Файл: Комаров, А. Ф. Наладка и эксплуатация электрооборудования металлорежущих станков.pdf

7. Полупроводниковые приборы

В тех случаях, когда надо преобразовать переменный ток в постоянный, например для питания электромагнит­ ных муфт и реле, а также для управления двигателями, применяют полупроводниковые выпрямители. Бурное раз­ витие электроники и физики полупроводников за два десятилетия — с 1950 по 1970 гг. привело к созданию принципиально новых полупроводниковых приборов (гер­ маниевых и кремниевых) и различных схем с их приме­ нением.

Работа полупроводникового прибора (диода или тран­ зистора) заключается в следующем. При добавлении к не­ которым химически чистым веществам, относящимся по своей электропроводности к промежуточному классу (по­ лупроводникам), таким как германий, кремний, селен, небольших количеств примесей некоторых веществ (мышьяка, сурьмы, бора, фосфора) первые резко изме­ няют свою электропроводность. Если в кристаллической решетке германия один из атомов заменить примесным атомом, например пятивалентным (сурьма, мышьяк, фос­ фор), имеющим на один валентный электрон больше, чем соседние атомы основного полупроводника, то «лишний» электрон при незначительном повышении температуры становится свободным. Таким образом, в кристалле гер­ мания с примесью сурьмы, мышьяка, фосфора возникает электронная проводимость, называемая «-проводимостью. Если же в кристалл германия введен трехвалентный атом, например бора или индия, то три валентных электрона примеси свяжутся с тремя электронами атома германия. Поскольку германий четырехвалентный, четвертая связь остается незаполненной. Образуется так называемая «дырка». Электрон из междуатомной связи может при­ обрести достаточную энергию для перехода к другой не­ занятой связи. В этом случае на его месте образуется дырка. Таким образом, создается впечатление переме­ щения дырки по кристаллу. Дырка — понятие фиктивное, но она имеет положительный заряд, равный заряду элек­ трона, Дырка перемещается и является носителем элек­ трического тока. Кристаллы с дырками как носителями тока называют p-типа, а проводимость — дырочной или р-проводимостыо.

Полупроводниковый диод состоит из двух кристаллов полупроводника, один из которых обладает п-проводи-

130

так как здесь будет находиться боль­ шое количество носителей тока. Если полярность изменить,

т. е. на //-область подать «+» источника, а на р-область — «—», то носители тока, электроны и «дырки», оттянутся от перехода и сопротивление его резко увеличится. Диод запирается.

Полупроводниковый триод или транзистор состоит из трех областей. Различают два типа транзисторов: р—я—р и я—р—я. Транзистор типа р—я—р изображен на рис. 74. Он состоит из тонкого слоя германия типа я, расположен­ ного между двумя слоями германия типа р. Транзистор вырезают из целой пластины кристалла германия типа я, в которой с обеих сторон вплавляется индий, создавая р—//-переходы. Тонкий слой германия типа я называется базой транзистора. Слой германия с меньшей каплей индия называется эмиттером, а с большей — коллектором. Если между базой Б и коллектором К включить батарею «минусом» на базу и «плюсом» на коллектор, то р—//-пе­ реход будет заперт. При одновременном приложении напряжения между эмиттером Э и базой Б в прямом на­ правлении дырки через переход II будут свободно дви­ гаться к «—» источника, а электроны — в обратном на­ правлении.

Прошедшие через переход эмиттер — база дырки про­ должают двигаться дальше, оказываются около перехода

иI

131

коллектор — база и за счет сил электрического поля притягиваются к коллектору. Ввиду того, что примерно все дырки преодолевают переход I коллектор — база, напряжение, приложенное к эмиттеру, создает в цепи кол­ лектор — база ток, примерно равный току в цепи эмит­ тера. Эмиттерный переход имеет малое сопротивление в прямом направлении, а коллекторный — большое. Если на цепь эмиттер — база подать переменное напряжение, то ток в этой цепи будет изменяться, будет изменяться ток в цепи коллектор — база. Но так как сопротивление цепи коллектора в сотни раз больше сопротивления цепи эмиттера, то малому падению напряжения в цепи эмит­ тер—база соответствует большое в цепи база — коллек­ тор, т. е. происходит усиление входного напряжения.

Наиболее важными характеристиками транзистора являются:

а) зависимость напряжения в цепи эмиттер—база от

= / ( U K. б) ПР И h = v a r ( Р и с - 7 5 > б )-

Тиристоры нашли широкое применение в приводах по­ стоянного тока, преобразователях частоты (регулируемый асинхронный привод), бесконтактных контакторах. Оми обладают целым рядом достоинств: малыми массой и га­ баритными размерами, большим коэффициентом усиления и коэффициентом полезного действия, большим сроком службы и быстродействием. Однако сложность управле-

Рис. 75. Важнейшие характеристики транзистора:

а — зависимость напряжения в цепи эмиттер—база от тока эмит­ тера при различных величинах напряжения в цепи база—коллек­ тор; б — зависимость тока коллектора в цепи коллектор—база при различных токах эмиттера

132

Рис. 76. Конструкция тиристора

имя тиристорами, высокая стоимость преобразовательных установок, а также необходимость защиты тиристоров от перегрузок ограничивают их применение в станкострое­ нии.

Внешне тиристор (рис. 76) похож на обычный полу­ проводниковый диод и отличается от него наличием до­ полнительного вывода от управляющего электрода. Ти­ ристор состоит из герметичного корпуса 3, в котором находятся две пластинки 4 и б из молибдена или воль­ фрама. Между ними расположена кремниевая пластинка 5. К нижней пластинке 6 припаян медный болт 7, являю­ щийся анодом, а к верхней пластинке 4 — гибкий вывод — катод I. Управляющий электрод 2 припаян к кремниевой пластинке.

Важнейшей характеристикой тиристоров является их вольт-амперная характеристика (ВАХ) (рис. 77). При подъеме напряжения от нуля до некоторого значения UBKJI и отсутствии тока управления тиристор закрыт (область 1 ВАХ). При напряжении URKJI, называемом напряже­ нием включения тиристора, тиристор открывается

133

(точка 2 ВАХ) и при увеличении тока через тиристор падение напряжения на нем уменьшается (участок 3 ВАХ). Так продолжается до тех пор, пока ток тиристора не ока­ жется равным току удержания (точка 4 ВАХ). Далее тиристор переходит в область высокой проводимости, т. е. полностью открывается. Такому состоянию тиристора соответствует (область 5 ВАХ). Если затем уменьшать ток, протекающий, по тиристору, то при его значении, равном току удержания, тиристор закроется. При подаче на тиристор напряжения обратной полярности обратный ток растет незначительно в пределах от 0 до Unp. При на­ пряжении на тиристоре, равном напряжению пробоя (Упр, происходит резкое увеличение обратного тока, тиристор пробивается.

Тиристор представляет собой четырехслойный полу­ проводниковый прибор с двумя р—я-переходами и од­ ним п—р-переходом между ними (рис. 78, а). Он может быть представлен двумя транзисторами — прямым и об­ ратным (рис. 78, б и в). Работа тиристора имитируется транзисторной схемой следующим образом. При подаче на тиристор напряжения питания, ток через тиристор не протекает до тех пор, пока не будет подан положитель­ ный сигнал на управляющий электрод УЭ или напряже­ ние питания не превысит напряжение пробоя тиристора.

При подаче положительного сигнала на управляющий электрод тиристор открывается лавинообразно: сначала приоткрывается транзистор Т2, базовый ток транзи­ стора 77 возрастает, возрастает и коллекторный ток тран­

134

0

Рис. 79. Схемы закрытия тиристора:

а — с помощью транзистора; 6 — с помощью второго тиристора

является одновременно базовым током транзистора 72. Последний еще больше открывается и еще больше откры­ вает транзистор 77. Такой процесс продолжается до тех пор, пока тиристор не откроется полностью. Для откры­ вания тиристоров на практике используют одиночные и двойные импульсы разнообразной формы: прямоуголь­ ной, треугольной, трапецеидальной и т. д.

Тиристор остается открытым при снятии положитель­ ного управляющего сигнала. Чтобы закрыть тиристор, включенный в сеть постоянного тока, необходимо изме­ нить полярность силовой цепи или снизить ток, протека­ ющий через тиристор, до величины меньшей тока удер­ жания. При переменном токе тиристор открывается в ка­ ждом положительном и закрывается в каждом отрицатель­ ном полупериоде автоматически.

Известны несколько схем, с помощью которых можно закрыть тиристор, включенный в цепь постоянного тока. Рассмотрим две из них. Первая схема предусматривает шунтирование тиристора (рис. 79, а). Для закрытия ти­ ристора по этой схеме необходимо отключить сигнал упра­ вления с управляющего электрода и подать на базу тран­ зистора 77 кратковременный импульс. Транзистор 7 / при этом откроется и зашунтирует тиристор 72. Ток, протекающий через тиристор, снижается до величины, меньшей тока удержания, и тиристор закрывается. Так как время для того чтобы закрыть тиристор очень мало (несколько микросекунд), в схеме используют маломощные транзисторы.

Другая, более распространенная схема гашения ти­ ристоров основана на использовании вспомогательного источника питания обратной полярности (рис. 79, б).

135

изменяется на противоположную, и он закроется.

В электрических схемах, где возможны большая ско­ рость нарастания анодного тока или перенапряжения, опасные для тиристора, применяют специальные меры по защите тиристоров от токов короткого замыкания и пе­ ренапряжений. Для защиты от токов короткого замыка­ ния применяют специальные быстродействующие предо­ хранители или реакторы. Быстродействующие предохра­ нители характеризуются практически мгновенным (микро­ секунды) отключением тиристоров. Дроссель включается последовательно с тиристором и в рабочем состоянии сопротивление его обмотки практически равно нулю. В момент включения тиристора большая часть напряже­ ния сети падает на реакторе, и пока происходит насыщение реактора анодный ток ограничивается до минимальной величины.

Для защиты тиристоров от перенапряжений применяют контур резистор—конденсатор или диод, включенный параллельно тиристору (рис. 80). Принцип работы схем заключается в том, что конденсатор и диод в рабочем ре­ жиме не оказывают влияния на работу схемы, а при пере­ напряжениях шунтируют тиристор и тем самым защищают его от перенапряжений.

В эксплуатации находятся несколько типов тиристо­ ров, рассчитанных на рабочие токи от единиц до сотен ампер и напряжения от 50 до 1000 В: ВК.У-Ю (Т-10), ВКДУ-50 (Т-50) ВКДУ-150 (Т-150) и др. Тиристоры раз­ личают по классам. Всего имеется 13 классов тиристоров. Каждому классу тиристоров соответствует определенное напряжение. Так, классу 0,5 соответствует напряжение

136

50 В, а классу 7 — 700 В. Тиристоры также отличаются по величине падения напряжения на них при протекании номинального тока. Имеется четыре группы тиристоров: у тиристоров группы А падение напряжения не превы­ шает 0,65 В; группы Б — 0,65—0,75 В; группы В — 0,75— 0,85 В; группы Г — 0,85—1,4 В.

Наладка тиристоров может быть выполнена по сле­ дующей программе: внешний осмотр; снятие вольт-ампер- ной характеристики; проверка элементов схемы защиты; проверка работы в реальной схеме.

При в’нешнем' осмотре тиристора обращают внимание на состояние антикоррозийного покрытия, выводов, гер­ метичность корпуса. При значительных механических повреждениях или разгерметизации корпуса, выпаивании выводов тиристор заменяют на новый. У каждого тири­ стора на корпусе должна быть маркировка: товарный знак завода-изготовителя, заводской номер тиристора, тип, класс и группа. Если маркировка отсутствует по каким-либо причинам, то установить класс и другие данные тиристора можно в процессе наладки, например сняв вольт-амперную характеристику.

ВАХ тиристора снимается при помощи схемы, пред­ ставленной на рис. 81. Схема позволяет плавно регули­ ровать величину анодного напряжения с помощью авто­ трансформатора АТР и разделительного трансформа­ тора ТР и тока управления резистором R. Во время опыта снимают семейство ВАХ при различных токах управле­ ния (/у = 0,25, 50, 75 и 100% ty. ,10М). При снятии харак­ теристик необходимо помнить, что величина тока упра­ вления не должна превышать 300 мА для тиристоров с но­ минальными токами до 300 А и 400 мА для тиристоров с большими токами.

Если для открывания тиристоров используют одиноч­ ные или двойные импульсы, то амплитуда импульса не должна превышать 7 В для тиристоров на токи до 100 А

АТР

к,

I

а—

Рис. 81. Схема снятия ВАХ тиристора

137

и 8 В — для остальных тиристоров. Снятие ВАХ является особенно важным для тиристоров, предназначенных для последовательного или параллельного включения с дру­ гими тиристорами. В том случае, если тиристоры вклю­ чены последовательно, то в закрытом состоянии через них протекают одинаковые прямые и обратные токи утечки. Однако общее приложенное напряжение распре­ деляется неравномерно между тиристорами: на тиристоре, имеющем более пологую ВАХ, падает большая часть напряжения. При параллельном включении тиристоров падение напряжения на них одинаково, а токи — разные:

иногда приходится применять последовательное соеди­ нение.

Для нормальной эксплуатации тиристоров необходимо, чтобы вольт-амперные характеристики совместно работа­ ющих тиристоров были по возможности одинаковыми. Если это условие не может быть выполнено, разрешается использовать для совместной работы тиристоры с раз­ ными ВАХ, но при этом необходимо, чтобы во время ра­ боты тиристоров не возникло распределения токов и на­ пряжений, опасных для какого-либо из тиристоров. Необходимо также помнить, что тиристор допускает дли­ тельное протекание номинального тока только при эффек­ тивном охлаждении радиатора тиристора потоком воз­ духа (и = 10 м/с). Поэтому при отсутствии охлаждения рекомендуется снятие ВАХ проводить как можно быстрее

ристора.

Элементы защиты проверяют в реальной схеме. Она заключается в проверке целости полупроводниковых диодов, резисторов, транзисторов, быстродействующих предохранителей и защитных реакторов.

После того как убедятся в надежности защиты тири­ стора, приступают к проверке работы тиристора в реаль­ ной схеме. Для тиристоров, схемы управления которых позволяют изменять частоту их включений и отключений, начинают с одиночных включений при небольших токах нагрузки. После 5—10 таких включений доводят ток нагрузки до номинальной величины и оставляют тиристор включенным более длительное время. При этом ведут

1 3 8