книги из ГПНТБ / Лебедев, Н. Н. Электротехника и электрооборудование учеб. пособие [для монтаж. и строит. спец. техникумов]

с т а н ц и и с установкой на них мощных ионных и полупроводни­ ковых вентилей управляемых и неуправляемых. При этом, как уже отмечалось, с каждым годом все большее применение для этих целей получают полупроводниковые вентили: кремниевые выпрямители

итиристоры.

Всостав выпрямительной установки входят: один или чаще не­

сколько вентилей, сглаживающие фильтры, назначением которых яв­ ляется сглаживание (уменьшение) пульсаций, т. е. колебаний величи­ ны выпрямленного тока и трансформатор, преобразующий напряже­ ние переменного тока до значения, соответствующего необходимой ве­ личине напряжения постоянного, выпрямленного тока. Между вели­ чинами напряжения переменного и выпрямленного тока существуют соотношения, зависящие от схемы соединения вентилей выпрямителя.

§ 11.7. Выпрямление однофазного и трехфазного тока

Основные схемы выпрямления

Существуют несколько схем для выпрямления однофазного и трех­ фазного переменного тока. Рассмотрим основные из них. Начнем с од­ нофазных схем.

На приведенных ниже схемах вентили изображены условным обо­ значением для полупроводникового диода. Однако все эти схемы в рав­ ной мере правильны и применяются для любых вентилей: электрова­

ся вершинной треугольника в его обозначении. На схемах показано соединение вентилей и соответствующая ему форма кривой выпрямлен­

противление R a за каждый период переменного тока только в течение одного полупериода, откуда и происходит название схемы. Вполне по­ нятно, что такая схема выпрямления мало рациональна: выпрямлен­ ные напряжения и ток резко пульсируют, переменный (выпрямля­ емый) ток слабо используется (только наполовину). В связи с этим однополупериодная схема применяется обычно лишь при выпрямле­ нии очень малых токов, когда пульсацию выпрямленного тока удает­ ся в значительной мере устранить с помощью сглаживающих фильтров (о фильтрах см. дальше).

Двухполупериодная схема со средней точкой трансформатора (рисЛ 1.8, б) дает лучшие результаты: через каждый из двух вентилей ток проходит в течение половины периода, а выпрямленный ток через сопротивление R H течет на протяжении всего периода. Пульсация напряжения и тока — соответственно меньше, чем в первой схеме.

Широко применяется при выпрямлении однофазного тока м о с т о ­ в а я с х е м ас четырьмя вентилями (рис. 11.8, в). Проследим работу схемы. В ту половину периода, когда напряжение во вторичной обмот­ ке трансформатора направлено от ее вывода а к выводу б, ток течет

190

отточки б через вентиль 1 к сопротивлению Rn и далее возвращается к трансформатору (к точке а) через вентиль 2. В следующую половину периода, когда напряжение в обмотке направлено в противополож­ ную сторону — от б к а — ток проходит от точки а через вентиль 3, сопротивление R n и вентиль 4. Таким образом, вентили работают по два за каждую половину периода, а ток по сопротивлению RHпроте­ кает весь период.

Как видно из сравнения синусоид на рис. 11.8, бив, пульсации вы­ прямленного напряжения (а следовательно, и тока) в двух последних

Рис. 11.8. Схемы выпрямления однофазного тока:

схемах одинаковы, однако у мостовой схемы есть ряд преимуществ. Одно из них заключается в том, что при мостовой схеме не обязательно наличие трансформатора. Выпрямительное устройство может работать непосредственно от имеющегося переменного напряжения, что практи­ чески и применяется во многих случаях, в частности в схемах авто­ матики.

Для выпрямления трехфазного тока применяют две схемы: с ну­ левым выводом и трехфазную мостовую (рис. 11.9). Трехфазный ток при его выпрямлении имеет по сравнению с однофазным существенное преимущество: пульсации выпрямленного напряжения (а следова­ тельно, и тока) получаются значительно меньшими, что подтверждает сравнение кривых напряжения, изображенных на рис. 11.8 и 11.9; особенно благоприятные результаты в отношении малой величины пульсации дает мостовая схема (рис. 11.9, б).

В промышленных выпрямительных установках в целях снижения пульсации выпрямленного тока применяют для питания выпрямителей

191

специальные трансформаторы, преобразующие трехфазный ток в шес­ тифазный, У таких трансформаторов обмотка высшего напряжения обычная трехфазная, а во вторичной обмотке— каждая фаза делится пополам и в нейтраль вторичной обмотки соединяются не концы ее фаз, а провода, идущие от их средней точки. В результате адоричная обмотка оказывается соединенной в шестифазную звезду. Для выпря­ мления шестифазного тока применяют соединение вентилей по схеме с нулевым выводом — рис. 11.9, а (только вместо трех фаз будет шесть) или используют шестифазные выпрямители, например шестианодные экситроны (см. рис. 10.13).

Рис. 11.9. Схемы выпрямления трехфазного тока:

а — трехфазная с нулевым выводом; б — трехфазная мостовая

Между средним значением выпрямленного напряжения t/BCp и на­

Сглаживающие фильтры

Для уменьшения сглаживания пульсаций выпрямленных напря­ жений и тока применяют устройства, называемые сглаживающими фильтрами. Элементами этих устройств являются дроссели (т. е. ин­

192

дуктивные катушки с ферромагнитным сердечником) и конденсаторы. Дроссели включаются в цепь выпрямленного тока последовательно, а конденсаторы—параллельно.

Главным образом применяются фильтры Г-образные и П-образные (рис. 11.10). Первый из них (рис. 11.10, а) содержит один дроссель и один конденсатор, а второй (рис. 11.10, б) — один дроссель и два конденсатора. Для более полного сглаживания пульсаций могут вклю­ чаться два фильтра последовательно. Пример фильтра, состоящего из

Рис. 11.10. Сглаживающие фильтры:

а — Г-образный; б — П-образный; в — двухзвеньевой

В отдельных случаях для некоторого неполного сглаживания пуль­ саций применяют один дроссель, включаемый последовательно в цепь выпрямленного тока. Такие дроссели были показаны, например, в схе­ ме работы стеклянного ртутного выпрямителя на рис. 10.12.

§11.8. Простейшие схемы управляемых выпрямителей

Вслучаях, когда мощные выпрямители применяются для питания двигателей электропривода на постоянном токе с регулированием чис­ ла оборотов, требуется плавное изменение получаемого от выпрямите­ ля напряжения.

Для этих целей применяют ионные, в частности, ртутные выпрями­

тели с управляющей сеткой и тиристоры — управляемые полупровод­ никовые вентили.

На рис. 11.11, а представлена упрощенная принципиальная схема автоматизированного управления ртутным выпрямителем, состоящим из трех одноанодных экситронов с управляющими сетками. В схему входит устройство 1 для питания сеточных цепей. Устройство это авто­ матически действует следующим образом. На сетку каждого вентиля постоянно подается отрицательный потенциал, достаточный для того, чтобы вентиль был заперт. В определенные моменты времени устрой­ ство подает на сетку того или иного вентиля положительный импульс

напряжения, снижающий отрицательный потенциал сетки и отпира­ ющий вентиль. По вентилю проходит ток, затем он снова запирается. Таким образом, регулирование среднего значения выпрямленного на­ пряжения £/вср в приведенной схеме достигается задержкой момента зажигания дуги в вентиле. Тем самым сокращается время работы вен­ тиля за каждый период и уменьшается среднее значение выпрямленного напряжения.

Для выпрямителя трехфазного тока, состоящего из трех тиристо­ ров, применяется та же схема регулирования выпрямленного на­ пряжения (его среднего значения UBCp). Различие с рассмотренной

Рис. 11.11. Упрощенные принципиальные схемы управления выпрямителями!

о —трехфазным ртутным; б —трехфазным тиристорным; / — автоматическое устрой­ ство подачи управляющих импульсов напряжения и тока

ранее схемой заключается лишь в том, что для отпирания тиристора (как известно, постоянно запертого) на управляющий его электрод в определенные моменты времени автоматическое устройство подает импульс тока, а не напряжения, как в ртутных вентилях. На рис. 11.11; б представлена упрощенная принципиальная схема трех­ фазного тиристорного выпрямителя.

ФОТОЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНЫЕ, ГАЗОНАПОЛНЕННЫЕ

ИПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ

§11.9. Фотоэффект, его физическая сущность

Впромышленности большое распространение имеют электронные приборы, выходными токами и напряжением которых управляют по­ средством световой энергии. Действие этих приборов основано на ис­ пользовании фотоэлектрического эффекта. Различают три вида фото­ эффекта: внешний, внутренний и вентильный.

194

В н е ш н и м ф о т о э ф ф е к т о м (фотоэмиссией) называют вырывание электронов из поверхности металла, вызванное падением света на эту поверхность.

В н у т р е н н и й ф о т о э ф ф е к т состоит в изменении элек­ тропроводности полупроводника под действием падающего на него света.

В е н т и л ь н ы й ф о т о э ф ф е к т состоит в том, что световая энергия, падающая на р-п-переход, приводит к возникновению фото­ электродвижущей силы на этом переходе.

Внешний фотоэффект впервые был исследован А. Г. Столетовым, который установил, что число электронов, вырываемых светом в еди­ ницу времени из поверхности фотокатода, прямо пропорционально ин­ тенсивности световой энергии. Другими словами, равные приращения интенсивности света, падающего на фотокатод, приводят к соответст­ венно равным приращениям фототока.

Прямая пропорциональность между интенсивностью света и фото­ током позволила осуществить ряд крупных изобретений, таких, как звуковое кино, телевидение и др.

Другой закон фотоэффекта, установленный А. Эйнштейном, указы­ вает на зависимость фототока от длины волны света и от спектральной характеристики фотоэлемента. Этот закон показывает, что существует минимальное значение частоты света, при которой будет отсутство­ вать эмиссия даже в случаях, когда на фотокатод направлен очень мощ­ ный световой поток.

Спектральные характеристики серебряно-кислородно-цезиевых фотоэлементов имеют пониженную чувствительность в области желтозеленых лучей. Фотоэлемент с сурьмяно-цезиевым катодом плохо реа­ гирует на оранжевые лучи и совершенно нечувствителен к красным и т. п.

Эту предельную частоту света называют порогом фотоэффекта, а длину волны света, соответствующую порогу фотоэффекта, — к р а с ­ н о й г р а н и ц е й .

На принципе внешнего фотоэффекта работают вакуумные и газо­ наполненные фотоэлементы.

§ 11.10. Вакуумные и газонаполненные фотоэлементы

Принцип действия вакуумных и газонаполненных фотоэлементов одинаков, но характеристики их различны.

Электроды этих фотоэлементов — анод и катод заключены в сте­ клянный баллон с тщательно откаченным воздухом у вакуумных эле­ ментов или заполненный разреженным инертным газом (аргоном) у газонаполненных фотоэлементов. Активным слоем фотокатода служат щелочно-земельные металлы, дающие достаточный фотоэффект. Актив­ ный слой, например сурьямно-цезиевый, наносится на серебряную подложку, осажденную непосредственно на стекло баллона с внут­ ренней его стороны, или же для увеличения сопротивления изоляции на металлическую пластинку, помещенную в середину баллона. Если катод (его активный слой) нанесен непосредственно на стекло, то на

нем оставляется прозрачное оконце (рис. 11.12), для того чтобы свето­ вой поток достигал активной поверхности фотокатода. Анод часто вы­ полняют в виде проволочного кольца, помещенного в колбе перед ка­

тодом.

Для получения фототока в схемах с фотоэлементами, основанными на внешнем фотоэффекте, необходимо напряжение, приложенное меж­ ду анодом и катодом, — анодное напряжение (рис. 11.13). Так же как во всех электронных приборах, потенциальный барьер, возникающий на границе металлов и вакуума, препятствует выходу электронов из фо­

токатода. Но при воздействии лучи­ стой энергии светового потока элек­ трон, поглощая один фотон, приоб­ ретает энергию большую, чемрабо-

та выхода щелочноземельного слоя фотокатода. Вследствие этого элек­ трон выбрасывается в вакуум. Чтобы создать протекание тока через фо­ тоэлемент, необходимо воздействовать на освобождаемые светом элек­ троны посредством электрического поля. Для этой цели, так же как в ламповом диоде, необходим источник постоянного анодного напря­ жения.

В газонаполненных фотоэлементах наличие газа повышает их чув­ ствительность в 4—5 раз. Повышение чувствительности объясняется ионизацией газа электронами. Газонаполненные фотоэлементы обла­ дают заметной инерцией, в то время как вакуумные фотоэлементы безынерционны.

§ 11.11. Полупроводниковые фотоэлементы

Полупроводниковые фотоэлементы действуют на основе возникно­ вения э. д. с. между двумя разнородными полупроводниками или меж­ ду полупроводником и металлом, разделенным электрическим пере­ ходом, под действием электромагнитного излучения. К числу полупро­ водниковых фотоэлементов относятся фотодиоды и фототранзисторы. Ф о т о д и о д о м называют полупроводниковый элемент, имеющий два вывода. Его структура аналогична р-п-структуре полупроводни­ кового диода (рис. 11.14). На общей границе полупроводников фото­ диода образуется двойной электрический слой с контактной разностью

196

потенциалов. При освещении поверхности полупроводников вблизи р-п-перехода происходит ионизация атомов кристалла за счет энер­ гии, вносимой квантами света, проникающими в толщу слоев кристал­ ла. В результате этого создаются свободные носители зарядов — дырки и электроны проводимости. Под действием контактной разности потен­ циалов дырки перемещаются в р-слой, а электроны уходят в п-слой (рис. 11.14, в). Происходит постепенное накопление носителей с поло­ жительным зарядом в проводнике типа р и с отрицательным зарядом— в полупроводнике типа п. Между электродами, присоединенными к р- и н-слоям, появляется разность потенциалов, представляющая собой э. д. с. Еф, возникающую в фотодиоде. Эта э. д. с. может быть исполь­ зована для создания тока в нагрузочном сопротивлении, включенном во внешнюю цепь. При этом фотодиод используется в режиме фотоге-

Рис. 11.14. Фотодиод:

нератора, так как отдает электрическую энергию, получаемую при не посредственном преобразовании из световой, и работает без посто­ ронних источников напряжения (рис. 11.14, а).

Фотодиод может работать с включением внешнего источника элек­ трической энергии, положительный полюс которого подключается к п-слою, а отрицательный— к p-слою (рис. 11.14, б). Под действием напряжения источника, включенного в непроводящем направлении фо­ тодиода, при отсутствии освещения через фотодиод будет протекать очень небольшой т е м н о в о й т о к , соответствующий обратному току вентиля. При освещении фотодиода поток неосновных носителей через р-н-переход возрастает. Увеличивается ток во внешней цепи, определяемый в этом случае величиной напряжения внешнего источ­ ника и величиной светового потока. Фотодиод работает в режиме фотопреобразователя.

Фотодиоды изготовляются из селена, германия, кремния, сернис­ того таллия и сернистого серебра.

Селеновые фотодиоды, несмотря на их малую чувствительность, применяются в качестве фотогенераторов в фотометрии и в частности в фотоэкспонометрах. Германиевые фотодиоды, имеющие максимальную чувствительность в инфракрасной области, применяются в качестве индикаторов длинноволнового излучения. Кремниевые фотодиоды имеют максимальную чувствительность при волнах малой длины и при­ меняются в качестве фотогенераторов в составе солнечных батарей.

197

Ф о т о т р а н з и с т о р о м называют фотоэлемент с двумя или большим числом электрических переходов. Фототранзисторы позволя­ ют одновременно с преобразованием световой энергии в электрическую осуществлять также и усиление фототока. У фототранзистора типа п-р-п (рис. 11.15) один из «-слоев имеет меньшую площадь, чем два дру­ гих слоя, что позволяет свету проникать к р-н-переходу, созданному между p-слоем и другим «-слоем. Толщина р-слоя делается весьма ма­ лой — такой, при которой световые потери незначительны.

В случае присоединения источника электрической энергии поло­ жительным полюсом к «-слою большой площади (рис. 11.15, а) меж­ ду этим слоем и p-слоем образуется коллекторный р-н-переход. В область, прилегающую к этому переходу, проникает световой поток. Световые кванты возбуждают световой ток, протекающий от «-слоя

ных носителей в переходе. Если бы эмиттерный переход, к которому подключен отрицательный полюс источника энергии, не влиял на ток в приборе, то через коллекторный переход протекал бы ток / ф, рав­ ный сумме светового и темнового токов, так же, как в фотодиоде, рабо­ тающем в режиме фотопреобразователя. Однако действие эмиттерного перехода, вводящего в базу (р-слой) электроны, приводит к усилению коллекторного тока. Если световой поток направить в области, приле­ гающие к эмиттерному переходу (рис. 11.15, б), то, как и в первом слу­ чае, через этот переход потечет световой ток из «-слоя к p-слою. Но на­ встречу световому току через эмиттерный переход потечет прямой ток, протекающий под действием внешнего источника энергии от р-слоя к «-слою. В результате ток через эмиттерный переход, равный разности этих токов, будет очень мал. Первая схема применяется в случаях, ког­ да необходимо получить возможно больший ток при освещенном фото­ триоде. Вторая схема используется, когда важно обеспечить наимень­ шую величину темнового тока. Двухполюсные схемы включения фото­ транзистора относятся к прибору с двумя выводами. Фототранзистор такого типа отличается от фотодиода большей чувствительностью. При­ веденные выше схемы фототранзисторов применяют при сравнительно большой интенсивности световых сигналов. Для усиления слабых световых сигналов в дополнение к ним подаются электрические сиг­ налы.

198

ЭЛЕКТРОН НЫ Е ГЕНЕРАТОРЫ

§ 11.12. Общие сведения. Назначение электронных генераторов

напряжений применяют преимущественно ламповые генераторы, а для низких напряжений — ламповые и транзисторные генераторы. Элек­ тронные генераторы являются устройствами, преобразующими постоян­ ный ток в переменный ток определенной частоты. Если к сетке и катоду лампы подведено извне переменное синусоидальное напряжение с час­ тотой /, равной /о собственных колебаний контура, то анодный ток бу­

С

дет пульсировать с той же частотой, т. е. в такт с колебаниями в конту­ ре, и обеспечит периодическое пополнение контура энергией за счет источника постоянного тока.

V , магнитно связанная с катушкой L колебательного контура. Про­ ходящий по катушке L переменный ток индуктирует в ней э. д. с. вза­ имоиндукции. Сетка лампы получает, таким образом, переменное на­ пряжение такой же частоты/о, как и частота колебания в контуре LC. Переменное напряжение на сетке вызывает пульсации анодного тОйа с частотой /0. Поэтому в контур периодически поступает энергия, не­ обходимая для поддержания незатухающих колебаний. Магнитная связь контура LC с сеткой лампы является обратной связью.

В зависимости от характера цепи, в которой создаются колебания, генераторы подразделяются на генераторы с колебательным конту­ ром — LC и релаксационные генераторы RC.

Электронные генераторы имеют неоспоримые преимущества перед машинными преобразователями вследствие сравнительной простоты устройства, исключительно широкого диапазона частот колебаний от нескольких периодов в секунду до многих миллионов герц. Они являют­ ся основным оборудованием радиотехнических устройств и широко используются также в промышленных установках для нагрева метал­ лических изделий и неметаллических материалов токами высокой час­ тоты.

199