Электрооборудование внутризаводского транспорта - Полупроводниковые приборы

В последнее время в электроприводе внутризаводского электротранспорта все чаще применяются полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, транзисторы и др.
Использование полупроводниковых приборов в преобразователях электроэнергии, бесконтактной пускорегулирующей аппаратуре приводит к выигрышу в габаритах, массе, сроке службы, надежности. Однако они обладают рядом специфических особенностей, которые необходимо учитывать при их применении. К таким особенностям относят зависимость параметров и режимов работы от температуры, изменение параметров во времени, разброс параметров приборов одного типа. Полупроводниковые приборы пригодны для работы при температуре охлаждающей воздушной среды от —50 до +40 °С.
В электроприводе транспорта, а также в выпрямительных устройствах наибольшее применение получили силовые полупроводниковые приборы, которые по принципу действия можно разделить на три основные группы: неуправляемые диоды, силовые транзисторы и управляемые диоды — тиристоры.
На рис. 20 изображен разрез кремниевого вентиля. Основу вентиля составляет электронно-дырочный переход в виде кремниевого диска, который впаивается между молибденовыми или вольфрамовыми пластинами.
Нижняя пластина припаивается к медному основанию корпуса, имеющему резьбовую часть для ввинчивания вентиля в охладитель для воздушного или водяного охлаждения. Выпрямительный элемент через верхнюю термокомпенсирующую вольфрамовую пластину и контактную чашечку с припоем соединяется с внутренним гибким выводом, который через втулку соединяется с наружным выводом. Гибкое соединение верхнего электрода к выводу облегчает сборку и не создает механических усилий на переход.
Основой полупроводникового диода является р-л-переход, образующийся в пластине монокристаллического кремния между двумя слоями, обладающими различной электропроводностью. Образование р—л- перехода обусловлено различной степенью концентрации электронов в этих слоях кремния. Поскольку концентрация электронов в л-слое намного превышает концентрацию электронов в р-слое, появится ток, обусловленный движением электронов в р-слой. Такое перемещение зарядов создает отрицательный объемный заряд, препятствующий дальнейшей диффузии электронов в р-слой, и объемный положительный заряд, который будет препятствовать дальнейшему накоплению дырок в л-слое. Возникновение таких противоположных по знаку зарядов на границе слоев равносильно возникновению электрического поля, препятствующего переходу основных носителей зарядов через границу р- и л-слоев.
Одной из важных характеристик полупроводникового диода является его вольт-амперная характеристика, которая выражает зависимость значения тока через диод от напряжения, приложенного к диоду в прямом и обратном направлениях.
Полупроводниковые диоды весьма чувствительны к перегрузкам по току и напряжению.
Обозначение силовых диодов состоит из букв и цифр. Буква В обозначает вентиль. Для диодов с лавинной характеристикой добавляется буква Л (BЛ), для вентилей с водяным охлаждением после буквы В или Л добавляется буква В (ВВ или ВДВ). Далее в обозначении диодов проставляются цифры, обозначающие предельный ток в амперах, цифра или цифры, обозначающие класс по напряжению. В некоторых случаях, например, когда диоды поставляются для параллельного включения, после этих цифр могут следовать цифры, означающие прямое падение напряжения в вольтах.

Рис. 20. Кремниевый вентиль в разрезе:
1 - электронно-дырочный переход; 2, 3 - молибденовые или вольфрамовые диски; 4 - стальной корпус; 5 - медное основание; б - наружный вывод; 7 - внутренняя втулка; 8 - внутренний гибкий вывод; 9 - контактная чашечка; 10 - стеклянный изолятор
Рис.21. Тиристор в разрезе:
I — основание корпуса; 2 - фторопластовая прокладка; 3 - вентильный элемент; 4 - крышка; 5 — стеклянный изолятор; 6 - внутренняя втулка; 7 - внутренний гибкий вывод; 8 - внешний гибкий вывод; 9 - наконечник; 10 - чашечка; 11 - вывод управляющего электрода; 12 - изолированная стальная втулка; 13 - наконечник управляющего электрода
При маркировке приборов на корпусе или на специальной бирке наносится товарный знак предприятия-изготовителя, знак полярности и дата выпуска (год, месяц).
По предельному току силовые диоды изготовляются по следующей шкале: 10, 25, 50, 200, 320, 500, 800, 1000, 1250 А.
Т а б л и ц а 13. Основные технические данные силовых неуправляемых кремниевых диодов

В табл. 13 приведены основные технические данные неуправляемых кремниевых диодов.
Основу тиристоров составляет кремниевая четырехслойная р—п-р-п- структура, вмонтированная в герметичный металлический корпус, предохраняющий ее от влияния внешних воздействий и обеспечивающий необходимый теплоотвод при работе тиристоров. Анодом тиристора является медное основание корпуса, имеющее резьбовую часть для ввинчивания прибора в охладитель для воздушного или водяного охлаждения. Катодом является гибкий медный вывод с наконечником. Управляющий электрод выведен в сторону катода. Они припаян к втулке корпуса прибора и изолирован стеклянным изолятором.
Более подробный разрез строения тиристора приведен на рис. 21.
Вольт-амперная характеристика тиристора ничем не отличается от обратной ветви характеристики неуправляемого диода. Тиристор может быть открыт двумя способами: подачей на анод тиристора напряжения большего, чем напряжение включения, или пропусканием через управляющий электрод-катод положительного управляющего тока.
Тиристоры, как и неуправляемые диоды, чувствительны к перегрузкам, поэтому нагрузка тиристора должна соответствовать условиям их охлаждения по информационным данным заводов-изготовителей.
Обозначение тиристоров, как и диодов, состоит из букв и цифр. Буква Т обозначает — тиристор. Для тиристоров с лавинной характеристикой добавляется буква Л (ТЛ), для тиристоров с водяным охлаждением после буквы Т или Л добавляется буква В (ТВ или ТЛВ). Первые цифры после букв означают предельный ток в амперах, вторые — класс по напряжению.
Т а б л и ц а 14. Основные технические данные силовых кремниевых тиристоров

Далее следуют три цифры, первая из которых указывает группу критической скорости нарастания (прямого напряжения) , вторая — группу по времени, третья — по критической скорости нарастания прямого тока. Например, тиристор с лавинной характеристикой и воздушным охлаждением на предельный ток 160 А, с повторяющим напряжением 700 В, с критической скоростью нарастания прямого напряжения 20 В/мкс, временем включения до 70 мкс и критической скоростью нарастания прямого тока 60 А/мкс обозначается: ТЛ160-7-142.
Отечественной промышленностью освоен выпуск силовых тиристоров на следующие предельные токи: 10, 25, 50, 100, 200, 250, 320, 500, 630, 800 А. В табл. 14 приведены основные технические данные силовых кремниевых тиристоров.
Транзистором называется усилительный прибор, действие которого основано на управлении движения носителей электрических зарядов в полупроводниковом кристалле.
В самом общем виде транзистор представляет собой монокристалл полупроводника, разделенный двумя р—и-переходами на три области. В зависимости от порядка чередования областей электропроводности различают транзисторы р-п-р- и и-р-л-типов.
Для работы транзистора в усилительном режиме к системе двух р-л-переходов прикладываются внешние напряжения (рис. 22). Левая область такого полупроводника называется эмиттером (Э), так   как она создает поток дырок, инжектируемых в среднюю область. Правая область называется коллектором (/if), так как она собирает дырки, инжектированные эмиттером. Средняя область называется базой (Б).
Если к эмиттерному переходу приложить прямое напряжение смещения
£э, то его потенциальный барьер уменьшается и происходит инжекция дырок в базовую область, в результате чего через коллектор протекает ток. Ток, вызванный инжекцией дырок эмиттерного перехода, очень сильно зависит от напряжения смещения Еэ. В то же время при изменении напряжения £к коллекторный ток изменяется незначительно, так как все напряжение падает на коллекторном переходе.
При подключении ко входу схемы последовательно с напряжением Еэ переменного напряжения происходят изменения напряжения на эмиттерном переходе и концентрации неравновесных дырок, инжектированных в базу. Сопротивление коллекторного перехода по переменному току изменяется пропорционально входному напряжению. Поэтому на нагрузке создается выходной сигнал, усиленный по напряжению и мощности, так как входной и выходной токи примерно равны, а сопротивление нагрузки во много раз больше входного сопротивления транзистора переменному току.