando el
proceso transitorio. Al mismo tiempo, en aplicaciones determinadas
es también un objeto asegurar que la propia conmutación afecte a
los procesos transitorios que aparecen en el circuito conmutado
únicamente en la extensión que sea absolutamente necesaria, esto es,
hasta la prevención de que se excedan los límites determinados por
los componentes.
Elementos inductivos se utilizan rutinariamente
en el circuito principal del circuito conmutado con fines de
retardo. Un problema implicado en la utilización de un elemento
inductivo es que la inductividad necesaria para efectuar el retardo
se puede obtener únicamente con una resistencia óhmica de una
magnitud determinada y la presencia del componente óhmico en el
circuito principal causa una pérdida continua y afecta negativamente
en el proceso los cuales dejan de ser eventos de conmutación
transitorios.
En las utilizaciones indicadas en la solicitud
de patente húngara anteriormente mencionada, se desarrollan
condiciones limítrofes en las cuales el período de retardo necesario
para el proceso transitorio es más largo de lo que son capaces de
tolerar los dispositivos de semiconductor electrónico normales por
medio de las tensiones térmicas derivadas del transitorio de
conmutación en el caso de corrientes en la gama de
100-200 A. Al mismo tiempo, un período de retardo
de este tipo es lo suficientemente corto como para hacer
inutilizables los elementos de retardo inductivo generalmente
aplicados debido a la existencia del componente óhmico que aparece
cuando se consigue el valor requerido de la inductancia.
Debido a los requisitos contradictorios
descritos, esto es, cuando a un condensador electrolítico de gran
capacidad que contiene gran energía se tiene que conectar en
paralelo otro condensador electrolítico, de menos energía, pero
también de gran capacidad y cuando es un requisito el que afecte tan
poco como sea posible a los procesos transitorios que se
desarrollan, una tarea de este tipo se puede resolver hasta ahora
únicamente con contactos de abertura y cierre. Las soluciones que
utilizan contactos mecánicos, sin embargo, no son ventajosas en
cuanto concierne a sus costes, velocidad, comodidad de control y sus
bajas fiabilidades comparadas con la utilización de dispositivos
electrónicos por lo demás confortables, rápidos y fiables.
Es un objeto de la invención proporcionar un
dispositivo de conmutación para un condensador electrolítico
provisto de una capacidad de por lo menos 500 \muF y utilizado
para la conmutación en paralelo controlada de otro condensador
electrolítico de almacenamiento de energía, en el cual el elemento
de conmutación está formado por un dispositivo de semiconductor y
el cual es capaz de proteger tanto el dispositivo semiconductor
como los condensadores electrolíticos conectados del efecto dañino
de las irrupciones de corrientes tales como las transitorias de
conmutación, pero el cual, al mismo tiempo, afecta al proceso de
conmutación únicamente en la extensión necesaria para la
protección.
Para conseguir el objeto anterior se reconoció
que la protección contra los transitorios de conmutación se puede
resolver de una manera dividida. Por lo tanto, una parte del retardo
requerido es asegurado por un elemento RC formado en el electrodo
de la puerta de un transistor de efecto de campo y utilizando
predominantemente únicamente la propia capacidad de entrada del
electrodo de la puerta del dispositivo. La extensión del primer
retardo se determina sobre la base del valor límite de la carga del
transistor de efecto de campo. El retardo adicional necesario se
asegura mediante un elemento inductivo que pasa a través del taladro
de un núcleo de ferrita. El elemento inductivo tiene una
resistencia óhmica muy baja y tiene una única vuelta, o unas pocas
vueltas como mucho. El elemento inductivo está conectado en serie
con el circuito principal del dispositivo de semiconductor.
Por lo tanto, según la invención se proporciona
un dispositivo de conmutación para la conmutación en paralelo
controlada de un condensador electrolítico de capacidad de por lo
menos 500 \muF a otro, un condensador electrolítico de
almacenamiento de energía. El dispositivo de conmutación comprende
un conmutador electrónico formado por un dispositivo de
semiconductor y un elemento de retardo. El dispositivo de
semiconductor tiene una entrada de control la cual está conectada,
a través de un elemento de retardo del tipo RC, a una entrada de
control la cual suministra la señal de conmutación. El dispositivo
de conmutación tiene un retardo de conmutación de una extensión
previamente determinada. Según la invención el dispositivo de
semiconductor es un transistor de efecto de campo, cuyo circuito
principal está acoplado al condensador que va a ser conmutado a
través de un elemento inductivo que efectúa un segundo retardo. El
elemento inductivo es un conductor de una longitud determinada
rodeado por un núcleo de ferrita de alta frecuencia. Además, el
retardo efectuado por el elemento RC asegura únicamente aquella
fracción del retardo de conmutación definido que se requiere para
una carga dentro del límite de carga del transistor de efecto de
campo. El retardo restante es suministrado por el elemento
inductivo.
En virtud de la división y la configuración
particular del elemento inductivo propuesto por la invención, como
un compromiso particular de los requisitos conflictivos se puede
obtener una solución que satisface todas las condiciones. Según la
solución inventiva la carga térmica que afecta al transistor de
efecto de campo está dentro de la gama permisible durante el
transitorio de conmutación. Además, la magnitud pico de la corriente
en el condensador electrolítico no excede del nivel que causaría
daño al mismo. Al mismo tiempo, la conmutación y el retardo
requeridos introducen únicamente una mínima pérdida óhmica dentro
del circuito principal, cuyo funcionamiento por lo tanto no está
básicamente afectado por la presencia de los circuitos necesarios
para el proceso de conmutación.
Según una forma de realización ventajosa el
núcleo de ferrita tiene dos taladros provistos de ejes paralelos y
separados uno del otro una distancia determinada. Además, el
conductor tiene dos patas que pasan a través de los respectivos
taladros.
Según una forma de realización estructural
conveniente el núcleo de ferrita tiene una pluralidad de núcleos de
ferrita apilados cortos. El núcleo de ferrita, sin embargo, también
puede consistir en una única pieza estrecha larga.
En una forma de realización ventajosa adicional
el elemento capacitivo en el elemento RC está constituido por la
capacidad de entrada del transistor de efecto de campo y las
capacitancias parásitas inevitables.
La capacidad de los condensadores electrolíticos
típicamente es del orden de los 10.000 \muF.
El dispositivo de conmutación según la invención
hace posible, para la tarea determinada, la utilización del
transistor de efecto de campo rápido, barato y fiable como un
dispositivo de conmutación para distribuir de ese modo los contactos
mecánicos.
Detalles adicionales de la solución según la
invención se pondrán de manifiesto por medio de formas de
realización ejemplares conjuntamente con los dibujos, en donde:
la figura 1 es un diagrama del circuito del
principio del dispositivo de conmutación según la invención,
la figura 2 es una vista esquemática de una
primera forma de realización del elemento inductor,
la figura 3 es una vista en perspectiva de un
primer núcleo de ferrita,
la figura 4 es una vista esquemática de una
segunda forma de realización del elemento inductor y
la figura 5 es una vista en perspectiva de un
segundo núcleo de ferrita.
La tarea básica del dispositivo de conmutación
representado en la figura 1 para conectar en paralelo, o desconectar
entre sí, un condensador electrolítico de gran capacidad C1,
provisto de una capacidad de por lo menos 100 \muF, pero
convenientemente de una capacidad mucho mayor, tal como por ejemplo
en la gama de 500-10.000 \muF y un condensador
electrolítico igualmente de gran capacidad C2. Los condensadores C1
y C2 pueden estar colocados, según la disposición representada en
la figura 4 de la solicitud de patente húngara anteriormente
indicada, en el circuito de carga de una batería no ilustrada. Una
de las armaduras de cada condensador C1 y C2 están conectadas entre
sí y tienen un potencial de una magnitud que varía con respecto a
tierra; en el ejemplo proporcionado está presente un potencial
positivo significante. En la trayectoria entre la otra armadura (en
este caso negativa) y tierra está dispuesto un conmutador
electrónicamente controlado, cuyo elemento de conmutación está
formado por un transistor de efecto de campo FT. Un elemento
inductivo L diseñado para una intensidad de corriente grande está
conectado en serie con la trayectoria entre el electrodo fuente S y
el electrodo de drenaje D del transistor de efecto de campo FT. La
construcción del elemento inductivo L es crítica, porque su
resistencia de corriente continua debe ser mínima, de otra manera la
corriente la cual se genera durante la carga o la descarga y que
puede alcanzar una intensidad de varios cientos de amperios,
causaría pérdidas sustanciales. Entre el electrodo de puerta G del
transistor de efecto de campo FT y tierra está presente una
capacidad virtual la cual está determinada por la capacidad interior
del dispositivo y las capacidades dispersas. En la figura 1 la
capacidad actual está representada en líneas discontinuas mediante
un condensador virtual C3 cuya capacidad típica es
50-100 pF. El electrodo de puerta G está unido
mediante una resistencia R, cuyo otro extremo constituye la entrada
de control VS del dispositivo de conmutación.
Las figuras 2-5 ilustran
diversas estructuras del elemento inductivo L. El elemento inductivo
L tiene un conductor de dos patas en forma de U 10 formado en el
ejemplo por un cable de cobre o de cobre recubierto de plata y un
núcleo de ferrita 11 o 12 (figuras 3 y 5, respectivamente) provisto
de dos taladros que tienen ejes del taladro paralelos y que están a
una distancia determinada uno del otro. La distancia entre las patas
del conductor 10 corresponde a la distancia entre los ejes de los
taladros. En la forma de realización representada en la figura 2,
la longitud del conductor 10 corresponde a la longitud de una
pluralidad (por ejemplo, 6-10) de núcleos de
ferrita cortos 11. Las patas del conductor 10 se pasan a través de
los taladros de los núcleos de ferrita cortos 11 los cuales de ese
modo forman una pila en el conductor 10. Los núcleos de ferrita
adjuntos 11 están convenientemente fijos entre sí y al conductor 10
mediante encolado. Por lo que respecta a la configuración del
núcleo de ferrita 11, es idéntica a las estructuras de núcleos de
ferrita utilizadas ampliamente en transformadores
simétricos/asimétricos (transformadores BALUN) en otros campos de
aplicación. El elemento inductivo L estructurado de esta manera
tiene una resistencia óhmica muy baja y sólo una inductividad
adecuada. En caso de que el diámetro del conductor 10 sea 1 mm y su
longitud permita que sean apilados sobre el mismo 10 núcleos de
ferrita 11, la inductividad medida es 71,7 \muH a una frecuencia
de 1 kHz y 70 \muH a una frecuencia de 100 kHz.
La forma de realización ilustrada en las figuras
4 y 5 difiere de la forma de realización de las figuras 2 y 3 en que
en lugar de núcleos de ferrita apilados 11, incluye un único núcleo
de ferrita grande 12, configurado especialmente para la
invención.
La configuración larga estrecha del elemento
inductivo L es ventajosa en cuanto concierne a su acomodo en el
dispositivo utilizado, porque su volumen es grande únicamente en una
única dirección. Por lo tanto, en el caso de una orientación
vertical de un elemento inductivo de este tipo L, un número
relativamente grande se puede disponer en un área pequeña.
Para comprender el funcionamiento del
dispositivo de conmutación según la invención, se supone que se mide
una tensión positiva grande de, por ejemplo, 40-50
V entre tierra y aquel electrodo del condensador C2 el cual está
conectado al condensador C1 y una tensión repentina en la dirección
de abertura (esto es, una tensión positiva con relación a tierra)
se aplica a la entrada VS la cual estaba antes al potencial de
tierra. La tensión repentina aparece en el electrodo de puerta G ya
con un ligero retardo de puesta en marcha causado por el elemento
RC formado por la resistencia R y el condensador virtual C3. La
resistencia R típicamente es del orden de los 150 k\Omega. Sobre
la base de estos datos el período de retardo atribuido al elemento
RC será típicamente de aproximadamente 0,075-0,15
\mus. El transistor de efecto de campo FT adoptará su estado
abierto con un retardo de este tipo y ocurrirá un cortocircuito
entre el electrodo de drenaje D y el electrodo fuente S (aparte de
una tensión residual de un orden de magnitud de aproximadamente 50
mV). Durante el evento transitorio aparece una pérdida de calor en
el transistor de efecto de campo FT, cuando la tensión entre el
electrodo de drenaje D y el electrodo fuente S todavía no es cero,
pero la corriente ya está a un nivel apreciable. El retardo
obtenido en el lado de entrada es todavía demasiado corto para
limitar la corriente de arranque hasta una magnitud que pueda
tolerar también el condensador C1. Si la constante de tiempo se
incrementa incrementando el valor tanto de la resistencia R como el
condensador C3, la carga térmica en el transistor de efecto del
campo FT se incrementará lo cual sería intolerable para el
dispositivo.
La inductividad del elemento inductivo L, sin
embargo, causa un retardo de puesta en marcha adicional el cual,
debido a la pequeña resistencia óhmica del dispositivo, genera sólo
muy poco calor y para la disipación de un calor de este tipo está
disponible una superficie muy grande. La presencia del elemento de
retardo inductivo separado colocado fuera del transistor de efecto
de campo reduce la cantidad de calor absorbido por el transistor de
efecto de campo durante el proceso transitorio, porque la
resistencia interior del dispositivo adopta su valor mínimo durante
el retardo del tiempo de entrada y porque el tiempo de retardo del
incremento de la corriente es todavía limitado. Los dos componentes
del retardo tienen conjuntamente un efecto durante el cual el
transistor de efecto de campo FT también funciona dentro de los
valores límites permisibles y también, en el momento de la carga de
condensador C1, la máxima corriente no excede del valor pico
permisible. La configuración seleccionada para el elemento
inductivo L asegura una resistencia óhmica muy baja a un valor de la
inductividad adecuado. El retardo completo de la puesta en marcha,
sin embargo, no es mayor que el necesario para el funcionamiento
seguro de los dispositivos y los elementos utilizados de modo que la
forma de la señal de la corriente está determinada por las
propiedades de circuito principal el cual incluye los condensadores
C1 y C2.
En virtud del hecho de que en lugar de
soluciones alternativas las cuales implican volúmenes mucho mayores
y pérdidas mayores, se puede utilizar un transistor de efecto de
campo FT, pudiéndose efectuar la conmutación con dimensiones físicas
menores, costes reducidos y parámetros eléctricos más
ventajosos.
Claims (5)
1. Dispositivo de conmutación para la
conmutación en paralelo controlada de un condensador electrolítico
de por lo menos 500 \muF de capacidad a otro condensador
electrolítico de almacenamiento de energía; el dispositivo de
conmutación comprende un conmutador electrónico formado por un
dispositivo de semiconductor y un elemento de retardo; el
dispositivo de semiconductor tiene una entrada de control la cual
está conectada, a través de un elemento de retardo del tipo RC, a
una entrada de control (VS) que suministra la señal de conmutación;
el dispositivo de conmutación tiene un retardo de conmutación de una
extensión previamente determinada; caracterizado porque el
dispositivo de semiconductor es un transistor de efecto de campo
(FT); el circuito principal del transistor de efecto de campo (FT)
está acoplado a través de un elemento inductivo (L), el cual
suministra un segundo retardo, al condensador (C1) que se va a
conmutar; el elemento inductivo es un conductor (10) de una longitud
determinada rodeado por un núcleo de ferrita de alta frecuencia (11,
12); el retardo efectuado por el elemento RC asegura sólo aquella
fracción del retardo de conmutación definido que se requiere para
una carga dentro del límite de carga del transistor de efecto de
campo (FT) y el retardo restante es suministrado por el elemento
inductivo (L).
2. El dispositivo de conmutación según la
reivindicación 1 caracterizado porque el núcleo de ferrita
(11, 12) tiene dos taladros los cuales están a una distancia
previamente determinada uno del otro y los cuales tienen ejes
paralelos; el conductor (10) tiene dos patas que pasan a través de
los taladros.
3. El dispositivo de conmutación según la
reivindicación 2 caracterizado porque comprende una
pluralidad de núcleos de ferrita cortos apilados (11).
4. El dispositivo de conmutación según la
reivindicación 1 caracterizado porque en el elemento RC el
elemento capacitivo está formado por la capacidad de entrada del
transistor de efecto de campo (FT) y las capacidades dispersas
inevitables.
5. El dispositivo de conmutación según la
reivindicación 1 caracterizado porque la capacidad de los
condensadores electrolíticos conmutados es del orden de los 10.000
\muF.
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