Эксплуатация электрических машин. Управление электроприводом

При эксплуатации электропривода электродвигатель должен быть немедленно отключен:

при несчастном случае с человеком;

появлении дыма или огня из электродвигателя пли аппаратуры;

сильной вибрации электродвигателя;

поломке приводимого механизма;

недопустимом нагреве подшипников;

чрезмерном снижении скорости электродвигателя, сопровож­дающимся сильным его нагреванием;

неожиданном непреодолимом стопорении двигателя.

Если с места, где установлен двигатель, не виден аппарат уп­равления приводом, то вблизи двигателя должен быть установлен дополнительный коммутирующий аппарат, предотвращающий ди­станционный пуск двигателя при его ревизии или осмотре. Перед пуском вновь установленного электродвигателя его очищают от пыли. Очищают также от пыли, мусора, грязи место, где он уста­новлен. Проверяют, нет ли в двигателе посторонних предметов. Продувают его сухим сжатым воздухом при давлении не выше 0,2 МПа, измеряют сопротивление изоляции, проверяют состоя­ние наружных болтовых соединений. Осматривают подведенные ка­бели и затяжку болтов заземления. Проверяют соответствие напря­жения сети и электродвигателя. Проворачивают ротор вручную, проверяют правильность сопряжения валов электродвигателя и при­водимого механизма. При наличии пускового реостата проверяют, введен ли он полностью. Если при пуске двигатель не вращается, гудит или вращается медленно, он должен быть немедленно от­ключен и неполадки устранены.

Необходимо вести систематическое наблюдение за работой электродвигателей. Оно заключается в контроле электрических параметров, нагрузки, температуры двигателя и его подшипников, в периодическом измерении его сопротивления.

Для контроля нагрузки в цепи питания двигателей средней и большой мощности устанавливают амперметры (обычно в двух фа­зах), где красной чертой должен быть отмечен наибольший допу­стимый (или номинальный) ток электродвигателя.

Температура двигателя измеряется термометром, встроенной термопарой или термисторными датчиками, приклеиваемыми к лобовым частям обмоток к другим частям машин.

Измерение сопротивления изоляции производят мегомметром на отключенном от сети двигателе.

Внешний осмотр заземления электрических машин должен производиться ежедневно. Периодичность технических осмотров и ре­монтов устанавливается местными инструкциями. Для башенных кранов профилактические осмотры обычно проводятся не реже одного раза в 10 дней, среднего ремонта — не реже одного раза в год. Технические осмотры защищенных двигателей в пыльных или влажных помещениях следует проводить не реже, чем один раз в неделю, а текущие ремонты — раз в два-три месяца; закрытые двигатели осматривать один раз в два месяца, а текущие ремонты — один раз в год.

Капитальный ремонт двигателей назначается в зависимости от их состояния, выявленного при осмотре или текущем ремонте. Для электродвигателей, работающих в тяжелых условиях, капитальный ремонт должен производиться не реже, чем один раз в два года.

При осмотре и текущем ремонте двигатель и его пусковую, регулировочную и защитную аппаратуру чистят, продувают сжатым воз­духом, подтягивают крепежные узлы, проверяют звук, нагрев и на­личие смазки подшипников, подтягивают и зачищают контактные соединения, осматривают заземление, заменяют, если необходимо, щетки, чистят пусковой реостат, доливают в него масло. В это же время проводятся замеры сопротивления изоляции мегомметром.

Замена, хотя бы частичная, обмоток электродвигателя отно­сится уже к капитальному ремонту, сюда же относится правка вала, замена или заварка подшипниковых щитов и т.д.

Во время эксплуатации электрических приводов большое зна­чение имеет наблюдение за смазкой электрических машин и меха­нических передач. Масло для подшипников должно быть соответ­ствующих марок. Необходимо в подшипниках скольжения с коль­цевой смазкой доливать масло один раз в неделю или в декаду и полностью менять один раз в два—три месяца. В шариковых и ро­ликовых подшипниках смазку меняют два раза в год. Крышки под­шипников скольжения должны быть плотно закрыты для предот­вращения попадания в них влаги и пыли. Подшипники не должны сильно нагреваться (если руку трудно удержать на горячем подшипнике, двигатель следует остановить).

При неудовлетворительных показаниях сопротивления изоля­ции возможно, что изоляция необязательно повреждена, а просто отсырела. При этом электродвигатели и аппараты подвергаются сушке. Имеются специальные сушильные шкафы. Малые двигате­ли можно просушивать софитами с лампами накаливания.

Контроллеры. Контроллеры служат для управления работой элек­тродвигателя, т.е. его включения, регулирования частоты вращения, остановки и изменения направления движения (реверсирования). Контроллеры, применяемые для управления электродвигателями кра­новых механизмов, по принципу работы разделяются на два вида:

 

 

непосредственного управления, или силовые, замыкающие или размыкающие силовые цепи двигателя при помощи контактных устройств контроллера с ручным приводом;

дистанционного управления, или магнитные, управляемые при помощи командоконтроллеров, переключающих цепи управления.

Силовыми контроллерами, применяемыми на башенных кранах, служат кулачковые контроллеры переменного тока ККТ (рис. 7.1).

Основными узлами кулачкового контроллера являются контак­тные элементы и вал 5 с кулачковыми шайбами 4. Каждый контак­тный элемент состоит из основания 1, подвижного рычага 2 с роликом и подвижным контактом и приводной пружины 3, обес­печивающей замыкание подвижного и неподвижного контактов. Контактные элементы крепятся к корпусу 8 контроллера. Вал с кулачковыми шайбами (кулачковый барабан) вращается в под­шипниках, закрепленных в корпусе контроллера. Поворот кулач­кового барабана осуществляется с помощью рукоятки 6, насажен­ной на выступающий конец вала.

Контроллеры выпускают двух видов: контроллеры для управле­ния одним и двумя двигателями.

Магнитные контроллеры представляют собой панель в откры­том или защищенном исполнении, на которой размещены кон­такторы, реле управления, плавкие предохранители и другие ап­параты управления и электрической защиты.

Для управления катушками контакторов и реле магнитного кон­троллера обычно служит командоконтроллер. Командоконтроллер имеет такой же принцип работы, как и кулачковый контроллер ККТ, но количество переключаемых цепей у него меньше, а кон­такты серебряные, мостикового типа.

Магнитные контроллеры обладают рядом преимуществ по срав­нению с силовыми:

магнитным контроллером любой мощности управляют с помо­щью малогабаритного аппарата — командоконтроллера без при­менения значительного мускульного усилия машиниста;

магнитные контроллеры могут быть установлены вне кабины, в любом месте на кране;

контакторы магнитных контроллеров более износоустойчивы, чем контакты кулачковых контроллеров.

Применение магнитных контроллеров позволяет автоматизи­ровать операции пуска и торможения двигателя, что упрощает управление приводом и предохраняет двигатель от перегрузок.

Однако магнитные контроллеры имеют значительно более слож­ную схему и большее количество электроаппаратов, чем силовые, и поэтому требуют более тщательного ухода.

Контакторы и магнитные пускатели. Контакторы. Контактором называется электрический аппарат для замыкания и размыкания силовых электрических цепей, приводимый в действие при помо­щи электромагнита.

В зависимости от рода тока различают контакторы постоянного и переменного тока. По числу одновременно переключаемых цепей контакторы разделяют на однополюсные и многополюсные. Кон­такторы постоянного тока выпускаются одно- и двухполюсными, а контакторы переменного тока — двух-, трех- и четырехполюсными.

Главные контакты делают массивными, рассчитанными на боль­шую силу тока, а блок-контакты — небольшими, так как в цепи управления сила тока не превышает 5... 10 А.

При размыкании электрических цепей, находящихся под на­грузкой, между силовыми контактами контактора возникает элек­трическая дуга, которая вызывает ускоренный износ контактов и даже их разрушение. Для сокращения времени горения дуги при­меняются различные системы принудительного дугогашения.

Контакторы используют в магнитных контроллерах башенных кранов в качестве линейных контакторов цепи защиты и в ревер­сорах.

Магнитные пускатели. Магнитным пускателем называется ма­логабаритный контактор специального исполнения, предназначен­ный для пуска, остановки и реверсирования асинхронных короткозамкнутых электродвигателей, а также для коммутации (замы­кания и размыкания) других электрических цепей. Магнитный пус­катель может иметь встроенные тепловые реле для защиты элект­рической цепи от перегрузок.

На башенных кранах пускатели применяют для управления короткозамкнутыми двигателями, в магнитных контроллерах и для коммутации других силовых цепей.

Реле управления и защиты. Реле времени. Реле времени применя­ют в магнитных контроллерах кранов для автоматического замы­кания и размыкания цепей управления с заданной выдержкой вре­мени.

Промежуточное реле. Промежуточное реле применяют в крановых схемах в качестве вспомогательного аппарата, если основной аппа­рат не обладает достаточным количеством контактов, требуемых для работы схемы, а также если мощность контактов основного аппарата недостаточна для размыкания или замыкания цепи управления.

Реле минимального тока. Реле применяют в схеме привода грузо­вой лебедки с тормозной машиной для контроля силы тока об­мотки возбуждения.

Реле максимального тока. Реле максимальной силы тока (макси­мальное реле) — электромагнитное токовое реле мгновенного дей­ствия. Реле применяют для защиты электродвигателей от повреж­дения при резком возрастании силы тока, например, при боль­шой перегрузке, резком включении, коротком замыкании.

Тепловое реле. Тепловое реле служит для защиты электродвига­теля от небольших, но длительных перегрузок, при которых сила тока двигателя на 30% и более превышает номинальное значение. Тепловое реле срабатывает при определенном значении силы тока в течение некоторого интервала времени.

Резисторы. Применяемые в электрооборудовании башенных кра­нов резисторы делятся на пускорегулирующие, включаемые в си­ловую сеть электродвигателей, и резисторы, используемые в це­пях управления и сигнализации.

Пускорегулирующие резисторы (реостаты) включаются в цепь ротора электродвигателя и служат для плавного разгона, торможе­ния и регулирования частоты вращения электродвигателя, а также для торможения его в режиме противовключения.

В проволочных резисторах на металлические держатели, изолированные по граням фар­форовыми изоляторами, намотана константановая проволока.

Элементы ленточных резисторов (рис. 7.2) вы­полняются из намотанной на ребро ленты 3, укреп­ленной на стальном держателе с помощью фар­форовых изоляторов 1. Эти элементы собираются в ящике аналогично прово­лочным резисторам.

Пускорегулирующий реостат в зависимости от мощности и на­значения электродвигателя состоит из одного или нескольких ящи­ков резисторов.

Включают реостаты в цепь ротора двигателя или выключают (закорачивают) их в процессе работы с помощью контроллеров. Резисторы рассчитаны, как правило, только на кратковременное включение при пуске или торможении двигателя. Длительная ра­бота электродвигателей с включенными реостатами (рукоятка кон­троллера не установлена в крайнее положение) недопустима, так как при этом резисторы сильно перегреваются.

Тормозные машины. Тормозные машины применяют в электро­приводе грузоподъемных лебедок для получения пониженных ско­ростей перемещения груза.

На башенных кранах устанавливают тормозную машину пере­менного тока ТМ-4А, представляющую собой короткозамкнутый асинхронный электродвигатель специального исполнения, имею­щий малую частоту вращения.

Тормозная машина рассчитана на кратковременную работу с ПВ = 15 % и должна использоваться только для небольших переме­щений грузов.

Тормозные электромагниты и электрогидравлические толкатели. Тормозные электромагниты и электрогидравлические толкатели применяют для растормаживания колодочных тормозов в меха­низмах крана.

Тормозные электромагниты. Тормозные электромагниты имеют две основные части: магнитопровод и обмотку возбуждения (ка­тушку). Магнитопровод состоит из неподвижного ярма и подвиж­ного якоря. При прохождении тока через укрепленную на ярме ка­тушку возникает магнитное поле, под действием которого якорь при­тягивается к ярму и через систему рычагов растормаживает тормоз.

Тормозные электромагниты разделяют по роду питания на электромагниты переменного и постоянного тока.

Электрогидравлические толкатели. Электрогидравлические тол­катели — это машины, преобразующие электрическую энергию в механическую и имеющие прямолинейно перемещающийся ис­полнительный орган (шток).

По сравнению с тормозными электромагнитами электрогид­равлические толкатели обладают рядом преимуществ:

размеры и масса их меньше по сравнению с аналогичными по рабочим параметрам электромагнитами, потребление электроэнер­гии также в несколько раз меньше;

величина напорного усилия гидротолкателя не зависит от по­ложения поршня, в то время как у электромагнита усилие резко изменяется в зависимости от величины воздушного зазора между ярмом и якорем;

внешней нагрузки до величины максимального упорного усилия толкателя поршень останавливается. При этом не происходит ни перегрузки двигателя, ни механических поврежде­ний элементов толкателя.

Полупроводниковые выпрямители. Полупроводниковые выпрями­тели служат для выпрямления переменного тока в постоянный, который применяют на башенных кранах для питания обмоток возбуждения тормозных машин и тормозных электромагнитов, цепей управления катушек контакторов и цепей управления маг­нитных усилителей, для динамического торможения асинхронных двигателей, а также для питания цепей ограничителей грузоподъ­емности и анемометров.

Конечные выключатели. Конечные выключатели служат для ог­раничения действия механизмов крана, включения цепей сигна­лизации, а также используются в качестве выключателей блоки­ровки.

По принципу работы конечные выключатели подразделяют:

на рычажные (рис. 7.3), срабатывающие при действии на них отключающих устройств;

приводные (шпиндельные), которые жестко связаны с валом механизма и срабатывают после поворота вала выключателя на определенный угол.

Плавкие предохранители. Плавкие предохранители предназначе­ны для защиты электрооборудования и электрических сетей от больших токов, возникающих при коротких замыканиях, и значитель­ных (50% и более) перегрузках.

 

 

 

В предохранителе помещается проводник с низкой температу­рой плавления (плавкая вставка), через который проходит ток за­щищаемой цепи. При увеличении силы тока выделяется большое количество тепла, под действием которого проводник расплавля­ется и размыкает цепь. На башенных кранах применяют трубчатые предохранители без наполнения ПР-2 и с наполнением ПН2, НПР, НПН.

Рубильники. Силовые распределительные ящики. Рубильники и си­ловые распределительные ящики служат для нечастой коммута­ции (замыкания и размыкания) электрических цепей переменно­го и постоянного тока напряжением до 500 В. На башенных кранах рубильники применяют в защитных панелях и в силовых распре­делительных ящиках. Силовые распределительные ящики исполь­зуют на башенных кранах в качестве вводных (портальных) ру­бильников, устанавливаемых в нижней части металлоконструкции крана, на портале или на ходовой раме.

Рубильник (рис. 7.4, а) имеет один или несколько подвижных ножей 7, шарнирно укрепленных в контактных стойках 6. Ножи связаны траверсой 3 из изолирующего материала. При включении рубильника ножи вводятся в контактные губки 2. К губкам присо­единяют провода от источника питания, а к контактным стойкам ножей — провода включаемой рубильником цепи. Рубильником управляют (включают и отключают) с помощью рукоятки 4.

По числу размыкаемых цепей различают одно-, двух- и трехполюсные рубильники.

Силовой распределительный ящик (рис. 7.4, б) представляет со­бой шкаф 7 со встроенными в него рубильником 8 и предохрани­телями 10. Рубильник управляется с помощью рычажного привода боковой рукояткой 9. Рукоятка имеет блокировочное устройство, благодаря которому нельзя открыть крышку шкафа при включен­ном рубильнике и включить рубильник при открытой крышке. В корпусе предусмотрен зажим для крепления заземляющего провода.

В некоторых конструкциях силовых распределительных ящиков вместо отдельно устанавливаемых рубильника и плавких предо­хранителей применяют встраиваемый блок предохранитель—вы­ключатель (рис. 7.4, в). Блок состоит из контактных губок 11, уста­новленных на изоляционной панели, и подвижных ножей 14, вы­полненных вместе с предохранителями. Блок включается и отклю­чается рукояткой 13, связанной с ножами при помощи рычажной системы 12.

На всех распределительных ящиках, которые установлены в ка­честве портального рубильника на кране или в качестве рубильника

на подключательном пункте у подкранового пути, предус­матривается устройство для запирания ящика с рукоят­кой, установленной в поло­жение «Выключено». Оно дол­жно быть выполнено так, что­бы в запертом положении нельзя было включить руко­ятку, а при включенной ру­коятке — запереть устройство.

Автоматические выключа­тели. Автоматические выклю­чатели (автоматы) предназ­начены для автоматического отключения электрических цепей в случае нарушения нормальных условий их рабо­ты (например, при перегруз­ке или коротком замыка­нии), а также для нечастой коммутации.

Автомат (рис. 7.5, а) состо­ит из кожуха, коммутирующе­го устройства, дугогасительных камер, механизма управ­ления и

расцепителей максимального тока. Он отключается при срабатывании расцепителей максимальной силы тока. По прин­ципу действия расцепители бывают: тепловыми, электромагнитны­ми и комбинированными, состоящими из последовательно вклю­ченного теплового и электромагнитного расцепителей. Основным эле­ментом теплового расцепителя является биметаллическая пластина.

Электромагнитный расцепитель состоит из катушки 14 и сер­дечника 13. При возникновении тока короткого замыкания сер­дечник мгновенно втягивается в катушку. При этом рычаг 11 пово­рачивается, освобождает от зацепления с зубом фигурную деталь 6 и автомат отключается без выдержки времени.

Аппаратура ручного управления. Для нечастых переключений це­пей управления и освещения в схемах башенных кранов применяют кнопки управления, выключатели управления, пакетные выключа­тели и универсальные переключатели.

Кнопки управления (рис. 7.6, а) служат для замыкания и размы­кания цепей катушек контакторов, магнитных пускателей и реле,

 

а также для включения звукового сигнала. Комплект кнопок, встро­енных в общий кожух, называется кнопочной станцией.

Выключатели управления бывают с ручным приводом и педаль­ным (ножным). Выключатели с ручным приводом используются для отключения линейного контактора, их обычно называют аварийны­ми выключателями. Педальные выключатели (рис. 7.6, б) применяют для включения цепей управления, например для управления поса­дочной скоростью грузовых лебедок в схеме противовключения. Кон­такты выключателей управления рассчитаны на силу тока до 10 А.

Пакетные выключатели (рис. 7.6, в) применяют в схеме кранов для включения цепей управления и освещения. С помощью пакет­ных выключателей включают рабочее освещение и нагреватель­ные приборы.

Пакетный выключатель состоит из двух узлов: контактной сис­темы и переключающего механизма.

Пакетные выключатели выпускают в открытом и защищенном исполнении на величину силы тока от 10 до 60 А.

Универсальные переключатели (рис. 7.6, г) — это многоцепные электрические аппараты, применяемые для нечастых переключе­ний электрических цепей. На башенных кранах, у которых предус­мотрено управление механизмами из кабины или с переносного монтажного пульта, универсальные переключатели используют для переключения схемы крана на пульт или кабину. На некоторых кранах переключатели применены в качестве командоаппаратов для управления магнитными контроллерами.

Токоприемники. С помощью токоприемника электрооборудова­ние вращающейся части крана связано с внешней сетью и элект­роаппаратами, установленными на неповоротной части крана.

По принципу работы токоприемники башенных кранов разде­ляют на кольцевые и бескольцевые.

Бескольцевой токоприемник представляет собой шлейф из гиб­ких проводов, связывающих зажимы цепи на вращающейся и не­поворотной частях крана. Длина проводов выбирается достаточной для двух полных оборотов крана (720°) в обе стороны от началь­ного положения.

Бескольцевой токоприемник применяют на большинстве ба­шенных кранов, так как он значительно проще и надежней коль­цевого. При эксплуатации крана с бескольцевым токоприемником следует систематически наблюдать за работой ограничителя пово­рота, так как его неисправность может привести к скручиванию и обрыву проводов гибкого шлейфа.

Провода и кабели. Для подключения электрооборудования к внеш­ней цепи, а также для электрической связи между электродвигате­лями и электроаппаратами на башенном кране применяют прово­да и кабели.

Провода и жилы кабелей всех цепей крановой электросхемы должны иметь хорошо видную буквенную и цифровую марки­ровку.

Согласно правилам устройства электроустановок электропро­водка на кранах может выполняться проводами и кабелями с мед­ными жилами. Сечение проводов и токоведущих жил кабелей вы­бирают по допустимым длительным токовым нагрузкам в зависи­мости от мощности, потребляемой приемником. Однако по усло­виям механической прочности сечение медных проводов должно быть не менее 2,5 мм². В цепях управления для присоединения ко­мандоаппаратов, а также в цепях телеуправления и связи допуска­ется использовать гибкие провода с медными жилами сечением меньше 2,5 мм² при условии, что эти провода не несут механичес­кой нагрузки.

Внешнюю электропроводку по крану выполняют гибким кабе­лем с медными жилами в резиновой или равноценной изоляции, предназначенной для работы в интервале температур от —40 до +40°С. Для электропроводки в шкафах магнитных контроллеров и в кабинах используют одножильные и многожильные провода (ПР, ПРГ, ПВ-ХЛ, ПГВ-ХЛ) либо кабели для внешней проводки.

Кабельные барабаны. Электрическая энергия подается от внеш­ней цепи к электрооборудованию крана по кабелю. Длина кабеля, который соединяет вводный рубильник на ходовой раме (порта­ле) башенного крана с подключательным пунктом у кранового пути, обычно равна 50 м.

Для предохранения кабеля от износа и обрывов при задевании за неровности подкранового пути применяют различные средства. При длине пути более 50 м подключательный пункт размещают у середины подкранового пути, а для кабеля устраивают деревян­ный лоток, по которому кабель протаскивают краном. При длине пути 50 м и менее вдоль подкранового пути натягивают на стойках проволоку или канат, а к ним с помощью проволочных колец прикрепляют кабель.

Применение кабельного барабана избавляет от необходимости выполнять эти сложные и ненадежные устройства. Кабельный ба­рабан предназначен для наматывания (или сматывания) кабеля при перемещении крана по рельсовому пути. Барабан представляет собой полый цилиндр, внутри которого помещается кольцевой токоприемник, связывающий наматывающийся кабель с вводным рубильником.

Кабель наматывается на внешнюю цилиндрическую поверхность барабана. Кабельный барабан укрепляется на металлоконструкции крана и имеет приводное устройство, с помощью которого проис­ходит наматывание кабеля на барабан при движении крана к подключательному пункту. Кабель сматывается с барабана за счет собственного натяжения или в результате изменения направления вращения привода барабана.

 

 

ЭЛЕКТРОНИКА

 

Общие сведения о полупроводниках

 

Полупроводниками называют вещества, удельная проводимость которых имеет промежуточное значе­ние между удельными проводимостями металлов и диэлектриков. Полупроводники одновременно явля­ются плохими проводниками и плохими диэлектри­ками. Граница между полупроводниками и диэлект­риками условна, так как диэлектрики при высоких температурах могут вести себя как полупроводники, а чистые полупроводники при низких температурах ведут себя как диэлектрики. В металлах концентра­ция электронов практически не зависит от темпера­туры, а в полупроводниках носители заряда возни­кают лишь при повышении температуры или при поглощении энергии от другого источника.

Типичными полупроводниками являются углерод (С), германий (Ge) и кремний (Si). Германий - это хрупкий серовато-белый элемент, открытый в 1886г. Источником порошкообразной двуокиси германия, из которой получают твердый чистый германий, яв­ляются золы некоторых сортов угля.

Кремний был открыт в 1823 г. Он широко рас­пространен в земной коре в виде кремнезема (двуокиси кремния), силикатов и алюмосиликатов. Дву­окисью кремния богаты песок, кварц, агат и кре­мень. Из двуокиси кремния химическим путем по­лучают чистый кремний. Кремний является наибо­лее широко используемым полупроводниковым ма­териалом.

Рассмотрим подробнее образование электронов про­водимости в полупроводниках на примере кремния. Атом кремния имеет порядковый номер Z = 14 в пе­риодической системе Менделеева. Поэтому в состав его атома входят 14 электронов. Однако только че­тыре из них находятся на незаполненной внешней оболочке и являются слабо связанными. Эти элект­роны называются валентными и обусловливают че­тыре валентности кремния. Атомы кремния способ­ны объединять свои валентные электроны с други­ми атомами кремния с помощью, так называемой ковалентной связи (рис. 11.1). При ковалентной связи валентные электроны совместно используют­ся различными атомами, что приводит к образова­нию кристалла.

 

Рис. 11.1

При повышении температуры кристалла тепло­вые колебания решетки приводят к разрыву некоторых валентных связей. В результате этого часть электронов, ранее участвовавших в образовании ва­лентных связей, отщепляется и становится элект­ронами проводимости. При наличии электрическо­го поля они перемещаются против поля и образуют электрический ток.

Однако при освобождении электрона в кристал­лической решетке образуется незаполненная меж­атомная связь. Такие «пустые» места с отсутствую­щими электронами связи получили название «ды­рок». Возникновение дырок в кристалле полупро­водника создает дополнительную возможность для переноса заряда. Действительно, дырка может быть заполнена электроном, перешедшим под действием тепловых колебаний от соседнего атома. В резуль­тате на этом месте будет восстановлена нормальная связь, но зато в другом месте появится дырка. В эту новую дырку в свою очередь может перейти какой-либо из других электронов связи и т.д. Последова­тельное заполнение свободной связи электронами эк­вивалентно движению дырки в направлении, про­тивоположном движению электронов. Таким обра­зом, если при наличии электрического поля элект­роны перемещаются против поля, то дырки будут двигаться в направлении поля, т.е. так, как двига­лись бы положительные заряды. Следовательно, в полупроводнике имеются два типа носителей тока - электроны и дырки, а общая проводимость полу­проводника является суммой электронной проводи­мости (n-типа, от слова negative) и дырочной про­водимости (p -типа, от слова positive).

Наряду с переходами электронов из связанного состояния в свободное существуют обратные пере­ходы, при которых электрон проводимости улавли­вается на одно из вакантных мест электронов свя­зи. Этот процесс называют рекомбинацией электрона и дырки. В состоянии равновесия устанавливает­ся такая концентрация электронов (и равная ей кон­центрация дырок), при которой число прямых и об­ратных переходов в единицу времени одинаково.

Рассмотренный процесс проводимости в чистых полупроводниках называется собственной проводи­мостью. Собственная проводимость быстро возрас­тает с повышением температуры, и в этом существен­ное отличие полупроводников от металлов, у кото­рых с повышением температуры проводимость уменьшается. Все полупроводниковые материалы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления.

Чистые полупроводники являются объектом глав­ным образом теоретического интереса. Основные ис­следования полупроводников связаны с влиянием добавления примесей в чистые материалы. Без этих примесей не было бы большинства полупроводни­ковых приборов.

Чистые полупроводниковые материалы, такие как германий и кремний, содержат при комнатной тем­пературе небольшое количество электронно-дыроч­ных пар и поэтому могут проводить очень малень­кий ток. Для увеличения проводимости чистых ма­териалов используется легирование.

Легирование - это добавление примесей в полу­проводниковые материалы. Используются два типа примесей. Примеси первого типа - пятивалентные -состоят из атомов с пятью валентными электронами, например, мышьяк и сурьма. Примеси второго типа - трехвалентные - состоят из атомов с тремя валент­ными электронами, например, индий и галлий.

Когда чистый полупроводниковый материал ле­гируется пятивалентным материалом, таким как мышьяк (As), то некоторые атомы полупроводника замещаются атомами мышьяка (рис. 11.2).

рис. 11.2

Атом мышьяка вводит четыре своих валентных электрона в ковалентные связи с соседними атома­ми. Его пятый электрон слабо связан с ядром и лег­ко может стать свободным. Атом мышьяка называ­ется донорским, поскольку он отдает свой лишний электрон. В легированном полупроводниковом ма­териале находится достаточное количество донор­ских атомов, а следовательно, и свободных электро­нов для поддержания тока.

При комнатной температуре количество допол­нительных свободных электронов превышает коли­чество электронно-дырочных пар. Это означает, что в материале больше электронов, чем дырок. Поэто­му электроны называют основными носителями. Дырки называют не основными носителями. По­скольку основные носители имеют отрицательный заряд, такой материал называется полупроводником n - типа.

Когда полупроводниковый материал легирован трехвалентными атомами, например атомами индия (In), то эти атомы разместят свои три валентных электрона среди трех соседних атомов (рис. 11.3).

Рис. 11.3

Это создаст в ковалентной связи дырку. Наличие дополнительных дырок позволит электронам легко дрейфовать от одной ковалентной связи к другой. Так как дырки легко принимают электроны, ато­мы, которые вносят в полупроводник дополнитель­ные дырки, называются акцепторными.

При обычных условиях количество дырок в та­ком материале значительно превышает количество электронов. Следовательно, дырки являются основ­ными носителями, а электроны – не основными. По­скольку основные носители имеют положительный заряд, материал называется полупроводником p-типа.

Полупроводниковые материалы n- и p-типов име­ют значительно более высокую проводимость, чем чистые полупроводники. Эта проводимость может быть увеличена или уменьшена путем изменения количества примесей. Чем сильнее полупроводни­ковый материал легирован, тем меньше его элект­рическое сопротивление. Контакт двух полупроводников с различными типами проводимости называется p-n-переходом и обладает очень важным свойством - его сопротивление зависит от направления тока. Отметим, что такой контакт нельзя получить, прижимая друг к другу два полупроводника, p-n-переход создается в одной пластине полупроводника путем образования в ней областей с различными типами проводимости. Методы получения p-n-переходов описаны ниже. Итак, в куске монокристаллического полупровод­ника на границе между двумя слоями с различного рода проводимостями образуется p-n-переход. На ней имеет место значительный перепад концент­раций носителей зарядов. Концентрация электро­нов в n-области во много раз больше их концент­рации в n-области. Вследствие этого электроны диффундируют в область их низкой концентрации (в n-область). Здесь они рекомбинируют с дырками и таким путем создают пространственный отрицатель­ный заряд ионизированных атомов акцептора, не скомпенсированный положительным зарядом дырок. Одновременно происходит диффузия дырок в n-область. Здесь создается не скомпенсированный за­рядом электронов пространственный положительный заряд ионов донора. Таким образом, на границе со­здается двойной слой пространственного заряда (рис. 11.4, а), обедненный основными носителями тока. В этом слое возникает контактное электрическое поле E_s, препятствующее дальнейшему переходу электронов и дырок из одной области в другую.

Контактное поле поддерживает состояние равно­весия на определенном уровне. Но и в этом случае под действием тепла небольшая часть электронов и дырок будет продолжать проходить через потенци­альный барьер, обусловленный пространственными зарядами, создавая ток диффузии. Однако одновременно с этим под действием контактного поля не­ основные носители заряда p- и n-областей (элект­роны и дырки) создают небольшой ток проводимос­ти. В состоянии равновесия эти токи взаимно ком­пенсируются.

 

рис. 11.4

Если к p-n-переходу подключить внешний источ­ник тока, то напряжение указанной на рис. 11.4,б обратной полярности приведет к появлению внеш­него поля Е, совпадающего по направлению с кон­тактным полем е_к. В результате ширина двойного слоя увеличится, и тока за счет основных носителей практически не будет. В цепи возможен лишь незначительный ток за счет не основных носителей (обратный ток I_обр).

При включении напряжения прямой полярности направление внешнего поля противоположно направ­лению контактного поля (рис. 11.4, в). Ширина двойного слоя уменьшится, и в цепи возникнет боль­шой прямой ток I_пр. Таким образом, p-n-переход обладает ярко выраженной односторонней проводи­мостью. Это отражает его вольтамперная характе­ристика (рис. 11.5).

 

рис. 11.5

Когда к p-n-переходу приложено прямое напря­жение, ток быстро возрастает с ростом напряжения. Когда же к р-n-переходу приложено обратное напря­жение, ток очень мал, быстро достигает насыщения и не изменяется до некоторого предельного значе­ния обратного напряжения, после чего резко возра­стает. Это так называемое напряжение пробоя U _пр, при котором наступает пробой p-n-перехода и он раз­рушается. Следует отметить, что на рис.11.5 масштаб обратного тока в тысячу раз меньше масш­таба прямого тока.

 

Полупроводниковые диоды

 

P-n-переход является основой полупроводниковых диодов, которые применяются для выпрямления пе­ременного тока и для других нелинейных преобра­зований электрических сигналов.

Диод проводит ток в прямом направлении только тогда, когда величина внешнего напряжения (в воль­тах) больше потенциального барьера (в электрон-вольтах). Для германиевого диода минимальное внеш­нее напряжение равно 0,3 В, а для кремниевого - 0,7 В. Когда диод начинает проводить ток, на нем появ­ляется падение напряжения. Это падение напряже­ния равно потенциальному барьеру и называется прямым падением напряжения.

Все диоды обладают малым обратным током. В германиевых диодах он измеряется в микроампе­рах, а в кремниевых - в наноамперах. Германиевый диод имеет больший обратный ток и более чувствителен к температуре. Этот недостаток германи­евых диодов компенсируется невысоким потенциальным барьером.

При комнатной температуре обратный ток мал. При повышении температуры обратный ток увели­чивается, нарушая работу диода. В германиевых ди­одах обратный ток выше, чем в кремниевых диодах, и сильнее зависит от температуры, удваиваясь при повышении температуры приблизительно на 10 °С.

Схематическое обозначение диода показано на рис. 11.6. p-часть представлена стрелкой, а n-часть - чертой.

рис. 11.6

Прямой ток течет от части p к части n (по стрелке). Часть n называется катодом, а часть p - анодом.

Существуют три типа p-n-переходов: выращенные переходы, вплавленные переходы и диффузионные переходы, которые изготавливаются по различным технологиям. Методы изготовления каждого из этих переходов различны. Метод выращивания перехода (наиболее ранний) состоит в следующем: чистый полупроводниковый материал и примеси p-типа помещают в кварцевый контейнер и нагревают до тех пор, пока они не рас­плавятся. В расплавленную смесь помещают малень­кий полупроводниковый кристалл, называемый за­травкой. Затравочный кристалл медленно вращает­ся и вытягивается из расплава настолько медленно, чтобы на нем успел нарасти слой расплавленной смеси. Расплавленная смесь, нарастая на затравоч­ный кристалл, охлаждается и затвердевает. Она имеет такую же кристаллическую структуру, как и затравка. После вытягивания затравка оказы­вается попеременно легированной примесями n- и p-типов. Это создает в выращенном кристалле слои n- и p-типов. Таким образом, выращенный кристалл состоит из многих p-n слоев.

Метод создания вплавленных p-n-переходов пре­дельно прост. Маленькая гранула трехвалентного материала, такого как индий, размещается на кри­сталле полупроводника n-типа. Гранула и кристалл нагреваются до тех пор, пока гранула не расплавит­ся сама и частично не расплавит полупроводнико­вый кристалл. На участке, где они стыкуются, об­разуется материал p-типа. После охлаждения мате­риал перекристаллизовывается и формируется твер­дый p-n-переход.

В настоящее время чаще всего используют диф­фузионный метод получения p-n-переходов. Маска с прорезями размещается над тонким срезом полу­проводника p- или n-типа, который называется под­ложкой. После этого подложка помещается в печь и подвергается контакту с примесями, находящи­мися в газообразном состоянии. При высокой тем­пературе атомы примеси проникают в подложку. Глубина проникновения контролируется длительно­стью экспозиции и температурой.

После формирования p-n-перехода диод надо по­местить в корпус, чтобы защитить его от влияния окружающей среды и механических повреждений. Корпус должен также обеспечить возможность со­единения диода с цепью. Вид корпуса определяется назначением диода (рис. 11.7).

Рис. 11.7

Если через диод должен протекать большой ток, корпус должен быть рассчитан так, чтобы уберечь p-n-переход от перегрева.

Диод можно проверить путем измерения с помо­щью омметра прямого и обратного сопротивлений. Величина этих сопротивлений характеризует спо­собность диода пропускать ток в одном направле­нии и не пропускать ток в другом направлении.

Германиевый диод имеет низкое прямое сопро­тивление, порядка 100 Ом, а его обратное сопротив­ление превосходит 100 000 Ом. Прямые и обратные сопротивления кремниевых диодов выше, чем у гер­маниевых. Проверка диода с помощью омметра дол­жна показать низкое прямое сопротивление и высо­кое обратное сопротивление. Если положительный вывод омметра соединен с анодом диода, а отрицательный вывод с катодом, то диод смещен в прямом направлении. В этом случае через диод идет ток, и омметр показывает низкое сопротивление. Если выводы омметра поменять ме­стами, то диод будет смещен в обратном направле­нии, через него будет идти маленький ток, и ом­метр покажет высокое сопротивление.

Если сопротивление диода низкое в прямом и в обратном направлениях, то он, вероятно, закорочен. Если диод имеет высокое сопротивление и в пря­мом и в обратном направлениях, то в нем, вероят­но, разорвана цепь.

Как германиевые, так и кремниевые диоды мо­гут быть повреждены сильным нагреванием или вы­соким обратным напряжением. Производители ука­зывают максимальный прямой ток, который может безопасно течь через диод, не перегревая его, а так­же максимальное обратное напряжение. Дело в том, что высокое обратное напряжение, приложенное к диоду, может создать сильный обратный ток, кото­рый перегреет диод и приведет к его пробою. Обрат­ное напряжение, при котором наступает пробой, на­зывается напряжением пробоя, или максимальным обратным напряжением.

 

 

Стабилитроны

Для работы при напряжениях, превышающих напряжение пробоя диода, предназначены специаль­ные диоды, которые называются стабилитронами. В этом случае область обратных напряжений, при которой наступает пробой, называется областью стабилизации.

Когда обратное напряжение достаточно велико, чтобы вызвать пробой стабилитрона, через него те­чет высокий обратный ток. До наступления пробоя обратный ток невелик. После наступления-пробоя обратный ток резко возрастает. Это происходит по­тому, что сопротивление стабилитрона уменьшает­ся при увеличении обратного напряжения.

Стабилитроны выпускают с определенным напря­жением пробоя, которое называют напряжением стабилизации. Напряжение пробоя стабилитрона определяется удельным сопротивлением диода. Оно в свою очередь зависит от техники легирования, ис­пользованной при его изготовлении. Паспортное напряжение пробоя - это обратное напряжение при токе стабилизации. Ток стабилизации несколько меньше максимального обратного тока диода. На­пряжение пробоя обычно указывается с точностью от 1 до 20%.

Способность стабилитрона рассеивать мощность уменьшается при увеличении температуры. Следо­вательно, рассеиваемая стабилитроном мощность указывается для определенной температуры. Вели­чина рассеиваемой мощности также зависит от дли­ны выводов: чем короче выводы, тем большая мощ­ность рассеивается на диоде. Производитель указы­вает также коэффициент отклонения для определе­ния рассеиваемой мощности при других температу­рах. Например, коэффициент отклонения 6 милливатт на градус Цельсия означает, что рассеиваемая диодом мощность уменьшается на 6 милливатт при повышении температуры на один градус.

Корпуса стабилитронов имеют такую же форму, как и у обычных диодов.

Маломощные стабилитроны выпускаются в кор­пусах из стекла или эпоксидной смолы, а мощные - в металлическом корпусе с винтом. Схематичес­кое обозначение стабилитрона показано на рис. 11.8.

Рис. 11.8

Основными параметрами стабилитронов являют­ся максимальный ток стабилизации, обратный ток и обратное напряжение. Максимальный ток ста­билизации - это максимальный обратный ток, кото­рый может течь через стабилитрон без превышения рассеиваемой мощности, указанной производителем. Обратный ток - это ток утечки перед началом про­боя. Он указывается при некотором обратном на­пряжении, равном примерно 80% напряжения ста­билизации.

Стабилитроны используют для стабилизации на­пряжения, например, для компенсации изменения напряжения линии питания или изменения резистивной нагрузки, питаемой постоянным током.

рис. 11.9

На рис. 11.9 показана типичная регулирующая цепь со стабилитроном. Стабилитрон соединен по­следовательно с резистором R. Резистор обусловли­вает прохождение через стабилитрон такого тока, чтобы он работал в режиме пробоя (стабилизации). Входное постоянное напряжение должно быть выше напряжения стабилизации стабилитрона. Падение напряжения на стабилитроне равно напряжению стабилизации стабилитрона. Падение напряжения на резисторе равно разности входного напряжения и напряжения стабилизации.

Входное напряжение может увеличиваться или уменьшаться. Это обусловливает соответствующее увеличение или уменьшение тока через стабили­трон. Когда стабилитрон работает при напряжении стабилизации (в области пробоя), при увеличении входного напряжения через него может идти боль­шой ток. Однако напряжение на стабилитроне оста­нется прежним. Стабилитрон оказывает противодей­ствие увеличению входного напряжения, так как при увеличении тока его удельное сопротивление падает. Это позволяет выходному напряжению на стабилитроне оставаться постоянным при измене­ниях входного напряжения. Изменение входного на­пряжения проявляется только в изменении падения напряжения на последовательно включенном резис­торе. Сумма падений напряжения на этом резисто­ре и стабилитроне равна входному напряжению. Выходное напряжение снимается со стабилитрона. Выходное напряжение может быть увеличено или уменьшено путем замены стабилитрона и включен­ного последовательно с ним резистора.

Описанная цепь выдает постоянное напряжение. При расчете цепи должны учитываться как ток, так и напряжение. Внешняя нагрузка потребляет ток, который определяется ее сопротивлением и выходным напряжением. Через резистор, включенный последовательно со стабилитроном, протекает и ток нагрузки, и ток стабилизации. Этот резистор дол­жен быть подобран таким образом, чтобы через ста­билитрон шел ток стабилизации, и он находился в области пробоя.

При увеличении резистивной нагрузки идущий через нее ток уменьшается, что должно вызвать уве­личение падения напряжения на нагрузке. Но ста­билитрон препятствует любому изменению напря­жения. Сумма тока стабилизации и тока нагрузки через последовательно включенный резистор оста­ется постоянной. Это обеспечивает постоянство па­дения напряжения на последовательно включенном резисторе. Аналогично, когда ток через нагрузку увеличивается, ток стабилизации уменьшается, обес­печивая постоянство напряжения. Это позволяет цепи поддерживать выходное напряжение постоян­ным при колебаниях входного.

 

Тиристоры

 

Тиристоры - это обширный класс полупроводни­ковых приборов, используемых для электронного переключения. Эти полупроводниковые устройства обладают двумя устойчивыми состояниями и име­ют три или более p-n-переходов. Тиристоры охваче­ны внутренней положительной обратной связью, позволяющей увеличивать амплитуду выходного сигнала путем подачи на вход части выходного на­пряжения.

Тиристоры широко используются при управле­нии мощностью постоянного и переменного токов. Они применяются для включения и выключения мощности, подаваемой на нагрузку, а также для ре­гулирования ее величины, например для управления освещенностью или скоростью вращения дви­гателя.

Тиристоры изготавливаются из кремния диффу­зионным или диффузионно-сплавным методом и состоят из четырех полупроводниковых слоев p-типа и n-типа, расположенных поочередно. На рис. 11.10 изображены упрощенная схема тиристора (а), его вольтамперная характеристика (б) и его схемати­ческое обозначение (в).

А

 

Б В

Четыре слоя прилегают друг к другу, образуя три p-n-перехода. Два крайних вывода - это анод и катод, а к одному из средних слоев может быть под­ключен управляющий электрод. Данный тиристор не содержит управляющего электрода, и управле­ние его открыванием и закрыванием осуществляет­ся путем изменения приложенного к нему напряжения. Такие тиристоры называются динисторами.

При указанной на рис. 11.10,а полярности при­ложенного к тиристору напряжения, основная его часть придется на закрытый p-n-переход 2, тогда как переходы 1 и 3 окажутся открытыми. При этом дырки, переходящие из слоя p₁ в слой р₂, частично рекомбинируют с электронами в слое п₁. Их некомпенсированный заряд в слое р_г вызовет вторич­ную встречную инжекцию электронов из слоя п₂, и электроны из слоя п_г пройдут через слой p₂ в слой п₁, частично рекомбинируя с дырками в слое p₂. Они вызовут вторичную встречную инжекцию дырок из слоя р₂. Эти явления создадут необходимые усло­вия для развития лавинного процесса. Однако ла­винный процесс начнется только при некотором достаточно большом внешнем напряжении U_nep. При этом тиристор перейдет из точки А вольтамперной характеристики на участок ВС (рис. 11.10, б), и ток через него резко возрастет. При этом благодаря оби­лию зарядов в переходе 2 напряжение на нем силь­но упадет (примерно до 1 В), и энергия, выделяемая в этом переходе, окажется недостаточной для раз­вития необратимых процессов в структуре прибора.

Если ток через тиристор сильно уменьшить до некоторого значения I_уд (тока удержания), то тири­стор закроется и перейдет в состояние с низкой про­водимостью (участок ОА на рис. 11.10, б). Если к тиристору приложить напряжение обратной поляр­ности, то его вольтамперная характеристика будет такой же, как у полупроводникового диода (участок OD на рис. 11.10,б).

Рассмотренный неуправляемый тиристор имеет существенный недостаток: его открывание и закры­вание возможно лишь при больших изменениях внешнего напряжения и тока.

Значительно чаще используют тиристоры, которые имеют управляющий электрод (рис. 11.11).

рис. 11.11

Управляемый тиристор можно представить в виде эквивалентной схемы из двух транзисторов (рис. 11.12)

Рис. 11.12

Анод должен иметь положительный потенциал по отношению к катоду, а управляющий электрод оставаться свободным, n-p-n транзистор не пропус­кает ток, поскольку на его эмиттерный переход не подано напряжение прямого смещения (обеспечи­ваемое коллектором p-n-p транзистора или управля­ющим сигналом). А поскольку n-p-n транзистор не пропускает ток, p-n-p транзистор также заперт (так как коллектор n-p-n транзистора обеспечивает сме­щение на базе р-п-р транзистора). При этих услови­ях ток от анода к катоду не течет.

Если на управляющий электрод подать положи­тельное напряжение по отношению к катоду, эмиттерный переход п-р-п транзистора будет смещен в прямом направлении и п-р-п транзистор откроется. Это позволит течь току базы р-п-р транзистора и от­кроет его. Коллекторный ток р-п-р транзистора явля­ется током базы п-р-п транзистора. Оба транзистора будут поддерживать друг друга в проводящем состо­янии, позволяя току течь непрерывно от анода к ка­тоду. Процесс будет происходить даже в том случае, если управляющее напряжение приложено на корот­кий момент времени. Кратковременная подача уп­равляющего напряжения переключает цепь в прово­дящее состояние, и она продолжает проводить ток даже при отключении управляющего напряжения. Ток анода ограничен только внешней цепью. Для переключения тиристора в непроводящее состояние необходимо уменьшить напряжение анод-катод до нуля. Это обеспечит запирание обоих транзисторов, и они останутся запертыми до тех пор, пока опять не будет подано управляющее напряжение.

Тиристор включается положительным управляю­щим напряжением и выключается уменьшением на­пряжения анод-катод до нуля. Когда тиристор вклю­чен и проводит ток от анода к катоду, его проводи­мость в прямом направлении достаточно велика. Если изменить полярность напряжения катод-анод, то че­рез цепь, проводимость которой резко уменьшится, будет течь только маленький ток утечки.

На рис. 11.13 изображено семейство вольтамперных характеристик управляемого тиристора при различных токах цепи управления.

рис. 11.13

Схематическое обозначение управляемого тирис­тора изображено на рис. 11.14.

Рис. 11.14

Схема включения тиристора показана на рис. 11.15. Переключатель используется для подачи и снятия управляющего напряжения.

Рис. 11.15

Резистор R₂ используется для ограничения тока управляющего электрода. Напряжение между ано­дом и катодом обеспечивается источником перемен­ного напряжения. Последовательно включенный

резистор R₁ используется для ограничения тока анод-катод во включенном состоянии. Без резистора R₁ через тиристор может течь слишком большой ток, способный повредить его.

Тиристоры используются главным образом для уп­равления подачей мощности постоянного и перемен­ного токов на различные типы нагрузок. Они могут быть использованы в качестве переключателей для включения и выключения цепей. Они также могут быть использованы для плавной регулировки мощ­ности, подаваемой на нагрузку. При использовании тиристоров малый ток управляющего электрода мо­жет управлять большим током нагрузки.

Когда тиристор используется в цепи постоянного тока, не существует простого метода его выключе­ния без снятия напряжения с нагрузки.

Когда тиристор используется в цепи переменно­го тока, он способен проводить ток только в течение половины каждого периода переменного тока, а именно в течение той половины, когда потенциал анода положителен по отношению к катоду. Когда ток управляющего электрода приложен постоянно, тиристор проводит постоянно. Когда ток управляю­щего электрода отсутствует в течение половины пе­риода, тиристор выключается и остается выключен­ным до тех пор, пока ток управляющего электрода не будет подан снова. Необходимо заметить, что при этом на нагрузку подается только половина мощно­сти. Тиристор можно использовать для управления током в течение обоих полупериодов каждого цик­ла, если выпрямить переменный управляющий ток перед подачей на тиристор.

Симистор - это двунаправленный управляемый тиристор. Он имеет такие же переключательные характеристики, как и обычный тиристор, но про­водит переменный ток в обоих направлениях. Симистор эквивалентен двум обычным тиристорам, включенным встречно-параллельно (рис. 11.16, а). Поскольку симистор может управлять током, те­кущим в любом направлении, он широко использу­ется для управления подачей переменного тока на различные типы нагрузок. Он может быть включен подачей тока на управляющий электрод и выклю­чен уменьшением рабочего тока до величины, мень­шей уровня удержания. На рис. 11.16 показаны упрощенная схема конструкции симистора и его эквивалентная схема.

 

А

 

Б

рис. 11.16

Симистор является четырехслойным устройством типа n-p-n-p, соединенным параллельно с устройством типа p-n-p-n и рассчитанным на управление током, текущим через управляющий электрод. Выводы входа и выхода обозначаются МТ₁ и МТ₂. Эти вы­воды соединены с p-n-переходами на противополож­ных концах устройства. Вывод МТ₁ представляет собой опорную точку, относительно которой изме­ряются напряжение и ток на управляющем элект­роде. Управляющий электрод соединен с p-n-переходом на том же конце устройства, что и МТ₁.От вывода МТ₁ до вывода МТ₂ сигнал должен пройти через последовательность слоев п-р-п-р или р-п-р-п. Схематическое обозначение симистора показано на рис. 11.17.

Рис. 11.17

Симисторы могут быть использованы в качестве переключателей переменного тока или для управ­ления величиной мощности переменного тока, по­даваемой в нагрузку. Симисторы способны передать в нагрузку полную мощность. Когда симистор ис­пользуется для регулировки величины мощности по­даваемой в нагрузку, необходимо специальное за­пускающее устройство для того, чтобы обеспечить работу симистора в течение заданного промежутка времени. Запускающее устройство необходимо по­тому, что симистор имеет неодинаковую чувстви­тельность к токам управляющего электрода, теку­щим в противоположных направлениях.

По сравнению с обычными тиристорами симисторы обладают рядом недостатков. Симисторы мо­гут управлять токами не более 25 А, тогда как обыч­ные тиристоры могут управлять токами до 1400 А.

Максимальное напряжение для симисторов – 500 В, а для обычных тиристоров - 2 600 В. Симисторы рассчитаны на работу при низких частотах (от 50 до 400 Гц), тогда как обычные тиристоры могут ра­ботать на частотах до 30 000 Гц. Симисторы также имеют трудности при переключении мощности на индуктивной нагрузке.

На рис. 11.18 показан внешний вид наиболее рас­пространенных тиристоров.

рис. 11.18

 

Биполярные транзисторы

В 1948г. Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уиль­ям Шокли в лабораториях фирмы Bell изготовили первый работающий транзистор. Наверное, ни одно из открытий современной фи­зики не повлияло столь непосредственно на жизнь людей, как транзистор. Благодаря своим преиму­ществам перед электронной лампой транзистор со­вершил революцию в области электронных средств связи и обеспечил создание и широкое использова­ние быстродействующих электронно-вычислитель­ных машин с большим объемом памяти. Наиболее очевидные преимущества транзистора: он имеет малый объем; работая при меньших значениях напряжений, не требует громоздких источников пи­тания; у него отсутствует нагреваемый катод, тре­бующий времени на разогрев и отвод тепла. И, на­конец, еще одно важное свойство транзистора, ко­торое особенно ценно при его применении в вычис­лительной технике - это малое количество потреб­ляемой энергии в расчете на один бит информации. По некоторым оценкам, эта энергия сравнима с энер­гией, используемой нейронами головного мозга.

Транзистор - это устройство, состоящее из двух p-n переходов, которое используется для управле­ния электрическим током. Изменяя величину на­пряжения, приложенного к его электродам, можно управлять величиной тока через транзистор и ис­пользовать его для усиления, генерации или пере­ключения.

Транзистор, как и диод, может быть изготовлен из германия или кремния, но кремний более попу­лярен. Биполярный транзистор состоит из трех об­ластей с чередующимся типом проводимости (по сравнению с двумя у диода). Эти три области могут быть расположены двумя способами.

В первом случае материал p-типа расположен между двумя слоями материала n-типа, образуя n-p-n транзистор (рис. 11.19, а). Во втором случае слой материала n-типа расположен между двумя слоями материала p-типа, образуя p-n-p транзистор (рис. 11.19, б).

 

А Б

рис. 11.19

У транзисторов обоих типов средняя область на­зывается базой, а внешние области называются эмит­тером и коллектором. Схематические обозначения транзисторов обоих типов показаны на рис. 11.20.

 

Рис. 11.20

Транзистор может использоваться различными способами, но основной его функцией является уси­ление сигналов.

Для того чтобы области эмиттера, базы и кол­лектора взаимодействовали должным образом, к транзистору должно быть правильно приложено на­пряжение. Напряжение, приложенное от внешнего источника э.д.с. к p-n-переходу, называется смеще­нием. При прямом смещении (плюс подан на p-область, а минус - на n-область), p-n-переход открыт и ток через него (прямой ток) может достигать боль­ших значений. При обратном смещении p-n-переход закрыт, и ток через него (обратный ток) очень мал. В правильно смещенном транзисторе эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а кол­лекторный переход - в обратном.

Рис. 11.21

Правильно смещенный транзистор типа п-р-п по­казан на рис. 11.21.

Смещение в прямом направлении заставляет элек­троны течь с эмиттера п-р-п транзистора (напомним, что направление тока противоположно направлению движения электронов). При прямом смещении по­тенциал базы положителен по отношению к эмит­теру. Положительный потенциал притягивает электроны, создавая поток электронов из эмиттера. На электроны, притянутые базой, начинает влиять по­ложительный потенциал, приложенный к коллектору. Большинство электронов притягивается к кол­лектору и к положительному выводу источника тока, создающего обратное смещение. Небольшая часть электронов поглощается областью базы и поддер­живает небольшой поток электронов от базы. Для того чтобы это имело место, область базы должна быть предельно тонкой.

В правильно смещенном р-п-р транзисторе выво­ды источников тока необходимо поменять местами (рис. 11.22), и направление потока электронов из­менится на противоположное.

Рис. 11.22

Как и в диоде, в транзисторе существует потен­циальный барьер. В транзисторе потенциальный ба­рьер возникает у перехода эмиттер-база. Для того чтобы электроны могли проходить через этот пере­ход, внешнее смещение должно превышать это на­пряжение. Величина внутреннего потенциального барьера определяется типом используемого полупро­водникового материала. Как и в диодах, величина внутреннего потенциального барьера составляет 0,3 В для германиевых транзисторов и 0,7 В для кремние­вых.

К переходу коллектор-база транзистора также должен быть приложен положительный потенциал, достаточно высокий для того, чтобы притягивать большинство электронов, поставляемых эмиттером. Напряжение обратного смещения, приложенное к переходу коллектор-база, обычно намного выше напряжения прямого смещения, приложенного к переходу эмиттер-база, снабжающего электронами этот источник более высокого напряжения.

 

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы с р-п-переходом

Полевой транзистор с p-n-переходом - это устрой­ство, управляемое напряжением, в котором работают только основные носители. Эти транзисторы состоят из полупроводниковых материалов n- и р-типа и спо­собны усиливать электронные сигналы, но их кон­струкция отличается от конструкции биполярных транзисторов и их работа основана на других прин­ципах. Для того чтобы понять, как работают поле­вые транзисторы с p-n-переходом, необходимо знать их конструкцию.

Вазой таких транзисторов является подложка, изготовленная из слаболегированного полупровод­никового материала. Подложка может быть из ма­териала n- или p-типа. p-n-переход в подложке изго­товляется как методом диффузии, так и методом выращивания. Важную роль играет форма p-n-перехода. На рис. 11.23 показано сечение встроенной области в подложке.

Рис. 11.23

U-образная область называется каналом, она утоп­лена по отношению к верхней поверхности подлож­ки. Когда канал сделан из материала n-типа, в под­ложке из материала р-типа образуется полевой тран­зистор с каналом n-типа. Когда канал сделан из материала р-типа, в подложке из материала n-типа образуется полевой транзистор с каналом р-типа.

Полевой транзистор с p-n-переходом имеет три вывода (рис.