Раздел I
ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ СУДОВОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
Глава I
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ И СТАТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
§ 1. ПОЛУПРОВОДНИКИ
К полупроводникам относятся вещества с удельным сопротивлением р=10-5-102 Ом-м. По своим электрическим свойствам они занимают промежуточное положение между проводниками (р≈1012 Ом·м) и диэлектриками (р≈1012 Ом-м). Свойства полупроводников меняются в широких пределах с изменением температуры, под влиянием электрических и магнитных полей, механических напряжений, облучения и других воздействий.
Как известно из курса физики, в полупроводниках в отличие от проводников имеет место не только движение свободных электронов, обусловливающее электронную проводимость, но и встречное движение положительных зарядов — дырок, обусловливающее дырочную проводимость. В чистом полупроводнике число электронов равно числу дырок, но вследствие большей скорости движения электронов проводимость большинства чистых полупроводников является в основном электронной.
Вводя в тщательно очищенный полупроводник весьма малое, но определенное количество примеси, можно получить преобладание дырок над свободными электронами или, наоборот, преобладание электронов над дырками. При этом проводимость полупроводника значительно увеличивается.
Полупроводники с преобладающей дырочной проводимостью называются полупроводниками типа р (positiv — положительный), а с преобладающей электронной проводимостью — типа п (пegativ — отрицательный). Примеси, образующие в полупроводнике дырочную проводимость, называются акцепторами, а электронную — донорами.
К чистым полупроводникам относятся кремний, германий, селен, закись меди. По отношению к кремнию и германию акцепторами служат индий, галлий, алюминий и бор, а донорами — мышьяк, сурьма и фосфор.
Два полупроводника, один из которых имеет преобладающую дырочную проводимость, а другой — электронную, обладают замечательным свойством образовывать на границе раздела между собой запирающий слой, называемый электронно дырочным, или
р—п-переходом (рис. 1). Свободные электроны диффундируют из п-области с электронной проводимостью в p-область с дырочной проводимостью, так как концентрация электронов в «-области больше, чем в p-области. В обратном направлении происходит диффузия дырок, вследствие чего пограничный слой обедняется носителями зарядов и его проводимость резко уменьшается. Со стороны р—п-перехода, прилегающей к р-области, накапливаются отрицательные заряды, а прилегающей к п-области — положительные. В р—п-переходе образуются контактная разность потенциалов (потенциальный барьер) и электрическое поле с напряженностью Ei, противодействующее дальнейшему переходу электронов из п-области в р-область и дырок в обратном направлении. Диффузия электронов и дырок прекращается, когда силы электрического поля в р—п-переходе уравнивают силы, вызывающие ее.
Рис. 1. Схема образования потенциального барьера
§ 2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Свойство полупроводников типа р и п образовывать на границе раздела запирающий слой (р—п-переход) используется в полупроводниковом приборе, называемом диодом, или вентилем.
При включении полупроводникового прибора, имеющего р—п-переход, в электрическую цепь в приборе создается внешнее электрическое поле с напряженностью Е. Если положительный полюс источника электроэнергии соединен с p-областью, то электрическое поле источника ослабляет поле пространственных зарядов Ei, т. е. снижает потенциальный бартер, вследствие чего возрастает диффузия, увеличивается проводимость р—п-перехода, а следовательно, и ток, проходящий через него. Такое включение полупроводникового прибора в электрическую цепь называется прямым (рис. 2, а). При обратном включении (рис. 2, б), когда минус источника соединен с p-областью, а плюс — с п-областью, внешнее поле усиливает поле пространственных зарядов, движение электронов и дырок через р—п-переход еще более затрудняется и проводимость р—п-перехода сильно уменьшается. Через него проходит в этом случае весьма малый обратный ток.
Таким образом, рассмотренный полупроводниковый прибор обладает свойством пропускать электрический ток в прямом направлении и не пропускать в обратном, за что он получил название вентиля, или полупроводникового диода.
Отношение тока вентиля при прямом напряжении к току при таком же обратном напряжении называется коэффициентом выпрямления:
(1)
В рабочих условиях прямое и обратное напряжения не равны, так как последовательно с вентилем соединяется резистор нагрузки Rн. Напряжение распределяется между резистором и вентилем пропорционально их сопротивлению. При прямом токе сопротивление вентиля и напряжение мало, при обратном токе и почти все напряжение приходится на вентиль.
Основной характеристикой полупроводникового диода является зависимость тока I от приложенного к диоду напряжения U. В силу несимметрии электрических свойств диода в этой зависимости, называемой вольт-амперной характеристикой, различают 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. 3, где масштаб тока в положительной области, а масштаб напряжения — в отрицательной значительно (в сотни раз) превосходят масштабы тех же величин в противоположных областях. Когда обратное напряжение превышает некоторое предельное значение, происходит пробой вентиля и вентильное действие диода прекращается, так как его обратное сопротивление становится величиной того же порядка, что и прямое. Предельное значение обратного напряжения называется пробивным Uпр.
Рис. 3. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода
Рис. 4. Внешний вид (I—V) и схемы конструкции (А—Г) полупроводниковых диодов
Вентили характеризуются также средним выпрямленным током, зависящим от . допустимой для них плотности тока, которая выбирается такой, чтобы диод не перегревался. В качестве величин, характеризующих нагрузочную способность диодов, обычно указываются: допустимая плотность тока или величина допустимого тока, прямое падение напряжения, максимально допустимые обратное напряжение и температура окружающей среды. При температуре выше максимально допустимой диод теряет свои специфические свойства.
В настоящее время широко применяют четыре вида вентилей: селеновые, меднозакисные, германиевые и кремниевые.
Селеновые вентили I (рис. 4, а) характеризуются сравнительно малыми значениями допустимой плотности тока (0,03—ГА/см2), обратного напряжения (25—85 В) и к.п.д. (70—80%) и имеют довольно большие размеры. Прямое падение напряжения у них лежит в пределах 0,6—0,9 В. Допустимая рабочая температура у различных серий вентилей колеблется от 75 до 130°С. Параметры селеновых вентилей в большей степени, чем других диодов, изменяются с течением времени не только в процессе работы, но и при хранении в нерабочем состоянии. Если вентиль долго не работает, это приводит к резкому уменьшению его обратного сопротивления. При включении на напряжение он начинает работать не сразу, а в течение некоторого времени восстанавливает свои свойства, или формуется. Главными достоинствами селеновых вентилей являются большая перегрузочная способность по току и способность восстанавливать иногда свои свойства после пробоя в обратном направлении. Вентили изготовляют в виде круглых, квадратных или прямоугольных пластин различных размеров. Из пластин на заводе собирают готовые комплекты вентилей, соединенных по различным схемам выпрямления. Селеновые вентили удовлетворительно работают в условиях вибрации и тряски. В
настоящее время их широко применяют в судовых электроустановках, где нужны небольшие (до 10 кВт) мощности постоянного тока, для питания цепей управления электроприводов, обмоток возбуждения синхронных генераторов, цепей сигнализации и различных датчиков, буксируемого лага, автоматического бесконтактного рулевого (АБР), автоматической телефонной станции (АТС), а также в зарядном устройстве аккумуляторов.
Меднозакисные вентили II (рис. 4, б) обладают по сравнению с селеновыми худшими техническими показателями, но достаточно устойчивыми параметрами. Сейчас их применяют редко (лишь в отдельных автоматических и электроизмерительных устройствах).
Германиевые вентили III (рис. 4, в) имеют большие значения допустимой плотности тока (50—100 А/см2), допустимого обратного напряжения (15—400 В) и высокий к. п. д. (95—98%), однако они очень чувствительны даже к кратковременным перегрузкам и повышению температуры. Допустимая рабочая температура вентилей низка (65—75°С). Даже незначительные ее превышения вызывают необратимые изменения параметров и вентиль выходит из строя. Германиевые 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. установки. Отечественная промышленность выпускает несколько типов мощных германиевых вентилей с воздушным (ВГ) или водяным (ВГВ) охлаждением на номинальные токи 10—1000 А.
Кремниевые вентили IV (рис. 4, г) имеют несколько большее прямое сопротивление, чем германиевые, зато, и обратное сопротивление у них на порядок больше. Прямое падение напряжения у кремниевых вентилей равно 0,4—1,2 В, а допустимое обратное напряжение 50—3000 В. Их существенным преимуществом 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 имеют самые малые размеры и самый высокий к. п. д. (98—99%). В отношении перегрузочной способности по току кремниевые вентили преимуществ не имеют. Отечественная промышленность выпускает несколько типов мощных кремниевых вентилей, маркируемых буквами ВК, на токи до 1000 А. Вентили, имеющие в обозначении букву Д (ВКД), отличаются от других типов более совершенной технологией. Кремниевые вентили обязательно снабжены охладителями для отвода тепла. Для вентилей средней мощности используют медные или алюминиевые пластины, к которым плотно прижимается основание вентиля. Для мощных вентилей применяют специальные воздушные или водяные охладители. Воздушный охладитель V (см. рис. 4, а) состоит из массивного латунного или алюминиевого основания с рядом отходящих в сторону охлаждающих ребер. В основание ввинчивается вентиль.
В судовых приборах германиевые вентили применяют крайне редко из-за температурных ограничений, кремниевые же благодаря своим преимуществам вытесняют все другие виды вентилей, и прежде всего в мощных (мощностью свыше 10 кВт) электроустановках — выпрямительных агрегатах для электроприводов, систем возбуждения синхронных генераторов и двигателей, электросварки, зарядки аккумуляторов, дуговых прожекторов и т. д.
