Z, Ом     R, Ом     ,

ОмС,

мкФ,

Ом,

Ом,

Ом,

2.4 Соединение потребителей по схеме «Звезда», «Треугольник»

Лабораторная работа №4.

Тема: Трехфазные электрические цепи при соединении потребителей электроэнергии звездой и треугольником

Цель работы: Исследование режимов работы симметричного и несимметричного потребителей электрической энергии в трехфазных электрических цепях, определение основных соотношений между фазными и линейными значениями токов и напряжений при симметричной нагрузке и включении потребителей звездой и треугольником.

Основные теоретические положения

Электрическая энергия в современных условиях вырабатывается преимущественно источниками энергии с трехфазной системой напряжений. Трехфазные источники широко применяются в технике. Объясняется это тем, что трехфазная система переменного тока является наиболее экономичной. В качестве трехфазных источников напряжений на электрических станциях используются трехфазные синхронные генераторы, на статоре которых размещаются три фазные обмотки (фазы), смещенные в пространстве относительно друг друга на угол 120º. При вращении ротора, выполненного в виде электромагнита постоянного тока, в обмотках генератора будут индуцироваться переменные ЭДС, сдвинутые относительно друг друга по фазе также на 120º.

; (30)

; (31)

, (32)

где ,  и  - значения ЭДС соответственно фаз A, B и C.

Таким образом, под трехфазной системой понимается совокупность электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС (напряжения) одной и той же частоты, сдвинутые относительно друг друга по фазе на угол 2π/3, создаваемой общим источником электрической энергии.

Под действием трехфазной системы ЭДС на зажимах трехфазного потребителя создается трехфазная симметричная система напряжений, сдвинутых по фазе на угол 120°, то есть на угол 2π/3, и имеющих одинаковые амплитудные и действующие значения [33].

В трехфазной системе потребители электроэнергии соединяются звездой или треугольником. Передача электрической энергии от источника к потребителю в трехфазной трехпроводной системе осуществляется с помощью линейных проводов. В четырехпроводной трехфазной системе имеется четвертый - нейтральный (N_n) провод, соединяющий общие точки фаз источника и потребителя.

Соединение, при котором концы всех трех фаз потребителя объединяются в общую точку, называемую нейтральной точкой, а начала фаз подсоединяются к трехфазному источнику питания посредством линейных проводов, называется соединением звездой трехфазного потребителя. Токи I_А, I_В и I_С в соответствующих линейных проводах называются линейными, токи, протекающие по фазам, - фазными, а ток I_N в нейтральном проводе называется нейтральным. При рассмотрении трехфазной системы исходим из предположения, что трехфазный источник является симметричным, фазные напряжения которого равны между собой и сдвинуты по фазе относительно друг друга на угол 2π/3. Напряжения между линейными проводами потребителя U_AB,

U_BC и U_CA называются линейными, а между началом и концом фаз потребителя, включенного звездой U_a,U_b и U_c, - фазными.

При соединении потребителя звездой по его фазам протекают те же токи I_А, I_В и I_С, что и по линейным проводам. Это означает, что при соединении потребителя звездой фазные токи оказываются равными соответствующим линейным токам: .

При этом по первому закону Кирхгофа для нейтральной точки n можно записать

 (33)

При соединении потребителей звездой, независимо от величины и сопротивления характера его фаз, а также от того, имеется или отсутствует нейтральный провод, между линейными и фазными напряжениями потребителя существуют следующие соотношения, полученный по второму закону Кирхгофа:

; ;

В большинстве практических случаев трехфазные потребители представляют собой симметричную нагрузку, подключенную к симметричному трехфазному источнику питания [29].

Нагрузка, при которой комплексные сопротивления всех фаз потребителя равны между собой , называется симметричной. При этом

и .

Сопротивления линейных проводов, так же как и сопротивления нейтрального, обычно малы и ими можно пренебречь. При этом линейные напряжения генератора равны линейным напряжениям потребителя и соответственно фазные напряжения генератора равны фазным напряжениям потребителя. В этом случае векторная диаграмма напряжений потребителя будет совпадать с векторной диаграммой напряжений генератора. Исходя из полученных уравнений и построений, можно сделать вывод, что линейные напряжения потребителя, так же как и фазные, сдвинуты относительно друг друга на угол 2π/3.

Из векторной диаграммы следует, что при соединении потребителя электроэнергии звездой при симметричной нагрузке между фазными и линейными напряжениями существует соотношение:

 (34)

Фазные токи потребителя определяют по закону Ома:

,  и  (35)

Так как фазные напряжения и фазные сопротивления потребителя электроэнергии равны между собой. То фазные токи при симметричной нагрузке также равны между собой  и сдвинуты относительно фазных напряжений на равные углы , определяемые из выражения:

= (36)

При симметричной нагрузке ток в нейтральном проводе, определяемый как векторная сумма фазных токов, оказывается равным нулю. Поэтому при симметричной нагрузке этот провод становится не нужным и применять его нет смысла. При несимметричной нагрузке комплексные сопротивления всех трех фаз в общем случае не равны между собой. Пренебрегая сопротивлениями линейных проводов, можно считать, что линейные напряжения потребителя независимо от характера нагрузки равны соответствующим линейным напряжениям генератора, т.е. система линейных напряжений и при несимметричной нагрузке симметрична.

При включении нейтрального провода и несимметричной нагрузке (сопротивлением нейтрального провода пренебрегаем) потенциал нейтральной точки потребителя равен потенциалу нейтральной точки генератора. Следовательно, фазные напряжения потребителя равны соответствующим фазным напряжениям генератора.

При наличии нейтрального провода и несимметричной нагрузке геометрическая сумма фазных токов трехфазной системы в соответствии с первым законом Кирхгофа для нейтральной точки равна току в нейтральном проводе

При отключении нейтрального провода потенциал нейтральной точки n потребителя электроэнергии не равен потенциалу нейтральной точки N генератора при несимметричной нагрузке, так как эти точки не соединены между собой. При несимметричной нагрузке в трехфазной системе без нейтрального провода фазные напряжения потребителя оказываются не равными друг другу. При этом на одних фазах может быть пониженное напряжение по сравнению с фазными напряжениями генератора, а на других - повышенное.

В этом случае между фазными токами, напряжениями и сопротивлениями существуют те же соотношения, обусловленные законом Ома, что и при симметричной нагрузке.

Короткое замыкание одной фазы потребителя электроэнергии, соединенного звездой без нейтрального провода, следует рассматривать как частный случай несимметричной нагрузки, при котором напряжение на короткозамкнутой фазе потребителя становится равным нулю, а напряжение на двух других фазах увеличится до значении, равных линейным напряжениям. Ток в короткозамкнутой фазе зависит от сопротивлений, включенных в двух других фазах потребителя. Геометрическая сумма векторов всех трех фазных токов в этом случае равна нулю [26].

Отключение нагрузки одной из фаз в трехфазной системе при соединении потребителя электроэнергии звездой без нейтрального провода можно также рассматривать как частный случай несимметричной нагрузки. При которой сопротивление отключенной фазы равно бесконечности. При этом если сопротивление двух других фаз оказываются равными, то нейтральная точка n на векторной диаграмме переместится в середину одной из сторон треугольника. Соединение, при котором конец первой фазы x соединяется с началом второй b, конец второй y - с началом третьей с, а конец третьей z - с началом первой а, называется соединением трехфазного потребителя электрической энергии треугольником. При этом начала всех фаз потребителя присоединяются к источнику электрической энергии с помощью линейных проводов.

При соединений потребителя треугольником фазные напряжения оказываются равными соответствующим линейным напряжениям: U_ф = U_л. Фазные токи при соединении трехфазного потребителя треугольникомне равны линейным, так как в начале каждой фазы потребителя имеется узел разветвления токов. При это независимо от сопротивлений потребителя между фазными и линейными токами существуют соотношения, полученные на основании первого закона Кирхгофа для узлов разветвления токов:

_{; ;}

Пользуясь указанными соотношениями, по векторам фазных токов I_ab, I_bc,I_ca, можно построить векторы линейных токов. Соотношения между фазными напряжениями, токами и сопротивлениями при соединении потребителей треугольником определяются в соответствии с законом Ома:

; ;  (37)

При несимметричной нагрузке комплексные сопротивления всех трех фаз одинаковы. При этом как активные, так и реактивные сопротивления фаз потребителя равны: R_ab=R_bc=R_ca, X_ab=X_bc=X_ca, причем активные сопротивления имеют одинаковый характер.

Таким образом, при соединении трехфазного потребителя электроэнергии треугольником при симметричной нагрузке токи всех трех фаз равны между собой и сдвинуты относительно соответствующих линейных напряжений на одинаковые углы. При этом между фазными и линейными токами при симметричной нагрузке и соединении потребителя треугольником существует соотношение:

I_л=√3 I_ф

При несимметричной нагрузке фазные токи и углы сдвига по фазе между фазными токами и фазными напряжениями в общем случае не одинаковы. Так же как и при симметричной нагрузке, они могут быть определены по соответствующим формулам. Линейные токи и в этом случае определяются через соответствующие фазные токи. Отключение одной из фаз следует рассматривать как частный случай несимметричной нагрузки, когда сопротивление отключенной фазы равно бесконечности.

При обрыве линейного провода в цепи трехфазного потребителя электроэнергии, соединенного треугольником, следует рассматривать как потребитель, подключенный к однофазному источнику питания. Активную мощность трехфазного потребителя электроэнергии в общем случае можно определить как сумму активных мощностей всех его фаз. При соединении звездой активная мощность потребителя:

 (38)

При соединении треугольником

 (39)

При симметричной нагрузке фазные напряжения, токи и углы сдвига фаз оказываются равными. Вследствие этого равны также и активные мощности всех трех фаз потребителя электроэнергии.

Активная мощность трехфазного потребителя независимо от схемы его соединения может быть найдена через линейные токи и напряжения:

 (40)

Аналогично можно получить и формулу для реактивной мощности трехфазного потребителя при симметричной нагрузке:

 (41)

Полная мощность трехфазного потребителя при симметричной нагрузке

 (42)

Задание по работе

1.    Исследовать трехпроводную трехфазную электрическую цепь при соединении потребителей электроэнергии звездой и установить соотношения между линейными и фазными токами и напряжениями при симметричном и несимметричном режимах работы.

2.      Исследовать четырехпроводную трехфазную цепь при соединении потребителей звездой и установить соотношения между линейными и фазными токами и напряжениями при симметричном и несимметричном режимах работы.

9.    Исследовать трехфазную цепь при соединении потребителей треугольником и установит соотношения между линейными и фазными токами и напряжениями.

Методические указания по выполнению работы

1.  Ознакомиться с измерительными приборами и оборудованием, используемыми при выполнении работы, а также со схемой включения измерительного комплекта К505 при измерениях токов, напряжений и мощностей в трехфазных трехпроводных и четырехпроводных электрических цепях.

2.      Исследовать трехфазную цепь при соединении потребителей электрической энергии звездой (см схему 7).

.        Измерить токи и мощности по фазам с помощью измерительного комплекта К505. Измерение фазных и линейных напряжений осуществить цифровым вольтметром, установленный на панели стенда, поочередно подключая его к соответствующим точкам цепи. Питание цепи производить от трехфазного источника, расположенного на панели источников питания с линейным напряжением 220В.

.        Измеряя сопротивление переменных резисторов в фазах трехфазной цепи, измерить и записать в таблицу 5. значения линейных токов, фазных и линейных напряжений, а также показания ваттметра для различных режимов работы цепи.

Схема 7

Таблица 5

. Подключить к исследуемой трехпроводной трехфазной цепи нейтральный провод. Для этого соединить соединителем штекерное гнездо 0 источника питания с соответствующей генераторной клеммой измерительного комплекта, а нагрузочную клемму измерительного комплекта - с соответствующим нагрузке штекерным гнездом.

. Измерить все токи, напряжения и мощности при симметричном и несимметричном режимах работы цепи, результаты записать в таблицу 1.

. Исседовать трехфазную цепь при соединении потребителей электрической энергии треугольником (см схема 8).

Схема 8

9. Собрать электрическую цепь по схеме 8.

10.    Измерить линейные токи и фазные активные мощности измерительным комплектом К505, а линейные напряжения цифровым вольтметром.

11.     Измеряя сопротивления переменных резисторов, измерить и записать в таблицу 6 значения линейных и фазных токов, линейных напряжений, а также показания ваттметра для различных режимов работы цепи.

12. Обработать результаты измерений и заполнить таблицу 6.

Таблица 6

2.5 Однофазный трансформатор

Тема: Однофазный трансформатор

Цель работы: Ознакомление с устройством, принципом работы, характеристиками и методами исследования однофазных трансформаторов.

Основные теоретические положения

Трансформатор - статический электромагнитный аппарат, предназначен для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Трансформатор состоит из стального сердечника, собранного из тонких листов электротехнической стали, так же как в катушках индуктивности с ферромагнитным сердечником, изолированных друг от друга с целью снижения потерь мощности на гистерезис и вихревые токи. На сердечнике однофазового трансформатора в простейшем случае расположены две обмотки, выполненные из изолированного провода. К первичной обмотке проводится питающее напряжение U₁. Со вторичной его обмотки снимается напряжение U₂, которое подводится к потребителю электрической энергии.

Во многих случаях трансформатор имеет не одну, а две или несколько вторичных обмоток, к каждой из которых подключается свой потребитель электроэнергии [45].

Переменный ток, проходя по виткам первичной обмотки трансформатора, возбуждает в сердечнике магнитопровода переменный магнитный поток Ф. Изменяясь во времени по синусоидальному закону Ф=Ф_msin ωt, этот поток пронизывает витки как первичной, так и вторичной обмоток трансформатора. При этом в соответствии с законом электромагнитной индукции в обмотках будут наводиться ЭДС, мгновенные значения которых соответственно для первичной и вторичной обмоток можно записать в следующем виде:

 (43)

 (44)

где ω₁ и ω₂ - число витков первичной и вторичной трансформатора; Еm₁ и Еm₂ - амплитудные значения ЭДС в первичной и вторичной обмотках.

Из полученных уравнений следует что, ЭДС Е₁, так же как и ЭДС Е₂ трансформатора, будут опережать магнитный поток на угол π/2.

Ток первичной обмотки трансформатора при отключенном потребителе электроэнергии является его током холостого хода. Пренебрегая влиянием насыщения, несинусоидальный намагничивающий ток можно заменить эквивалентным синусоидальным:

i₀ =I_m0 sin (ωt+α) (45)

Входящий в уравнение угол малых потерь α (угол сдвига по фазе между током и магнитным потоком трансформатора) обусловлен потерями мощности в магнитопроводе трансформатора. Значение угла α для современных электротехнических сталей обычно невелико и составляет порядка 4-6⁰.

Значение напряжения, проводимого в режиме холостого хода к трансформатору, в соответствии со вторым законом Кирхгофа для первичной обмотки, так же как и для катушки индуктивности с магнитопроводом, может быть представлено как сумма:

, (46)

Где R₁ -активное сопротивление первичной обмотки; X₁ -индуктивное сопротивление первичной обмотки, обусловленное потоком рассеяния.

Исходя из уравнения электрического равновесия, можно построить векторную диаграмму трансформатора для холостого хода (рис 12.2).При синусоидальном изменении магнитного потока и отсутствии насыщения магнитной системы, действующие ЭДС, наводимых в первичной и вторичной обмотках трансформатора, определяются по формулам:

и ,

где f₁-частота переменного тока; Ф_m - амплитудное значение магнитного потока трансформатора; ω₂ и ω₁ - число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора. Отношение ЭДС первичной обмотки трансформатора к ЭДС вторичной его обмотки, равное отношению соответствующих чисел витков обмоток, называется коэффициентом трансформации трансформатора:

Е₁/Е₂= ω₂/ω₁= n

Если Е₁>Е₂, то трансформатор является повышающим; приЕ₁<Е₂ он будет понижающим.

В отличие от режима холостого хода, возникаемого в процессе эксплуатации трансформатора при отключении нагрузки, при его исследовании появляется необходимость проведения опыта холостого хода трансформатора. Этот опыт проводится в целях определения коэффициента трансформации n, магнитного потока Ф_m, а также потерь мощности Р_м в сердечнике магнитопровода трансформатора при номинальном режиме.

При опыте холостого хода к первичной обмотке трансформатора подводится напряжение, равное номинальному его значению U_1ном. Вторичная обмотка трансформатора при этом разомкнута, так как в цепи ее отсутствует нагрузка. В результате этого ток во вторичной обмотке оказывается равным нулю(I₂=0), в то время как в цепи первичной обмотки трансформатора будет ток холостого хода I₀, значение которого обычно невелико и составляет порядка 4-10% от номинального значения тока в первичной обмотке I_1ном. С увеличением номинальной мощности трансформатора относительное значение тока холостого хода снижается.

Воспользовавшись вторым законом Кирхгофа для первичной и вторичной цепи трансформатора в режиме холостого хода, можно получить следующие уравнения электрического равновесия:

 (47)

Пренебрегая влиянием падения напряжения на первичной обмотке трансформатора I₀ Ζ₁, равного произведению тока холостого хода на сопротивление первичной обмотки ввиду его небольшого значения по сравнению с Е₁, коэффициент трансформации приближенно можно определить по показаниям приборов при опыте холостого хода как отношение первичного напряжения ко вторичному напряжению:

n= Е₁ /Е₂ ≈ U₁ /U₂ (48)

Полученное выражение дает возможность вычислить магнитный поток Ф_m, а также магнитную индукцию В_m, если известно сечение сердечника магнитопровода S_с, так как В_m= Ф_m/ S_с.

Активная мощность, потребляемая трансформатором в режиме холостого хода Р₀, затрачивается на потери мощности в магнитопроводе и электрические потери мощности в первичной обмотке: Р₀ =Р_м +Р_э1.

Так как активное сопротивление первичной обмотки R₁, так же как и ток холостого хода I₀ трансформатора, обычно незначительно, электрические потери в этой обмотке оказываются небольшими и ими можно пренебречь. В результате этого можно принять, что мощность, потребляемая трансформатором в опыте холостого хода и измеряемая ваттметром, расходуется на потери в магнитопроводе, обусловленные гистерезисом и вихревыми токами: Р₀ =Р_м. При нагрузке трансформатора ко вторичной его обмотке подключается потребитель электрической энергии.

Ток во вторичной обмотке нагруженного трансформатора согласно закону Ома определяется выражением

I₂ =U₂ /Ζ_н, (49)

где - полное сопротивление потребителя.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа для первичной и вторичной обмоток нагруженного трансформатора можно записать соответственно следующие уравнения электрического равновесия:

,

где I₁-ток первичной обмотки нагруженного трансформатора; R₂-активное сопротивление вторичной обмотки; Х₂- индуктивное сопротивление вторичной обмотки, обусловленное потоками рассеяния.

Так как падение напряжения на первичной обмотке трансформатора в пределах до номинального тока нагрузки обычно мало по сравнению с ЭДС Е₁, можно приближенно считать, что Е₁≈ U₁=4,44ω₁f₁Ф_m.

Из этого следует, что при неизменном напряжении питающей сети U1=const при нагрузке трансформатора ЭДС Е₁ можно считать неизменной (Е₁=const). Так как ЭДС наводится результирующим магнитным потоком, то, следовательно, этот поток должен также оставаться практически постоянным в пределах от холостого хода до номинальной нагрузки трансформатора, т.е. Ф_m =const.

Исследование работы трансформатора при нагрузке удобно производить на основе векторных диаграмм, построенных для приведенного трансформатора, заменяющего реальный трансформатор, у которого параметры вторичной обмотки приведены к напряжению и числу витков первичной обмотки. В соответствии с этим приведенный трансформатор должен иметь коэффициент трансформации, равный единице (n=1).

В процессе определения параметров вторичной обмотки приведенного трансформатора все параметры первичной его обмотки остаются неизменными. При замене реального трансформатора приведенным трансформатором активные, реактивные и полные мощности, а также коэффициент мощности вторичной обмотки трансформатора должны оставаться постоянными.

Значение вторичной приведенной ЭДС Е^/₂ можно найти из выражения для коэффициента трансформации:

Е₁= n Е₂= Е^/₂ (50)

Аналогично можно записать выражение и для вторичного приведенного напряжения трансформатора:

 (51)

Значение приведенного вторичного тока I2’ можно получить из соотношения, записанного из условия сохранения постоянства мощности вторичной обмотки трансформатора:

 (52)

С учетом этого, а также того, что , получаем выражение для приведенного вторичного тока:

 (53)

Приведенное активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора R^/₂ можно определить, исходя из условия постоянства электрических потерь во вторичной обмотке трансформатора в процессе приведения параметров

 (54)

С учетом выражения для тока  получим выражение активного сопротивления вторичной обмотки .

Аналогично, исходя из неизменности реактивной и полной мощности вторичной обмотки трансформатора, можно получить выражения для приведенного реактивного индуктивного и приведенного полного сопротивлений вторичной обмотки трансформатора:

 (55)

При этом, так же как и для катушек индуктивности с магнитопроводом, ЭДС Е₁, равнуюможно заменить векторной суммой активного и реактивного индуктивного падений напряжения в соответствии с уравнением

где X₀- индуктивное сопротивление, обусловленное основным потоком трансформатора; R₀ - активное сопротивление, обусловленное магнитными потерями мощности в магнитопроводе трансформатора, т.е. Некоторое условное активное сопротивление, в котором выделяется мощность , равная магнитным потерям мощности в магнитопроводе.

С учетом полученных уравнений для Ủ₁ и Ẻ₂, используя приведенные параметры вторичной обмотки трансформатора, запишем уравнение электрического равновесия для вторичной обмотки  Принимая во внимание, что , можно составить схему замещения трансформатора.

Опыт короткого замыкания трансформатора проводится в процессе трансформатора для определения электрических потерь мощности в проводах обмоток и параметров упрощенной схемы замещения трансформатора. Этот опыт проводится при замкнутой накоротко вторичной обмотке трансформатора. При этом напряжение на вторичной обмотке равно нулю(U₂=0).

Замыкание вторичной обмотки трансформатора накоротко в процессе эксплуатации приводит к тому, что при номинальном напряжении, проводимом к первичной обмотке, в обмотках трансформатора возникают весьма значительные токи, которые могут привести к выходу его из строя.

При проведении опыта короткого замыкания трансформатора, в отличие от опасного режима короткого замыкания, возникающего в аварийных условиях самопроизвольно, к первичной обмотке трансформатора подводится такое напряжение, при котором в его обмотках возникают токи, равные соответствующим номинальным им значениям.

Для этого достаточно к первичной обмотке трансформатора подвести напряжение U₁, сниженное (в зависимости от типа и мощности трансформатора) в 10-20 раз по сравнению с соответствующим номинальным значением напряжения U_1ном. Так как при опыте короткого замыкания напряжение, подводимое к первичной обмотке, мало и равно U_1к =4,44ω₁f₁Ф_m, то магнитный поток трансформатора Ф_m, а следовательно, и магнитная индукция В_m трансформатора будут также малы. Это означает, что магнитные потери мощности в магнитопроводе Р_м, которые, как известно, пропорциональны квадрату магнитной индукции , при опыте короткого замыкания ничтожно малы и ими можно пренебречь, т.е. Р_м=0.

Таким образом, можно считать, что при опыте короткого замыкания вся мощность Р_к, потребляемая трансформатором, идет на нагрев обмоток трансформатора, т.е. Равна электрическим потерям Р_э в проводах обмоток трансформатора:

 (57)

В выражение для Р_к входят I_1ном и I_2ном, т.е. номинальные значения токов соответственно в первичной и вторичной обмотках трансформаторов, так как опыт короткого замыкания проводится при номинальном значении тока. Поэтому с учетом того, что Р_м=0, мощность Р_к= Р_ном, т.е. равна электрическим потерям мощности в обмотках трансформатора при номинальной нагрузке.

В соответствии с изложенным, измерив, напряжение, ток и активную мощность при опыте которого замыкания (Ζ_н=0), можно определить параметры упрощенной схемы замещения трансформатора при коротком замыкании:

Ζ_к= U_1к / I_1ном, , (58)

 (59)

где Ζ_к, R_к, Х_к - соответственно полное, индуктивное и реактивное сопротивления короткого замыкания трансформатора.

К нагрузочным характеристикам трансформатора относятся зависимости вторичного напряжения U₂, коэффициента мощности cosφ₁ и коэффициента полезного действия η от тока нагрузки I₂ потребителя электроэнергии при cosφ₂= const.

Зависимость U₂ (I₂) напряжения на зажимах вторичной обмотки от тока нагрузки является внешней характеристикой трансформатора.

Вторичная обмотка трансформатора по отношению к потребителю электроэнергии является источником, поэтому направление тока во вторичной обмотке совпадает с направлением ЭДС Е₂ в этой обмотке. На основании второго закона Кирхгофа для вторичной цепи трансформатора можно составить уравнение электрического равновесия для этой цепи, записав короткое относительно напряжения вторичной обмотки получим уравнение для внешней характеристики трансформатора в векторной форме:

 (60)

Из полученного выражения следует, что изменение тока нагрузки трансформатора приводит к изменению напряжения на зажимах его вторичной обмотки. Это происходит не только за счет увеличения падения напряжения на вторичной обмотке, т.е. увеличения произведения I₂ Ζ₂, но также и за счет уменьшения ЭДС Е₂ в реальных условиях вследствие некоторого уменьшения магнитного потока при увеличении тока нагрузки трансформатора.

В режиме холостого хода трансформатора, при отсутствии нагрузки во вторичной цепи, трансформатор потребляет активную мощность, равную мощности холостого хода:

 (61)

Так как мощность, ток и напряжение в режиме холостого хода не равны нулю, то не может быть равным нулю и cos φ₀= cos φ₁ при I₂=0.

Таким образом, зависимость cosφ₁(I₂) выходит не из начала координат, а из точки с ординатой, равной cosφ₀.

С увеличением нагрузки эта зависимость сначала довольно резко возрастает, достигает максимального своего значения при значении тока I₂, а затем несколько уменьшается при дальнейшем увеличении тока нагрузки, что можно видеть из векторной диаграммы нагруженного трансформатора, так как с увеличением тока нагрузки I₂ одновременно происходит увеличение и тока первичной обмотки трансформатора I₁. Так как коэффициент мощности потребителя cosφ₂= const, то наряду с увеличением вектора тока I₁, происходит его смещение в сторону вектора Ủ₁. Угол φ₁ при этом уменьшается, а cosφ₁ соответственно увеличивается.

Однако возрастание cosφ₁ происходит только до определенного предела, равного cosφ_1max, так как дальнейшее увеличение I₂, а, следовательно, I₁ и Р₂, приводит к значительному возрастанию вектора реактивного падения напряжения на первичной обмотке .При этом возрастание угла φ₁ за счет увеличения вектора  не может быть скомпенсировано уменьшением этого угла за счет увеличения тока I₁, так как cosφ₂= const, ток Ǐ₁ только в пределе может совпадать с линией вектора тока I₂, занимающего жестко фиксированное положение на векторной диаграмме относительно вектора ЭДС . В результате этого при дальнейшем увеличении тока нагрузки происходит уменьшение коэффициента мощности cosφ₁.

Коэффициент полезного действия трансформатора, как известно, представляет собой, представляет собой отношение полезной мощности к мощности, потребляемой ими из сети:

, (62)

где Р_м (потери в магнитопроводе трансформатора (находят из опыта холостого хода); Р_э - электрические потери в обмотках трансформатора (определяют при номинальной нагрузке из опыта короткого замыкания), β= I₂/ I_2ном - отношение тока нагрузки к номинальному его значению; cosφ₂= Р₂/ U₂ I₂ - коэффициент мощности потребителя электроэнергии.

При отсутствии нагрузки, когда мощность не потребляется, коэффициент полезного действия оказывается равным нулю, поэтому зависимость η(I₂) будет выходить из начала координат.

Из формулы для КПД видно, что при малых значениях нагрузки, когда электрическими потерями мощности Р_э в обмотках трансформатора вследствие небольшого значения тока нагрузки можно пренебречь иногда потери мощности в магнитопроводе Р_м оказываются соизмеримыми с полезной мощностью Р₂, значение КПД трансформатора оказывается небольшим. С увеличением тока нагрузки КПД трансформатора растет. Потери мощности в магнитопроводе трансформатора не зависят от нагрузки, в то время как с увеличением нагрузки электрические потери мощности в обмотках трансформатора растут пропорционально квадрату тока.

С учетом этого анализ приведенной формулы показывает, что КПД трансформатора имеет наибольшее значение при равенстве электрических потерь мощности в обмотках и потерь мощности в магнитопроводе трансформатора (Р_э= Р_м).

При дальнейшем возрастании нагрузки трансформатора потерями в магнитопроводе можно пренебречь вследствие их относительно небольшого значения по сравнению с довольно большими электрическими потерями мощности в обмотках трансформатора. Анализ показывает, что при этих условиях КПД трансформатора с увеличением тока нагрузки сверх номинального, хотя и незначительно, будет снижаться. КПД современных трансформаторов весьма высок. С увеличением номинальной мощности трансформатора КПД растет, причем для мощных трансформаторов он достигает значений порядка 98-99%.

Задание по работе

1.    Ознакомиться с устройством и паспортными данными однофазного трансформатора.

2.      Провести опыт холостого хода исследуемого однофазного трансформатора.

.        Осуществить режим нагрузки однофазного трансформатора путем включения в его вторичную цепь переменного активного сопротивления.

.        Провести опыт короткого замыкания однофазного трансформатора.

.        На основании полученных экспериментальных данных произвести определение основных параметров трансформатора и построить его рабочие характеристики.

Методические указания по выполнению работы

1.    Ознакомиться с приборами, аппаратами и оборудованием стенда, используемыми при выполнении работы, и занести в отчет по лабораторной работе номинальные технические данные исследуемого трансформатора.

2.      Провести опыт холостого хода трансформатора:

a.  В соответствии с принципиальной схемой 9 собрать электрическую цепь для проведения опыта холостого хода трансформатора по монтажной схеме рис. 2; питание электрической цепи осуществлять от регулируемого источника синусоидального напряжения;

b.      Измерение тока I₀, мощности Р₀ в первичной обмотке трансформатора при холостом ходе производить измерительным комплектом К505, а напряжение на зажимах вторичной обмотки - цифровым вольтметром В7-22А;.   Установить напряжение на первичной обмотке трансформатора равным номинальному и записать показания приборов в таблицу 7.

Таблица 7

Схема 9

3.    Провести опыт нагрузки трансформатора:

a.  собрать электрическую цепь, принципиальная схема которой для проведения опыта нагрузки исследуемого трансформатора; сборку электрической цепи производить в соответствии с монтажной схемой, приведенной на схеме 9;

b.      в качестве нагрузки к зажимам вторичной обмотки трансформатора подключить резисторы с переменными и постоянными параметрами, суммарное сопротивление которых рассчитать с учетом того, что ток во вторичной обмотке должен изменяться от I₂=0,1 I_2ном до I₂=(1,2÷1,25) I_2ном;.   измерение тока I₁, мощности Р₁ и напряжения U₁ первичной обмотки трансформатора производить измерительным комплектом К505, а измерение тока I₂ и напряжения U₂ вторичной обмотки - цифровыми амперметром и вольтметром;.     установить на первичной обмотке трансформатора номинальное напряжение U_1ном и, изменяя сопротивление резисторов во вторичной цепи с переменными параметрами, произвести пять, шесть измерений при различных токах нагрузки в указанном диапазоне его измерений. При проведение опыта напряжение на зажимах первичной обмотки трансформатора поддерживать неизменным. Результаты измерений записать в табл. 8

Таблица 8

В таблице: β= I₂/ I_2ном - коэффициент нагрузки трансформатора; γ= U₂/ U_2ном - коэффициент изменения напряжения на вторичной обмотке; Р₂= I₂U₂cosφ₂-активная мощность потребителя электроэнергии.

4.    Опыт короткого замыкания трансформатора произвести при пониженном напряжении на первичной обмотке трансформатора, при котором ток в первичной обмотке I_1к= I_1ном, а во вторичной I_2к= I_2ном т.е.токи в обмотках равны номинальным их значениям. Поэтому напряжение, подводимое к первичной обмотке, должно устанавливаться изменением напряжения источника питания от I_1к=0, т.е. С нулевого его значения.

Для проведения опыта короткого замыкания:

a.  собрать электрическую цепь для проведения опыта короткого замыкания исследуемого трансформатора,

b.      измерения тока i1к, мощности Р_к и напряжения U_1к в первичной обмотке при опыте короткого замыкания трансформатора производится измерительным комплектом К505, а измерение тока I_2к во вторичной обмотке - цифровым амперметром;.     плавно изменяя напряжение на первичной обмотке трансформатора от нуля до значения, при котором токи в обмотках достигнут номинальных значений, определяемых по паспортным данным, записать значения измеряемых величин в табл. 9

Таблица 9

5.    По результатам измерений, проведенных в опыте холостого хода трансформатора определить:

а) коэффициент трансформации трансформатора

n= U₁ /U₂; (63)

б) коэффициент мощности трансформатора при холостом ходе

сosφ₀=р₀ /U₁I₀ (64)

в) амплитудные значения магнитного потока и магнитной индукции в сердечнике трансформатора

Ф_m = U₂/ 4,44ω₂f₁, В_m= Ф_m/S, (65)

где ω₂ - число витков вторичной обмотки трансформатора; S-площадь поперечного сечения сердечника трансформатора (указаны в паспортных данных);

г) параметры намагничивающего контура (пренебрегая падениями напряжений на R₁ и Х₁ от тока I₀):

, Ζ₀= U₁/ I₀ и

д) магнитные потери мощности в магнитопроводе трансформатора

Р_м ≈Р₀

. По результатам измерений опыта короткого замыкания определить:

а) электрические потери мощности в трансформаторе

Р_эном ≈Р_к;

б) коэффициент мощности трансформатора

сosφ_1к= Р_к/ U_1к I_1к; (66)

в) параметры схемы замещения трансформатора

   (67)

. По результатам измерений опыта нагрузки при различных токах нагрузки определить:

а) коэффициент полезного действия трансформатора

; (68)

б) коэффициент мощности трансформатора

сos φ₁= Р₁/ U₁I₁;

. По расчетным и измеренным данным испытаний построить в единой координатной системе внешнюю U₂ I₂ и рабочие характеристики трансформатора: I₁ (I₂), η(I₂), и cos φ₁(I₂).

2.6 Изучение вольтамперной характеристики диода

Тема: Изучение и снятие вольт-амперной характеристики полупроводникового диода.

Цель работы: Ознакомиться со схемой лабораторной установки для исследования и снятия вольт-амперной характеристики полупроводникового диода.

Основные теоретические положения

Основная деталь плоскостного полупроводникового диода - монокристаллическая пластинка германия. К одной из сторон этой пластинки приварена капля индия, в результате этого в пластинке, имеющей сначала лишь электронную проводимость, возникли две резко разграниченные области с электронной (n) и дырочной (p) проводимостями. На границе этих областей образовался так называемый электронно-дырочный переход (n­p), обладающий односторонней проводимостью для электрического тока. Пластинка германия припаяна оловом к основанию металлического корпуса, защищающего кристалл от внешних воздействий и имеющего контактный вывод. Второй контактный вывод сделан от капли индия. Он проходит в металлической трубочке, вплавленной в стеклянный изолятор. Выводы диода подведены на панели к двум зажимам, которые обозначены знаками «+» и «-».

В германии с электронной проводимостью, кроме основных носителей электрического тока - электронов, всегда имеются незначительное количество неосновных носителей - дырок. Соответственно и в германий с дырочной проводимостью, кроме основных носителей - дырок, имеется небольшое количество неосновных носителей - электронов.

При отсутствии внешнего электрического поля через границу двух полупроводников диода взаимно диффундируют основные и неосновные носители тока; электроны и дырки из n - германия диффундируют в р - германий, а дырки и электроны из р - германия переходят в n - германий. В результате на границе двух полупроводников возникает двойной слой электрических зарядов, а вместе с этим и электрическое поле Е, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей тока.

Одновременно с образование двойного электрического слоя по обеим сторонам от границы полупроводников происходит рекомбинация электронов и дырок, в результате чего образуется область, обедненная носителями тока. Эта область называется запирающим слоем. Несмотря на малую толщину, запирающий слой составляет главную часть сопротивления диода.

При действии на диод внешнего электрического поля, направленного от дырочного полупроводника к электронному, основные носители тока в каждом полупроводнике движутся к границе раздела полупроводников. Толщина запирающего слоя в тот момент уменьшается, и сопротивление его резко снижается. Ток, образованный движением основных носителей тока и направленный от дырочного полупроводника к электронному, называется прямым током диода.

С изменением полярности приложенного напряжения изменяется движение основных носителей тока. При этом толщина запирающего слоя увеличивается, а сопротивление резко возрастает.

Однако небольшой ток и в этом случае течет через диод; он создается движением неосновных носителей тока. Этот ток направлен от электронного полупроводника к дырочному и называется обратным током диода. В зависимости от направления тока в диоде приложенное к нему напряжение, а так же сопротивление диода называют прямым или обратным. Лабораторная работа с полупроводниковым диодом выполняется в два приема. Сначала производят измерения для выяснения зависимости прямого тока от величины прямого напряжения, приложенного к диоду, а затем - для выяснения зависимости обратного тока от величины обратного напряжения.

Методические указания по выполнению работы

1.    Составить электрическую цепь по схеме 10. Источником тока в этих измерениях служит одна банка из батарей. прямое напряжение на диод подают с помощью реостата R, включенного в качестве потенциометра.

2.      Перед замыканием цепи скользящий контакт реостата ставят в такое положение, при котором напряжение, подаваемое на диод, почти равняется нулю. Затем постепенно увеличиваем напряжение на диоде и несколько раз записываем показания приборов.

.        Однако для этих измерении, связанных с изменением величины тока от напряжения по показательному закону, удобнее вначале задавать по амперметру определенные значения величины тока в цепи, а после этого записать показания вольтметра. Величину тока рекомендуется задавать по логарифмическому закону, например: 1; 1,5; 2; 3; 4; 5; 7; 10; 15; 20; 30 ма. Причем вносить поправки в ток, который идет через вольтметр, не следует, так как этот ток во много раз меньше прямого тока диода. Результат измерений записать в таблицу 10.

Таблица 10

Схема 10

.      Составить электрическую цепь по схеме 11. Источником тока здесь служат две батарей, включенные последовательно. Напряжение на диод подается с помощью потенциометра. Измерение обратного тока начинают с малых напряжений. Для этого скользящий контакт реостата ставят согласно схеме в самое низкое положение. Затем постепенно увеличивают напряжение по одному вольту, и каждый раз измеряют величину обратного тока диода.

5.      Падением напряжения на можно пренебречь, так как сопротивление значительно меньше обратного сопротивления диода. Результаты измерений записать в таблицу 11.

Таблицу 11

Схема 11

По числовым значениям таблицы 10 и таблицы 11 строим кривую, представляющую собой вольт-амперную характеристику диода. По осям ординат откладывают ток в ма, а по оси абсцисс - напряжение в В, причем прямой ток и прямое напряжение считают положительными, а обратный ток и напряжение - отрицательными (см. рис. 22)

Рис. 22 Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

3. Применение полупроводниковых приборов в бытовой технике

3.1 Применение различных типов диодов

Полупроводниковый диод - двухэлектродный прибор, обладающий односторонней проводимостью. К полупроводниковым диодам относят обширную группу приборов с одним p­n­ переходом, контактом металл-полупроводник и другие. Буквенное обозначение диода на схеме D, VD. Электроды называются анод и катод. Анод присоединен к области p­ типа p­n­ перехода (в случае полупроводникового диода), катод к области n­ типа. В любом случае анод считается тот электрод, при приложении к которому положительного относительно катода потенциала, в диоде возникает прямое смещение, то есть он проводит ток. Анод, поэтому иногда обозначают дополнительно плюсом, а катод - минусом.

Главный параметр: Вольт-амперная характеристика (зависимость тока прибора от приложенного к нему напряжения).

Основные функциональные свойства как радиоэлемента:

.      Способность проводить ток только в одном направлении.

2.      Способность хорошо проводить ток в другом направлении при напряжении больше какого-то минимального (достаточно маленькое значение). При напряжениях меньше этого значения («чувствительности диода») диод ток не проводит не в какую сторону.

.        Другие свойства p­n­ перехода, контакта металл-полупроводник: фотопроводимость, емкость, туннельный эффект, эффект Ганна и другие.

Первое свойство используется для выпрямления переменного тока и детектирования сигналов, второе - для стабилизации напряжения и в устройствах информационной защиты телефонных сетей.

Существуют следующие разновидности диодов:

-     Выпрямительные: плоскостные и точечные (высокочастотные)

-       Стабилитроны (опорные диоды, зенеровский диод) и стабисторы

-       Варикапы

-       Диоды Шотки

-       Туннельные

-       Диоды Ганна

-       Лавинно-пролетные диоды

-       Светодиоды

-       Фотодиоды

Все эти разновидности могут быть выполнены как на основе p­n­ перехода и контакта металл-полупроводник, так и с применением МОП-технологии. Диоды иногда классифицируют в зависимости от выполняемой ими в электрической схеме функции, например, смесительные, детекторные диоды. Ими может быть любой точечный диод.

Выпрямительный диод

Самая простая и основная разновидность диодов, назначение которой - только пропускать ток в одном направлении. Буквенное обозначение диода на схеме D, VD, Д.

Так как диод - нелинейный элемент. Его свойства зависят от приложенного напряжения. То есть когда мы прикладываем к нему прямое напряжение, он открывается, его сопротивление достаточно невелико, и он начинает проводить ток так же, как если бы мы приложили напряжение к резистору с таким же сопротивлением. А если мы увеличим напряжение, то ток через резистор увеличился бы по закону Ома: І=U/R, а у диода он увеличится сильнее, потому, что его внутреннее сопротивление само по себе тоже зависит от напряжения. Вы видите, что описать нелинейный элемент каким-то средним значением параметра или его разбросом в каких-то пределах мало возможно. Поэтому нелинейные элементы характеризуют их вольт-амперной характеристикой - графической зависимостью тока между электродами прибора от приложенного к ним напряжения. Сокращенно - ВАХ. Пользоваться вольт-амперной характеристикой очень удобно, так как нам не нужно, зная, например, сопротивления прибора при данном напряжении вычислить его ток, мы сразу знаем какой ток потечет по прибору при таком-то напряжении.

При достаточно большом обратном напряжении происходит электрический пробой диода. Основными параметрами выпрямительных диодов являются: напряжение пробоя U_обр, максимальный прямой ток I_{пр max}, максимальный обратный ток (до наступления пробоя) I_{обр max}, граничная частота f_гр {Explain}. Выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные. Это разделение происходит в зависимости от технологии производства, определяющей размеры p­n­ перехода.

Плоскостные диоды

Технология изготовления плоскостных диодов такова. Из пластины полупроводника n­ типа толщиной в несколько долей мм вырезают квадратные пластинки площадью 2-4мм². на поверхности каждой расплавляют маленький кусочек индия. Индий крепко сплавляется с пластинкой, при этом атомы индия диффундируют в глубь пластинки, образуя в ней область с преобладанием дырочной проводимости. На границе этой области и остального объема кристалла р-типа возникает p­n­ переход. В качестве контактов для электродов к пластинке припаивают металлический диск или стержень, к капельке индия - проволочку. Все устройство помещается в металлический или пластмассовый корпус. Получается плоскостной полупроводниковый диод.

Площадь p­n­ перехода в плоскостном диоде велика. Это значит, что за единицу времени через него может пройти значительное количество носителей заряда. Поэтому плоскостные диоды - это мощные диоды, используемые для выпрямления переменного тока в цепях питания. Однако, вспомним, что p­n­ переход обладает емкостью. Это не играет никакой роли на низких частотах, таких как в сети питания. Но что такое конденсатор для переменного тока высокой частоты? Это реактивное сопротивление, притом, (формула(Н)), чем частота выше, тем это сопротивление меньше. В таком случае сопротивление плоскостного диода при обратном смещении на высокой частоте окажется меньше, чем должно быть и теряет главное его свойство - односторонняя проводимость. Но это еще не все. Электроны и дырки пересекают область p­n­ перехода не мгновенно, а за какое-то конечное время, называемое временем пролета. Если напряжение на диоде меняется с такой же высокой частотой, что период колебаний окажется меньше времени пролета носителей заряда, то не будет успевать определиться с направлением: куда же им выйти. Естественно, что свойства диода, как прибора с односторонней проводимостью в данном случае можно поставить под сомнение. Поэтому плоскостные диоды - это мощные выпрямительные диоды, предназначенные для работы на низких частотах. Имеют большую площадь контакта полупроводников разных типов и большую емкость перехода.

Точечные диоды - напротив, - это маломощные высокочастотные диоды с маленькой площадью и емкостью перехода. Конструктивно точечный диод устроен следующим образом, p­n­ переход в нем образовывается между легированной донорной примесью кремниевой или германиевой пластинкой площадью около 1 мм² (и меньше) и вольфрамовой проволочкой, упирающейся острым концом в пластинку. К ним припаиваются выводы диода. Вся конструкция помещается обычно в стеклянный и пластмассовый корпус. Когда диод собран, его формуют: пропускают ток определенной величины, под действием которого диод нагревается и происходит диффузия вольфрама в кристалл пластинки. В пластинке в месте контакта образуется небольшая область с дырочной проводимостью. Получается p­n­ переход. Пластинка полупроводника, таким образом, является катодом, а вольфрамовая проволочка - анодом точечного диода.­n­ переход точечного диода обладает небольшой площадью, а значит и небольшой емкостью. В то же время носителем заряда даже на частотах в сотни магагерц хватает времени пролета, чтобы пересечь p­n­ переход. Их используют в качестве детекторов сигнала при амплитудной модуляции в радиосвязи, в качестве смесительных диодов. В некоторой литературе встречаются такие подтипы диодов, как высокочастотные и импульсные. Это точечные диоды, просто, например импульсные диоды предназначены для использования в качестве ключевых элементов в схеме при малых длительностях импульсов и переходных процессов. А высокочастотным можно назвать любой диод, который может быть использован для выпрямления токов в широком диапазоне частот (до нескольких сотен МГц), модуляции, детектирования и других нелинейных преобразований электрических сигналов.

Диод Шотки

Диод Шотки (или Шоттки, что тоже правильно), диод с барьером Шотки - полупроводниковый диод, выполненный на основе металл-полупроводник. Обозначается на схемах так же, как и обычный диод с p­n­ переходом.

Технология изготовления следующая. На очищенную поверхность полупроводникового кристалла (Si, GaAS, реже Ge) наносят тонкий слой металла (Au, Al, Ag, Pt) методами вакуумного испарения, катодного распыления либо химического или электролитического осаждения. В диоде Шотки (в при контактной области полупроводника), как и в диодах с электронно-дырочным переходом (в области этого перехода), возникает потенциальный барьер (барьер Шотки), изменение высоты которого под действием внешнего напряжение (смещения) приводит к изменению тока через прибор. Ток через контакт металл - полупроводник, в отличие от тока через электронно-дырочный переход, обусловлен только основными носителями заряда [39].

Отличительные особенности диодов Шотки по сравнению с полупроводниковыми диодами других типов:

.      Возможность получать требуемую высоту потенциального барьера посредством выбора соответствующего металла;

2.      Значительная нелинейность вольтамперной характеристики при малых прямых смещениях;

.        Очень малая инерционность (до 10^-11 сек);

.        Низкий уровень ВЧ шумов; технологическая совместимость с интегральными схемами;

.        Простота изготовления. Диоды Шотки служат главным образом СВЧ - диодами различного назначения (детекторными, смесительными, лавинно-пролетными, параметрическими).

Кроме того, диоды Шотки применяют в качестве преемников излучения, детекторов ядерного излучения, тензодатчиков, модуляторов света; их используют также в выпрямителях тока ВЧ, солнечных батареях и т.д. Диоды Шотки по них электрическим свойствам можно отнести к точечным диодам.

Светодиод

Светодиод (англ. LED - Light-Emitting Diode) - это светоизлучающий прибор, в основе которого лежит р-n-переход, который при прямом смещении испускает спонтанное излучение в видимой, ультрафиолетовой или инфракрасной области спектра.

Светодиод преобразует электрическую энергию в энергию оптического излучения на основе явления инжекционной электролюминесценции (в полупроводниковом кристалле с р-n-переходом, полупроводниковым гетеропереходом либо контактом металл - полупроводник). Принцип его действия представить не сложно: при прямом смещении в активную область р-n-перехода инжектируются неосновные носители заряда. Если это, например, электроны, то они попадают в область, где основными носителями заряда являются дырки. Они рекомбинируют друг друга при этом, «падая» из зоны проводимости в валентную зону на более низкий энергетический уровень. Их прежняя энергия по закону ее же сохранения не девается куда попало, а излучается в виде кванта света. Это может быть видимое, инфракрасное или ультрафиолетовое излучение. Светодиоды испускают некогерентное излучение, но, в отличие от тепловых источников света (ламп накаливания), - с более узким спектром, вследствие чего излучение в видимой области воспринимается как одноцветное. Цвет излучения зависит от полупроводникового материала и его легирования.

Светодиоды изготавливаются в основном на основе соединении типа А^III B^V и еще некоторых других (например GaP, GaAs, SiC), а так же применяются твердые растворы (например GaAs_l-x, Al_xGa_l-xAs, Ga_l-xln_xP). В качестве легирующих примесей используются: GaP-Zn и О (в красных светодиодах) либо N (в зеленых), в GaAS-Si либо Zn и Te (в инфракрасных светодиодах). Сейчас, после того, как японской фирме Sanken Electronics удалось снизить стоимость раннее очень дорогого производства в 10 раз, получает признание технология производства GaN светодиодов, цвет излучения которых легко варьируется с изменением концентрации индия [49].

Светодиоды видимого излучения используют в качестве сигнальных индикаторов. Светодиоды инфракрасного излучения находят применение в устройствах оптической локации, оптической связи, в дальнометрах, пультах управления, устройствах регулирования скорости вращения двигателей, системах сигнализации, матрицы таких светодиодов - в устройствах ввода и вывода информации ЭВМ. В оптововолоконной связи инфракрасные светодиоды конкурируют с родственными им приборами - инжекционными лазерами. Уступая им в частоте модуляции (скорости передачи информации) и спектральной ширине излучения (у лазера он составляет 0,1-1 ангстрем, у светодиода - 100-500 ангстрем). Однако ситуация еще может измениться: в конце 2001 г. Американскому ученому доктору Эндрю Шилдсу (Andrew Shields) и его коллегам из компании Toshiba Research Europe Limited (TREL) и Кембриджского Университета удалось создать диод, который способен испускать один единственный фотон. Такое устройство может стать незаменимым в системах квантовой криптографий в оптоволоконной связи.

Важными параметрами для светодиодов связи являются диапазон рабочих частот и предельная частота , где τ - время жизни из пары носителей заряда до излучательной рекомбинации.

Для светодиодов видимого диапазона важными параметрами являются: цвет свечения; сила света; постоянное прямое напряжение U_пр; номинальный прямой ток I_пр; максимальный постоянный прямой ток I_пр.

Преобразование электрической энергии в энергию светового излучения происходит в результате рекомбинации электронов и дырок. При рекомбинации имеет место возврат электронов в валентную зону, а разность энергии, соответствующая ширине запрещенной зоны, выделяется в виде кванта света (фотона) Рис. 23.

Рис. 23 Энергетическая зонная диаграмма светодиода на основе р-n-перехода, Е₍₂₎ - Е₍₁₎ = ĥν.

Механизм светового излучения состоит в следующем:

В результате действия электрического поля, происходит поглощение электрической энергии, что приводит к переходу электрона (атома, молекулы) из основного равновесного состояния Е₍₁₎ в возбужденное состояние Е₍₂₎.

Параметром светодиода является длина волны излучаемого света λ, определяющая цвет свечения. Диапазон видимого света

λ = 0,4 … 0,7 мкм,

Е = 1,3 … 1,8 эВ.

Поэтому Е(g) для материалов светодиодов должна быть больше 1,3 эВ. Например для GaAs E(g) = 1,43 эВ, λ = ħс/Е(g) = 1,23/Е(g) = 0,9 мкм.

Материалы светодиодов:

Твердый раствор GaAs (1-x) P(x) оранжевый,

Карбид кремния Si - Ca желтый,

Фосфид галлия с примесью GaP-ZnO красный,

Фосфид галлия с азатом GaP - N зеленый.

Рис. 24 Структура светодиода на основе арсенида галлия:

1 - контакты,

- pGaAs,

- nGaAs,

- n(+) GaAs.

Варикап

Варикап (англ. varicap, от vari (abel) - переменный и сар (acity) - емкость) - полупроводниковый диод, в которых используется зависимость емкости р-n-перехода от величины напряжения обратного смещения. Буквенное обозначение варикапа на схеме D, VD, Д.

Главный параметр: Вольт-фарадная характеристика (зависимость емкости от напряжения).

 (69)

С_в - общая емкость варикапа, то есть емкость, измеренная между его выводами. Общая емкость складывается из двух составляющих: барьерной емкости р-n-перехода С_бар и емкости корпуса, в который заключен прибор. Барьерная емкость изменяется от единиц до сотен пикофарад (у отдельных варикапов практически в 3-4 раза) при изменении обратного напряжения на несколько десятков вольт и оказывается значительно больше емкости корпуса, поэтому вольт-фарадная характеристика варикапа в основном есть вольт-фарадная характеристика р-n-перехода.

Наиболее важные параметры варикапов для схемотехникиис их использованием:

Коэффициент перекрытия  где С_в1 и С_в2 - общие емкости варикапа при заданных значениях обратного напряжения U_обр1 и U_обр2.

Коэффициент нелинейности , он связан с коэффициентом перекрытия, так как при большой нелинейности интервал изменения емкости может быть перекрыт при меньших напряжениях.

Добротность Q_в - величина, оценивающая качество варикапа - отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте сигнала к сопротивлению потерь при заданном значении емкости. Добротность зависит от частоты, при этом на низких частотах он ей прямо пропорционален, а на высоких - обратно пропорциональна.

ТКЕ (температурный коэффициент емкости)

ТКД (температурный коэффициент добротности)

3.2 Применение транзисторов

Транзисторы

Транзистор (полупроводниковый триод) полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенными для усиления и генерирования электрических сигналов. Транзисторы составляют два основных крупных класса: биполярные и полевые.

Биполярный транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным типом проводимости: эмиттера, базы и коллектора, образующих два р-n-перехода.

Транзистор называется биполярным, так как в процессах происходящих в нем используются оба типа носителей заряда.

Рис. 25 Схематическое изображение транзистора типа p-n-p

Транзистор называется биполярным, так как в процессах происходящих в нем используются оба типа носителей заряда.

Рис. 26 Зонная диаграмма биполярного транзистора в равновесном состоянии

В равновесном состоянии (рис. 26), когда к транзистору не подключены источники питания, суммарные токи через оба перехода равны нулю, а уровни Ферми во всех трех областях находятся на одном энергетическом уровне.

Каждый из переходов транзистора можно включать либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:

.      Режим отсечки - оба р-n-перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идет небольшой ток.

2.      Режим насыщения - оба р-n-перехода открыты.

.        Активный режим один из р-n-переходов открыт, а другой закрыт.

В первых двух режимах управление транзистором невозможно.

В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы.

Для биполярного транзистора р-n-p-типа в схеме с общей базой активный режим является основным. В этом случае к эмиттерному р-n-переходу приложено прямое напряжение, как показано на рис. 25, обуславливающее снижение потенциального барьера и сужение р-n-перехода (L₍₁₎ на рис. 27); на коллекторный же р-n-переход подается обратное смещение (на базу «+», на коллектор «-»), вызывающее увеличение потенциального барьера и расширению р-n-перехода (L₍₂₎ на рис. 27).

Как транзистор усиливает?

Интенсивная диффузия дырок через базу от эмиттера к коллектору приводит к возникновению дополнительного коллекторного тока (I_(k)), практический равного эмиттерному току (I_(э)). Равенство I_(k) = I_(э) лежит в основе усиливающего действия транзистора.

Эмиттерный переход, на который подано прямое напряжение смещения, имеет малое сопротивление, и падение напряжения на нем U(э) мало. На коллекторный переход подается обратное напряжение смещения, и сопротивление этого перехода значительно больше. Поэтому в коллекторную цепь может быть включена высокоомная нагрузка, сопротивление которой R_(н) значительно больше сопротивления эмиттерного перехода (рис. 3) Поскольку I_(k) = I_(э), то падение напряжения на высокоомной коллекторной нагрузке

U_(н) = I_(k) R_(н) = I_(э) R_(н) окажется намного больше падения напряжения U_(э) на эмиттерном переходе (U_(н) >> U_(э)). В этом по существу и состоит эффект усиления по напряжению, обеспечиваемого транзистором.

Рис. 27 Зонная диаграмма биполярного транзистора в активном режиме

Полевой транзистор

Полевой транзистор - полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного ему электрического поля, создаваемого входным сигналом. Рабочий ток в полевых транзисторах создается носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы называют униполярными (в отличии от биполярного).

По физической структуре и механизму работы полевой транзистор условно делят на 2 группы:

·      Полевой Транзистор с управляющим р-n-переходом или переходом металл-полупроводник (барьер Шотки),

·        Полевой Транзистор с управлением посредством изолированного электрода (затвора), так называемые МДП-транзисторы.

Рис. 28 Структура полевого транзистора с одним управляющим р-n-переходом

Полевой Транзистор с управляющим р-n-переходом - полупроводниковый прибор, в котором ток основных носителей заряда управляется поперечным электрическим полем обратно смещенного р-n-перехода.

Электрод, от которого начинает движение основные носители заряда в канале, называют истоком, электрод, к которому движутся основные носители заряда, называют стоком, а третьи управляющий электрод - затвором.

В Полевом Транзисторе в процессе переноса тока участвуют только один вид носителей - основные носители области канала (в нашем случае n-канала - электроны). Здесь переход затвор - канал смещен в запорном направлении, а ток переносится от И к С потоком электронов через узкий канал между областью пространственного заряда (обедненный слой) р-n-перехода и краем кристалла.

При включении между И и С транзистора источника напряжения U_(си) по каналу от истока к стоку потечет ток основных носителей (электронов), величина которых определяется приложенным напряжением и сопротивлением канала. Если на затвор подать напряжение U_(зи) так, чтобы р-n-переход оказался смещенным в обратном направлении, то переход, расширяясь, уменьшает ширину канала. Уменьшение поперечного сечения канала приводит к увеличению его сопротивления и поэтому к уменьшению протекающего по каналу тока [47].

При возрастании обратного смещения на затворе обедненный слой р-n-перехода все больше расширяется, ток стока I_(c) уменьшается, и при достаточно высоком напряжении U_(зи) происходит смыкание области объемного заряда с краем кристалла. Напряжение, при котором канал полностью перекрывается и ток через него практический прекращается, называют напряжением отсечки U_{(зи. отс.)}

При уменьшении отрицательного напряжения на затворе U_(зи) канал будет расширяться, и ток стока I_(c) будет возрастать. Благодаря тому, что р-n-переход находится в закрытом состоянии, ток в управляющей цепи практический равен нулю (I_(з)=0), а значит, равна нулю и затраченная электрическая мощность. Перед нами снова открывается возможность с помощью меньшей мощности управлять существенно большей мощностью. Если теперь на затвор вместе с отрицательным напряжением смещения подать какой-нибудь полезный сигнал, то ток с цепи стока будет повторять его форму (со сдвигом на 180 градусов). Это используется для усиления сигналов, в ключевых и генераторных схемах.

Таким образом, управление током в Полевой транзистор осуществляется путем изменения напряжения U_(зи) за счет изменения ширины канала и, как следствие его сопротивления.

В работе Полевого Транзистора существенную роль играет электрическое поле затворного перехода (поперечное по отношению к каналу), именно оно управляет сопротивлением проводящей части канала. Этим объясняется его название: полевой транзистор.

Возможность усиления по напряжению в Полевом Транзисторе обусловлена эффективным управлением током в высокоомной части канала (R >100кОм) посредством относительно малых изменений запорного напряжения.

3.3 Применение других полупроводниковых приборов

Тиристоры и Триак (симистор).

Тиристорами - называют полупроводниковые приборы с двумя устойчивыми режимами работы (включен, выключен), имеющие три или более p-n - переходов. Тиристор по своему принципу - прибор ключевого действия. Во включенном состоянии он подобен замкнутому ключу, а в выключенном состоянии - разомкнутому ключу. Те тиристоры, которые не имеют специальных электродов для подачи сигналов с целью изменения состояния, а имеют только два силовых электрода (анод и катод), называют неуправляемыми, или диодными, тиристорами (динисторами). Иначе тиристоры называют управляемыми тиристорами, или просто тиристорами.

Они являются основными элементами в силовых устройствах электроники, которые называют также устройствами преобразовательной техники. Типичными представителями таких устройств являются управляемые выпрямители (преобразуют переменное напряжение в однонаправленное) и инверторы (преобразуют постоянное напряжение в переменное). Динисторы, как правило, используются в слабосточных импульсных устройствах.

Существует большое количество различных тиристоров. Для определенности вначале обратимся к так называемому по катоду незапираемому тиристору с тремя выводами (два силовых и один управляющий), который проводит ток только в одном направлении. Предположим, что напряжение питания меньше так называемого напряжения переключения U_пер(u_пит < U_пер) и что после подключения источника питания импульс управления на тиристор не подавался. Тогда тиристор будет находиться в выключенном состоянии. При p-n - переходе П₁ и П₃ будут смещены в прямом направлении, а переход П₂ - в обратном направлении, поэтому ток тиристора будет малым (i_a=0) и будут выполняться соотношения u_ак≈ u_пит, u_R ≈0 (нагрузка отключена от источника питания).

Если предположить, что выполняется соотношение u_пит>U_пер или что после подключения источника питания был подан импульс управления достаточной величины, то тиристор будет находиться в открытом состоянии. При этом все три перехода будут смещены в прямом направлении. Существуют тиристоры, для которых напряжение U_пер больше чем 1 кВ, а максимально допустимый ток i_a больше, чем 1кА.

При изучении принципа работы тиристора очень важно понять, что происходит в момент его включения и почему переход П₂ во включенном состоянии смещен в прямом направлении.

Рассмотрим 10 основных правил применения тиристоров и триаков (симисторов) при проектировании устройств управления мощностью.

Тиристор

Тиристор - управляемый диод, в котором управление током от анода к катоду происходит за счет малого тока управляющего электрода (затвора).

Вольтамперная характеристика тиристора показана на Рис. 30.

Открытое состояние тиристора

Тиристор переходит в открытое состояние при подаче положительного смещения на затвор относительно катода. При достижении порогового значения напряжения затвора V_GT (ток через затвор имеет значение I_GT), тиристор переходит в открытое состояние. Для стабильного перехода в открытое состояние при коротком управляющем импульсе (менее 1 мкс), пиковое значение порогового напряжения необходимо увеличить.

После достижения тока нагрузки значения I_L, тиристор будет оставаться в открытом состоянии, при отсутствии тока затвора.

Необходимо отметить, что значения параметров V_GT, I_GT и I_L указаны в спецификации для температуры перехода 25°C. Эти значения возрастают при понижении температуры. Поэтому внешние цепи тиристора должны рассчитываться для поддержания необходимых амплитуд V_GT, I_GT и I_L при минимальной ожидаемой рабочей температуре.

Правило 1. Для того чтобы тиристор (триак) перевести в открытое состояние: ток затвора Е I_GT необходимо подавать до достижения тока нагрузки Е I_L. Эти условия должны выполняться при минимальной ожидаемой рабочей температуре перехода.

Чувствительный затвор тиристоров, таких как BT150, при увеличении температуры перехода выше T_jmax может вызывать ложное срабатывание за счёт тока утечки от анода к катоду.

Во избежание ложных срабатываний можно посоветовать следующие рекомендации:

.      Рабочая температура перехода должна быть меньше значения T_jmax.

2.      Использовать тиристоры с меньшей чувствительностью, такие как BT151, или уменьшить чувствительность имеющегося тиристора включением резистора номиналом 1КОм или менее между затвором и катодом.

.        При невозможности использования менее чувствительного тиристора, необходимо приложить небольшое обратное смещение к затвору в фазе закрытого состояния тиристора для увеличения I_L. В фазе отрицательного тока затвора необходимо уделить внимание уменьшению мощности рассеивания затвора.

Коммутация тиристора.

Для перехода тиристора в закрытое состояние ток нагрузки должен снизится ниже значения тока удержания I_H на время, позволяющее всем свободным носителям заряда освободить переход. В цепях постоянного тока это достигается тем, что цепь нагрузки уменьшает ток до нуля, чтобы дать возможность тиристору выключиться. В цепях переменного тока цепь нагрузки уменьшает ток в конце каждой полуволны. В этой точке тиристор переходит в закрытое состояние.

Тиристор может перейти в состояние проводимости, если ток нагрузки не будет удерживаться ниже I_H достаточное время.

Обратим внимание, что значение I_H указывается для температуры перехода 25°C и, подобно I_L, оно уменьшается при повышении температуры. Поэтому, для успешной коммутации, цепь должна позволять уменьшаться току нагрузки ниже I_H достаточное время при максимальной ожидаемой рабочей температуре перехода.

Правило 2. Для переключения тиристора (или триака), ток нагрузки должен быть < I_H в течение достаточного времени позволяющего вернуться к состоянию отсутствия проводимости. Это условие должно быть выполнено при самой высокой ожидаемой рабочей температуре перехода.

Триак (симистор)

Триак представляет собой «двунаправленный тиристор». Особенностью триака является способностью проводить ток как от анода к катоду, так и в обратном направлении.

Состояние проводимости. В отличие от тиристоров, триак может управляться как положительным, так и отрицательным током между затвором и T1. (Правила для V_GT, I_GT и I_L те же, что для тиристоров См. Правило 1.) Это свойство позволяет триаку работать во всех четырёх секторах, как показано в рис. 32.

Когда затвор управляется постоянным током или однополярными импульсами с нулевым значением тока нагрузки, в квадрантах (3+, 3-) предпочтителен отрицательный ток затвора по нижеследующим причинам.

(Внутреннему строению переходов триака характерно то, что затвор наиболее отдален от области основной проводимости в квадранте 3+)

.      При более высоком значении I_GT требуется более высокий пиковый I_G.

2.      При более длинной задержке между I_G и током нагрузки требуется большая продолжительность I_G.

.        Низкое значение dI_T/dt может вызывать перегорание затвора при управлении нагрузками, создающими высокий dI/dt (включение холодной лампы накаливания, ёмкостные нагрузки),

.        Чем выше I_L (это относится и к квадранту 1-), тем большая продолжительность I_G будет необходима для малых нагрузок, что позволит току нагрузки с начала полупериода достичь значения выше I_L.

В стандартных цепях управления фазой переменного тока, таких как регуляторы яркости и регуляторы скорости вращения, полярность затвора и T2 всегда одинаковы. Это означает, что управление производится всегда в 1+ и 3 - квадрантах, в которых коммутирующие параметры триака одинаковы, а затвор наиболее чувствителен.

Примечание: 1+, 1-, 3- и 3+ это система обозначений четырех квадрантов, использующаяся для краткости: вместо того, чтобы записать «MT2+, G+» пишется 1+, и т.д. Эти данные получены из графика вольтамперной характеристики триака. Положительному напряжению T2 соответствует положительное значение тока через T2, и наоборот (см. Рис. 33.)

Следовательно, управление осуществляется только в квадрантах 1 и 3. А указатели (+) и (-) относятся к направлению тока затвора.

Правило 3.

При проектировании необходимо избегать включения триака в 3+ квадранте (MT2-, G +).

Ложные срабатывания триака.

В ряде случаев возможны нежелательные случаи включения триаков. Некоторые из них не приведут к серьёзным последствиям, в то время как другие потенциально разрушительны.

(а) Уменьшение шумовых сигналов затвора.

В электрически шумных окружающих средах ложное срабатывание может происходить, если шумовое напряжение на затворе превышает V_GT, поэтому тока затвора достаточно для включения триака. Первый способ защиты - минимизировать возникающий шум. Лучше всего это может быть достигнуто уменьшением длины проводников ведущих к затвору и соединением цепи управления затвором непосредственно с выводом T1 (или катодом для тиристора). В случае если это невозможно следует использовать витую пару или экранированный кабель.

Дополнительную шумовую устойчивость можно обеспечить, уменьшив чувствительность затвора с помощью включения резистора до 1Ком между затвором и T1. Если в качестве высокочастотного шунта используется конденсатор, желательно включить последовательно резистор между ним и затвором, чтобы уменьшить пик тока конденсатора через затвор и минимизировать возможность повреждения затвора от перегрузки.

В качестве решения этих проблем можно использовать триаки ряда «H» (например BT139-600H). Этот нечувствительный ряд (I_GT min =10mA) специально разработан для обеспечения высокой шумовой устойчивости.

Правило 4.

Для минимизации шумового срабатывания следует свести к минимуму длину проводников к затвору. Подключить общий провод непосредственно к T1 (или катоду). Желательно использовать витую пару или экранированный кабель. Можно поставить резистор до 1Ком между затвором и T1, или шунтировать затвор конденсатором и соединённым с ним последовательно резистором.

Один из вариантов - использование нечувствительных триаков ряда «H».

(b) Превышение максимального значения скорости нарастания напряжения коммутации dV_COM/dt.

Этот эффект может возникнуть при питании реактивных нагрузок, где есть существенный сдвиг фазы между напряжением и током нагрузки. При выключении триака в то время, когда фаза тока нагрузки проходит через ноль, напряжение не будет нулевым из-за сдвига по фазе (см. рис. 34).

Если при этом скорость изменения напряжения превысит допустимое значение dV_COM/dt, триак может остаться в состоянии проводимости. Это происходит из-за того, что носителям заряда не хватает времени, чтобы освободить переход.

На параметр dV_COM/dt влияют два условия:

.      Скорость спадания тока нагрузки при переключении, dI_COM/dt. Высокое значение dI_COM/dt снижает значение dV_COM/dt.

2.      Температура перехода T_j. Чем выше T_j, тем ниже значение dV_COM/dt.

Если возможно превышение значения dV_COM/dt триака, то ложного срабатывания можно избежать использованием RC демпфера между T1-T2. Это ограничит скорость изменения напряжения. Обычно выбирается углеродный резистор 100 Ом, и конденсатор 100nF.

Обратите внимание, что резистор не может быть удалён из демпфера, так как он используется в качестве ограничителя тока, во избежание возникновения высокого значения dI_T/dt в моменты коммутации.

(c) Превышение максимального значения скорости нарастания тока коммутации dI_COM/dt.

Высокое значение dI_COM/dt может быть вызвано повышенным током нагрузки, повышенной рабочей частотой (синусоидального тока) или несинусоидальным током нагрузки.

Известный пример такого - выпрямитель питания для индуктивных нагрузок, где применение стандартных триаков невозможно из-за того, что напряжение питания оказывается ниже напряжения обратной электромагнитной индукции нагрузки и ток триака резко стремиться к нулю. Этот эффект проиллюстрирован на (рис. 35).

При нулевом токе триака, ток нагрузки будет спадать через мостовой выпрямитель. При индуктивных нагрузках возможно такое высокое значение dI_COM/dt, при котором триак не может поддерживать даже небольшого значения dV/dt 50Hz синусоиды при прохождении нуля. В этом случае не будет эффекта от добавления демпфера. Решение проблемы в том, что значение dI_COM/dt может быть ограничено добавлением дросселя, последовательно с нагрузкой.

Альтернативное решение - использование Hi-Com триаков.

(d) Превышение максимального значения скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии dV_D/dt

Высокая скорость изменения напряжения на силовых электродах непроводящего триака (или тиристора с чувствительным затвором) без превышения его V_DRM (см. рис. 36), вызывает внутренние ёмкостные токи. При этом внутреннего тока затвора может быть достаточно, чтобы перевести триак (тиристор) в состояние проводимости. Чувствительность к этому параметру увеличивается с ростом температуры.

Там где возникает эта проблема, значение dV_D/dt должно быть ограничено RC демпфером между T₁ и T₂ для триака (или Анодом и Катодом для тиристора).

Использование Hi-Com триаков в таких случаях может снять эти проблемы.

Правило 5. Если есть вероятность превышения значения dV_D/dt или dV_COM/dt, необходимо включить RC демпфер между T₁ и T₂. Если есть вероятность превышения значения dI_COM/dt, необходимо включить последовательно с нагрузкой катушку индуктивности в несколько mH.

Альтернатива - использование HI-Com триаков

(e) Превышение повторяющегося пикового напряжения в закрытом состоянии V_DRM

Если напряжение на T₂ превышает V_DRM (это может происходить во время переходных процессов), то ток утечки T₂-T₁ достигнет значения, при котором триак может спонтанно перейти в состояние проводимости (см. рис. 37)

При нагрузке, допускающей выбросы тока, ток чрезвычайно высокой плотности может проходить через узкую открытую область перехода. Это может привести к выгоранию перехода и разрушению кристалла. Это может происходить в схемах управления лампами накаливания, емкостных нагрузках и схемах защиты мощных электронных ключей.

Превышение V_DRM или dV_D/dt не всегда приводит к потере работоспособности триака, а вот создаваемая dI_T/dt скорость нарастания тока It может привести к выходу из строя прибора. Из-за того, что требуется некоторое время для распространения проводимости по всему переходу, допустимое значение dI_T/dt ниже чем, если бы триак был включен сигналом затвора. Если значение dI_T/dt не будет превышать минимального значения, которое даётся в

его характеристиках, то, скорее всего, триак не выйдет из строя. Эта проблема может быть решена, подключением не насыщающейся индуктивности (без сердечника), последовательно с нагрузкой. Если это решение неприемлемо, то альтернативное решение может быть в том, чтобы обеспечить дополнительную фильтрацию и ограничение выбросов. Это повлечёт использование, параллельно питанию, Метал-Оксидного Варистора (МОВ) для ограничения напряжения и последовательное подключение LС цепочки перед варистором.

Некоторые изготовители выражают сомнения в надежности схем с использованием MOB, так как они при высоких температурах окружающей среды входят в тепловой пробой и выходят из строя. Это является следствием того, что рабочее напряжение МОВ обладает обратным температурным коэффициентом. Однако, при применении МОВ на 275В (среднеквадратичное значение) для 230В цепей, риск перегорания МОВ минимален. Такие проблемы вероятны, если варистор на 250В используется при высокой температуре окружающей среды в цепях со среднеквадратичным значением 230В.

Правило 6. Если есть вероятность превышения V_DRM триака во время переходных процессов, необходимо принять следующие меры:

Ограничить высокое значение dI_T/dt ненасыщаемой катушкой индуктивности на единицы mH последовательно с нагрузкой; Использовать MOB параллельно питанию в комбинации с фильтром к источнику питания.

Состояние проводимости, dI_T/dt

Когда триак(тиристор) находятся в состоянии проводимости под действием сигнала затвора, проводимость начинается в участке кристалла смежным к затвору, и затем быстро распространяясь на активную область. Эта задержка накладывает ограничение на значение допустимой скорости нарастания тока нагрузки. Высокое значение dI_T/dt может быть причиной выгорания прибора, в результате чего произойдёт короткое замыкание между T₁ и T₂.

При работе в 3+ квадранте, ещё больше снижается разрешенное значение dI_T/dt из-за структуры перехода. Это может привести к мгновенному лавинному процессу в затворе и перегоранию во время быстрого нарастания тока. Разрушение триака может произойти не сразу, а при постепенном выгорании перехода Затвор-T₁, что приведёт к короткому замыканию после нескольких включений. Чувствительные триаки наиболее подвержены этому. Эти проблемы не относятся к Hi-Com триакам, так как они не работают в 3+ квадранте.

Значение dI_T/dt связано со скоростью нарастания тока затвора(dI_G/dt) и максимальным значением I_G. Высокие значения dI_G/dt и пикового I_G (без превышения номинальные мощности затвора) дают более высокое значение dI_T/dt.

Правило 7. Продуманная схема управления затвором и отказ от работы в квадранте 3+ увеличивает значение dI_T/dt.

Самый простой пример нагрузки создающей высокий начальный бросок тока - лампа накаливания, которая имеет низкое сопротивление в холодном состоянии. Для резистивных нагрузок этого типа значение dI_T/dt достигнет максимального значение при начале перехода в состояние проводимости в пике напряжения сети. Если есть вероятность превышения номинального значение dI_T/dt триака, необходимо ограничить это включением катушки индуктивности mH или терморезистором с обратным температурным коэффициентом последовательно с нагрузкой.

Дроссель не должен насыщаться в течение максимума пика тока. Для ограничения значения dI_T/dt необходимо использовать катушку индуктивности без сердечника.

Есть более правильное решение, с помощью которого можно избежать необходимости включения последовательно с нагрузкой токоограничивающих приборов. Оно состоит в том, чтобы использовать режим включения при нулевой разности потенциалов. Это дало бы плавный рост тока с начала полуволны.

Примечание: Важно помнить, что режим включения при нулевой разности потенциалов применим только к резистивным нагрузкам. Использование того же метода для реактивных нагрузок, где есть сдвиг фазы между напряжением и током, может вызвать однополярную проводимость, ведущую к возможному режиму насыщения индуктивных нагрузок, разрушительно высокому току и перегреву. В этом случае требуется более совершенный способ переключения при нулевом токе и / или схема управления фазой включения.

Правило 8. Если есть вероятность превышения значения dI_T/dt необходимо установить последовательно с нагрузкой индуктивность в несколько mH или терморезистор с обратным температурным коэффициентом.

Для резистивных нагрузок можно использовать режим включения при нулевой разности потенциалов.

Отключение Триаки использующиеся в цепях переменного тока коммутируются в конце каждого полупериода тока нагрузки, если не приложен сигнал затвора, чтобы поддержать проводимость с начала следующего полупериода. Правила для I_H те же что для тиристора. См. Правило 2.

Некоторые особенности Hi-Com триаковCom триаки имеют отличную от обычных триаков внутреннюю. Одно из отличий состоит в том, что две половины тиристора лучше изолированы друг от друга, что уменьшает их взаимное влияние. Это дает следующие преимущества:

.      Увеличение допустимого значения dV_COM/dt. Это позволяет управлять реактивными нагрузками (в большинстве случаев) без необходимости в демпфирующем устройстве, без сбоев в коммутации. Это сокращает количество элементов, размер печатной платы, стоимость, и устраняет потери на рассеивание энергии демпфирующим устройством.

2.      Увеличение допустимого значения dI_COM/dt. Это значительно улучшает работу на более высоких частотах и для несинусоидальных напряжений без необходимости в ограничении dI_COM/dt при помощи индуктивности последовательно с нагрузкой.

.        Увеличение допустимого значения dV_D/dt. Триаки очень чувствительны при высоких рабочих температурах. Высокое значение dV_D/dt уменьшает тенденцию к самопроизвольному включению из состояния отсутствия проводимости за счёт dV/dt при высоких температурах. Это позволяет применять их при высоких температурах для управления резистивными нагрузками в кухонных или нагревательных приборах, где обычные триаки не могут использоваться.

Из-за различной внутренней структуры работа Hi-Com триаков в квадранте 3+ невозможна. В большинстве случаев это не является проблемой, так как это наименее желательный и наименее используемый квадрант. Поэтому замена обычного триака на Hi-Com почти всегда возможна.

Способы монтажа триаков. При малых нагрузках или коротких импульсных токах нагрузки (меньше чем 1 секунда), можно использовать триак без теплоотводящего радиатора. Во всех остальных случаях его применение необходимо.

Существует три основных метода фиксации триака к теплоотводу - крепление зажимом, крепление винтом и клёпка. Наиболее распространены первые два способа. Клёпка - в большинстве случаев не рекомендуется, так как может вызвать повреждение или деформацию кристалла, что приведёт к выходу прибора из строя.

Фиксация к теплоотводу зажимом

Это - предпочтительный метод с минимальным тепловым сопротивлением, так как зажим достаточно плотно прижимает корпус прибора к радиатору. Это одинаково подходит как для неизолированных (SOT82 и SOT78), так и для изолированных корпусов (SOT186 F-корпус и более ранних SOT186A X-корпус).

Фиксация к теплоотводу при помощи винта

.      Набор для монтажа корпуса SOT78 включает прямоугольную шайбу, которая должна быть установлена между головкой винта и контактом, без усилий на пластиковый корпус прибора.

2.      Во время установки наконечник отвертки не должен воздействовать на пластиковый корпус триака (тиристора).

.        Поверхность теплоотвода в месте контакта с электродом должна быть обработана с чистотой до 0.02mm.

.        Крутящий момент (с установкой шайбы) должен быть между 0.55Nm - 0.8Nm.

.        По возможности следует избегать использования винтов-саморезов, так как это снижает термоконтакт между теплоотводом и прибором.

.        Прибор должен быть механически зафиксирован перед пайкой выводов. Это минимизирует чрезмерную нагрузку на выводы.

Правило 9. При монтаже триака (тиристора) необходимо избегать приложения чрезмерных механических усилий. Перед пайкой необходимо закрепить прибор одним из трёх выше перечисленных способов. Особое внимание необходимо уделить плотности прилегания корпуса прибора к радиатору.

Тепловое сопротивление

Тепловое сопротивление R_th - это сопротивление между корпусом прибора и радиатором. Этот параметр аналогичен электрическому сопротивлению R = V/I, поэтому тепловое сопротивление R_th = T(K)/P(W), где T - температура в Кельвинах, и P-рассеяние энергии в ваттах.

Для прибора, установленного вертикально без радиатора, тепловое сопротивление задаётся тепловым сопротивлением переход-окружающая среда R_th =R_{th j-a}.

Для корпуса SOT82 значение равно 100 K/W;

Для корпуса SOT78 значение равно 60K/W; - Для корпусов F и X значение равно 55K/W.

Для не изолированных приборов, установленных на теплоотвод, тепловое сопротивление является суммой сопротивлений переход-корпус, корпус-теплоотвод и теплоотвод-окружающая среда.

_{th j-a} = R_{th j-mb} + R_{th mb-h} + R_{th h-a} (не изолированный корпус). (70)

Для изолированных корпусов нет ссылки на термосопротивление R_{th j-mb}, так как R_{th mb-h} принят постоянным и дан с учётом использования термопасты. Поэтому, тепловое сопротивление для изолированного корпуса является суммой тепловых сопротивлений переход-теплоотвод и теплоотвод-окружающая среда.

_{th j-a} = R_{th j-h} + R_{th h-a} (изолированный корпус). (71)

_{th j-mb} или R_{th j-h} фиксированы и даны в документации к каждому прибору._{th mb-h} также даются в инструкциях по установке для некоторых вариантов изолированного и неизолированного монтажа, с использованием или без использования термопасты._{th h-a} регулируется размером теплоотвода и степенью воздушного потока через него.

Для улучшения теплоотдачи всегда рекомендуется использование термопасты.

Расчет теплового сопротивления

Для вычисления теплового сопротивления теплоотвода для данного триака (тиристора) и данного тока нагрузки, мы должны сначала вычислить рассеяние энергии в триаке (тиристоре), используя следующее уравнение:

P = V_o * I_{T (AV)} + R_s * I_T(RMS)² (72)

V_o и R_s получены из «on-state» характеристики триака (тиристора). Если значения не указанны, то они могут быть получены из графика путём вычерчивания касательной к V_T max. Точка на оси V_T, где её пересекает касательная, даёт V_o, в то время как тангенс угла наклона касательной дает Rs. Используя уравнение теплового сопротивления, данное выше, получаем:

_{th j-a} = T/P. (73)

Максимально допустимая температура перехода будет, когда T_j достигает T_j max при самой высокой температуре окружающей среды. Это дает нам T.

Полное тепловое сопротивление

Все расчёты по вычислению теплового сопротивления имеет смысл проводить для уже установившегося режима продолжительностью больше чем 1 секунда. Для импульсных токов или длительных переходных процессов меньше чем 1 секунда эффект отвода тепла уменьшается. Температура просто рассеивается в объеме прибора с очень небольшим достижением теплоотвода. В таких условиях, нагрев перехода зависит от полного теплового сопротивления переход-корпус прибора Z_{th j-mb}.

Поэтому Z_{th j-mb} уменьшается при уменьшении продолжительности импульса тока благодаря меньшему нагреву кристалла. При увеличении продолжительности до 1 секунды, Z_{th j-mb} увеличивается до значения соответствующего установившемуся режиму R_{th j-mb}.

Характеристика Z_{th j-mb} приводится в документации для двунаправленного и однонаправленного электрического тока импульсами продолжительностью до 10 секунд.

Правило 10. Для надёжной работы прибора, необходимое значение R_{th j-a} должно быть достаточно низко, чтобы держать температуру перехода в пределах T_j max при самой высокой ожидаемой температуре окружающей среды.

Номенклатура и корпуса

Промышленный ряд тиристоров Philips начинается с 0.8A в SOT54 (TO92) и заканчивается 25A в SOT78 (TO220AB).

Промышленный ряд триаков (симисторов) Philips начинается с 0.8A в SOT223 и заканчивается 25A в SOT78.

Самый маленький корпус триака (тиристора) для поверхностного монтажа SOT223 (рис. 38). Мощность рассеивания зависит от степени рассеивания тепла печатной платой, на которую устанавливается прибор.

На (рис. 39) показан наименьший корпус для обычного монтажа SOT54. В этот корпус ставиться кристалл, которым оснащаются SOT223.

Тот же кристалл устанавливается в неизолированный корпус SOT82 (рис. 40). Улучшенная теплоотдача этого корпуса, позволяет использовать его при более высоких номинальных токах и большей мощности.

SOT78 самый широко распространенный неизолированный корпус, большинство устройств для бытовой техники производится с использованием этого корпуса (рис. 41).

На (рис. 42) показан SOT186 (F-корпус). Этот корпус допускает в обычных условиях разность потенциалов 1,500V между прибором и теплоотводом.

Один из последних - корпус SOT186A (X-корпус), показанный на рис. 43. Он обладает несколькими преимуществами перед предыдущими типам:

1. Корпус имеет те же размеры, как корпус SOT78 в зазорах выводов и монтажной поверхности, поэтому он может непосредственно заменять SOT78, без изменений в монтаже.

. Корпус допускает в обычных условиях разность потенциалов 2,500V между прибором и теплоотводом.

10 ПРАВИЛ

Правило 1. Для того чтобы тиристор (триак) перевести в открытое состояние: ток затвора Е I_GT необходимо подавать до достижения тока нагрузки Е I_L. Эти условия должны выполняться при минимальной ожидаемой рабочей температуре перехода.

Правило 2. Для переключения тиристора (или триака), ток нагрузки должен быть < I_H в течение достаточного времени позволяющего вернуться к состоянию отсутствия проводимости. Это условие должно быть выполнено при самой высокой ожидаемой рабочей температуре перехода.

Правило 3. При проектировании необходимо избегать включения триака в 3+ квадранте (MT2-, G +).

Правило 4. Для минимизации шумового срабатывания следует свести к минимуму длину проводников к затвору. Подключить общий провод непосредственно к T1 (или катоду). Желательно использовать витую пару или экранированный кабель. Можно поставить резистор до 1Ком между затвором и T1, или шунтировать затвор конденсатором и соединённым с ним последовательно резистором. Один из вариантов - использование нечувствительных триаков ряда «H».

Правило 5. Если есть вероятность превышения значения dV_D/dt или dV_COM/dt, необходимо включить RC демпфер между T1 и T2. Если есть вероятность превышения значения dI_COM/dt, необходимо включить последовательно с нагрузкой катушку индуктивности в несколько mH. Альтернатива - использование HI-Com триаков.

Правило 6. Если есть вероятность превышения V_DRM триака во время переходных процессов, необходимо принять следующие меры: Ограничить высокий dI_T/dt не насыщаемой катушкой индуктивности на несколько mH последовательно с нагрузкой; Использовать MOB параллельно питанию в комбинации с фильтром к источнику питания.

Правило 7. Продуманная схема управления затвором и отказ от работы в квадранте 3+ увеличивает значение dI_T/dt.

Правило 8. Если есть вероятность превышения значения dI_T/dt необходимо установить последовательно с нагрузкой индуктивность в несколько mH или терморезистор с обратным температурным коэффициентом. Для резистивных нагрузок можно использовать режим включения при нулевой разности потенциалов.

Правило 9. При монтаже триака (тиристора) необходимо избегать приложения чрезмерных механических усилий. Перед пайкой необходимо закрепить прибор одним из трёх выше перечисленных способов. Особое внимание необходимо уделить плотности прилегания корпуса прибора к радиатору.

Правило 10. Для надёжной работы прибора, необходимое значение R_{th j-a} должно быть достаточно низко, чтобы держать температуру перехода в пределах T_j max при самой высокой ожидаемой температуре окружающей среды.

Заключение

Полупроводники - это сравнительно новые материалы, с помощью которых на протяжении последних десятилетий удаётся разрешать ряд чрезвычайно важных электротехнических задач.

Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной атомной батарее и в микропроцессорах.

Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность.

В настоящее время насчитывается свыше двадцати различных областей, в которых с помощью полупроводников разрешаются важнейшие вопросы эксплуатации машин и механизмов, контроля производственных процессов, получения электрической энергии, усиления высокочастотных колебаний и генерирования радиоволн, создания с помощью электрического тока тепла или холода, и для осуществления многих других процессов.

В ходе работы над темой исследования было выполнено следующее:

       подобрана, изучена и проанализирована научная, научно-популярная, учебная, методическая, нормативная литература по теме дипломной работы и смежным областям науки и техники;

-        сформулирована гипотеза исследования, поставлены задачи;

         изучены основные теоретические сведения о физических процессах в полупроводниках;

         в ходе проведения лабораторных экспериментов, подтверждены основные теоретические сведения о физических процессах, протекающих в полупроводниках;

         разработаны лабораторные работы по изучению полупроводниковых приборов;

         разработано методическое обеспечение лабораторных работ;

         разработаны лабораторные комплексы и установки по изучению физики полупроводниковых приборов и электроники;

         созданы лабораторные комплексы и установки по изучению физики полупроводниковых приборов и электроники;

         сделаны выводы.

Итогом проделанной в ходе исследования работы явилась разработка и методическое описание ряда лабораторных работ, способствующих практическому закреплению знаний студентов в области физики полупроводниковых приборов и электроники.

Основной вывод - несмотря на острую нехватку времени, отведенного на изучение дисциплин, связанных с электроникой и физикой полупроводниковых приборов, в частности, организовать учебную работу по их изучению в высшем учебном заведении возможно. Причем сделать это можно силами самого вуза, без значительного привлечения денежных средств.

Обзор разработок приводится в приложениях.

Список использованных источников

1.    Д.А. Браун. Новые материалы в технике.-Издательство ˝Высшая школа˝, М. - 1965,194 с.

.      А.с. 281651 СССР МПК Н 01 5/00. Полупроводниковый генератор/ Б.С. Муравский. В.И. Кузнецов. Заявл. 03.12.68., Опублик. 21.03.73. Бюл.N7.

3.      Кнаб О.Д. БИСПИН - новый тип полупроводниковых приборов // Электронная промышленность. 1989. N8

.        Шалимова К.В. «Физика полупроводников» Изд. «Энергия» 1976

.        Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. / Москва, Энергия, 1973.

.        Муравский Б.С. Черный В.Н. Яманов И.Л. Потапов А.Н. Жужа М.А. Неравновесные электронные процессы в транзисторных структурах с туннельно-прозрачным окислом // Микроэлектроника. 1989. т. 1

.        Стриха В.И. Теоретические основы контакта металл-полупроводник. // Киев. «Наукова думка», 1974.