книги из ГПНТБ / Пушкарев, И. Ф. Бесконтактные электрические аппараты тепловозов

мом направлении; 5 — класс, которому соответствует номиналь­ ное обратное напряжение 500 в; А — группа, которой соответствует прямое падение напряжения 0,4—0,5 в. В отличие от вентилей ВК вентили ВКД выполняются по диффузионной технологии, о чем свидетельствует буква Д. Буква В в конце маркировки, например ВКДВ, указывает на водяное или масляное ох­ лаждение.

О с н о в н ы е п а р а м е т р ы п о л у п р о в о д н и к о в ы х д и ­ о д о в ( в е нт иле й) с п е ц и а л ь н о г о н а з н а ч е н и я . Лавинные диоды. Вольт-амперные характеристики этих диодов примерно такие же, как и характеристики простых диодов. Ла­ винные диоды при превышении пробивного напряжения U Г1р0б не теряют своих вентильных свойств. Объясняется это тем, что обратный ток распределяется равномерно по поверхности элек­ тронно-дырочного перехода. В результате возникающего прп этом равномерного лавинного пробоя напряжение на диоде не падает, а электронно-дырочный переход может выделять энергию, примерно равную энергии, рассеиваемой при прохождении прямо­ го тока. Следовательно, лавинные диоды способны выдерживать кратковременно обратное напряжение большой величины.

Лавинные вентили имеют маркировку ВКДЛ или ВЛ (Л—ла­ винный) и выпускаются на токи 10, 50, 100 и 200 а при воздуш­ ном охлаждении и ВКДЛВ — на токи 350, 500 и 1000 а при во­ дяном охлаждении.

Применение лавинных вентилей в мощных силовых выпрями­ телях дает возможность уменьшить вероятность их отказов от перенапряжений без применения специальных средств защиты, а сами вентили выбирать с меньшим запасом по напряжению по сравнению с обычными вентилями на то же пробивное напряже­ ние.

Симметричные диоды. Такой диод представляет собой два встречно включенных вентиля обычного типа, объединенных кон­ структивно в один прибор с одним общим слоем п-проводимостн. Диод имеет три вывода: два от крайних областей с р-проводимо- стью и один — от средней области с п-проводимостью. Применение симметричных вентилей позволяет изменять направление тока в электрических цепях без их переключения.

Опорные диоды (стабилитроны). Кремниевые вентили, для ко­ торых рабочим режимом является электрический пробой их элек­ тронно-дырочного перехода при обратном напряжении £/Крит, мо­ гут выполнять функции опорных диодов или стабилитронов. В этом

для стабилизации напряжения. Состояние пробоя не выводит диод из строя, если ток не превышает значения /макс •

При / > / макс происходит перегрев диода, приводящий к его тепловому пробою. Величина наибольшего допустимого тока /макс ограничивается мощностью рассеяния, определяемой условиями

10

охлаждения и температурой окружающей среды. Наименьшая ве­ личина тока / ми», при которой пробой уже устойчив, равна при­

мерно 1 ма.

В схемах стабилизации (рис. 3,6) стабилитрон Ст включается параллельно с нагрузкой Р п , на зажимах которой требуется под­ держивать стабильное напряжение. Для ограничения тока, проте­ кающего через стабилитрон, в цепь включается резистор с ограни­ чивающим сопротивлением R 0гр. Температурная компенсация из­ менения напряжения стабилизации обеспечивается последователь­ но включаемым нелинейным резистором R т , величина сопротивле­ ния которого уменьшается с ростом температуры. Такой резистор

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика стабилитрона (а) и схемы его включения

(б и в)

называется термистором. Если напряжение на нагрузке больше на­ пряжения стабилизации, при котором происходит пробой прибора, то применяют последовательное включение необходимого количе­ ства стабилитронов. Такое включение стабилитронов дает возмож­ ность поддерживать величину Uвых на нагрузке почти неизменной независимо от колебаний температуры.

В системах автоматики опорные диоды часто используют в ка­ честве датчиков, реагирующих на изменение напряжения (рис. 3,е). В таких схемах последовательно со стабилитроном Ст включает­ ся управляемый аппарат, например катушка поляризованного реле Р. При достижении определенного напряжения пробоя стабили­ трона Ст в цепи катушки Р протекает ток /, достаточный для сраба­ тывания реле Р.

Стабилитроны маркируются буквой Д с номером от 801 до 900. Основные параметры стабилитронов указываются обычно в пас­ порте. К ним относятся: мощность рассеивания, допустимый ток стабилизации, напряжение стабилизации, динамическое сопротив­ ление и температурный коэффициент стабилизации.

Другие виды диодов специального исполнения и назначения (тоннельные диоды, фотодиоды и т. д.) в тепловозных аппаратах не получили применения и здесь не рассматриваются.

11

Полупроводниковые триоды (транзисторы). Если к диодной р—«-структуре добавить область с дырочной пли электронной проводимостью, то образуется транзисторная р—«—р или «—р—п-структура с двумя переходами, обладающая усилитель­ ными свойствами. Основные элементы транзисторной структуры:

коллектор — больший по площади р—«-переход, принимающий носители тока;

эмиттер — меньший по площади р—«-переход, поставляющий носители тока;

база или основание — основной электрод, управляющий дви­ жением носителей тока.

В зависимости от предъявляемых требований транзистор можно

Рис. 4. Схемы включения транзистора: с общим эмиттером (а), с общей базой

(б) и с общим коллектором (в)

личие этих схем заключается в способе подключения транзистора Т к источнику энергии, за счет которого достигается усиление вход­ ного сигнала по мощности. Через общий электрод проходит как управляющий (входной) сигнал, так и управляемый (выходной) ток дополнительного источника энергии, в цепь которого включа­ ется нагрузка.

Основные параметры транзистора: входное и выходное сопро­ тивление, коэффициенты усиления пи току, напряжению и мощно­ сти — зависят не только от схемы включения, но и от состояния и режима его работы Из приведенных схем наибольшее примене­ ние в аппаратах и системах автоматики получила схема включения транзистора с общим эмиттером. Эта схема дает возможность получить наибольший коэффициент усиления по мощности, до­ стигающий нескольких тысяч, в то время как в двух других схе­ мах (см. рис. 4, б и в) он измеряется десятками или сотнями.

Параметры рабочего режима транзистора могут быть установ­ лены из его статических характеристик, важнейшая из которых выходная характеристика. Для схемы с общим эмиттером выход­ ная характеристика транзистора приведена на рис. 5, а. Она пред­ ставляет собой зависимость тока коллектора / к от напряжения коллектора й къ при фиксированном значении тока базы /б =

12

На рис. 5, б приведены зависимости мощности, рассеиваемой на транзисторе Р к , и мощности, отдаваемой источником питания в на­ грузку Р н , от напряжения ■

13

По величине рассеиваемой мощности для транзистора наиболее экономичен режим переключения, или ключевой режим, когда транзистор длительно находится в состоянии насыщения (точка 1) или отсечки (точка 2), быстро переходя из одного состояния в другое. Режим переключения транзистора широко применяется в различных схемах импульсного регулирования мощности и управ­ ления статическими преобразователями. В режиме усиления (точ­ ка 3) рассеиваемая транзистором мощность, как правило, срав­ нима с мощностью, отдаваемой в нагрузку. При этом необходимо следить за тем, чтобы рассеиваемая мощность не превысила до­ пустимую величину Р к макс и чтобы транзистор не перегревался.

Температурный режим характеризуется максимально допусти­ мой температурой коллекторного перехода, которая для германие­ вых транзисторов составляет 50— 100°С, а для кремниевых 125— 150°С. Увеличение температуры транзистора снижает его усили­ тельные свойства и стабильность работы.

Тиристоры и симисторы. Тиристорами (или управляемыми дио­ дами) называются полупроводниковые приборы, имеющие четырех­ слойную структуру типа р—п—р—п, которая образует три элек­ тронно-дырочных перехода П1, Л2 и ПЗ (рис. 6, а). Внешний слой электронной «2-проводимости является катодом, внешний слой дырочной щ-проводимости образует анод, а внутренний /^-управ­ ляющий электрод. Тиристор может находиться в трех устойчивых рабочих состояниях: закрытом при отрицательном напряжении на аноде и закрытом или открытом при положительном напряжении ьа аноде. Основные свойства и параметры тиристора можно уста­ новить по его вольт-амперной характеристике (6, б).

Если к тиристору приложить напряжение обратного направле­ ния, т. е. когда анод подключается к минусу источника тока, а катод к плюсу, то два крайних перехода П1 и ПЗ будут включены в обратном направлении (П2 — в прямом) и тиристор будет за­ перт. При этом характеристика тиристора подобна характеристике обычного кремниевого диода в непроводящем направлении. При увеличении обратного напряжения U0бР обратный ток утечки тиристора /ут. обр растет незначительно. Величина обратного на­ пряжения не должна превышать Uобр. макс , при котором проис­ ходит электрический пробой тиристора и его разрушение. Допусти­ мое (номинальное) обратное напряжение Добр, ном принимается равным 50% величины U обр. макс при рабочей температуре, равной

120°С.

Когда к тиристору приложено напряжение в прямом направле­ нии, т. е. когда к аноду А подведено напряжение положительной, а к катоду К — отрицательной полярности, то переходы П1 и П2 включены в прямом направлении, а тиристор заперт электронно­ дырочным переходом П2, включенным в обратном направлении. При отсутствии сигнала на управляющем электроде У, т. е. при /у = 0, прямой ток утечки тиристора / ут. пр увеличивается незначительно, пока положительное напряжение Uпр возрастает от нуля до вели­ чины Uпер. макс — напряжения переключения. Когда положительное

14

напряжение превысит Unep. шкс, тиристор потеряет свое запираю* щее свойство, и напряжение на нем мгновенно снизится до неболь­

іо

Рис. 6. Принципиальная схема четырехслойной структуры р—п—р—п-ти- ристора (а) и его вольт-амперная характеристика (б); схема пятислойной структуры п—р—п—р—п-симистора (в) и его вольт-амперная характе­ ристика (а)

пряжения переключения t/neр. макс при рабочей температуре 120°С, при этом берется меньшее из указанных напряжений.

Если управляющий электрод присоединить к источнику посто­ янного тока таким образом, чтобы к нему был приложен положи­ тельный потенциал, а к катоду — отрицательный, то по мере уве­

15

управления может быть разомкнута, так как тиристор будет рабо­ тать иа проводящей ветви.

В открытом состоянии тиристор проводит прямой ток I пр, вели­ чина которого определяется внешней нагрузкой. Допустимое зна­ чение тока / пр не должно превышать номинального значения / пр.ном под которым понимается среднее за период значение тока при тем­ пературе полупроводникового перехода +120°С, температуре ох­ лаждающего воздуха +40°С и его скорости 12 м/сек. '

В проводящем направлении тиристор имеет прямое падение на­ пряжения Uпр несколько большее, чем у диодов. При номинальном токе /пр.ном j силовые тиристоры имеют £/пр = 0,7-rl,4 в. Будучи включенным, тиристор остается в таком состоянии (при снятом сигнале управления) до тех пор, пока ток, протекающий через него, превышает величину тока /уд , называемого током удержания пли выключения.

К числу важнейших эксплуатационных параметров тиристоров, характеризующих их быстродействие, относится время включения и время выключения. Время включения / Вк тиристора характери­ зует длительность переходного процесса в его электронно-дыроч­ ной структуре, при которой величина напряжения на тиристоре уменьшается до 10% своего первоначального значения. В зависи­

ляющего тока должны быть длительностью не менее 20 мксек и иметь крутизну, равную примерно 105 а/сек.

Включение тиристоров подачей импульсов тока управления об­ щепринято в практическом их использовании. Возможно также включение тиристоров при отсутствии управляющего сигнала из­ менением скорости нарастания прямого напряжения (при скорости более 10 в/мксек) или превышением напряжения переключения. Однако в тиристорных схемах эти два способа включения не при­ меняются, так как точность и надежность работы схем снижаются.

Выключение тиристоров достигается, как правило, приложением к аноду обратного напряжения и сопровождается переходным про­ цессом в полупроводниковых слоях, при котором тиристор восста­ навливает свои запирающие свойства в прямом направлении.

Временем выключения t выкл называется промежуток времени от момента прохождения прямого тока через нулевое значение до

ристоров 20—25 мксек. Оно увеличивается с ростом тока нагрузки іи с повышением температуры переходов и уменьшается с увели­ чением обратного напряжения. Время выключения больше време­ ни включения, поэтому оно определяет выбор частоты коммутации тиристоров в различных схемах статических преобразователей.

Тиристоры выпускаются на такие же номинальные токи, как и силовые вентили. Так же как и вентили, тиристоры разделяют на классы в зависимости от номинального обратного напряжения и на группы — в зависимости от прямого падения напряжения.

16

На четырехслойной структуре р—я—р—я-типа построен другой полупроводниковый прибор, называемый переключающим диодом, или динистором. В отличие от тиристора в динисторе отсутствует управляющий электрод. Характеристика динистора соответствует характеристике тиристора при / у =0 (см. рис. 6,6). Динисторы при­ меняются в качестве бесконтактных электронных переключателей, управляемых напряжением.

Так же как неуправляемые вентили, четырехслойные прибо­ ры — тиристоры и динисторы могут быть выполнены по специаль­ ной технологии, обеспечивающей лавинный пробой при больших обратных напряжениях.

К семейству тиристоров наряду с рассмотренными выше несим­ метричными тиристорами, имеющими одностороннюю регулируе­ мую проводимость, относятся также симметричные тиристоры, или симисторы, обладающие двусторонней регулируемой проводи­ мостью. Снмистор, выполненный на основе нятислойной структуры я —р—я—p-типа, симметричной относительно оси О—О (рис. 6,е), можно рассматривать как встречно-параллельное совмещение двух структур р—я—р—я-типа в одном монокристалле.

Включение симистора происходит при подаче импульса тока управления на управляющий электрод независимо от полярности анодного напряжения. Выключение же его достигается такими же способами, как и у обычного тиристора. Вольт-амперная характе­ ристика симистора (рис. 6,г), имеющая одинаковые прямую и об­ ратную ветви, симметрична относительно начала координат.

Симисторы, как и обычные вентили и тиристоры, разбиваются на классы по номинальному рабочему напряжению и на группы по среднему прямому падению напряжения.

Симисторы позволяют решить проблему коммутации напряже­ ний различных полярностей с помощью одного прибора. Они мо­ гут применяться в качестве бесконтактных переключателей и уп­ равляемых вентилей в преобразователях тока и системах регули­ рования электрической передачи переменного тока.

Выпрямительные устройства

Чтобы преобразовать переменный ток в постоянный, используют выпрямительные устройства (выпрямители). Схемы выпрямления переменного тока различают по числу фаз системы питающего на­ пряжения: однофазные и трехфазные. Эти схемы разделяются по числу полупериодов выпрямленного напряжения за период вход­ ного напряжения на однополупериодные и двухполупериодные [3].

При выпрямлении однофазного тока применяются в основном три схемы: однополупериодная, двухполупериодная нулевая и двухполупериодная мостовая. Трехфазный ток выпрямляют по нулевой •схеме, мостовой и схеме с уравнительным реактором.

В зависимости от способа регулирования выпрямленное напря­

напряжения Uн необходимо изменять входное напряжение U — При этом переключают выводы вторичной обмотки трансформатора или пользуются автотрансформатором. В управляемых выпрямите­ лях изменение выходного напряжения Ua обеспечивается воздей­ ствием на параметры схемы выпрямления без изменения входного напряжения. Это достигается применением тиристоров, на управля­ ющие электроды которых от специальной системы автоматического управления подаются импульсы определенной последовательности и длительности. Изменяя моменты и длительность подаваемых им­ пульсов, можно тем самым изменять время открытого состояния тиристора, а значит, выпрямленное напряжение и ток в нагрузке выпрямителя. В тепловозных системах широкое применение по­ лучили одно- и трехфазные мостовые схемы.

Мостовая схема двухполупериодного неуправляемого выпрями­ теля однофазного тока (рис. 7,а) состоит из четырех вентилей В1—В4, питающихся непосредственно от источника переменного тока или от вторичной обмотки трансформатора. В течение поло­ жительной полуволны напряжения U~ вентили В1 и ВЗ пропуска­ ют ток і ві , который в цепи нагрузки Rn протекает от катодного вывода К к анодному выводу А. Во второй полупериод ток в цепи нагрузки течет в том же направлении от вывода К к выводу А, но открытыми здесь будут вентили В2 и В4. Следовательно, общий катодный вывод К — положительный полюс выпрямителя, а об­ щий анодный вывод А — отрицательный полюс.

Режим работы выпрямителя на активную нагрузку иллюстри­ руется графиками изменения тока и напряжения источника пита­

Для использования в схемах выпрямления вентиль выбирают по следующим параметрам: допустимое среднее значение тока при номинальной нагрузке и допустимых перегрузках, допустимое ам­ плитудное (максимальное) значение тока, допустимые амплитуд­ ные значения обратного (для диодов и тиристоров) и прямого (для тиристоров) напряжений. Как отмечалось выше, наиболее совер­ шенны по своим параметрам силовые кремниевые вентили.

В симметричной управляемой мостовой схеме (рис. 7,е) одно­ фазного выпрямления используются четыре управляемых вентиля

продолжает работать за счет энергии, накопленной в индуктивности

втечение положительного полупериода.

Всхеме управляемого выпрямителя тиристоры УВ1 и УВЗ от­ пираются поочередно с тиристорами УВ2 и УВ4 подачей импульсов на их управляющие электроды.

Процесс коммутации тиристоров характеризуется углом отпи­ рания «, называемым также углом зажигания. Под углом отпира­ ния а (рис. 7,г) понимается промежуток времени между моментом

18