Файл: Хайдуков, О. П. Электрооборудование судов учебник.pdf

Рис. 21. Схемы конструкции и внешний вид полупроводниковых диодов:

а — селеновый; б — меднозакисный; в — германиевый; г — кремниевый с воздушным ох­ ладителем (радиатором) 1

обмоток возбуждения синхронных генераторов, цепей сигнализации и различных датчиков, питания буксируемого лага, автоматического

(95—98%), однако очень чувствительны даже к кратковременным перегрузкам и повышению температуры. Допустимая рабочая температура германиевых вентилей низка и составляет 65—-75°С. Даже незначительные ее превышения вызывают необратимые из­ менения параметров, и вентиль гибнетГерманиевые 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. уста­ новки. Отечественной промышленностью выпускается несколько ти­

42

пов мощных германиевых вентилей с воздушным (ВГ) и водяным (ВГВ) охлаждениями на номинальные токи от 10 до 1000 А.

К р е м н и е в ы е в е н т и л и (рис. 21, г) имеют несколько боль­ шее прямое сопротивление чем германиевые, зато и их обратное сопротивление на порядок больше. Прямое падение напряжения у кремниевых вентилей лежит в пределах 0,4—1,2 В, а допустимое об­ ратное напряжение 50—3000 В. Существенным преимуществом кремниевых вентилей 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 обладают самыми малыми габаритами, у них

шенной технологией. Кремниевые вентили обязательно снабжают­ ся охладителями для отвода тепла. Для вентилей средней мощно­ сти используются медные или алюминиевые пластины, к которым плотно прижимается основание вентиля. Для мощных вентилей применяются специальные воздушные или водяные охладители. Воздушные охладители (рис. 21, г) состоят из массивного латунно­ го или алюминиевого основания с рядом отходящих в сторону ох­ лаждающих ребер. В основание ввинчивается вентиль.

В судовых электроустановках германиевые вентили применяют­ ся крайне редко из-за температурных ограничений, кремниевые же вентили; благодаря своим преимуществам, вытесняют все другие виды вентилей, и прежде всего это относится к мощным (свыше 10 кВт) электроустановкам-. Они нашли применение в выпрямитель­ ных агрегатах для электроприводов, систем возбуждения синхрон­ ных генераторов и двигателей, электросварки, зарядки аккумуля­ торов, дуговых прожекторов и т. д.

Тиристор. Тиристор представляет собой полупроводниковый уп­ равляемый вентиль, состоящий из четырех слоев рх— пх— р2— п2, между которыми имеются три р —«-перехода П ъ П 2 и /73 (рис. 22,а). Внешний рх слой принято называть анодом А, внешний п2 слой—ка­ тодом К, а внутренний р2 слой — управляющим электродом УЭ. Ти­ ристор применяется для выпрямления переменного тока. При прило­ жении к тиристору напряжения прямой полярности два крайних р—

почти все напряжение, приложенное к входным зажимам. Ток в ти­ ристоре мал и соответствует величине обратного тока полупровод­ никового диода. Когда приложенное к тиристору напряжение воз­

43

запертым. Напряжение, при котором тиристор открывается, может быть значительно снижено за счет увеличения тока управления в цепи управляющего электрода.

При включении вспомогательного источника в цепь управляю­ щего электрода ток управления вводит дополнительные носители тока — дырки во внутренний p-слой, и тем самым снижается про­ бивное напряжение перехода Я2. Эта особенность тиристора по­ зволяет регулировать момент открытия тиристора при подаче на не­ го изменяющегося напряжения, а также управлять средним значе­ нием выпрямленного тока.

Тиристоры изготовляются из кремния с добавлением акцептор­ ных и донорных примесей. По внешнему виду они отличаются от неуправляемых полупроводниковых диодов только наличием уп­ равляющего электрода.

В СССР выпускается несколько типов мощных тиристоров. Ти­ ристоры ВКУ (вентиль кремниевый управляемый) изготовляются на токи от 10 до 100 А, тиристоры ВКДУ отличаются более совер­ шенной технологией и рассчитаны на токи до 200 А. Прямое паде­ ние напряжения у тиристоров ВКУ 0,5—1,4 В, а у тиристоров ВКДУ — 0,5—0,75 В. Допустимое обратное напряжение у тиристо­ ров различных классов лежит в пределах 25—600 В, максимальное значение тока управляющего сигнала от 1 до 2 А. Тиристоры сохра­ няют работоспособность при температуре до 120°С, а тиристоры типа ВКУВ (с водяным охлаждением) — даже до 300°С.

Тиристоры обладают большим коэффициентом усиления по мощности при включении (порядка 104—105). Это значит, что небольшая мощность, затраченная в цепи управляющий электрод— катод, управляет во много раз превосходящей мощностью в цепи анода.

Тиристоры применяются на судах в схемах выпрямления со стабилизацией выходного тока для зарядных агрегатов, в схемах выпрямления для питания электроприводов постоянного тока с ши­

44

роким диапазоном регулирования скорости вращения, в схемах электроприводов с ча­ стотным . регулированием скорости враще­ ния асинхронных двигателей, в схемах бес­ контактного возбуждения синхронных гене­ раторов, а также в различных схемах пре­ образования тока. Время включения и время отключения тиристоров измеряется микро­ секундами, поэтому весьма перспективным следует считать применение тиристоров в качестве бесконтактных коммутационных аппаратов для больших токов.

Полупроводниковый триод (транзистор). Полупроводниковый триод представляет собой прибор, состоящий из трех слоев полу­ проводников, которые разделены двумя р—«-переходами. Средний слой прибора называется базой. Различают транзисторы типа р—п—р, у которых в качестве базьг используется полупроводник с электронной проводимостью, и транзисторы типа п—р—п, база, которых выполняется из полупроводника с дырочной проводимо­ стью. Один из крайних слоев триода является источником основ­ ных носителей тока и называется эмиттером, а другой — «собира­ телем» носителей тока и называется коллектором. Физические про­ цессы в транзисторах обоих типов в основном одинаковы. Различие состоит лишь в выборе полярности присоединяемых источников электроэнергии.

Устройство транзистора типа р—п—р представлено на рис. 23. Базой в транзисторе такого типа является пластина германия, обладающая электронной проводимостью благодаря введению в

нее донорной примеси. С обеих сторон базы вплавлены пластинки индия, которые, частично диффундируя в германий, образуют об­ ласти с дырочной проводимостью. Пластинки индия"используются в качестве электродов-эмиттера 1 и коллектора 2, к которым при­ паиваются проводники для соединения прибора с внешней цепьюОднако размеры коллектора должны быть больше размеров эмиттера, что способствует лучшему улавливанию коллектором носителей, введенных в базу из эмиттера. Это достигается выбо­ ром соответствующих размеров индиевых дисков.

Существуют также и кремниевые транзисторы, у которых в ка­ честве базы служит пластина кремния.

Принцип действия транзистора можно уяснить из работы схе­ мы, изображенной на рис. 24, а. Если в схему включен только источник Ек так, что «минус» источника соединен с р-областью коллектора, а «плюс» с «-областью базы, то сопротивление р—п- перехода, как было уже показано при рассмотрении полупровод­ никового диода, становится большим, а ток через него — очень малым. При включении в схему источника Еэ так, что «плюс» ис­ точника соединен с p-областью эмиттера, а «минус» — с «-обла­ стью базы, под действием внешнего поля дырки переходят из эмит­ тера в базу, образуя ток эмиттера /э. Часть дырок рекомбинирует

со свободными электронами базы, но большая часть их диффунди­ рует далее к р—«-переходу между коллектором и базой, так как число свободных электронов в базе ограничено. Поступление носи­ телей тока — дырок в область перехода коллектор — база суще­ ственно уменьшает его сопротивление, что вызывает увеличение' тока коллектора /к, пропорциональное числу дырок, достигших этого перехода.

Ток эмиттера создается, однако, не только дырками, переходя­ щими из эмиттера к р—«-переходу между коллектором и базой, но и электронами, переходящими из базы в эмиттер. Поэтому ток коллектора оказывается несколько меньше тока эмиттера на вели­ чину тока базы I&:

/ к = / э - / б .

Представленная на рис. 24, а схема включения транзистора назы­ вается схемой с общей базой, так как база в ней является электродом, входящим одновременно во входную и выходную цепи. Входным током в этой схеме является ток эмиттера / э, а выходным—ток кол­

лектора / к. Отношение — ■= а представляет собой коэффициент уси­

ления по току для схемы с общей базой и является одним из основ­

мом направлении. Для проведения тока через коллекторный переход необходим источник более высокого напряжения (Ек = 104-50 Е э), так как коллекторный переход включен в обратном направлении и об­ ладает значительно большим сопротивлением. Благодаря этому при одинаковом примерно изменении тока эмиттера Д /э и коллектора Д /к изменение мощности в цепи коллектора ДР к значительно больше из­ менения мощности в цепи эмиттера ДРа. Таким образом, полупро­ водниковый триод является усилителем мощности. Условия работы схемы с общей базой позволяют наиболее наглядно показать физи­ ческие свойства транзисторов, однако в большинстве случаев пред­ почтение отдается схеме включения транзистора с общим эмиттером (рис. 24, б). В этой схеме входным током является ток базы / 6, а выходным —ток коллектора / к. Отношение этих токов определяет

Рис. 24. Схемы включения транзисторов:

а — с общей базой; б — с общим эмиттером; в — с общим коллектором

46