книги из ГПНТБ / Комаров, А. Ф. Наладка и эксплуатация электрооборудования металлорежущих станков

7. Полупроводниковые приборы

В тех случаях, когда надо преобразовать переменный ток в постоянный, например для питания электромагнит­ ных муфт и реле, а также для управления двигателями, применяют полупроводниковые выпрямители. Бурное раз­ витие электроники и физики полупроводников за два десятилетия — с 1950 по 1970 гг. привело к созданию принципиально новых полупроводниковых приборов (гер­ маниевых и кремниевых) и различных схем с их приме­ нением.

Работа полупроводникового прибора (диода или тран­ зистора) заключается в следующем. При добавлении к не­ которым химически чистым веществам, относящимся по своей электропроводности к промежуточному классу (по­ лупроводникам), таким как германий, кремний, селен, небольших количеств примесей некоторых веществ (мышьяка, сурьмы, бора, фосфора) первые резко изме­ няют свою электропроводность. Если в кристаллической решетке германия один из атомов заменить примесным атомом, например пятивалентным (сурьма, мышьяк, фос­ фор), имеющим на один валентный электрон больше, чем соседние атомы основного полупроводника, то «лишний» электрон при незначительном повышении температуры становится свободным. Таким образом, в кристалле гер­ мания с примесью сурьмы, мышьяка, фосфора возникает электронная проводимость, называемая «-проводимостью. Если же в кристалл германия введен трехвалентный атом, например бора или индия, то три валентных электрона примеси свяжутся с тремя электронами атома германия. Поскольку германий четырехвалентный, четвертая связь остается незаполненной. Образуется так называемая «дырка». Электрон из междуатомной связи может при­ обрести достаточную энергию для перехода к другой не­ занятой связи. В этом случае на его месте образуется дырка. Таким образом, создается впечатление переме­ щения дырки по кристаллу. Дырка — понятие фиктивное, но она имеет положительный заряд, равный заряду элек­ трона, Дырка перемещается и является носителем элек­ трического тока. Кристаллы с дырками как носителями тока называют p-типа, а проводимость — дырочной или р-проводимостыо.

Полупроводниковый диод состоит из двух кристаллов полупроводника, один из которых обладает п-проводи-

130

так как здесь будет находиться боль­ шое количество носителей тока. Если полярность изменить,

т. е. на //-область подать «+» источника, а на р-область — «—», то носители тока, электроны и «дырки», оттянутся от перехода и сопротивление его резко увеличится. Диод запирается.

Полупроводниковый триод или транзистор состоит из трех областей. Различают два типа транзисторов: р—я—р и я—р—я. Транзистор типа р—я—р изображен на рис. 74. Он состоит из тонкого слоя германия типа я, расположен­ ного между двумя слоями германия типа р. Транзистор вырезают из целой пластины кристалла германия типа я, в которой с обеих сторон вплавляется индий, создавая р—//-переходы. Тонкий слой германия типа я называется базой транзистора. Слой германия с меньшей каплей индия называется эмиттером, а с большей — коллектором. Если между базой Б и коллектором К включить батарею «минусом» на базу и «плюсом» на коллектор, то р—//-пе­ реход будет заперт. При одновременном приложении напряжения между эмиттером Э и базой Б в прямом на­ правлении дырки через переход II будут свободно дви­ гаться к «—» источника, а электроны — в обратном на­ правлении.

Прошедшие через переход эмиттер — база дырки про­ должают двигаться дальше, оказываются около перехода

иI

131

коллектор — база и за счет сил электрического поля притягиваются к коллектору. Ввиду того, что примерно все дырки преодолевают переход I коллектор — база, напряжение, приложенное к эмиттеру, создает в цепи кол­ лектор — база ток, примерно равный току в цепи эмит­ тера. Эмиттерный переход имеет малое сопротивление в прямом направлении, а коллекторный — большое. Если на цепь эмиттер — база подать переменное напряжение, то ток в этой цепи будет изменяться, будет изменяться ток в цепи коллектор — база. Но так как сопротивление цепи коллектора в сотни раз больше сопротивления цепи эмиттера, то малому падению напряжения в цепи эмит­ тер—база соответствует большое в цепи база — коллек­ тор, т. е. происходит усиление входного напряжения.

Наиболее важными характеристиками транзистора являются:

а) зависимость напряжения в цепи эмиттер—база от

= / ( U K. б) ПР И h = v a r ( Р и с - 7 5 > б )-

Тиристоры нашли широкое применение в приводах по­ стоянного тока, преобразователях частоты (регулируемый асинхронный привод), бесконтактных контакторах. Оми обладают целым рядом достоинств: малыми массой и га­ баритными размерами, большим коэффициентом усиления и коэффициентом полезного действия, большим сроком службы и быстродействием. Однако сложность управле-

Рис. 75. Важнейшие характеристики транзистора:

а — зависимость напряжения в цепи эмиттер—база от тока эмит­ тера при различных величинах напряжения в цепи база—коллек­ тор; б — зависимость тока коллектора в цепи коллектор—база при различных токах эмиттера

132

Рис. 76. Конструкция тиристора

имя тиристорами, высокая стоимость преобразовательных установок, а также необходимость защиты тиристоров от перегрузок ограничивают их применение в станкострое­ нии.

Внешне тиристор (рис. 76) похож на обычный полу­ проводниковый диод и отличается от него наличием до­ полнительного вывода от управляющего электрода. Ти­ ристор состоит из герметичного корпуса 3, в котором находятся две пластинки 4 и б из молибдена или воль­ фрама. Между ними расположена кремниевая пластинка 5. К нижней пластинке 6 припаян медный болт 7, являю­ щийся анодом, а к верхней пластинке 4 — гибкий вывод — катод I. Управляющий электрод 2 припаян к кремниевой пластинке.

Важнейшей характеристикой тиристоров является их вольт-амперная характеристика (ВАХ) (рис. 77). При подъеме напряжения от нуля до некоторого значения UBKJI и отсутствии тока управления тиристор закрыт (область 1 ВАХ). При напряжении URKJI, называемом напряже­ нием включения тиристора, тиристор открывается

133

(точка 2 ВАХ) и при увеличении тока через тиристор падение напряжения на нем уменьшается (участок 3 ВАХ). Так продолжается до тех пор, пока ток тиристора не ока­ жется равным току удержания (точка 4 ВАХ). Далее тиристор переходит в область высокой проводимости, т. е. полностью открывается. Такому состоянию тиристора соответствует (область 5 ВАХ). Если затем уменьшать ток, протекающий, по тиристору, то при его значении, равном току удержания, тиристор закроется. При подаче на тиристор напряжения обратной полярности обратный ток растет незначительно в пределах от 0 до Unp. При на­ пряжении на тиристоре, равном напряжению пробоя (Упр, происходит резкое увеличение обратного тока, тиристор пробивается.

Тиристор представляет собой четырехслойный полу­ проводниковый прибор с двумя р—я-переходами и од­ ним п—р-переходом между ними (рис. 78, а). Он может быть представлен двумя транзисторами — прямым и об­ ратным (рис. 78, б и в). Работа тиристора имитируется транзисторной схемой следующим образом. При подаче на тиристор напряжения питания, ток через тиристор не протекает до тех пор, пока не будет подан положитель­ ный сигнал на управляющий электрод УЭ или напряже­ ние питания не превысит напряжение пробоя тиристора.

При подаче положительного сигнала на управляющий электрод тиристор открывается лавинообразно: сначала приоткрывается транзистор Т2, базовый ток транзи­ стора 77 возрастает, возрастает и коллекторный ток тран­

134

0

Рис. 79. Схемы закрытия тиристора:

а — с помощью транзистора; 6 — с помощью второго тиристора

является одновременно базовым током транзистора 72. Последний еще больше открывается и еще больше откры­ вает транзистор 77. Такой процесс продолжается до тех пор, пока тиристор не откроется полностью. Для откры­ вания тиристоров на практике используют одиночные и двойные импульсы разнообразной формы: прямоуголь­ ной, треугольной, трапецеидальной и т. д.

Тиристор остается открытым при снятии положитель­ ного управляющего сигнала. Чтобы закрыть тиристор, включенный в сеть постоянного тока, необходимо изме­ нить полярность силовой цепи или снизить ток, протека­ ющий через тиристор, до величины меньшей тока удер­ жания. При переменном токе тиристор открывается в ка­ ждом положительном и закрывается в каждом отрицатель­ ном полупериоде автоматически.

Известны несколько схем, с помощью которых можно закрыть тиристор, включенный в цепь постоянного тока. Рассмотрим две из них. Первая схема предусматривает шунтирование тиристора (рис. 79, а). Для закрытия ти­ ристора по этой схеме необходимо отключить сигнал упра­ вления с управляющего электрода и подать на базу тран­ зистора 77 кратковременный импульс. Транзистор 7 / при этом откроется и зашунтирует тиристор 72. Ток, протекающий через тиристор, снижается до величины, меньшей тока удержания, и тиристор закрывается. Так как время для того чтобы закрыть тиристор очень мало (несколько микросекунд), в схеме используют маломощные транзисторы.

Другая, более распространенная схема гашения ти­ ристоров основана на использовании вспомогательного источника питания обратной полярности (рис. 79, б).

135

изменяется на противоположную, и он закроется.

В электрических схемах, где возможны большая ско­ рость нарастания анодного тока или перенапряжения, опасные для тиристора, применяют специальные меры по защите тиристоров от токов короткого замыкания и пе­ ренапряжений. Для защиты от токов короткого замыка­ ния применяют специальные быстродействующие предо­ хранители или реакторы. Быстродействующие предохра­ нители характеризуются практически мгновенным (микро­ секунды) отключением тиристоров. Дроссель включается последовательно с тиристором и в рабочем состоянии сопротивление его обмотки практически равно нулю. В момент включения тиристора большая часть напряже­ ния сети падает на реакторе, и пока происходит насыщение реактора анодный ток ограничивается до минимальной величины.

Для защиты тиристоров от перенапряжений применяют контур резистор—конденсатор или диод, включенный параллельно тиристору (рис. 80). Принцип работы схем заключается в том, что конденсатор и диод в рабочем ре­ жиме не оказывают влияния на работу схемы, а при пере­ напряжениях шунтируют тиристор и тем самым защищают его от перенапряжений.

В эксплуатации находятся несколько типов тиристо­ ров, рассчитанных на рабочие токи от единиц до сотен ампер и напряжения от 50 до 1000 В: ВК.У-Ю (Т-10), ВКДУ-50 (Т-50) ВКДУ-150 (Т-150) и др. Тиристоры раз­ личают по классам. Всего имеется 13 классов тиристоров. Каждому классу тиристоров соответствует определенное напряжение. Так, классу 0,5 соответствует напряжение

136

50 В, а классу 7 — 700 В. Тиристоры также отличаются по величине падения напряжения на них при протекании номинального тока. Имеется четыре группы тиристоров: у тиристоров группы А падение напряжения не превы­ шает 0,65 В; группы Б — 0,65—0,75 В; группы В — 0,75— 0,85 В; группы Г — 0,85—1,4 В.

Наладка тиристоров может быть выполнена по сле­ дующей программе: внешний осмотр; снятие вольт-ампер- ной характеристики; проверка элементов схемы защиты; проверка работы в реальной схеме.

При в’нешнем' осмотре тиристора обращают внимание на состояние антикоррозийного покрытия, выводов, гер­ метичность корпуса. При значительных механических повреждениях или разгерметизации корпуса, выпаивании выводов тиристор заменяют на новый. У каждого тири­ стора на корпусе должна быть маркировка: товарный знак завода-изготовителя, заводской номер тиристора, тип, класс и группа. Если маркировка отсутствует по каким-либо причинам, то установить класс и другие данные тиристора можно в процессе наладки, например сняв вольт-амперную характеристику.

ВАХ тиристора снимается при помощи схемы, пред­ ставленной на рис. 81. Схема позволяет плавно регули­ ровать величину анодного напряжения с помощью авто­ трансформатора АТР и разделительного трансформа­ тора ТР и тока управления резистором R. Во время опыта снимают семейство ВАХ при различных токах управле­ ния (/у = 0,25, 50, 75 и 100% ty. ,10М). При снятии харак­ теристик необходимо помнить, что величина тока упра­ вления не должна превышать 300 мА для тиристоров с но­ минальными токами до 300 А и 400 мА для тиристоров с большими токами.

Если для открывания тиристоров используют одиноч­ ные или двойные импульсы, то амплитуда импульса не должна превышать 7 В для тиристоров на токи до 100 А

АТР

к,

I

а—

Рис. 81. Схема снятия ВАХ тиристора

137

и 8 В — для остальных тиристоров. Снятие ВАХ является особенно важным для тиристоров, предназначенных для последовательного или параллельного включения с дру­ гими тиристорами. В том случае, если тиристоры вклю­ чены последовательно, то в закрытом состоянии через них протекают одинаковые прямые и обратные токи утечки. Однако общее приложенное напряжение распре­ деляется неравномерно между тиристорами: на тиристоре, имеющем более пологую ВАХ, падает большая часть напряжения. При параллельном включении тиристоров падение напряжения на них одинаково, а токи — разные:

иногда приходится применять последовательное соеди­ нение.

Для нормальной эксплуатации тиристоров необходимо, чтобы вольт-амперные характеристики совместно работа­ ющих тиристоров были по возможности одинаковыми. Если это условие не может быть выполнено, разрешается использовать для совместной работы тиристоры с раз­ ными ВАХ, но при этом необходимо, чтобы во время ра­ боты тиристоров не возникло распределения токов и на­ пряжений, опасных для какого-либо из тиристоров. Необходимо также помнить, что тиристор допускает дли­ тельное протекание номинального тока только при эффек­ тивном охлаждении радиатора тиристора потоком воз­ духа (и = 10 м/с). Поэтому при отсутствии охлаждения рекомендуется снятие ВАХ проводить как можно быстрее

ристора.

Элементы защиты проверяют в реальной схеме. Она заключается в проверке целости полупроводниковых диодов, резисторов, транзисторов, быстродействующих предохранителей и защитных реакторов.

После того как убедятся в надежности защиты тири­ стора, приступают к проверке работы тиристора в реаль­ ной схеме. Для тиристоров, схемы управления которых позволяют изменять частоту их включений и отключений, начинают с одиночных включений при небольших токах нагрузки. После 5—10 таких включений доводят ток нагрузки до номинальной величины и оставляют тиристор включенным более длительное время. При этом ведут

1 3 8

контроль за током нагрузки, напряжением и температу­ рой нагрева корпуса тиристора. При удовлетворительной работе тиристора под нагрузкой его наладку считают законченной.

8.Бесконтактные логические элементы

Влюбой электрической схеме управления можно обна­

ружить логическую взаимосвязь между ее элементами. В простейшей схеме эта взаимосвязь проста. Например, если проанализировать схему реверсивного магнитного пускателя, можно обнаружить, что необходимым условием включения одного из контакторов является отключенное состояние другого. Эта логическая связь осуществляется размыкающими контактами контакторов 1К и 2К- В слож­ ных схемах логическая связь объединяет несколько эле­ ментов. На рис. 82 приведены различные схемы включе­ ния реле. Необходимым условием включения реле Р является одновременное замкнутое состояние контактов реле Р1 и Р2, а для включения реле РЗ достаточно замы­ кания одного из контактов реле Р4 или Р5. В первом случае замыкающий контакт реле Р выполняет логическую связь И, а во втором случае замыкающий контакт реле РЗ выполняет логическую связь ИЛИ.

В основу логических элементов заложены наиболее часто встречающиеся в электросхемах логические связи. Логические элементы получили свои названия по выпол­ няемым ими логическим связям. Различают основные

идополнительные логические элементы. К основным от­ носятся элементы, выполняющие логические связи И, ИЛИ, НЕ. С их помощью получают дополнительные логические элементы.

Логические элементы имеют один или несколько входов

иодин выход. Логический элемент И характеризуется тем, что сигнал на выходе его появляется только при одно­ временной подаче сигналов на все входы. В логическом

139