Особенностью и преимуществом электронных и полупроводниковых приборов являются их компактность, быстродействие и бесконтактное прохождение в них электрических процессов.
Роль, выполняемая электронными и полупроводниковыми приборами, в современных системах управления необычайно велика. Всестороннее изучение их составляет большой самостоятельный предмет. Здесь же будут рассмотрены основные принципы действия и назначение этих приборов в зависимости от области применения в системах управления электрическим приводом.
Основное использование электронно-полупроводниковой техники в устройствах по управлению электроприводом сводится к выпрямлению переменного тока, усилению электрических сигналов, регулированию тока и образованию логических систем управления, регулирования и контроля.
Двухэлектродные элементы (диоды)
Двухэлектродные элементы (диоды) применяются главным образом в качестве вентилей, т. е. таких приборов, которые пропускают электрический ток только в одном направлении, и служат для преобразования переменного тока в постоянный.
Электронные диоды выполняются в виде двух электродов — анода А и катода К, помещенных в герметически закрытый баллон с высокой степенью разрежения (вакуума) наполняющего его газа (рис. 4-12,а).
Рис. 4-12. Диоды.
а — схема электронного диода; б —структура меднозакисного диода; в —типовые вольт-амперные- характеристики вентилей: 1 — электронного; 2 — полупроводникового.
Катод накаливается током, пропускаемым непосредственно через- него, либо косвенным нагревом от особой нити накаливания. При нагреве катод испускает (имитирует) электроны в окружающее газовое пространство.
Анод подключен в цепь переменного тока, периодически с частотой источника тока образующего на нем положительный или отрицательней потенциал.
Вентильные свойства диода сводятся к тому, что при положительном по отношению к катоду потенциале анода электроны от катода переходят к аноду, образуя ток между электродами. При отрицательном потенциале анода электроны от него отталкиваются, сквозной ток между электродами прекращается и диод переходит в так называемое запертое состояние.
Электронные вентили носят название кенотронов.
Полупроводниковые диоды. Понятие о полупроводниках связано со способностью материалов проводить электрический ток. Электропроводность хорошего проводника (медь, серебро) в 1017—1019 раз выше электропроводности материала с высокими диэлектрическими показателями. Вещества с промежуточными свойствами относятся к полупроводниковым, это — некоторые окислы и карбиды металлов, селен, кремний, германий и пр.
Известно, что электропроводность любого вещества (кроме электролитов, обладающих ионной проводимостью) обусловлена перемещением электронов. В металлах имеется большое число свободных электронов, т. е. электронов, слабо связанных с атомом и способных легко от него оторваться. Этим объясняется высокая электропроводность металлов. В чистом полупроводнике свободных электронов очень мало, однако если в него ввести известные примеси со слабо связанными электронами, то общее количество электронов проводимости увеличится и электропроводность полупроводника возрастет. Такая проводимость называется электронной или n-проводимостью (от латинского negativ— отрицательный).
Примеси другого рода составлены из атомов, способных принимать на свою орбиту электроны; они облегчают, благодаря этой способноcти, отрыв электронов с орбиты атомов основного полупроводника. Возникает представление о том, что на месте, где имеется недостаток электрона, образовалась «электронная дырка» с положительным зарядом. Последняя, подобно свободному электрону, перемещается от одного атома к другому, образуя дырочную, или р-проводимость (от positiv—положительный).
Вентильный эффект с односторонней проводимостью в полупроводниках может возникать в весьма тонком пограничном слое, образующемся в стыке двух одинаковых полупроводниковых материалов с вкрапленными примесями, обусловливающими их различную проводимость. Такими являются, например, меднозакисные (купроксные) диоды с примесью кислорода в одном слое и чистой меди в другом (рис. 4-12,б). Примесные атомы, отдающие электрон, называются донорными. Примеси, атомы которых присоединяют электрон, называются акцепторными.
Приложенное прямое напряжение к электродам диода образует электрическое поле, сближающее электроны и дырки, уменьшая сопротивление р-п перехода. При изменении напряжения на обратное носители заряда отходят от пограничной зоны, образуя непроводящий запирающий слой.
Из возможных разновидностей полупроводниковых диодов распространение получили меднозакисные, селеновые, германиевые и кремниевые.
Полупроводниковые диоды характеризуются следующими важнейшими показателями: а) зависимость тока от приложенного напряжения (вольт-амперная характеристика); б) нагрузочная способность; в) предельно допустимое значение обратного напряжения.
Вольт-амперная характеристика представляет собой нелинейную зависимость тока от приложенного напряжения. Она отражает свойство односторонней проводимости диода; при изменении полярности приложенного напряжения на обратное ток диода весьма мал. Типовая вольт-амперная характеристика диода показана на рис. 4-12,а.
Нагрузочная способность, т. е. допустимая плотность тока, определяется температурой нагрева, предельное значение которой различно для разных полупроводниковых материалов. Для увеличения нагрузочной способности группы диодов их соединяют между собой параллельно.
Обратное напряжение, при приложении которого полупроводник подобен диэлектрику, имеет для каждого из полупроводниковых материалов свое предельно допустимое значение. Превышение значения обратного напряжения сверх допустимого влечет за собой пробой диода. Для увеличения допустимого обратного напряжения группы диодов их соединяют между собой последовательно.
Ниже приводятся предельно допустимые значения температуры и обратного напряжения для различных диодов:
Трехэлектродные элементы (триоды)
Трехэлектродная электронная лампа в отличие от диода имеет
управляющую сетку, являющуюся третьим электродом (рис. 4-13,а).
Непосредственная функция, выполняемая триодом, — регулирование анодного тока, управление им при изменении потенциала сетки.
Нормальная полярность электродов при работе триода следующая: анод-Ι-, катод — и сетка —.
Катод К при его нагреве эмиттирует электроны, задерживаемые или пропускаемые сеткой С (в зависимости от ее потенциала) к аноду А и образующие анодный ток триода. Сетка, имея заряд того же знака, что и электроны, пропускает лишь те из них, которые обладают достаточной кинетической энергией. Таким образом, сетка создает так называемый потенциальный барьер, преодоление которого доступно лишь частицам, обладающим достаточной скоростью. Поток электронов, достигающих анода, зависит от напряжения смещения, подаваемого на сетку лампы. Следовательно, управление анодным током достигается изменением потенциала сетки.
Полупроводниковый триод (транзистор), представляющий собой кристалл германия или кремния, состоит из трех зон с проводимостями различных видов (см. полупроводниковые диоды).
Кристалл полупроводникового триода, схематически показанный на рис. 4-13,6, представляет собой совокупность областей с n- и р-проводимостями.
Три слоя транзистора осуществляют функции, аналогичные тем, которые выполняются электродами лампового триода. Два наружных слоя называются эмиттером и коллектором, а средний — базой.
Эмиттерный слой образует заряды, являющиеся носителями тока. Коллектор принимает эти заряды. База, подобно сетке лампового триода, регулирует поток зарядов. Здесь заряды, проходящие от эмиттера к коллектору, частично рекомбинируют (т. е., соединяясь с зарядом противоположного знака, образуют нейтральную частицу), но значительное их количество достигает коллекторного слоя, пройдя этот слой, заряды образуют коллекторный ток транзистора.
Соотношение напряжений эмиттер — база н коллектор — база влияет на концентрацию зарядов у переходов и формирует электрическое поле, в большей или меньшей степени способствующее преодолению зарядами пограничных зон между слоями. Тем самым осуществляется регулирование сквозного тока транзистора.
Отличие транзистора от электронно-лампового триода состоит в том, что в транзисторе коллекторный (выходной) ток определяется током эмиттера, тогда как в лампе управляющей величиной является напряжение на сетке1.
Образование трехслойной структуры транзистора происходит следующим образом. Исходному кристаллу путем введения в него незначительной примеси придается один из видов п- или р-проводимости. Затем в его два наружных слоя вводятся примеси значительно большей концентрации по сравнению с первоначальной, противоположной по роду проводимости, соответственно р или п.
В зависимости от рода зарядов (дырок или электронов), образуемых в эмиттере в качестве носителей тока, различают две разновидности структуры триода: р-п-р или п-р-п. В первой разновидности эмиттерный ток образован дырками, во втором — электронами. Тип р-n-р является более распространенным.
Тиристоры.
Тиристор представляет собой четырехслойный полупроводниковый элемент проводимостью типа р-п-р-п (рис. 4-14,а).
1 Данное обстоятельство не нарушает структурной аналогии ламповых и полупроводниковых триодов, а лишь подчеркивает сущность явления.
В системах электропривода, схемах пуска и регулирования тиристоры используются в качестве управляемых вентилей, характеризуемых двумя состояниями по отношению к току в их цепи: «закрыто» и «открыто».
Из схемы устройства тиристора (рис. 4-14,а) следует, что переходы р-п (переходы П1 и П3) являются прямыми по отношению к приложенному напряжению. Переход П2 (n-p) противоположен к прямому направлению.
Как указывалось в описании полупроводниковых триодов, сквозной ток транзистора зависит от эмиттерного тока. Эта же зависимость используется для управления вентильными свойствами тиристоров.
Четырехслойную структуру тиристора можно условно представить в виде модели, составленной из двух транзисторов, наложенных один на другой таким образом, чтобы их коллекторные переходы совпали (рис. 4-14,б). Такая воображаемая структура состоит из транзистора типа р-п-р с базой Б1 и транзистора n-р-n с базой Б2.
Рис. 4-15. Действие тиристора.
а — схема включения; б — вольт-амперные характеристики.
Рис. 4-14. Устройство тиристора.
а- структура тиристора; б—условная недель тиристора в- двух наложенных транзисторов.
Известно, что при отсутствии тока базы в транзисторе носители не преодолевают коллекторный переход. Поэтому дырочный ток транзистора р-n-р образует концентрированный положительный заряд в базе Б2. Точно так же электронный ток транзистора n-р-n образует отрицательный заряд в базе Б1. Первый вызывает на себя вторичный поток электронов из условного n-эмиттера Э2; второй — поток дырок из р-эмиттера Э1. Тем самым создаются условия для лавинного образования движущихся зарядов. Однако лавинное нарастание тока через тиристор, обусловливающее его открывание, произойдет лишь при достаточно высоком приложенном напряжении.
Для приведения тиристора в открытое состояние при напряжении, значительно более низком, чем требуется для нарастания лавинного тока по предыдущему, в одну из баз вводят дополнительный ток через управляющий электрод. При этом в базе произойдет перераспределение зарядов, которые окажутся смещенными в прямом направлении, и тиристор откроется.
Структурная схема тиристора с управляющим электродом показана на рис. 4-15,а.
Режимы напряжения и тока в тиристорах наглядно иллюстрируются их вольт-амперными характеристиками — зависимостью сквозного тока тиристора от приложенного (анодного) напряжения I=f(U). Каждая из характеристик соответствует определенному значению управляющего тока /у (рис. 4-15,6).
Из рассмотрения кривых видно, что при некотором данном значении управляющего тока увеличение приложенного прямого напряжения +U до известного предела мало влияет на изменение сквозного тока (участки О — а; О — а'), значение которого само по себе в этом пределе весьма мало. Эти участки соответствуют «прямому запертому» состоянию тиристоров, т. е. низкой проводимости прямого тока. При некотором значении прямого напряжения концентрации зарядов в полупроводнике возрастают настолько, что возникает лавинное умножение носителей, наступает пробой среднего перехода (рис. 4-14,а) и ток нарастает при снижающемся падении напряжения на тиристоре (участок отрицательного сопротивления). Этот переход к состоянию высокой проводимости в режиме тиристора называется его включением или отпиранием. Значение установившегося тока после отпирания тиристора зависит уже от внешнего сопротивления цепи (участок 1 кривой, рис. 4-15,б).
Далее из рассмотрения семейства характеристик следует, что при увеличении управляющего тока участки прямого запертого состояния сокращаются; переход к состоянию высокой проводимости — отпирание тиристора происходит при меньших значениях приложенного напряжения.
При некотором значении тока участок прямого запертого состояния исчезает и вольт-амперная характеристика приобретает вид, обычный для любого вентиля (см. рис. 4-12,в).
При воздействии обратного напряжения — U ток тиристора весьма мал (участок 2 кривой). При увеличении обратного напряжения до критического значения (участок 5) наступает пробой тиристора обратным напряжением.
Весьма важным свойством тиристоров является следующее. Как указано выше, возникновение и поддержание прямой проводимости тиристора непосредственно связаны с лавинным образованием зарядов, поэтому закрыть тиристор простым отключением управляющего тока нельзя. Таким образом, если отпирание тиристора достигается либо подачей прямого напряжения достаточного значения, либо воздействием управляющего тока, то закрыть его можно лишь снижением анодного напряжения до нуля. В цепи переменного тока, следовательно, тиристор закрывается с частотой переменного тока и отпирание его по периодичности и фазе подаваемого импульса определит эффективное значение выпрямленного тока и напряжения.
Тиристоры характеризуются рядом параметров, из которых важнейшие—среднее значение прямого тока и обратное напряжение (смысл их аналогичен соответствующим параметрам полупроводникового диода), а также максимально допустимые значения напряжения и тока управления. Превышение указанных параметров приводит к повреждению тиристора.
По сравнению с ионными приборами (тиратроны, игнитроны, экзитроны)1 тиристоры при сходных с ними характеристиках имеют ряд преимуществ, а именно: значительно меньшие габариты, механическую прочность, виброустойчивость и возможность работы в любом положении, простоту обслуживания, большой срок службы и др.
К недостаткам тиристоров следует отнести недостаточную нагревостойкость (неустойчивость характеристик при изменении температуры), возможность выхода из строя в связи с импульсными перегрузками и обратным напряжением, относительно высокую стоимость.
В системах управления электрическим приводом тиристоры используются в качестве регулируемых выпрямителей, регуляторов тока и напряжения, бесконтактных коммутационных аппаратов и пр.
1 Ионные приборы в гидромеханизации применения не находят и поэтому здесь не рассматриваются.
