Электротехника и электроника

7. Какая из механических характеристик принадлежит двигателю с параллельным возбуждением? Укажите правильный ответ.

8.Каким из перечисленных способов можно увеличить скорость вращения двигателя постоянного тока? Укажите правильный ответ.

1) введением в цепь якоря добавочного сопротивления;

2) уменьшением магнитного потока;

3) уменьшением напряжения питания при неизменном магнитном потоке.

9.Для чего в машине постоянного тока служат дополнительные полюса? Укажите правильный ответ.

1) для улучшения коммутации;

2) для увеличения ЭДС якоря;

3) для создания основного магнитного потока.

10.В каком режиме работы МПТ при отсутствии дополнительных полюсов физическая и геометрическая нейтрали совпадают? Укажите правильный ответ.

1) в режиме холостого хода;

2) в номинальном режиме;

3) в режиме торможения противовключением.

121

3.4. ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ

При выборе двигателя для конкретных технологических целей необходимо учитывать:

♦род тока и напряжение;

♦скорость вращения;

♦конструктивное исполнение двигателя;

♦мощность двигателя.

3.4.1. Выбор мощности двигателя

Мощностьдвигателявыбираютсучетомусловийегонагрева. Режимы работы двигателя по условиям нагрева:

1. Продолжительный режим (рис. 3.59) – режим, при котором двигатель нагревается до установившейся температуры. Различают продолжительный режим с постоянной и переменной нагрузкой.

Рис. 3.59. Нагрузочные диаграммы продолжительного режима с постоянной (а) и переменной (б) нагрузкой

2. Повторно-кратковременный режим (рис. 3.60, а) – режим, при котором за время работы двигатель не успевает нагреться до

122

установившейся температуры, а за время паузы не успевает остыть до температуры окружающей среды.

P

P

Рис. 3.60. Нагрузочная диаграмма повторно-кратковременного (а) и кратковременного (б) режима

Параметром, определяющим условия работы двигателя в этом режиме, является продолжительность включения (ПВ).

3. Кратковременный режим (рис. 3.60, б) – режим, при котором за время включения двигатель не успевает нагреться до установившейся температуры, а за время паузы успевает остыть до температуры окружающей среды.

3.4.2. Выбор мощности двигателя для продолжительного режима работы

Для длительного режима с постоянной нагрузкой выбирается двигатель с мощностью Pн, несколько превышающей требуемую: Pн ≥ P . Запас примерно 10 %.

Для длительного режима с переменной нагрузкой выбор двигателя по мощности производится по следующему алгоритму:

123

1. Ориентировочный выбор двигателя исходя из средней мощности:

2.Проверка выбранного двигателя по одному из приведенных ниже методов.

3.Проверка выбранного двигателя по максимальному моменту.

Для выбранного двигателя имеем мощность Рн, потери

∆Pн , ток Iн, момент Мн .

Методы проверки двигателя по нагреву:

1. Метод средних потерь. Предполагает наличие диаграммы потерь ∆ P= f (t) .

Выбор правилен, если Iн ≥ Iэкв .

3. Метод эквивалентного момента. Предполагает наличие диаграммы М = f (t) . Учитывая, что M ~I , для асинхронных

двигателей и двигателей постоянного тока с параллельным возбуждением

124

Выбор правилен, если M н ≥ M экв .

4. Метод эквивалентной мощности. Предполагает наличие диаграммы Р = f (t) . При V = const и P~M

Выбор правилен, если Pн ≥ Pэкв .

Запас для ранее выбранного двигателя при проверке по одному из рассмотренных методов не должен превышать 10 %. В противном случае следует выбрать двигатель меньшей мощности.

Далее асинхронные двигатели проверяются на максимальный момент Mmax < Mкр, где Мmax – максимальный момент, создаваемый приводным механизмом; Мкр – критический момент выбранного двигателя.

125

4. ОСНОВЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Современные сложные электронные устройства содержат до 109 элементов, что обусловливает необходимость решения проблем надежности, миниатюризации, автоматизации проектирования и изготовления.

1. Надёжность оценивают повременибезотказной работыТ,

T = f (ti , n) ,

где ti – время безотказной работы одного элемента; n – количество элементов;

ti ↑ T ↑ n ↑ T ↓

Пути увеличения надёжности:

–увеличение ti (улучшение технологии и контроля, новое технологическое оборудование);

–уменьшение n («упаковка» в интегральные микросхемы – ИМС);

–применение интегральных микросхем (сегодня в одной ИМС до 106 элементов. Надёжность ИМС ≈ надёжности одного транзистора).

2. Миниатюризация. Микросхема, содержащая 106 элементов, занимает объём 1 см3.

3. Автоматизация изготовления. Ориентация на использование ИМС обуславливает применение ЭВМ как для проектирования, так и для изготовления.

126

4.1ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

4.1.1.Физические основы полупроводников

Для объяснения электропроводности твердых тел целесообразно использовать понятие энергетической зоны. Энергетическая зона – это множество энергетических подуровней, которые получены при соединении атомов в кристалл за счёт расщепления соответствующего энергетического уровня электронов отдельного атома.

С точки зрения электропроводности нас интересует взаимное расположение валентнойзоныи зоныпроводимости (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Энергетические диаграммы

Валентная зона (ВЗ) получается при расщеплении энергетических уровней валентных электронов. Зона проводимости (ЗП) это ближайшая к валентной зоне разрешённая зона. В эту зону попадает электрон, если ему сообщить дополнительную энергию. Электрон становится свободным (т.е. способным перемещаться под действием электрического поля, создавая электрический ток), если рядом есть свободные энергетические подуровни. Поскольку в валентной зоне, как правило, нет свободных подуровней, электрон становится свободным, попадая

взону проводимости.

Удиэлектрика (рис. 4.1, а) зона проводимости отделена от валентной зоны широкой запрещенной зоной (ЗЗ), которую

127

электрон из валентной зоны не может преодолеть ни при каком воздействии. Отсутствие свободных электронов обусловливает высокое сопротивление диэлектриков.

Уметаллов (рис. 4.1, б) практически нет запрещённой зоны, поэтому электроны свободно попадают в зону проводимости. Наличие большого количества свободных электронов приводит к тому, что металлы хорошо проводят электрический ток.

Уполупроводников (рис. 4.1, в) узкая запрещенная зона,

иэлектрон при определённом воздействии может её преодолеть. По величине электрического сопротивления полупроводники

занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Когда в полупроводнике электрон из валентной зоны попадает в зону проводимости, то в валентной зоне появляется свободное место – «дырка».

Четырехвалентные полупроводники Ge и Si имеют кристаллическое строение, при котором атомы в тетраэдрической решетке связаны ковалентными связями, т.е. каждый атом имеет с четырьмя соседними атомами по два общихэлектрона(рис. 4.2).

Проводимость чистых полупроводников (Si, Ge). Используя модель кристаллическогостроения

полупроводников, получение свободных носителей заряда можно объяснить следующим образом. Под воздействием внешних факторов электрон может покидать своё место и становиться свободным. Освободившееся место – «дырка» – несёт положительный заряд.

Характер проводимости – смешанный, так как количество электронов равно количеству «дырок».

128

Получение полупроводников электронной проводимости

(n-типа). Для получения полупроводников n-типа в чистый 4-вален- тныйполупроводник добавляется 5-валентная(донорная) примесь.

Примесь не образует своих зон, так как атомы примеси расположены далеко друг от друга.

Энергетическая диаграмма и кристаллическое строение полупроводников n-типа представлены на рис. 4.3 и рис. 4.4. Уровень примеси находится рядом с зоной проводимости. Электроны с уровня примеси при малейшем воздействии переходят в зону проводимости и становятся свободными. Как видно из рис. 4.4, пятый валентный электрон примеси не участвует в ковалентных связях с атомом. При малейшем воздействии он покидает атом и становится свободным. В узле решетки остаётся положительно заряженный ион. В таком полупроводнике много свободных электронов.

Получение полупроводников дырочной проводимости

(р-типа). Для получения полупроводника дырочной проводимости в чистый исходный полупроводник вводится 3-валентная (акцепторная) примесь.

На рис. 4.5 и рис. 4.6 представлены энергетическая диаграмма и кристаллическое строение полупроводника. Не полностью заполненный уровень примеси находится около валентной

129

зоны. При малейшем воздействии электроны переходят из валентной зоны на уровень примеси. В валентной зоне остаются свободные места – дырки.

Как видно из рис. 4.6, у 3-валентной примеси не хватает одного электрона для ковалентных связей с соседними атомами. Одна связь – дефектная, здесь как бы свободное место, на которое может перейти электрон с другой связи, и опять остаётся свободное место и т.д. В таком полупроводнике избыток свободных мест – дырок.

Основные и неосновные носители заряда. Основные но-

сители заряда – это носители, которые обусловливают данный тип проводимости. Их концентрация велика. Неосновные носители – это носители, противоположные основным. Их концентрация мала. Они появляются в результате незапланированных примесей.

Электронно-дырочный переход (р-п-переход)

Р-n-переходом называется пограничная область контакта двух полупроводников различного типа проводимости, обладающая пониженной концентрацией основных носителей, а вследствие этого повышенным сопротивлением.

Структура и процессы в р-n-переходе. После соприкосно-

вения полупроводников в пограничной области происходит:

130