Электромонтер буровых установок - Электронные, ионные и полупроводниковые приборы

Глава VIII
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ, АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ
§ 1. ЭЛЕКТРОННЫЕ, ИОННЫЕ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

В связи с автоматизацией производственных процессов всех отраслей промышленности большое значение приобрела промышленная электроника — наука о техническом использовании электронных, ионных и полупроводниковых приборов.
Главная особенность электронных приборов (электронных ламп) состоит в том, что прохождение электрического тока в них связано с перемещением электронов в вакууме, а управление перемещающимися электронами осуществляется электрическим полем.
Ионными приборами называются устройства, в которых электрический ток представляет собой поток электронов и заряженных частиц — ионов в сильно разряженной газовой среде под действием сил электрического поля.
Полупроводниковыми приборами являются такие приборы, в которых электрический ток создается перемещающимися под действием электрического поля электронами и дырками в полупроводниковой среде.
Работа электронных и ионных приборов основана на использовании электронной эмиссии, которая заключается в выходе в вакуум или разреженный газ электронов с поверхности металлов. Движение этих электрически заряженных частиц создает ток в электронных и ионных приборах.

Основные виды электронной эмиссии, используемые в электронике: термоэлектронная, вторичная электронная и фотоэлектронная.

Термоэлектронная эмиссия

В металлах вокруг каждого атома имеются электроны, слабо связанные с ним. Часть этих электронов, оторвавшихся от своих ядер, находится в беспорядочном движении. Скорость хаотического движения этих свободных электронов зависит от температуры металла: чем выше температура, тем быстрее перемещаются электроны. При некоторых значениях температуры (900— 1000°С) скорость движения части электронов становится настолько значительной, что, преодолевая силы притяжения ядер атомов, они вырываются из металла и вылетают за его пределы. Это явление носит название термоэлектронной эмиссии. Наибольшей термоэлектронной эмиссией обладают натрий, калий, цезий, барий и некоторые другие металлы.

Вторичная электронная эмиссия

Если в вакууме на некотором расстоянии от электрода, из которого вылетают электроны, поместить металлическую пластинку и подать на нее положительный потенциал, то вылетающие с поверхности электрода электроны, несущие отрицательный заряд, будут притягиваться к пластине и с большой скоростью ударять в нее. Под действием ударов быстролетящих электронов с поверхности этой пластины будут выбиваться другие электроны, носящие название электронов вторичной эмиссии.

Фотоэлектронная эмиссия

Фотоэлектронная эмиссия происходит под воздействием световых, ультрафиолетовых и других лучей, попадающих на поверхность материалов.
Световой поток можно рассматривать как поток мельчайших частиц, носящих название фотонов. Фотоны, двигающиеся со скоростью 3 000 000 км/с, ударяясь о поверхность материала, выбивают из него электроны. Это явление называется фотоэффектом и используется в фотоэлементах.

Ионизация газа и электрический разряд

Процесс образования ионов в газе называется ионизацией. Ионизация газа может произойти под действием внешнего влияния — нагревания лучистой энергией и под воздействием электрического поля, в котором находится газ.
Ионизация атомов и молекул газа заключается в том, что от них открывается один или несколько электронов; при потере электронов они становятся положительными ионами. Оторвавшиеся свободные электроны вместе с положительными ионами сами участвуют в создании тока, протекающего в газе.

Электронная и дырочная проводимость в полупроводниках

Полупроводники получили свое название потому, что они обладают промежуточными свойствами между проводниками, имеющими большую электропроводность, и диэлектриками, которые тока не проводят. К полупроводникам относятся такие химические элементы, как германий, кремний, селен и многие другие твердые вещества, обладающие кристаллическим строением, окислы металлов, сернистые соединения и соединения селена.
Основное свойство полупроводников — изменение их электропроводности под действием температуры, света, давления и при наличии незначительных примесей. Особенностью полупроводников является то, что их электропроводность связана с перемещением в них не только отрицательных зарядов — электронов, но и положительных зарядов — дырок.
Электропроводимость, осуществляемая свободными электронами, называется электронной проводимостью полупроводника. Электронная проводимость называется n-проводимостью.
Если полупроводниковый кристалл поместить в электрическое поле, то свободные электроны будут перемещаться в направлении сил поля и в кристалле возникнет электрический ток.
При отрыве электронов от атомов в последних образуются свободные места, которые могут быть заняты другими электронами. Такие свободные места получили название дырок. Появление дырки связано с потерей электрона атомом, а потому в области образования ее возникает избыточный положительный заряд. Таким образом, наличие дырки равноценно положительному заряду.

Схема образования и заполнения дырок условно показана на рис. 96. На каждой подставке, установленной наклонно, имеется четыре отверстия (четыре дырки). В них расположено четыре шара (четыре электрона). Если шар 1 сместится вправо, он освободит отверстие (дырку) и упадет c подставки, тогда в отверстие, которое занимал этот шар, переместится шар 2. Свободное отверстие (дырку) этого шара займет шар 3, а отверстие последнего — шар 4.
Из этой схемы видно, что шары (электроны) перемещаются в одном направлении — вправо, а отверстия (дырки) — в противоположном направлении, т. е. влево. Кроме того, заполнение дырки сопровождается появлением новой дырки в соседнем атоме.
В результате перемещения электронов в полупроводнике создается возможность заполнения одних дырок и образования других. Возникновение каждой новой дырки сопровождается появлением свободного электрона, т. е. непрерывно идет образование пар: электрон—дырка. В свою очередь заполнение дырок приводит к уменьшению числа свободных электронов.
Таким образом, в кристалле, помещенном в электрическое поле, происходит не только перемещение электронов, имеющих отрицательный электрический заряд, но и перемещение дырок —  положительных зарядов. При этом направление перемещения дырок противоположно направлению движения электронов.
Электропроводимость, возникающая в результате перемещения дырок в полупроводнике, называется дырочной проводимостью. Дырочная проводимость называется р-проводимостью.

Электронные приборы

На принципе термоэлектронной эмиссии основана работа электронных ламп. Электронная лампа, имеющая два электрода — катод и анод, называется двухэлектродной или диодом.
Основные детали двухэлектродной электронной лампы — катод и анод, укрепленные в стеклянном или металлическом баллоне, из которого выкачан воздух.
Катод, служащий источником электронов, в простейшем виде представляет собой нить из тугоплавкого металла, обычно вольфрама. Пропуская по катоду электрический ток, можно накалять его до высокой температуры и тогда из его поверхности в вакуум будут вылетать электроны, образуя вокруг катода электронное облачко (пространственный заряд). Чтобы катод, изготовленный из вольфрама, пропускал нужное для работы электронной лампы количество электронов, он должен быть нагрет до 2000 °С.
Если вольфрамовую нить покрыть тонким слоем окиси щелочноземельного металла (бария), то рабочую температуру этих катодов достаточно поднять до 700—900 °С. Такие катоды называются катодами прямого накала.
Недостатком катодов прямого накала является то, что накал нити можно осуществлять только от источника постоянного тока и нельзя применять переменный ток.
Этот недостаток ликвидируется в катодах косвенного накала, у которых поверхность покрыта тонким слоем оксида, способного испускать электроны при сравнительно низкой температуре. Внутри трубочки находится покрытая изолирующим слоем вольфрамовая нить накала (подогреватель), по которой пропускают электрический ток. Нагретая током нить накала подогревает активированный оксидный катод и из него вылетают электроны. Питание подогретых катодов осуществляется переменным током.

Рис. 96. Схема образования и заполнения дырок в кристалле германия

Рис. 97. Схема электровакуумных приборов: а — диод; б, в, в — триод

Вокруг катода электронной лампы на некотором расстоянии от него помещается металлический анод, изготовляемый из никеля, молибдена или тантала. Катод разогревается батареей накала.
Ко второму электроду (аноду) присоединяют другую батарею так, чтобы, она своим положительным электродом соединялась с анодом лампы, а отрицательным — с нитью накала (рис. 97, а). Эта батарея называется анодной батареей.
При таком включении батареи анод заряжен положительно по отношению к катоду и между ними возникает электрическое поле. Когда нить накала нагреется, из катода начнут вылетать электроны, несущие отрицательный электрический заряд. Эти электроны будут притягиваться положительно заряженным анодом и под действием сил поля пролетать расстояние между катодом и анодом по цепи: катод—анод—сопротивление—миллиамперметр—анодная батарея—катод. Направление тока в цепи считается обратным направлению движения электронов. Эту цепь называют анодной цепью лампы.
Если полюсы анодной батареи переключить (к аноду лампы присоединить минус анодной батареи, а к нити накала — плюс), то отрицательно заряженный анод оттолкнет вылетевшие из нити электроны назад на катод и в анодной цепи тока не возникнет. Таким образом, электронная лампа (диод) проводит ток только в одном направлении — от анода к катоду при наличии положительного заряда на аноде по отношению к катоду. Свойство двухэлектродной лампы пропускать ток в одном направлении используется для выпрямления переменного тока в постоянный.
Электронная лампа, имеющая три электрода, называется триодом. Триод отличается от диода тем, что между его катодом и анодом находится третий электрод, выполненный в виде проволочной спирали, который называется сеткой. По своему  расположению сетка мешает или помогает электронам, вылетевшим с катода, достигнуть анода. Между сеткой и катодом включается напряжение, которое называется сеточным напряжением Uc.
Когда напряжение на сетке триода равно нулю (рис. 97,б), лампа работает как диод. Приложенное между сеткой и катодом напряжение создает дополнительное электрическое поле, воздействующее на летящие от катода к аноду электроны. Если это напряжение отрицательно, то вылетающие из катода электроны оказываются под действием притягивающей силы положительно заряженного анода и отталкивающей силы отрицательно заряженной сетки. Если отрицательное напряжение на сетке мало, то ее отталкивающая сила, действующая на электроны, невелика, поэтому сравнительно большая часть электронов перелетает через сетку к аноду. Однако с увеличением отрицательного напряжения на сетке отталкивающая сила электрического поля, действующая на электроны, возрастает. Вследствие этого сквозь сетку к аноду пролетает меньшее число электронов и анодный ток уменьшается.
Роль отрицательно заряженной сетки подобна роли регулируемого сопротивления в электрической цепи. При некотором значении отрицательного напряжения на сетке величина ее отталкивающей силы становится настолько большой, что ни один электрон не в состоянии пролететь сквозь сетку к аноду; анодный ток становится равным нулю. В этих условиях лампа «заперта» (рис. 95, в).
Если к сетке приложить не отрицательное, а положительное напряжение (рис. 95, г), то на электроны будут действовать две одинаково направленные силы: электрического поля анода и положительного заряда сетки. Большая часть электронов, пролетевших через сетку, достигнет анода, но значительная часть их притянется к сетке и образует сеточный ток. Этот ток вызывает вредный нагрев сетки и уменьшает силу анодного тока. Как видно из вышесказанного, при изменении напряжения на сетке можно управлять силой тока в анодной цепи лампы. Поэтому сетку называют управляющей.
Электронные лампы могут быть четырех- и пятиэлектродными. Они применяются в ламповых генераторах и усилителях, осциллографах, радиотехнических устройствах.

Ионные приборы

К ионным приборам относятся такие приборы, как неоновая лампа, стабилитрон, тиратрон, ртутный выпрямитель и др.
Неоновая лампа — это газоразрядная лампа, в которой образуется тлеющий электрический разряд. Она представляет собой баллон из стекла, наполненный смесью газов неона, гелия и аргона. Внутри баллона помещаются два металлических электрода, находящиеся на некотором расстоянии один от другого.

Электроды соединяются с цоколем лампы, а лампа с сетью через патрон.
Неоновые лампы выбираются по напряжению сети (127— 220 В), по напряжению, при котором возникает электрический разряд (60—550 В), а также по наибольшему допустимому току (0,2—30 мА). Они могут включаться как в цепь переменного, так и постоянного тока. Неоновые лампы применяются как индикаторы, определяющие наличие постоянного или переменного напряжения.
На производстве неоновая лампа используется в приборах для определения частоты вращения осей и валов механизмов. Такие приборы называются стробоскопическими тахометрами, работа которых основана на стробоскопическом эффекте.
Сущность этого эффекта заключается в том, что деталь, частоту вращения которой хотят определить, освещается неоновой лампой, зажигающейся с определенной частотой. Когда частота вспышек равна или кратна частоте вращения детали, то она в свете вспышек кажется неподвижной.
Допустим, что надо определить частоту вращения вала. Для этого на его торец необходимо наклеить стробоскопический диск, разделенный на четыре сектора: два черных и два белых. Пустив в ход вал, включаем неоновую лампу, питаемую переменным током определенной частоты, и освещаем ею стробоскопический диск. Если при этом диск, наклеенный на вал, будет перемещаться в сторону его вращения, то это укажет на его повышенную частоту вращения. Когда перемещение стробоскопического диска направлено в сторону, обратную вращению вала, то частота вращения его мала. Если диск будет казаться неподвижным, это будет означать, что частота вращения вала нормальная.
Таким образом, с помощью такого устройства можно быстро определить скоростной режим того или иного механизма и принять меры для его регулирования.
Тиратрон представляет собой триод, наполненный смесью инертных газов. В стеклянном баллоне тиратрона помещаются анод, катод и управляющий электрод — сетка. Катод нагревается электрическим током, на анод подается положительное напряжение. На сетку тиратрона подается отрицательное напряжение, удерживающее (запирающее) электроны в промежутке катод—сетка. Сетка тиратрона в отличие от сетки триода не позволяет изменять силу анодного тока.
Вследствие наличия газа в колбе тиратрона его с помощью сетки можно лишь отпереть — зажечь, но нельзя погасить.
После зажигания тиратрона сетка теряет свое управляющее свойство.

Рис. 98. Газоразрядные приборы:
а — тиратрон; б — ртутный выпрямитель: в — схема выпрямляющего действия дуги в колбе выпрямителя; Ес. Еа — э. д. с. соответственно сеточной и анодной цепей; rс, rа — сопротивления соответственно сеточной и анодной цепей; Пс, Па — потенциометры

Допустим, что на сетку тиратрона (рис. 98, а) через потенциометр Пс подан большой отрицательный потенциал, а анод имеет по отношению к катоду положительный потенциал. Электрическое поле сетки будет препятствовать движению электронов к аноду. Постепенное уменьшение запирающего отрицательного напряжения на сетке (путем перемещения движка потенциометра вправо) приведет к появлению небольшого тока в цепи анода.
При дальнейшем уменьшении этого напряжения большое количество электронов с высокой скоростью будет двигаться к аноду. На своем пути они станут ионизировать атомы газа. Движение ионов газа в свою очередь ускоряется электрическим полем анода и катода; при столкновениях с нейтральными атомами они образуют новые ионы в еще большем количестве. Такая лавинообразная ионизация сопровождается скачкообразным нарастанием силы анодного тока и зажиганием тиратрона. Для ограничения силы тока в цепи анода включается ограничительное сопротивление.
С момента зажигания тиратрона и возникновения электрического разряда в нем сетка теряет свое управляющее свойство. Это связано с тем, что отрицательный заряд сетки оказывается окруженным оболочкой из положительных ионов, которые нейтрализуют его действие.

Разряд в тиратроне можно прекратить двумя способами: 1) уменьшением анодного напряжения; 2) обрывом цепи анода.

Ртутный выпрямитель — прибор, действие которого основано на использовании электронной эмиссии и ионизации газа (паров ртути).
Ртутные выпрямители делятся на стеклянные и металлические.
Стеклянный однофазный ртутный выпрямитель (рис. 98, б) имеет колбу из молибденового стекла, из которой выкачан воздух. В колбу впаяны два стальных или графитных электрода A1и А2, которые являются главными анодами выпрямителя. Нижняя часть колбы заполнена ртутью, которая служит катодом выпрямителя. В ртути помещается металлический стержень, впаянный в стекло. Рядом с ним в колбу впаян стеклянный отросток, в котором также находится ртуть. Здесь размещается анод зажигания
Аноды A1 и А2 соединены с концами вторичной обмотки основного трансформатора Тр0. К катоду К подключают нагрузку. Второй провод, идущий от нагрузки, соединяют через дроссель Др со средней точкой О вторичной обмотки трансформатора Тро.
Чтобы ртутный выпрямитель выпрямлял переменный ток, его необходимо возбудить. Для этого включают рубильники P1 и Р3 и подают переменное напряжение на основной Тро и вспомогательный Трв трансформаторы. Затем создают условия для того, чтобы ртуть катода соединилась с ртутью анода зажигания Аз. При этом под действием напряжения вторичной обмотки вспомогательного трансформатора Трв электрический ток проходит через рубильники Р2, сопротивление R, анод зажигания и катод К.
Когда колбу возвращают в первоначальное положение, контакт между ртутью, окружающей катод А, и анодом зажигания Аз разрывается, и в этом месте образуется электрическая дуга, а на ртути катода появляется небольшое сильно нагретое светлое катодное пятно. Это пятно является местом испарения ртути. Вместе с тем вблизи поверхности ртути создается электрическое поле столь высокой напряженности, что оно вырывает свободные электроны из поверхности ртути. Это так называемая автоэлектронная (или электростатическая) эмиссия. Электроны, освобожденные на катоде, летят к тому из анодов, который в данный момент имеет положительный потенциал по отношению к катоду (рис. 98, в). На своем пути электроны сталкиваются с молекулами паров ртути и ионизируют их, т. е. отделяют от них электроны, превращая эти молекулы в положительные ионы. Ударяющие в катод положительные ионы поддерживают температуру катодного пятна.
Нетрудно понять, что дуга в колбе выпрямителя представляет собой поток быстро движущихся электронов от катода к аноду и относительно медленно движущихся (из-за своей  большой массы) положительных ионов ртути в обратном направлении. Когда на аноде вследствие изменения напряжения на концах вторичной обмотки трансформатора изменяется потенциал (вместо положительного создается отрицательный), дуга в колбе перебрасывается к тому из анодов, который в данный момент имеет положительный потенциал, и таким образом соединяет поочередно катод с каждым из анодов.
Дуга выполняет функцию практически безынерционного переключателя, создающего нагрузку то с одной, то с другой половиной обмотки трансформатора.
В настоящее время ртутные выпрямители практически везде заменяются полупроводниковыми выпрямителями.

Полупроводниковые приборы

Полупроводниковые приборы применяют в качестве выпрямителей — диодов, а также триодов. В технике используют кремниевые, селеновые, германиевые и другие полупроводниковые диоды.
На рис. 99, а приведена принципиальная схема однополупериодного выпрямителя с применением полупроводникового диода. К первичной обмотке трансформатора подключен источник переменного тока. Последовательно со вторичной обмоткой включены полупроводниковый диод и приемник постоянного тока r.
Через первичную обмотку в течение одного полупериода протекает переменный ток в направлении от точки 1 к точке 2, в течение второго полупериода — в обратном направлении, т. е. от точки 2 к точке 1.
Когда в точке 3 вторичной обмотки будет положительный потенциал относительно точки 4, через диод и приемник будет протекать ток в направлении, показанном на схеме стрелкой (от + к —).
В следующий полупериод, когда в точке 3 вторичной обмотки будет Отрицательный потенциал относительно точки 4, ток через приемник протекать не будет (поскольку диод обладает односторонней проводимостью). В следующие полупериоды процесс повторится.
Схема двухполупериодного выпрямления показана на рис. 99, б. К первичной обмотке трансформатора подключен источник переменного тока. В цепь вторичной обмотки включены два полупроводниковых диода. К средней точке этой обмотки присоединена нагрузка.

Рис. 99, Схемы полупроводниковых приборов

Допустим, что в точке 3 вторичной обмотки в первый полупериод будет положительный потенциал относительно точки 5, а в точке 4 отрицательный. Тогда ток пройдет через диод Д1. дроссель Др и приемник в точку 5 трансформатора. В это время диод Д2 тока не пропустит. В течение второго полупериода потенциал на концах вторичной обмотки трансформатора изменится, в точке 3 будет отрицательный потенциал, а в точке 4 — положительный. Ток пройдет через диод Дг, дроссель Др и приемник в точку 5. В это время диод Д) тока пропускать не будет. В следующие полупериоды процесс повторится. Таким образом, через приемник будет проходить ток в одном и том же направлении в течение каждого полупериода.
Двухполупериодное выпрямление часто осуществляется также по мостовой схеме, приведенной на рис. 99, в. В этой схеме общее напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора равно половине общего напряжения на зажимах вторичных обмоток (двух половин) обычной двухполупериодной схемы.
Полупроводниковые триоды, называемые транзисторами, служат для тех же целей, что и ламповые триоды, т. е. для усиления и генерирования колебаний, но они по сравнению с электронными лампами обладают рядом преимуществ: большим сроком службы, малыми размерами, большой механической прочностью, отсутствием расхода энергии на накал, незначительным собственным потреблением энергии.
Полупроводниковый триод представляет собой пластинку из кремния или германия, состоящую из трех областей: две крайние всегда с одинаковым типом проводимости, а средняя — с противоположной проводимостью.

Триоды, у которых средняя область обладает электронной проводимостью, сокращенно называются триодами типа р—п—р; триоды, у которых средняя область имеет дырочную проводимость, — триодами типа п—р—п, Каждая из трех областей полупроводникового триода имеет свое название: левая область, испускающая (эмиттирующая) электроны — носители зарядов, называется эмиттером Э; правая область, собирающая носители зарядов, — коллектором К, а средняя область — основанием или базой Б. По своему назначению эмиттер подобен катоду, коллектор — аноду, а база — управляющей сетке трехэлектродной лампы.
Простейшая схема усилителя с полупроводниковым триодом изображена на рис. 99, г.
На вход трансформатора подается усиливаемый сигнал. В цепь эмиттера включена вторичная обмотка трансформатора, а для ограничения силы тока введено сопротивление. В цепь коллектора (на выходе триода) включена нагрузка Rн. Сопротивление нагрузки Rн при соответствующем подборе напряжения батареи может быть достаточно большим по сравнению с сопротивлением на входе усилителя.
Триод будет усиливать мощность подаваемого сигнала, так как мощность, подводимая к его входу, меньше
полезной мощности сигнала на выходе, т. е.