содержание      ..      1      2      3      ..

Глава 2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИИ ТЕПЛОВОЗОВ 3ТЭ10М, 2ТЭ10М, 2ТЭ10В, 2ТЭ10Л, 2ТЭП60

3. Классификация полупроводниковых приборов

В электрооборудовании тепловозов все большее применение находят бесконтактные аппараты, в которых используются диоды, стабилитроны, транзисторы и тиристоры. Прежде чем ознакомиться с устройством и работой бесконтактных регуляторов напряжения и других бесконтактных аппаратов, рассмотрим основные свойства и характеристики полупроводниковых приборов.

Все вещества различаются по способности проводить электрический ток. Металлы являются хорошими проводниками, диэлектрики электрический ток не проводят. Вещества, которые по удельному сопротивлению занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками, называют полупроводниками. Полупроводники — это германий Ge, кремний Si, селен Se и др.

При увеличении температуры полупроводника связи электронов с соседними ядрами атома кристаллической решетки нарушаются и появляются свободные электроны, а если такой полупроводник поместить в электрическое поле, то через него

пойдет электрический ток. При освобождении электрона в кристаллической решетке атома образуется как бы пустое место, получившее название дырки. Дырки — лишь носители положительного заряда, но они не являются какими-то частицами, имеющими массу и заряд.

Проводимость полупроводника, обусловленная перемещением свободных электронов, называется электронной (n-проводимостью), а проводимость, обусловленная перемещением дырок, называется дырочной (р-проводимостью). Соответственно различают электронный и дырочный токи. Полный ток в полупроводнике равен сумме электронного и дырочного токов.

Чистый полупроводник имеет очень небольшое число носителей заряда и его собственная электропроводность чрезвычайно мала. Избыточные носители зарядов (электроны или дырки) могут быть получены путем искусственного введения (легирования) в полупроводниковый материал специальных примесей. Пятивалентная примесь (например, фосфор Р, мышьяк As и др.) отдает в полупроводник электроны и называется донорной (от слова донор—дарящий).

Рис. 9. Включение р-n-перехода

Рис. 10. Классификация наиболее распространенных полупроводниковых приборов, используемых в электрооборудовании тепловозов

Полупроводник с донорной примесью имеет электронную проводимость или проводимость типа n (от первой буквы слова negative — отрицательный). Трехвалентная примесь (например, бор В, алюминий А1 и др.) создает в полупроводнике избыток дырок и называется акцепторной (от слова акцепт — принимающий). Полупроводник с акцепторной примесью имеет дырочную проводимость или проводимость типа р (первая буква слова positive — положительный).

Полупроводник с электронной или дырочной проводимостью электрически нейтрален. Если в полупроводниковом кристалле одна область за счет донорной примеси имеет элект-ронную проводимость (типа п), а другая за счет акцепторной примеси имеет дырочную проводимость (типа р), то на границе этих областей образуется электронно-дырочный (р-n) переход, который обладает односторонней проводимостью.

При прямом включении, т. е. тогда, когда положительный полюс источника подключен к области с дырочной проводимостью, а отрицательный полюс — к области с электронной проводимостью, р-n-переход открыт (рис. 9, а). Если подключить положительный полюс источника к области с электронной проводимостью, а отрицательный полюс к области с дырочной проводимостью, то

р-n-переход будет закрыт, и такое его включение называется обратным (рис. 9, б).
Основу почти всех полупроводниковых приборов составляют р-n-переходы и в зависимости от их числа обычно классифицируются полупроводниковые приборы (рис. 10).

4 Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называется прибор с одним электронно-дырочным переходом и двумя электродами. В тепловозных аппаратах и схемах применяются как кремниевые, так и германиевые диоды. Кремниевые диоды обеспечивают большую надежность в работе, допускают более высокие окружающие температуры. Из многочисленных типов полупроводниковых диодов в тепловозных аппаратах и схемах применяются исключительно выпрямительные диоды. Они используются для выпрямления переменного тока и обеспечения односторонней проводимости (в качестве вентиля) в цепях постоянного тока. По значению номинального тока низкочастотные выпрямительные диоды делятся на диоды малой (до 0,3 А), средней (от 0,3 до 10 А) и большой мощности (10 А и более). Диоды большой мощности называют также силовыми. Силовые диоды (или вентили) делятся на классы по значению обратного напряжения и на группы по падению напряжения при номинальном прямом токе.

Рис. 11. Вольтамперная характеристика диода

Рис. 12. Двухполупериодная мостовая схема выпрямления переменного тока и соотношение электрических величии в ней:

Силовые кремниевые диоды в зависимости от характера процессов, протекающих при высоком обратном напряжении, подразделяются на обычные и с контролируемым лави-нообразованием (лавинные). Лавинные диоды могут работать в режиме обратного перенапряжения, что значительно повышает их надежность.

Основная характеристика диода вольт-амперная (рис. 11). При включении диода в прямом (проводящем) направлении ток Iпр через него сразу

возрастает, а падение напряжения будет небольшим (доли вольта). При обратном включении диода (в непроводящем направлении) через него будет протекать очень малый обратный ток Iобр (миллиамперы).

В тепловозных схемах часто встречаются двухполупериодные мостовые схемы выпрямления переменного тока Iвып (рис. 12). В первую

половину периода переменного тока, когда условно предполагается «плюс» у точки х, а «минус» у точки у, ток на нагрузку течет через диоды 1 и 3. Во вторую половину периода полярность у точек х и у меняется, а ток течет через диоды 2 и 4 на нагрузку в том же направлении.

5. Стабилитроны

Стабилитрон — это специальный тип полупроводникового диода, который при включении в обратном направлении может продолжительно работать в режиме электрического пробоя р-n-перехода и обеспечивать при изменении обратного тока постоянное напряжение на своих зажимах (рис. 13).

Рис. 13. Условное графическое обозначение стабилитрона (а) и его вольт-амперная характеристика (б)

При подключении в прямом направлении и при обратном напряжении, меньшем, чем напряжение пробоя, стабилитрон ведет себя подобно обычному диоду. Однако при определенном напряжении обратный ток через стабилитрон резко возрастает; т. е. происходит электри-ческий (лавинный) пробой р-n-перехода. Максимальное значение обратного тока (тока стабилизации) ограничивается допустимой мощностью рассеивания, превышение которой приводит к перегреву стабилитрона и его тепловому пробою. Наименьшее значение тока стабилизации обычно равно примерно 1 мА.

Напряжение, при котором происходит электрический пробой и которое поддерживается постоянным на зажимах стабилитрона, называется напряжением стабилизации Ucт. Так, для применяемых в тепловозных аппаратах стабилитронов напряжение стабилизации равно: для стабилитронов Д809 — 8—9,5 В, Д815Л—5,6± 0,56 В, Д815Ж—18±1,8 В.

В тепловозных схемах и электро-аппаратах применяются в основном две схемы включения стабилитронов. Для стабилизации напряжения один или несколько стабилитронов включаются параллельно нагрузке (рис. 14, а, б). При изменении входного напряжения меняется ток через стабилитрон; падение напряжения на стабилитроне (или стабилитронах) остается неизменным. Следовательно, неизменными будут падение напряжения Uвых на резисторе нагрузки Rн и ток в нем Iн. При последовательном включении нескольких стабилитронов суммарное напряжение стабилизации равно сумме значений напряжения стабилизации всех стабилитронов.

В качестве чувствительного элемента, реагирующего на изменение напряжения, стабилитрон включается последовательно с прибором, например, полупроводниковым (рис. 14, в).

Рис. 14. Включение стабилитронов:

При подведенном напряжении менее напряжения стабилизации стабилитрон закрыт и в цепи прибора тока нет. Когда напряжение превысит напряжение стабилизации, стабилитрон начнет пропускать ток. Такая схема включения применена в качестве чувствительного элемента измерительного органа регуляторов напряжения БРН-2, БРН-3, БРН-3А и РНТ-5.

6.  Транзисторы

Транзистор (полупроводниковый триод) — это полупроводниковый прибор, кристалл которого состоит из трех областей с чередующейся проводимостью и имеет два р-n-перехода.
Две крайние области кристалла полупроводникового материала (кремния или германия) имеют одинаковый тип проводимости. Средняя область обладает противоположной проводимостью. Одна крайняя область называется эмиттером Э, она является источником электрически заряженных частиц. Другую крайнюю область называют коллектором К, она служит для собирания частиц. Через среднюю область (базу Б) производится управление потоком электрически заряженных частиц. Соответственно р-n-переходы называют эмиттерным ПЭ и коллекторным Пк.

В зависимости от чередования типов проводимости указанных областей различают транзисторы типов р-n-р и n-р-n(рис. 15). Направление тока и полярность внешних источников напряжения для этих типов транзисторов противоположные; соответственно отличаются условные графические обозначения (в этих обозначениях стрелки у эмиттера показывают направление тока).
 

Рис. 15. Структуры областей кристалла транзисторов и условные графические обозначения их:
а — транзисторы типа р-n-р; б — транзисторы типа n-р-n; Э - эмиттер; К — коллектор; В — база

Рис. 16. Включение источников напряжения для транзисторов по схеме с общим эмиттером

а — транзистор типа р-n-р, 6 — транзистор типа n-р.

Все три области транзистора имеют выводы (электроды), через которые они включаются во внешние цепи.
Источники напряжения подключают к р-n-переходам всегда следующим образом. К эмиттерному переходу (эмиттер—база) напряжение подводится в прямом направлении. К коллекторному переходу (коллектор—база) напряжение подключается в обратном. При таком подключении подведенное к эмиттерному переходу напряжение намного меньше, чем напряжение, подведенное к коллекторному переходу (рис. 16).

При включении транзистора различают входную цепь, по которой подводится входной (управляющий) сигнал, и выходную цепь, по которой выводится выходной (управляемый) сигнал. Для входной и выходной цепей используются по два электрода. Поскольку транзистор имеет всего три электрода, один из них является общим для входной и выходной цепей. В соответствии с этим применяются три схемы включения транзисторов: с общим эмиттером, с общим коллектором и с общей базой.

Наиболее распространенной и применяемой в тепловозных аппаратах является схема с общим эмиттером как дающая наибольшее усиление по току и мощности (рис. 17). При этой схеме напряжение питания Uп подводится к цепи эмиттер—коллектор, соединенной последовательно с нагрузкой Rn; напряжение управления транзистором Uэб подводится к переходу эмиттер—база. Таким образом, напряжение управления транзистором Uэб или ток базы Iб является для транзистора входным сигналом, который управляет током выхода Iк. Для рассматриваемой схемы, как и для всех транзисторов и

схем включения, справедливо равенство Iи= Iэ—Iв . При этом ток базы Iб значительно меньше тока эмиттера Iэ или коллектора Iк (он составляет лишь несколько процентов от тока эмиттера или коллектора). Поэтому можно написать Iэ~Iк. Этот ток называют выходным током или током нагрузки.

Рис. 17. Включение транзисторов типа р-п-р по схеме с общим эмиттером

Рис. 18. Статическая характеристика транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером

Изменение тока базы (или напряжения Uэб ) приводит к значительному изменению тока коллектора. Этот режим работы транзистора называется активным. При определенном значении тока базы ток коллектора достигает максимального значения, не зависящего от тока базы

(напряжения Uэб ). Это есть режим насыщения. При этом режиме значение тока коллектора определяется напряжением Un и внешним сопротивлением цепи Rн. Если ток в цепи базы равен нулю или, другими словами, если потенциал у базы равен или выше, чем у эмиттера, ток коллектора будет близок к нулю. Такой режим называется «режимом отсечки» и, иначе говоря, при этом транзистор закрыт.

В электрических аппаратах транзисторы могут работать в активном режиме, когда используется зависимость тока нагрузки от тока базы. Однако чаще транзисторы используются в импульсном режиме, называемом «режимом ключа». Этот режим характеризуется быстрым чередованием режимов отсечки и насыщения, при этом продолжительность перехода от одного режима к другому весьма мала по сравнению с продолжительностью этих режимов. В режиме ключа управляемая транзистором мощность цепи может быть в несколько раз больше, чем мощность рассеивания транзистора. Объясняется это тем, что в режиме отсечки, когда ток Iк близок к нулю, потери близки к нулю; в режиме насыщения, когда сопротивление переходов близко к нулю, и потери близки к нулю. Потери в режиме ключа в основном обусловливаются переходными процессами, которые, как указывалось выше, являются кратковременными.

В I квадранте графика со статическими характеристиками транзистора (рис. 18) изображена зависимость тока нагрузки Iк от напряжения Uэк при разных значениях тока базы Iб (выходная характеристика). На графике указаны ограничения режимов работы транзистора по мак-симально допустимому току коллектора IК max, по МЭКСИМаЛЬНО ДОПуСТИ-мому напряжению UэKmax и по максимально допустимой мощности на коллекторе Рк mах = Iк Uэк =COnst (ЛИНИЯ б—в). Линия 0—а показывает режим насыщения. На этом графике представлена

В тепловозных электрических аппаратах транзисторы применяются в качестве бесконтактного ключевого элемента, для усиления электрических сигналов или в качестве управляемого резистора.

7 Тиристоры

Тиристор (кремниевый управляемый диод) представляет собой полупроводниковый прибор, имеющий четырехслойную структуру р-n-р~n с тремя р-n-переходами и одним управляющим электродом (рис. 19).

Рис. 19. Структура областей кристалла тиристора (а) и условное графическое обозначение его (б):
А — анод; К — катод; У — управляющий электрод

Крайняя p-область тиристора называется анодом А, крайняя n-область— катодом К. Средние области называют базой. К аноду присоединяется положительный полюс источника тока, к катоду — отрицательный.

спрямления) тиристор будет проводить ток в прямом направлении при минимальном приложенном напряжении (как обычный диод). Обычно очень небольшой ток управления (миллиамперы) управляет силовой цепью, где протекает, порой, ток значительно большего значения.

Для закрытия тиристора недостаточно снять управляющее напряжение. Закрыть тиристор можно одним

из следующих способов: 1) разрывом силовой цепи; 2) снижением тока в силовой цепи ниже некоторого значения Iуд, называемого током удержания или током выключения; 3) приложением к тиристору обратного напряжения. Третий способ, обеспечивающий наибольшее быстродействие, применяется, в частности, в тепловозных регуляторах напряжения, для чего в них предусмотрен специальный узел, подающий на катод тиристора импульсы обратного напряжения (мультивибратор).

Если к тиристору приложить обратное напряжение, то он, как и обычный неуправляемый диод, находится в режиме обратного запертого состояния и через него протекает небольшой по значению обратный
ток I^обр _ут.

В ряде схем применяется управление открытием тиристоров путем периодической подачи на управляющий электрод импульсов тока управления. Этот способ управления тиристорами называется импульсно-фазовым. Импульсно-фазовое управление тиристорами характеризуется углом управления а, который измеряется в электрических градусах и отсчитывается от момента подачи на анод данного тиристора положительного напряжения до подачи на его управляющий электрод импульса тока управления.

Изменяя угол управления а, изменяют время, в течение которого тиристор находится во включенном состоянии (угол 180—а°, эл.) и тем самым регулируют ток.

Чем меньше угол а, тем больше среднее значение тока, протекающего через тиристор.

содержание      ..      1      2      3      ..