Проверка и ремонт приборов в ремонтно-технологических участках

 

1)   Назначение ремонтно-технологического участка (РТУ).

2)   Опишите процесс прохождения прибором проверки.

3)   Приведите примеры механических характеристик и методов проверки этих характеристик.

4)   Приведите примеры электрических характеристик приборов методы проверки этих характеристик.

5)   Приведите примеры временных характеристик приборов методы проверки этих характеристик.

6)   Какую информацию содержит этикетка, приклеиваемая в РТУ.

 

 

Глава 7 полупроводниковые приборы

 

7.1. Общие сведения

 

В железнодорожной автоматике и телемеханике все более широ­кое распространение получают устройства, выполненные на бескон­тактных элементах: диодах, тиристорах, транзисторах, магнитных элементах и др.

Рассмотрим принцип действия наиболее часто применяемых по­лупроводниковых элементов. Их действие основано на свойстве крис­таллов и некоторых химических элементов резко изменять сопро­тивление (проводимость) в зависимости от действия внешних факторов и, прежде всего, от полярности и значения приложенного напряжения. Наибольшее распространение в качестве исходных материалов для полупроводниковых приборов получили германий и кремний, в меньшей степени селен. Кремниевые приборы обладают более широким температурным диапазоном и большим диапазоном рабочих напряжений, чем германиевые.

 

Полупроводниковый диод германиевый или кремниевый представ­ляет собой элемент, сопротивление которого резко изменяется в зависимости от полярности приложенного к нему напряжения. Если напряжение приложено в проводящем направлении — от анода к ка­тоду, то сопротивление диода мало, и через него будет протекать ток, определяемый в основном сопротивлением нагрузки (на рис. 7.1, сопротивление нагрузки не показано).

Рис. 7.1. Условное обозначение и вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

 

При обратной полярности приложенного напряжения сопротивление диода резко возрастает и составляет несколько сотен килоом. Падение напряжения на диоде в прямом направлении составляет 0,1—0,2 В для германиевых и 0,4—0,5 В для кремниевых диодов; обратный ток диодов, как прави­ло, не превышает 1 мА. В полупроводниковой технике применяются большое число диодов различных типов, рассчитанных на прямой ток от нескольких миллиампер до нескольких десятков ампер и на обратное напряжение от нескольких десятков до сотен вольт. Так, для кремниевых диодов Д226А, Д226Б, Д226В, Д226Г, Д226Д пря­мой ток составляет 50—400 мА, а обратное напряжение 50— 400 В; диоды Д242 рассчитаны на прямой ток до 10 А. В случае пре­вышения допустимых (паспортных) значений тока или напряже­ния диод может выйти из строя. При превышении прямого тока диод выходит из строя в основном вследствие перегрева, а при пре­вышении обратного напряжения наступает пробой полупроводни­кового слоя.

Основными параметрами диодов являются максимальный вып­рямленный ток, максимально допустимое напряжение, прямое паде­ние напряжения, обратный ток и предельная температура. Электри­ческие параметры зависят от температуры, что присуще полупро­водниковым материалам. В справочной литературе обычно приво­дятся параметры для температуры +25 °С.

Диоды применяются как выпрямительные и стабилизирующие элементы, в логических элементах, в цепях ограничения сигналов и в ряде других устройств автоматики.

 

Стабилитрон, называемый также опорным диодом, предназначен для работы в области пробоя. Он используется обычно в электри­ческих схемах стабилизации напряжения (рис. 7.2). Нормальным (ра­бочим) напряжением для стабилитрона является обратное напря­жение.

Рис. 7.2. Схема включения стабилитрона

 

При превышении напряжения питания по сравнению с напряже­нием пробоя стабилитрона VD последний пробивается, после чего напряжение на нем практически не изменяется. В случае увеличения напряжения питающей батареи избыток напряжения гасится на бал­ластном резисторе Rб, а напряжение на нагрузке Rн, включенной па­раллельно стабилитрону, остается практически неизменным. При включении стабилитрона в прямом направлении он работает как обычный диод.

Промышленность выпускает кремниевые стабилитроны на рабо­чие токи стабилизации от нескольких миллиампер до нескольких ампер и на напряжение от 3,3 до 180 В.

 

Стабисторы используют в устройствах автоматики в качестве элементов, обладающих малыми и стабильными напряжениями ста­билизации. В отличие от стабилитронов они работают при прямом включении.

 

Тиристор (рис. 7.3), называемый также управляемым диодом, представляет собой четырехслойный монокристалл; кроме анода и катода, он имеет управляющий электрод. Нормально тиристор зак­рыт, т. е. не пропускает ток от анода к катоду при подключении к нему положительного напряжения. Открывается тиристор при пропуска­нии по управляющей цепи (между управляющим электродом и като­дом) небольшого тока управления.

Рис. 7.3. Условное обозначение тиристора

 

После этого тиристор работает как обычный кремниевый диод, т. е. ток в цепи анода практически определяется только нагрузкой, причем он остается открытым и после размыкания управляющей цепи, если между анодом и катодом сохра­няется прямое напряжение. Падение напряжения на открытом тиристоре составляет примерно 1 В. Открытый тиристор не может быть зак­рыт изменением управляющего тока; для его закрытия необходимо прекратить ток в цепи анод — катод или сделать анод отрицательным по отношению к катоду или кратковременно замкнуть тиристор. Чем выше напряжение на аноде, тем меньший ток управления требуется для открытия тиристора.

При достаточно высоком напряжении на аноде тиристор может открыться самопроизвольно, без пропускания тока через управляю­щий электрод, т. е. теряется управляемость тиристора.

Промышленность выпускает тиристоры на различные рабочие токи и напряжения.

 

Динистор является переключающим диодом. Его вольт-амперная характеристика похожа на характеристику тиристора, но в отличие от последнего он не имеет управляющего электрода, поскольку как и обычный диод имеет только два вывода. Внешне он выглядит как обычный кремниевый диод. Так же, как и тиристор, включенный динистор можно выключить, сняв с него прямое напряжение или кратковременно изменив его на обратное.

 

Светодиод обладает способностью излучать свет при работе на прямой ветви вольт-амперной характеристики. Основными парамет­рами этого диода являются — сила света или мощность излучения, длина волны (или цвет) и диаграмма направленности излучения, т. е. распределением мощности излучения по углу отклонения от оси. Этот диод характеризуется также и обычными параметрами диодов: прямым напряжением, допустимым прямым током, допус­тимым обратным напряжением и т. д.

В качестве исходных материалов для изготовления светодиодов используют арсенид таллия и фосфид кремния. Размеры светодиодов не превышают 2—3 мм (в бескорпусном оформлении). При работе на прямой ветви такой диод напоминает светящуюся точку. На осно­ве такой структуры изготовляют карбидо-кремниевые цифровые индикаторы. Индикатор имеет семь элементов, позволяющих при подаче прямого напряжения высвечивать 10 цифр — от 0 до 9. Вклю­чение той или иной цифры обеспечивается внешней коммутацией девяти выводов индикатора.

Светодиоды обладают высоким быстродействием и экономич­ностью. В устройствах железнодорожной автоматики их пока приме­няют ограниченно, тем не менее их следует признать перспектив­ными, так как при прочих преимуществах они позволяют наглядно контролировать работу отдельных элементов схем.

Светодиод, соединенный с фототранзистором, образует так на­зываемую оптронную пару (оптрон). Сигнал в оптроне передается с помощью изменения интенсивности излучения свето-диода с последующим восприятием этого излучения фототранзисто­ром, коллекторный ток которого зависит от освещения базы. К преи­муществу такого устройства можно отнести гальваническую развяз­ку между входным и выходным сигналами, что является сущест­венным для многих схем железнодорожной автоматики и телемеха­ники.

 

Транзистор, или полупроводниковый триод, представляет собой трехслойный монокристалл, имеющий три вывода (электрода), ко­торые называют эмиттером, коллектором и базой. Переходы эмит­тер — база и коллектор — база проводят электрический ток в од­ном направлении — в сторону базового вывода, а в обратном нап­равлении они представляют большое сопротивление, т. е. эти пере­ходы аналогичны диодам. Переход эмиттер — коллектор нормально закрыт (не пропускает ток). Если же через цепь базы проходит ток, то переход эмиттер — коллектор открывается и при наличии напряжения между коллектором и эмиттером в этой цепи начинает протекать ток. Причем ток коллектора в В раз больше тока базы (В —коэффициент усиления транзистора). При изменении тока ба­зы (вход) изменяется и ток коллектора (выход). Причем относитель­но небольшие изменения значения тока базы вызывают во много раз превышающие их значения тока коллектора (в десятки раз). На этом эффекте основано действие схем усилителей на транзисторах.

В зависимости от способа включения сигнала (вход) и нагрузки (выход) различают схемы включения транзистора с общим эмитте­ром (рис. 7.4, а), общей базой (рис. 7.4, б) и общим коллектором (рис. 7.4, в).

Рис. 7.4. Схемы включения транзисторов

 

Наиболее часто применяют схему с общим эмиттером (ОЭ), так как она дает наибольшее усиление мощности сигнала. При та­ком включении транзистора усиливается как ток, так и напряжение сигнала. В схемах с общей базой (ОБ) усиливается только напряже­ние сигнала, усиление тока здесь отсутствует, так как практичес­ки ток сигнала и ток нагрузки в этом случае один и тот же. В схеме с общим коллектором (ОК) имеет место усиление тока, а усиление напряжения здесь отсутствует, так как напряжение на входе и вы­ходе практически одно и то же (напряжение на выходе ниже напряжения на входе на значение падения напряжения на переходе эмит­тер — база).

В устройствах автоматики и телемеханики наиболее часто тран­зисторы работают в режиме переключения, т. е. в процессе работы они находятся в двух состояниях: сигнал на входе отсутствует и транзистор закрыт; на входе имеется сигнал достаточного уровня и транзистор полностью открыт (насыщен).

Выше были рассмотрены схемы включения транзистора типа р-п-р. Широко применяют также транзисторы (типа п-р-п), по­лярность включения которых является обратной (рис. 7.4, г). Это обусловлено другим чередованием типов проводимости в структуре монокристалла. В остальном принцип их действия аналогичен тран­зисторам типа р-п-р.

Для полного открытия (насыщения) транзистора типа р-п-р к базе необходимо приложить отрицательное (по отношению к эмиттеру) напряжение, а для насыщения транзистора типа п-р-п к базе необходимо приложить положительное (относительно эмиттера) на­пряжение 0,3—0,8 В. Широкое применение находят так называемые интегральные микросхемы (ИМС), которые представляют собой целые функциональные схемы, сосредоточенные в одном моно­кристалле. Интегральная микросхема состоит из множества компо­нентов (резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов и т. п.), изготовленных в едином технологическом цикле. Применение ИМС позволяет значительно уменьшить размеры и массу электронных уст­ройств, упростить проектирование и монтаж, повысить надежность действия системы автоматики и телемеханики, снизить их стоимость и потребление электроэнергии.

Полупроводниковая ИМС обычно представляет собой кристалл кремния, в поверхностном слое которого по специальной технологии сформированы области, эквивалентные элементам электрической схе­мы (резисторам, конденсаторам, диодам, транзисторам) и соедине­ния между ними.

Применение интегральных схем позволяет в тысячи раз повысить плотность размещения элементов схемы, в одном корпусе размещает­ся целая функциональная схема. Использование стандартных схем в стандартных корпусах уменьшает стоимость системы автоматики из-за упрощения построения схем, выполнения межэлементных соеди­нений и снижения затрат ручного труда.

Эти преимущества ИМС наиболее эффективно реализуются в сис­темах, в которых применяется большое число стандартных схем, например в вычислительных машинах. Промышленность выпускает стандартные ИМС, предназначенные для выполнения разнообразных функций. Это аналоговые (выполняющие непрерывное преобразо­вание сигнала) и цифровые (логические) схемы. К ним относятся уси­лители, генераторы, стабилизаторы, преобразователи, детекторы, триггеры, дешифраторы и т. д.

 

Вопросы для самоконтроля по пункту: