книги из ГПНТБ / Хайдуков, О. П. Электрооборудование судов учебник

Рис. 19. Прямое (а) и обратное (б) включение полупроводни­ кового диода

барьер, вследствие чего возрастает диффузия, увеличивается про­ водимость р—«-перехода, а следовательно, и ток через него. Та­ кое включение полупроводникового прибора в электрическую цепь

плюс —■с «-областью, внешнее поле усиливает поле пространствен­ ных зарядов, движение электронов и дырок через р—«-переход еще более затрудняется, и проводимость р—«-перехода становится

ток в прямом направлении и не пропускать в обратном, за что он получил название вентиля, или полупроводникового диода.

Отношение тока при прямом напряжении к току вентиля при та­ ком же обратном напряжении называется коэффициентом выпрям­ ления:

/пр

(8)

/ обр

В рабочих условиях прямое и обратное напряжения не равны, так как последовательно с вентилем соединяется сопротивление на­ грузки Яи. Напряжение источника распределяется между нагруз­ кой и вентилем пропорционально их сопротивлениям.

При прямом токе сопротивление вентиля R h<С R,, и напряжение на вентиле мало, при обратном токе R n» R a и почти все напряже­ ние приходится на вентиль.

Основной характеристикой полупроводникового диода является зависимость тока -диода 1 от приложенного к нему напряжения U. В силу несимметрии электрических свойств диода в этой зави­ симости, называемой вольт-амперной характеристикой диода, раз­ личают прямую и обратную ветви, отражающие работу диода в прямом и обратном направлениях. Току и напряжению в прямом направлении приписывают положительные значения, а в обратном — отрицательные. Типичный пример вольт-амперной характеристики полупроводникового диода представлен на рис. 20. На характери­ стике масштаб тока в положительной области, а масштаб напряже­ ния в отрицательной области значительно (в сотни раз) превосхо­

40

тока или величина допустимого тока, прямое падение напряжения, максимально допустимое обратное напряжение и максимально до­ пустимая температура окружающей среды. При температурах выше максимально допустимых диод теряет свои специфические свой­ ства.

В настоящее время широко применяются четыре вида полупро­ водниковых диодов: селеновые, меднозакисные, германиевые и

(70—80%) и значительные габариты. Прямое падение напряжения у них лежит в пределах 0,6—0,9 В. Допустимая рабочая температу­ ра у различных серий селеновых вентилей колеблется от 75 до 130°С. Параметры селеновых вентилей в большей степени, чем других полупроводниковых диодов, изменяются с течением време­ ни не только в процессе работы, но и при хранении в нерабочем со­ стоянии. Если селеновый вентиль долгое время не работает, то это приводит к резкому уменьшению его обратного сопротивления. При включении на напряжение он начинает выпрямлять не сразу, а в те­ чение некоторого времени восстанавливает свои свойства, или. фор­ муется. Главными достоинствами селеновых вентилей являются большая перегрузочная способность по току, способность восста­ навливать в некоторых случаях вентильные свойства после пробоя в обратном направлении. Селеновые вентили изготовляются в ви­ де круглых, квадратных или прямоугольных пластин различных размеров. Из этих пластин на заводе собираются готовые комплек­ ты .вентилей, соединенных по различным схемам выпрямления. Се­ леновые вентили удовлетворительно работают в условиях вибрации и тряски и получили в настоящее время достаточно широкое при­ менение в тех судовых электроустановках, где нужны небольшие (до 10 кВт) мощности постоянного тока. Они используются для пи­ тания постоянным током цепей управления электроприводов,

41

Рис. 21. Схемы конструкции и внешний вид полупроводниковых диодов:

а — селеновый; б — меднозакисный; в — германиевый; г — кремниевый с воздушным ох­ ладителем (радиатором) 1

обмоток возбуждения синхронных генераторов, цепей сигнализации и различных датчиков, питания буксируемого лага, автоматического

(95—98%), однако очень чувствительны даже к кратковременным перегрузкам и повышению температуры. Допустимая рабочая температура германиевых вентилей низка и составляет 65—-75°С. Даже незначительные ее превышения вызывают необратимые из­ менения параметров, и вентиль гибнетГерманиевые вентили одного и того же типа имеют различные внутренние сопротивления, из-за чего при последовательном соединении приходится шунтировать диоды для выравнивания напряжений, а это снижает к. п. д. уста­ новки. Отечественной промышленностью выпускается несколько ти­

42

пов мощных германиевых вентилей с воздушным (ВГ) и водяным (ВГВ) охлаждениями на номинальные токи от 10 до 1000 А.

К р е м н и е в ы е в е н т и л и (рис. 21, г) имеют несколько боль­ шее прямое сопротивление чем германиевые, зато и их обратное сопротивление на порядок больше. Прямое падение напряжения у кремниевых вентилей лежит в пределах 0,4—1,2 В, а допустимое об­ ратное напряжение 50—3000 В. Существенным преимуществом кремниевых вентилей является возможность нормальной работы при температурах до 140—200°С, поэтому они допускают очень большую плотность тока (50—500 А/см2). При равной мощности кремниевые диоды обладают самыми малыми габаритами, у них

шенной технологией. Кремниевые вентили обязательно снабжают­ ся охладителями для отвода тепла. Для вентилей средней мощно­ сти используются медные или алюминиевые пластины, к которым плотно прижимается основание вентиля. Для мощных вентилей применяются специальные воздушные или водяные охладители. Воздушные охладители (рис. 21, г) состоят из массивного латунно­ го или алюминиевого основания с рядом отходящих в сторону ох­ лаждающих ребер. В основание ввинчивается вентиль.

В судовых электроустановках германиевые вентили применяют­ ся крайне редко из-за температурных ограничений, кремниевые же вентили; благодаря своим преимуществам, вытесняют все другие виды вентилей, и прежде всего это относится к мощным (свыше 10 кВт) электроустановкам-. Они нашли применение в выпрямитель­ ных агрегатах для электроприводов, систем возбуждения синхрон­ ных генераторов и двигателей, электросварки, зарядки аккумуля­ торов, дуговых прожекторов и т. д.

Тиристор. Тиристор представляет собой полупроводниковый уп­ равляемый вентиль, состоящий из четырех слоев рх— пх— р2— п2, между которыми имеются три р —«-перехода П ъ П 2 и /73 (рис. 22,а). Внешний рх слой принято называть анодом А, внешний п2 слой—ка­ тодом К, а внутренний р2 слой — управляющим электродом УЭ. Ти­ ристор применяется для выпрямления переменного тока. При прило­ жении к тиристору напряжения прямой полярности два крайних р—

почти все напряжение, приложенное к входным зажимам. Ток в ти­ ристоре мал и соответствует величине обратного тока полупровод­ никового диода. Когда приложенное к тиристору напряжение воз­

43

запертым. Напряжение, при котором тиристор открывается, может быть значительно снижено за счет увеличения тока управления в цепи управляющего электрода.

При включении вспомогательного источника в цепь управляю­ щего электрода ток управления вводит дополнительные носители тока — дырки во внутренний p-слой, и тем самым снижается про­ бивное напряжение перехода Я2. Эта особенность тиристора по­ зволяет регулировать момент открытия тиристора при подаче на не­ го изменяющегося напряжения, а также управлять средним значе­ нием выпрямленного тока.

Тиристоры изготовляются из кремния с добавлением акцептор­ ных и донорных примесей. По внешнему виду они отличаются от неуправляемых полупроводниковых диодов только наличием уп­ равляющего электрода.

В СССР выпускается несколько типов мощных тиристоров. Ти­ ристоры ВКУ (вентиль кремниевый управляемый) изготовляются на токи от 10 до 100 А, тиристоры ВКДУ отличаются более совер­ шенной технологией и рассчитаны на токи до 200 А. Прямое паде­ ние напряжения у тиристоров ВКУ 0,5—1,4 В, а у тиристоров ВКДУ — 0,5—0,75 В. Допустимое обратное напряжение у тиристо­ ров различных классов лежит в пределах 25—600 В, максимальное значение тока управляющего сигнала от 1 до 2 А. Тиристоры сохра­ няют работоспособность при температуре до 120°С, а тиристоры типа ВКУВ (с водяным охлаждением) — даже до 300°С.

Тиристоры обладают большим коэффициентом усиления по мощности при включении (порядка 104—105). Это значит, что небольшая мощность, затраченная в цепи управляющий электрод— катод, управляет во много раз превосходящей мощностью в цепи анода.

Тиристоры применяются на судах в схемах выпрямления со стабилизацией выходного тока для зарядных агрегатов, в схемах выпрямления для питания электроприводов постоянного тока с ши­

44

роким диапазоном регулирования скорости вращения, в схемах электроприводов с ча­ стотным . регулированием скорости враще­ ния асинхронных двигателей, в схемах бес­ контактного возбуждения синхронных гене­ раторов, а также в различных схемах пре­ образования тока. Время включения и время отключения тиристоров измеряется микро­ секундами, поэтому весьма перспективным следует считать применение тиристоров в качестве бесконтактных коммутационных аппаратов для больших токов.

Полупроводниковый триод (транзистор). Полупроводниковый триод представляет собой прибор, состоящий из трех слоев полу­ проводников, которые разделены двумя р—«-переходами. Средний слой прибора называется базой. Различают транзисторы типа р—п—р, у которых в качестве базьг используется полупроводник с электронной проводимостью, и транзисторы типа п—р—п, база, которых выполняется из полупроводника с дырочной проводимо­ стью. Один из крайних слоев триода является источником основ­ ных носителей тока и называется эмиттером, а другой — «собира­ телем» носителей тока и называется коллектором. Физические про­ цессы в транзисторах обоих типов в основном одинаковы. Различие состоит лишь в выборе полярности присоединяемых источников электроэнергии.

Устройство транзистора типа р—п—р представлено на рис. 23. Базой в транзисторе такого типа является пластина германия, обладающая электронной проводимостью благодаря введению в

нее донорной примеси. С обеих сторон базы вплавлены пластинки индия, которые, частично диффундируя в германий, образуют об­ ласти с дырочной проводимостью. Пластинки индия"используются в качестве электродов-эмиттера 1 и коллектора 2, к которым при­ паиваются проводники для соединения прибора с внешней цепьюОднако размеры коллектора должны быть больше размеров эмиттера, что способствует лучшему улавливанию коллектором носителей, введенных в базу из эмиттера. Это достигается выбо­ ром соответствующих размеров индиевых дисков.

Существуют также и кремниевые транзисторы, у которых в ка­ честве базы служит пластина кремния.

Принцип действия транзистора можно уяснить из работы схе­ мы, изображенной на рис. 24, а. Если в схему включен только источник Ек так, что «минус» источника соединен с р-областью коллектора, а «плюс» с «-областью базы, то сопротивление р—п- перехода, как было уже показано при рассмотрении полупровод­ никового диода, становится большим, а ток через него — очень малым. При включении в схему источника Еэ так, что «плюс» ис­ точника соединен с p-областью эмиттера, а «минус» — с «-обла­ стью базы, под действием внешнего поля дырки переходят из эмит­ тера в базу, образуя ток эмиттера /э. Часть дырок рекомбинирует

со свободными электронами базы, но большая часть их диффунди­ рует далее к р—«-переходу между коллектором и базой, так как число свободных электронов в базе ограничено. Поступление носи­ телей тока — дырок в область перехода коллектор — база суще­ ственно уменьшает его сопротивление, что вызывает увеличение' тока коллектора /к, пропорциональное числу дырок, достигших этого перехода.

Ток эмиттера создается, однако, не только дырками, переходя­ щими из эмиттера к р—«-переходу между коллектором и базой, но и электронами, переходящими из базы в эмиттер. Поэтому ток коллектора оказывается несколько меньше тока эмиттера на вели­ чину тока базы I&:

/ к = / э - / б .

Представленная на рис. 24, а схема включения транзистора назы­ вается схемой с общей базой, так как база в ней является электродом, входящим одновременно во входную и выходную цепи. Входным током в этой схеме является ток эмиттера / э, а выходным—ток кол­

лектора / к. Отношение — ■= а представляет собой коэффициент уси­

ления по току для схемы с общей базой и является одним из основ­

мом направлении. Для проведения тока через коллекторный переход необходим источник более высокого напряжения (Ек = 104-50 Е э), так как коллекторный переход включен в обратном направлении и об­ ладает значительно большим сопротивлением. Благодаря этому при одинаковом примерно изменении тока эмиттера Д /э и коллектора Д /к изменение мощности в цепи коллектора ДР к значительно больше из­ менения мощности в цепи эмиттера ДРа. Таким образом, полупро­ водниковый триод является усилителем мощности. Условия работы схемы с общей базой позволяют наиболее наглядно показать физи­ ческие свойства транзисторов, однако в большинстве случаев пред­ почтение отдается схеме включения транзистора с общим эмиттером (рис. 24, б). В этой схеме входным током является ток базы / 6, а выходным —ток коллектора / к. Отношение этих токов определяет

Рис. 24. Схемы включения транзисторов:

а — с общей базой; б — с общим эмиттером; в — с общим коллектором

46

Рис. 25. Характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером

коэффициент усиления транзистора по току для схемы с общим эмит­ тером:

и/6 1 — <х'

Для плоскостных триодов р= 20-М00. Схема с общим эмиттером позволяет получить большое усиление тока и мощности.

Схема (рис. 24, в) с общим коллектором по своим свойствам имеет много общего со схемой с общим эмиттером, но применяется редко.

Каждой из перечисленных схем включения транзисторов соот­ ветствует своя система характеристик. Так, например, для схемы с общим эмиттером имеются четыре семейства статических характе­

при / б = const (рис. 25, г).

С помощью этих характеристик могут быть определены пара­ метры транзисторов в различных режимах работы.

Предельно допустимые режимы работы транзисторов в усили­ тельных каскадах определяются следующими величинами: предель­ но допустимыми токами коллектора, эмиттера и базы, предельно допустимым напряжением коллектора и предельно допустимой мощностью, рассеиваемой коллектором, при которой не наблюда­

нескольких ампер, предельно допустимые напряжения на коллек­ торе до 35—80 В, допустимую мощность рассеяния без охладите­

47

ную работу при температуре окружающей среды до 30—65°С, а кремниевые — до 120°С.

Транзисторы имеют преимущества перед тиристорами с точки зрения управляемости. Действительно, сигналом управления, дей­ ствующим на управляющий электрод, можно только включить ти­ ристор. Выключение тиристора осуществляется снятием анодного напряжения. Транзистор же можно включить и выключить воздей­ ствием на управляющий электрод-базу точно так же, как ламповый триод при воздействии на сетку. Однако существующие транзисто­ ры допускают по сравнению с тиристорами значительно меньшие токи и напряжения и потому в мощных управляемых схемах при­ меняться не могут.

Транзисторы с успехом выполняют функции электронных ламп и в последнее время вытесняют их благодаря своим преимущест­ вам во многих электро- и радиотехнических установках. Они име­ ют большой срок службы, высокую надежность, высокий к. п. д. вследствие малого потребления электроэнергии, малые размеры и вес. Транзисторы невосприимчивы к вибрациям, поэтому замена ими электронных ламп в судовых устройствах просто необходима. Основные недостатки транзисторов — зависимость параметров от температуры, недостаточная стабильность, разброс параметров — с каждым годом все более устраняются.

Транзисторы широко применяются в полупроводниковых усили­ телях и генераторах, преобразователях тока и частоты, в различ­ ных схемах управления, а также в вычислительной технике.

Другие типы полупроводниковых приборов. В различных судо­ вых устройствах уже применяются и будут применяться еще в больших масштабах другие виды полупроводниковых приборов: терморезисторы, варисторы, фоторезисторы, полупроводниковые термоэлектрические приборы, датчики Холла, тензорезисторы и т. д.

Т е р м о р е з и с т о р ы (термосопротивления, термисторы) представляют собой полупроводниковые сопротивления, обладаю­ щие высокой чувствительностью к изменению температуры и отри­ цательным температурным коэффициентом сопротивления. Сопро­ тивление терморезистора изменяется по экспоненциальному закону

лирования температуры, теплового контроля и пожарной сигнали­ зации, автоматического регулирования уровня жидкостей и сыпу­ чих тел, измерения давления. С помощью терморезисторов осуще­ ствляется компенсация изменения сопротивления элементов элек­ трических цепей, возникающего из-за изменения температуры окру­

48

жающей среды. С помощью терморезисторов может осуществлять­ ся измерение сверхвысокочастотной мощности в волноводах.

В а р и с т о р ы представляют собой полупроводниковые сопро­ тивления с симметричными нелинейными вольт-амперными харак­ теристиками. Сопротивление варистора зависит от величины тока, проходящего по нему. Варисторы применяются для стабилизации на­

никовые приборы, электрическое сопротивление которых изменяет­ ся под действием лучистой энергии. Лучистая энергия, поглощае­

рый заключается в следующем. Если поместить пластину из полу­ проводника с одним типом носителей заряда, например с электро­ нами, во внешнее поперечное магнитное поле и пропустить ток вдоль нее, то, вследствие смещения движущихся носителей заря­ дов (электронов) к одной из граней пластины, возникает попереч­ ная э. д. с. Величина ее зависит от'величины индукции внешнего магнитного поля и величины тока. Датчики Холла применяются для измерения напряженностей постоянных и переменных маг­ нитных полей, а также для измерения величин тока, напряжения и мощности в электрических цепях.

§ 11. Статические преобразователи

Электромеханические преобразователи имеют существенные недостатки: большой вес и габариты, наличие вращающихся частей, необходимость в постоянном обслуживании. Кроме того, преобра­ зование электрической 'энергии в механическую, а затем механиче­ ской снова в электрическую существенно снижает к. п. д. электро­ механических преобразователей.

Этих недостатков лишены статические преобразователи, в ко­ торых преобразование энергии осуществляется непосредственным путем без промежуточных преобразований. При этом полупровод­ никовые статические преобразователи по сравнению с электроме­ ханическими и старческими ламповыми и ионными преобразовате- л-ями имеют следующие преимущества, особенно важные для судо­ вых установок: значительно меньший вес и габариты, высокий к. п. д., мгновенная готовность к работе, высокая виброустойчи­ вость и ударопрочность, простота в обслуживании, простота в раз­ мещении и монтаже и т. д.

49