Свойства полупроводников и ферритовых сердечников

Использование полупроводников и ферритовых сердечников в устройствах релейной защиты, автоматики и телемеханики позво­ляет повысить их быстродействие, уменьшить массу и габариты, значительно сократить потребление мощности. Кроме того, в связи с отсутствием движущихся частей и контактов устройства на полу­проводниках и ферритовых сердечниках имеют более высокую надежность по сравнению с электромеханическими системами. Наи­более существенным недостатком, например, полупроводников яв­ляется зависимость их параметров от температуры. Однако при со­ответствующем выполнении элементов эти недостатки можно свес­ти к допустимым пределам.

В настоящее время наибольшее распространение получили полупроводнико­вые (германиевые и кремниевые) кристаллические диоды VD и триоды VT. Они содержат так называемые р-n - переходы, образованные на месте стыка кристал­ла с дырочной проводимостью р и кристалла с электронной проводимостью п.

Сопротивление такого перехода зависит от направления приложенного напряжения: оно велико в направлении п-р и мало в направлении р- п. Такимобразом, р- n-переход ведет себя как выпрямитель, что и используется в полу­проводниковых диодах.

Использование р- n - перехода в полупроводниках позволяет не только вы­прямлять переменный ток, но и усиливать электрические величины. Для этого применяют полупроводниковые кристаллы, имеющие два р- n - перехода и более. Кристаллический триод - транзистор имеет два p-n - перехода (рис. 3.1). Одна из областей р называется эмиттером Э, вторая - коллектором К, а область с проводимостью п - базой Б или основанием. Если между базой и коллектором при­ложить внешнее напряжение так, чтобы база получила более положительный потенциал (рис. 3.1, а), то в цепи коллектор - база будет проходить обратный ток I _КБО, который весьма мал, — транзистор закрыт. Однако с момента приложения напряжения между базой и эмиттером так, чтобы эмиттер получил бо­лее положительный потенциал, в цепи эмиттер — база начнет проходить ток в прямом направлении (рис. 3.1,6). При этом и ток коллектора будет воз­растать; он станет примерно равным току эмиттера. Таким образом, меняя ток эмиттера можно менять ток коллектора. Условное изображение транзистора показано на рис. 3.1, в.

Так как часть тока I_Э  ответвляется в цепь базы I_{Б ,}  то коллекорный ток меньш тока эмиттера I_К = I_Э - I_Б . Степень уменьшения тока I_К  х арактеризуется коэффициентом передачи тока h _21Б  = ∆ I_К / ∆I_Б < 1. Поскольку h _21Б = const, ток коллектора

I_К = h _21Б I_Э = I_Б h _21Б (1- h _21Б) = I_Б h _21Э

Для плоских транзисторов h _21Б = 0,9 ¸ 0,9. Таким образом, ток коллектора значительно больше тока базы. Так при h _21Б > 0.95 ток коллектора I_K = 19I_Б,, т.е. происходит усиление тока: ток выходной цепи I_K больше тока входной цепи I_Б, так как h _21Э > 1. Кроме того, сопротивление цепи эмиттер-база мало, а цепи эмиттер - коллектор весьма велико. Поэтому напряжение вы­ходной цепи Uвых - нагрузки транзистора Rн (рис. 3.2) - значительно больше, чем напряжение входной Uвх. Поэтому происходит усиление и напряжения, в ре­зультате чего значительно усиливается мощность.

В схемах включения транзистора один из его выводов является входным, другой - выходным, а третий - общим относительно входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой из выводов является общим, различают схемы с общей базой (рис. 3.2, а), общим эмиттером (рис. 3.2,6) и общим коллекто­ром (рис. 3.2,в). Индексы в обозначении коэффициентов h₂₁ передачи и усиления тока относятся к одноименным схемам. Чаще других применяется схема с общим эмиттером, как обеспечивающая наибольшее усиление мощности. Наряду с тран­зисторами типа р-п-р существуют транзисторы с проводимостью n-р-п. При замене одного транзистора другим необходимо изменить полярность напряжения Ек его питания. Рассмотренный транзистор называется биполярным в отличие от униполярного полевого транзистора [З].

Наряду с транзисторами в устройствах защиты, автоматики и телемеханики применяются диоды. Среди них такие, например, как стабилитрон. Он представ­ляет собой кремниевый диод, способный длительно работать в режиме обратного»пробоя. На обратной ветви его характеристики (рис. 3.3, а) имеется точка, соответствующая напряжению пробоя U_прб р-n - перехода. После пробоя его обрат­ный ток может изменяться в широких пределах, а обратное напряжение при этом остается практически неизменным. Это свойство стабилитрона используют для получения стабильного напряжения при изменяющемся напряжении источника.

На рис. 3.3, б показана схема включения стабилитрона. К источнику напря­жения U_вх диод VD подключен в обратном направлении через резистор R с боль­шим сопротивлением. Напряжение U_вх всегда превышает напряжение U_прб, но изменяется в некоторых пределах. Напряжение U_вых на нагрузке R_a остается практически постоянным.

Основой ферромагнитных элементов является ферритовый сер­дечник с близкой к прямоугольной петлей перемагничивания (гис­терезиса). Свойства таких магнитных материалов уже описаны (см. § 1.3). После перемагничивания они могут долго находиться в одном из двух состояний, соответствующих положительному + B_s или отрицательному - B_s значениям магнитной индукции на­сыщения. Первое состояние принято обозначать логической едини­цей (1), а второе - нулем (0). Магнитный элемент имеет две, три обмотки и более.

На рис. 3.4 схематически изобра­жен элемент с тремя обмотками: обмоткой записи ω_ss, обмоткой считывания ω_сч и выходной обмот­кой ω_{вых .} Он может работать в ре­жиме управляемого реактора или в трансформаторном режиме. Пе­редача сигнала в выходную об­мотку происходит следующим об­разом. Информация в виде им­пульса тока определенной поляр­ности поступает в обмотку w_зп.

При этом магнитное состояние сердечника изменяется только в том случае, если созданная током магнитная индукция противоположна по знаку остаточной маг­нитной индукции. Если сердечник находится, например, в состоянии 0, то пере­ход его в состояние 1 происходит при подаче в обмотку положительногоим­пульса тока. Это состояние магнитный элемент сохраняет и после исчезновения импульса тока. Для перевода его в состояние 0 необходимо в обмотку w_зп по­дать отрицательный импульс тока.

Таким образом, магнитный элемент через обмотку W_an запоминает поляр­ность импульса, который его перемагничивает до положительной индукции. Сигнал в выходной обмотке ω _вых, соответствующий 1, появляется при подаче в обмотку считывания ω_cч импульса тока, создающего отрицательную индук­цию - В, в сердечнике. Если до этого сердечник находился в состоянии 1 (на­магничен до + B_s), то происходит его перемагничивание до - B_s, и в обмот­ке ωвых появляется относительно большая ЭДС (сигнал). Если же сердечник находился в состоянии 0 (намагничен до - B_s), то перемагничивания не проис­ходит и ЭДС незначительна (помеха).