Annons

Teknikhistoriska äventyr från vinden

”Ska du inte kasta det där akvariet nån gång?” undrade hustrun.
Akvariet? Vad pratade hon om? Jag gick med och tittade på fyndet.
Det var den gamla demomodellen från ASEA, numera ABB, som hon hittat. En tung klump med järn, koppar och selen. Allt kapslat i ett plexiglashölje med stomme av grönlackade stålprofiler. Tidstypiskt och ganska vackert. Så här såg det ut sedan ”akvariedelen” avlägsnats:


Bild 1. Transduktordemo – femtiotal

Vilken flashback! Jag förflyttades till tidigt sextiotal. Till Byrån för Allmänna Industriutrustningar i Västerås och till Sydfrankrike där jag i ungdomligt oförstånd och med bristande språkkunskaper lyckades sälja en pappersmaskinutrustning till en elförman som inte heller pratade franska utan höll sig till katalanska. Detta måste förstås testas. Jag bar ner den tunga klumpen och ställde den på arbetsbänken…

Transduktor? Du menar förstås transducer.
Nej, en transducer är en signalomvandlare – en mikrofon, en tryckgivare eller någon annan signalomvandlare – jag menar transduktor. Bildat i analogi med Transfer Resistor dvs transistor och dessutom några årtionden innan transistorn föddes. Transfer Induktor alltså. Dvs en induktans som kan styras med en extern signal. Och – detta är det fina i kråksången – till skillnad från transistorn, som blir mycket varm i linjära tillämpningar, har transduktorn dessutom ingen förlusteffekt. Den utgörs ju av en ren induktans och en sådan har som bekant fasförskjutning 90 grader, vilket innebär att den inte förbrukar någon effekt, dvs W. Däremot förbrukar den reaktiv effekt, var, och framför allt representerar den en impedans. Genom att styra impedansen kunde man styra varvtal hos motorer, ljusstyrka i scenbelysningar (Operan i Stockholm hade transduktorer) eller galvaniska processer.

Men, det måste finnas en hake?
Tidigare hade man använt kvicksilverlikriktare, roterande omformare (Ward-Leonard) eller speciella motorer med komplicerade borstarrangemang (Schrage etc) för att styra effekt och varvtal. När transduktorn blev mera allmän kunde dessa miljöfarliga och underhållskrävande apparater pensioneras och ersättas med robusta statiska enheter med bra regleregenskaper och lång livslängd.

Men det fanns ett problem; likriktarna.

I bild 1 illustreras detta mycket tydligt. Under panelens diodsymboler sitter en massa fyrkantiga plåtbitar uppträdda på en stav. Detta är de likriktare som behövdes för att få transduktorerna att fungera. På femtiotalet fanns inga kraftlikriktare i kisel, inte heller i germanium. Selen var vad man hade.
(OK, det fanns kopparoxidullikriktare också. Men de var ännu sämre och användes mest som likriktare i mätinstrument. Som effektkomponenter var de fullständigt otillräckliga)

Den visade likriktaren klarar cirka 100 mA kontinuerlig ström och varje likriktarelement hade cirka 30 V spärrspänning. Så den första förbättringen var att koppla bort dessa dinosaurier och ersätta dem med modernare komponenter. Om man tittar noga så ser man att de röda ledarna lossats från anslutningarna i panelen och att det istället sitter svarta 1N007 kiseldioder mellan bultarna. Man får titta noga – dioderna är mindre än den graverade symbolen på panelen…

Det kan vara intressant att jämföra data på selenlikriktare och kiseldioderna. Selenlikriktarna klarar 0,1 A – dioderna klarar 1,0 A. Selenlikriktarna klarar cirka 30 V och dioderna klarar 1000 V. Haken var alltså att det ännu inte fanns likriktare som möjliggjorde transduktorlikriktare för stora effekter. Och när kiseldioder för hundratals och tusentals ampere började bli tillgängliga så försågs de snart med en styrelektrod och därmed var den styrda tyristorlikriktaren ett faktum. Där hade transduktorn inte en chans och tyristorströmriktare dominerade scenen i nästan trettio år innan den i sin tur avlöstes av IGBT och PWM.

Hur fungerade det då?
Bra, kan man nog säga. En registrering från provkörning visas i bild 2:


Bild 2. Transduktor till vänster tyristor till höger. Båda ca 50% utstyrda

Detta kanske förvånar en del av läsarna. Hittills har vi ju pratat om induktans. Visserligen variabel, men ändå – vad vi minns från fysiklektionerna är ju att induktans (plus resistans och kapacitans) är linjära komponenter. En induktans som man lägger en sinusspänning på ska leverera en sinusformad ström. Ingen deformerad ström med hög övertonshalt. Vill man ha distorsion och höga övertoner kan man använda tyristorer, som i bilden till höger. Men induktanser är linjära – så är det bara!

Ja, så kan man tycka. Men faktum är att transduktorn arbetar ungefär på samma sätt som tyristorn, den är ett ON/OFF-element och genom att styra tidpunkten från övergång från off till on kan man styra hur stor effekt man släpper fram till lasten. För att detta ska fungera på bästa sätt krävs att magnetmaterialet i transduktorkärnan har en smal hysteresslinga och att övergången till mättnad är skarp. Detta är tämligen väl uppfyllt i bild 2. Att hysteresslingan är smal ser man av att utsignalen är mycket nära noll fram till den tidpunkt då kärnan mättas och släpper fram nätspänningen till lasten och att övergången från omättad till mättad kärna är skarp visas av att spänningen då stiger så gott som ögonblickligen.

Styr tid med ström – och styr spänning med tid
Funktionen är tydligen baserad på när transduktorkärnan går i mättning. Om den aldrig mättas blir utspänningen mycket nära noll volt och om den hela tiden är mättad får man maximal utspänning.

Knepet är att variera tidpunkten. Och det är faktiskt väldigt enkelt – man styr tidpunkten genom att förmagnetisera kärnan med en likström i en separat styrlindning. Vid halv utstyrning, som i bild 2, är styrströmmen inställd så att kärnan är till hälften mättad i växelströmsperiodens början. Den pålagda spänningen magnetiserar kärnan ytterligare så att den når mättning efter halva periodtiden och nätspänningen släpps fram. Kärnan med dess lindningar kan sägas omvandla styrström till tidpunkt och sedan omvandla tidpunkt till utspänning.

Det viktiga begreppet är ”spänningstidyta” dvs den yta som ligger mellan spänning och tidsaxel och som är ett centralt begrepp i moderna switchande kraftaggregat. Där är visserligen tiderna mycket kortare och frekvenserna högre, men många switchtopologier är beroende av kärnans förmåga att hantera spänningstidyta.

”Bättre än tyristorn” – kanske
Bättre än tyristorn och triacen kan man nog inte säga att transduktorn är. Visserligen är den oerhört enkel att styra – någon elektronik behövs faktiskt inte. Och den isolerade styrlindningen gör att många applikationer där isolation mellan olika system blir lätt att åstadkomma. Men transduktorn blir nästan alltid blir större och dyrare än en tyristorlösning. Det som talar för transduktorn är följande:

1. Oerhört enkel. Järn, koppar, kisel – mer behövs inte.
2. Lätt att felsöka. Skruvmejsel och liten multimeter är allt som behövs.
3. Mycket robust. Så gott som oförstörbar
4. Isolerade börvärdes- och ärvärdeskretsar
5. Tål mycket höga störnivåer – ingen elektronik, inga processorer, bussar eller minnen.
6. Genererar mycket låga störnivåer. Sällan/aldrig nivåer över 1000 Hz.

Ja, det kanske ligger något i detta att transduktorn är bättre än tyristorn. Åtminstone i en del fall. En oförstörbar kraftstyrningskomponent med isolerade ingångar och som inte kan störas ut av den kraftigaste radarstation eller motorstyrning samtidigt som den inte genererar några störningar. Det är åtminstone något man bör känna till. Även om andra lösningar faktiskt fungerar mycket bra.

Vi talade om FFT…
Redan bild 2 visar att det nog inte kan finnas några höga frekvenskomponenter i utspänningen. Höga frekvenser innebär skarpa vinklar och snabba flanker. Då ser tyristorutgången mycket värre ut. En lite större bild med inlagda mätningar visas nedan:


Bild 3. Samma effektivvärde ut (3,463 respektive 3,444 V) (klicka för större bild )

I bild 3 visas hur markörerna CI, CII etc kan användas att mäta effektivvärde på denna ganska ”olinjära” spänning (hög crestfaktor, kräver vanligen TRMS-instrument). Båda utspänningarna har justerats så att de har praktiskt taget samma värde, skillnaden är ungefär en halv procent och det kan vara intressant att se hur de två spänningarnas spektra ser ut:


Bild 4: ”Lysmaskdiagram” visar övertoner i utspänningen från tyristor och transduktor (klicka för större bild )

Sammanfattning
”Akvariet” gav ju upphov till en hel del nygammalt kunnande och funderingar. Och, framför allt, nu ska jag söka efter en applikation där enkelhet, oförstörbarhet, störtålighet och låg emission är väsentliga. En vet jag redan: det sitter transduktorer i JAS Gripen – och duger dom där ska dom väl duga på andra ställen också.


Gunnar Englund, GKE Elektronik AB

Comments are closed.