n1

Внешние характеристики снимают при повышении и понижении напряжения (рис. 14.12) и различных значениях коэффициента мощности нагрузки: cos ϕ = 1, cos ϕ = 0,8 (нагрузка индуктивная), cos ϕ = 0,8 (нагрузка емкостная). Так же как и у трансформатора, напряжение на зажимах синхронного генератора повышается при увеличении емкостной нагрузки. Отечественная промышленность выпускает синхронные генераторы на напряжение от 230 В до 21 кВ.

14.3. Синхронный двигатель переменного тока

Устройство статора синхронного двигателя аналогично устройству статора асинхронного двигателя. Ротор синхронного двигателя представляет собой электромагнит или постоянный магнит (рис. 14.13).

Принцип работы синхронного двигателя поясняется рис. 14.14. Внутри магнита N1S1 помещен магнит NS. Если магнит N1S1 вращать, то он потянет за собой магнит NS. В стационарном режиме частоты вращения обоих магнитов одинаковы.

К валу магнита NS можно приложить механическую нагрузку. Чем больше эта нагрузка, тем больше угол отставания оси магнита NS от оси магнита N1S1. При некоторой нагрузке силы притяжения между магнитами будут преодолены и ротор остановится.

В реальном двигателе поле магнита N1S1 заменено вращающимся магнитным полем статора; при этом ротор либо вращается синхронно с магнитным полем статора, отставая на угол α, либо останавливается (выпадает из синхронизма) при перегрузке. Таким образом, независимо от нагрузки ротор всегда вращается с постоянной частотой, равной частоте вращения магнитного поля статора:

Постоянство частоты вращения - важное достоинство синхронного двигателя. Строгое постоянство частоты вращения требуется во многих областях техники, например при записи и воспроизведении звука. Недостатком синхронного двигателя является трудность пуска. Поэтому для пуска нужно раскрутить ротор в сторону вращения поля статора. Для этого чаще всего применяют специальную короткозамкнутую обмотку, вделанную в ротор. В момент пуска двигатель работает как асинхронный. Когда частота вращения ротора приближается к частоте вращения поля статора, ротор входит в синхронизм и двигатель работает как синхрон-

71

ный. Короткозамкнутая обмотка при этом оказывается обесточенной, так как частота вращения ротора равна частоте вращения поля статора и стержни обмотки ротора не пересекаются магнитными силовыми линиями.

В настоящее время существует тенденция замены на подвижных объектах (корабли, самолеты, автомобили) электрических цепей постоянного тока цепями переменного тока повышенной частоты (200, 400 Гц и выше). Возможность использования бесколлекторных машин переменного тока, трансформаторов и магнитных усилителей позволяет повысить надежность работы цепи, а также уменьшить габариты и массу машин и аппаратов.

При оборудовании объекта сетью переменного тока широкое применение находит электропривод на переменном токе. Разработаны схемы с асинхронными и синхронными двигателями, которые позволяют выполнить все операции, осуществляемые ранее двигателями постоянного тока.

Преимущества асинхронных двигателей особенно заметны тогда, когда по условиям работы привода нет необходимости в плавном регулировании частоты вращения в широких пределах и больших пусковых моментах (привод насосов, вентиляторов и др.).

Синхронные двигатели особенно удобны для привода роторов гироскопов. В тех случаях, когда гироскоп используют для особо точных измерений (например, в баллистических ракетах), приводом ротора гироскопа служит синхронный двигатель. При этом частота вращения ротора зависит только от конструкции двигателя и частоты питающего тока, которую можно стабилизировать с очень высокой степенью точности.

Вопросы для самопроверки

1.Какие части составляют устройство электрической машины переменного тока?

2.Как устроена обмотка статора электрической машины переменного тока?

3.Принцип действия асинхронного двигателя.

4.Что такое скольжение в асинхронном двигателе?

5.Как устроена обмотка короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя?

6.Как устроена обмотка фазного ротора асинхронного двигателя?

7.Как образуется вращающееся магнитное поле на примере двухфазного синусоидального тока и двух катушек?

8.Принцип действия синхронной машины переменного тока.

9.Как устроен синхронный генератор переменного тока?

ЛЕКЦИЯ № 15 ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

15.1. Элементная база современных электронных устройств

Современная электроника это область электротехники, которая широко применяется для управления, регулирования и информирования объектов в различных отраслях промышленности и транспорта.

Элементами электроники является полупроводниковые приборы (главным образом диоды, транзисторы, тиристоры), фотоэлектрические приборы и элементы микроэлектроники.

Применение полупроводниковых и фотоэлектрических приборов и микро-

72

ному) в обратном. Средняя область транзистора (база) имеет весьма малую толщину, поэтому почти все носители заряда, попадающие в базу из эмиттерного перехода, достигают коллекторного перехода, образуя ток в цепи коллектора. Величиной этой составляющей тока коллектора можно управлять, изменяя напряжение на эмиттерном переходе. Для этого достаточны небольшие изменения напряжения. Поэтому затрачиваемая от источника управляющего (входного) сигнала мощность может быть мала. В цепи коллектора ток проходит через нагрузку, имеющую большое сопротивление. На нагрузке появляется сигнал с большой амплитудой напряжения. Поэтому выделяемая в выходной цепи мощность значительно превышает мощность, потребляемую на входе. Таким образом. происходит усиление по мощности

Тиристор – это полупроводниковый прибор с тремя p-n переходами и тремя выводами (анод А, катод К и управляющий электрод УЭ), предназначенный для усиления, переключения и генерирования электрических сигналов. Схема включения тиристора в электрическую цепь показана на рис. 15.3.

Рис. 15.3. Схема включение тиристора в электрическую цепь

К переходу p-n, образованному УЭ и К, подводится напряжение управления в прямом направлении, которое создает открытие перехода для носителей заряда из p в n. В результате открываются два других перехода и в цепи нагрузки под действием источника питания пойдет ток.

Тиристор, снабженный третьим (управляющим) электродом, называется тринистором. Управляющий электрод позволяет с помощью небольшого сигнала управления (импульса напряжения) перевести тиристор из закрытого состояния в открытое при неизменном (заданном) напряжении на основных электродах. Обратный переход из открытого состояния в закрытое с помощью управляющего напряжения в тиристоре невозможен.

Основное свойство тиристора – это способность находится в двух устойчивых состояниях: закрытом и открытом. В закрытом состоянии сопротивление тиристора составляет десятки миллионов Ом и он практически не пропускает ток при напряжении до тысячи вольт. В открытом состоянии сопротивление тиристора незначительно (сотые доли Ом). Падение напряжения на нем в этом случае составляет около 1 В при больших токах (десятки и сотни ампер). Переход тиристора из одного состояния в другое происходит за очень короткое вре-

74

мя (практически скачком).

Преимущества тиристоров заключаются в следующем: малая масса и габариты, большой срок службы, высокий КПД, малая чувствительность к вибрациям и механическим перегрузкам, способность работать при больших токах и напряжениях. Тиристоры широко применяются в автоматике, энергетике, электронике.

Р-n переходы диодов, транзисторов и тиристоров изготавливаются с помощью различных технологических операций: сплавления, диффузии или комбинации этих процессов, эпитаксиального наращивания, вытягивания из расплава и др. Для защиты готовых диодных, транзисторных и тиристорных структур от воздействия внешней среды и для стабилизации параметров кристаллы с переходами помещаются в герметичные металло-стеклянные корпуса.

Перед сборкой кристаллы с p-n переходами и другие элементы конструкции подвергаются тщательной очистке различными химическими методами, включающими травление, промывку, осушение. Операции по сборке диодов и транзисторов производятся в специальной защитной атмосфере.

Для поглощения вредно действующих газов или жидкостей, которые могут попасть.внутрь корпуса, перед герметизацией прибора под колпачок помещаются специальные адсорбирующие вещества. Герметизация металлических корпусов производится обычно методом холодной сварки или электросварки.

Нарушение герметичности корпуса полупроводникового прибора приводит к изменению его параметров, нестабильности, увеличению шумов и может вызвать преждевременный выход прибора из строя.

Классификация и система обозначения полупроводниковых приборов

Диоды классифицируются по следующим основным группам:

а) выпрямительные (обычно для работы в выпрямителях токов низкой частоты); б) высокочастотные (для различных схем нелинейного преобразования сигналов высокой частоты); в) импульсные (для работы в схемах с импульсами микросекундного и наносекундного диапазона);

г) переключающие (четырехслойные диоды типа р-п-р-п,специально предназначенные для переключения больших токов); д) опорные (стабилитроны, диоды для стабилизации напряжения);

е) варикапы (полупроводниковые конденсаторы, емкость которых изменяется при изменении приложенного к ним напряжения); ж) туннельные (имеющие на вольт-амперной характеристике участок с динамическим отрицательным сопротивлением);

з) диоды СВЧ (специально предназначенные для работы в диапазоне сантиметровых и более коротких радиоволн).

Транзисторы и тиристоры классифицируются в зависимости от величины максимальной мощности, рассеиваемой прибором, и предельной рабочей частоты на следующие основные группы: маломощные, средней мощности и мощные.

В связи с недостатками старой системы классификации и обозначений полупроводниковых приборов принята новая, более совершенная система обозна-

75

чений. В соответствии с этой системой приборам присваиваются обозначения, состоящие из четырёх элементов.

Первый элемент обозначения - буква Г или цифра 1 - исходный материал германий; буква К или цифра 2 - кремний; буква А или .цифра 3 - арсенид галлия.

Второй элемент обозначения - буква, указывающая класс или группу приборов: Д - диоды; Т - транзистор; У - тиристоры (управляемые переключающие приборы); В - варикапы; А - сверхвысокочастотные диоды; Ф - фотоприборы; Н - неуправляемые многослойные переключающие приборы; И - туннельные диоды; С - стабилитроны; Ц - выпрямительные столбы и блоки.

Третий элемент обозначения - число, указывающее порядковый номер разработки прибора и его назначение или электрические свойства.

Четвертый элемент обозначения - буква, указывающая разновидность типа данной разработки приборов.

Например: КД242Б - кремниевый диод, ГТ210А - германиевый транзистор, КТ803Б - кремниевый транзистор, КУ201Н - кремниевый тиристор.

Основные характеристики и параметры полупроводниковых приборов

Параметры диодов

Основной характеристикой диодов является вольт-амперная характеристика, которая приведена на рис. 15. 4. В прямом направлении через диод может протекать большой ток, и он представляет собой малое сопротивление. В обратном направлении сопротивление диода велико. Величину падения напряжения на диоде при протекании через него постоянного прямого тока Iï ð характеризует параметр Uï ð .

Приложенное к диоду постоянное обратное напряжение Uî áð вызывает протекание постоянного об-

ратного тока Iî áð . Величины обратного напряжения

Uî áð для разных диодов лежат в широком диапазо-

не от десятков до нескольких сотен вольт. В прямом направлении через мощные диоды могут протекать токи в несколько десятков и сотен ампер

при прямых падениях напряжениях около 1 В.

Предельный режим диода характеризуется следующими параметрами: Iï ð.ì àêñ

- максимальная (предельная) величина постоянного прямого тока через диод; Uï ð.ì àêñ - максимальная (предельная) величина обратного напряжения любой

формы и периодичности.

Параметры транзисторов

Основными характеристиками транзисторов являются их вольт-амперные характеристики. Статические вольт-амперные характеристики транзисторов снимаются на постоянном токе по точкам или получаются с помощью специальных характериографов (обычно в виде семейства характеристик).

Чаще всего используются два семейства характеристик транзистора, включенного

76

77

Ток, в котором сопротивление тиристора становится отрицательным, называется током включения Iâêë . Для того чтобы перевести тиристор из открытого со-

стояния в закрытое, необходимо снизить ток через него до значений, меньших удерживающего тока Ióä .

Семейство вольт-амперных характеристик тиристора представлено на рис 7. 8. Подавая на управляющий электрод сигнал, можно менять напряжение включения тиристора. Чем больше ток управления Ió , нем меньше напряжение включения

растет и соответственно уменьшается ток тиристора. Включение тиристора осуществляется подачей импульса напряжения

на управляющий электрод УЭ, который на схеме не обозначен.

Вопросы для самопроверки

1.Как образуется р-n переход и какое его основное свойство?

2.Как устроен диод?

3.Как устроен транзистор?

4.Как устроен тиристор?

5.Схема включения диода в электрическую цепь.

6.Включение транзистора в электрическую цепь по схеме с общим эмиттером?

7.Схема включение тиристора в электрическую цепь.

78

8.Основные характеристики и параметры диода.

9.Основные характеристики и параметры транзистора.

10.Основные характеристики и параметры тиристора.

11.Классификация и система обозначения диодов.

12.Классификация и система обозначения транзисторов.

13.Классификация и система обозначения тиристоров.

ЛЕКЦИЯ № 16 ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Фотоэлектрическими приборами называют преобразователи лучистой энергии, благодаря которой изменяются электрические свойства вещества, образующего данный прибор.

Эти приборы делятся на два типа: с внешним и внутренним фотоэффектом. Суть внешнего фотоэффекта состоит в том, что при облучении фотокатода

светом возникает явление фотоэлектронной эмиссии. При этом ток фотоэмиссии прямо пропорционален световому потоку (закон Столетова):

вительность фотокатода.

Интегральная чувствительность равна значению фототока, вызванного световым потоком стандартного источника белого света в 1 лм.

Главные закономерности фотоэффекта были выведены А. Эйнштейном на основе фотонной теории света. Согласно этой теории, лучистая энергия излучается и поглощается не как непрерывный поток, а определенными порциями - квантами. Каждый квант (фотон) в зависимости от частоты излучения v обладает определенным количеством энергии w :

w = hv ,

где h = 6,66 ×10−34 Дж×с - постоянная Планка.

Когда поток фотонов падает на фотокатод, энергия фотонов передается свободным электронам, которые, совершая определенную работу выхода wo, покидают катод с начальной скоростью v0. Этот процесс описывается уравнением

Из уравнения (16.2) следует, что электрон может покинуть катод, если работа выхода меньше энергии кванта.

Суть внутреннего фотоэффекта состоит в том, что в полупроводнике под действием световой энергии возникают подвижные носители зарядов: пары электронов и дырок. При этом энергия фотона идет на перемещение электрона из валентной зоны в зону проводимости и сопротивление полупроводника уменьшается.

16.1. Электронные фотоэлементы с внешним фотоэффектом

Фотоэлементами с внешним фотоэффектом называются электронные приборы, работа которых основана на явлении фотоэлектронной эмиссии с катода.

79

Фотоэлемент монтируется в стеклянной колбе, внутри которой, как и в электронных лампах, создается вакуум.

Rн

Ф Iф

Ua

− +

Ua

Рис. 16.2. Схема включения Рис. 16.1. Устройство (а) и ус- электронного фотоэлемента ловное изображение (б) фото-

элемента

Фотокатодом элемента 1 (рис. 8.1) является тонкий слой светочувствительного материала (щелочноземельного металла), которым покрыто около 50% внутренней поверхности колбы. Анодом фотоэлемента 2 является кольцо из тонкой никелевой проволоки, что обеспечивает свободное поступление света на фотокатод.

На рис. 16.2 представлена схема включения фотоэлемента, которая служит для преобразования светового потока в сигнал постоянного напряжения (тока). При освещении фотокатода в цепи появляется фототок Iô , проходящий через

сопротивление нагрузки Rí .

kkmax

Iф,мкА

Так как, согласно (16.1), значение Iô прямо пропорционально световому потоку, то выходное напряжение фотоэлемента равно

80