Навигация

 

 Меню раздела

Электрооборудование земснарядов
Условия эксплуатации судового электрооборудования
Конструктивное исполнение электрооборудования
Основные параметры судовых электроэнергетических систем
Общая характеристика земснарядов
Классификация судовых электростанций и источники электроэнергии
Выбор числа и мощности генераторов электростанции
Параллельная работа генераторов
Автоматическое регулирование напряжения генераторов
Структурные схемы электростанций
Распределительные устройства
Распределение электрической энергии
Расчет электрических сетей
Монтаж электрических сетей
Сопротивление изоляции электрооборудования
Электрические источники света
Судовые светильники и прожекторы
Виды судового электрического освещения и расчет освещенности
Сигнально-отличительные огни
Электронагревательные приборы
Классификация и основные характеристики судовых электрических аппаратов
Аппараты ручного управления
Командные аппараты
Контакторы
Реле управления и защиты
Реле и датчики контроля неэлектрических параметров
Плавкие предохранители
Автоматические выключатели
Электромагнитные тормоза и муфты
Магнитные усилители
Полупроводниковые приборы
Классификация электроприводов
Характеристики электродвигателей
Схемы управления двигателями постоянного и переменного тока
Электропривод системы генератор—двигатель
Электропривод системы магнитный усилитель—двигатель
Вентильный электропривод
Электропривод с электромагнитной муфтой
Классификация, условия работы электроприводов механизмов земснарядов
Системы электроприводов механизмов земснарядов
Электроприводы механизмов дноуглубления
Электроприводы механизмов рабочих перемещений
Электроприводы механизмов, обслуживающих устройства отвода грунта
Электроприводы общесудовых механизмов
Приборы технологического контроля и системы ориентации
Автоматизация технологического процесса земснарядов
Системы и аппаратура судовой телефонной связи
Судовая сигнализация
Организация технической эксплуатации и ремонта электрооборудования
Использование и техническое обслуживание электрооборудования
Консервация, хранение и расконсервация электрооборудования
Неисправности электрооборудования
Электро-травматизм
Технические мероприятия по обеспечению электробезопасности
Организационные мероприятия по обеспечению электробезопасности


Полупроводниковые приборы

В последние годы широкое применение на судах и, в частности, на земснарядах получили полупроводниковые приборы и устройства, созданные на их основе, которые относятся, как и магнитные усилители, к. бесконтактным аппаратам, но имеют лучшие динамические характеристики и меньшие габаритные размеры и массу по сравнению с магнитными» усилителями.
Понятие о полупроводниках. Электротехнические материалы подразделяют на металлы (проводники) с наибольшей электронной проводимостью, диэлектрики (изоляторы), у которых проводимость практически отсутствует, и полупроводники, обладающие двумя видами проводимости: электронной и дырочной.
При воздействии электрического поля на химически чистый полупроводниковый материал разрушаются его межатомные связи, в результате чего образуются разнородные по знаку, но равные по заряду носители тока: отрицательно заряженные электроны и дырки, имеющие положительный заряд (на месте освободившихся электронов). Электроны и дырки под действием поля смещаются в противоположных направлениях, образуя электронный и дырочный токи. Часть электронов и дырок рекомбинируют (соединяются) при встрече и не участвуют в создании тока. Добавлением в полупроводниковый материал специальных примесей (этот процесс называется легированием) можно получить преобладающее число носителей определенного типа, создающих ток «основных» носителей. Ток, образованный «неосновными» носителями, будет незначительным по сравнению с основным током.
Если полупроводники с разными типами проводимости соединить, то в области их контакта или, как принято называть, «перехода» возникает ряд электрических явлений, на использовании которых основана работа полупроводниковых приборов.
Полупроводниковые приборы реагируют на воздействие электрического поля. Кроме того, некоторые из них реагируют на тепловое, световое или магнитное поле, а также на поле механических напряжений.
К этой группе относятся, в частности, бес-переходные приборы, изготовленные из однородных полупроводников и не имеющие п—р-переходов. Рассмотрим некоторые из них.
Терморезисторы. Эта группа приборов представляет собой резисторы, у которых при возрастании температуры резко уменьшается сопротивление по закону: й=Лев{т, где А — постоянная, зависящая от размера и, формы полупроводника; е — основание натуральных логарифмов, равное 2,718...; В — постоянная, характеризующая физико-химические свойства материала; Т — температура, К.
Терморезисторы, у которых с повышением температуры сопротивление возрастает, называют позисторами.
Фоторезисторы. Приборы, изменяющие электрическое сопротивление при действии света, относятся к группе фоторезнсторов. Конструктивно они выполняются в виде тонкой пластины из полупроводникового материала с двумя электродами, помещенной в изоляционном корпусе.
Магниторезисторы. В эту группу входят приборы, чувствительные к магнитному полю, при действии которого искривляется и, следовательно, увеличивается длина пути носителей тока, что приводит к повышению сопротивления.
Тензорезисторы. Приборы этой группы характеризуются тем, что их электрическое сопротивление под действием механических напряжений изменяется. Тензорезисторы представляют собой тонкую пластину с двумя выводами с противоположных сторон, которая приклеивается с помощью электроизолирующего клея к детали, подвергающейся нагрузке.
Однопереходные полупроводниковые приборы. Основным видом этих приборов являются диоды. Они образуются соединением двух слоев полупроводниковых материалов, обладающих различными типами проводимости (рис. 58). Они имеют один п—р-переход н два вывода. Катод К и анод А присоединены соответственно к л- и р-областям (рис. 58, а). При ионизации атомов примесного вещества обоих слоев в результате теплового воздействия часть приграничных электронов в соответствии с законом диффузии перейдет в р-область, а часть дырок — в « область. В областях, прилегающих к контактной поверхности, произойдет рекомбинация поступивших носителей тока с оставшимися основными, что приведет к резкому уменьшению проводимости этих областей. Кроме того, между л- и рслоями образуется контактная разность потенциалов ею препятствующая дальнейшему перемещению носителей тока из одного слоя в другой.
При подаче к выводам диода напряжения V плюсом на катод оно складывается с разностью потенциалов и увеличивает противодействие движению основных носителей тока. Данное состояние перехода характеризуется обратной ветвью II вольт-амперной характеристики, а диод считается закрытым. Когда напряжение достигнет значения пробивного Цпр, произойдет электрический пробой п—р-перехода.
Если изменить полярность напряжения на выводах диода, оно будет противодействовать контактной разности потенциалов, и после его повышения до значения произойдет компенсация электрического поля в области контакта. При дальнейшем повышении напряжения V поле будет способствовать обмену носителями тока между л- и р-областями, и сила тока через переход увеличится. Такому состоянию перехода соответствует прямая ветвь / вольт-амперной характеристики, а диод считается открытым.
Свойство диодов проводить ток в одном направлении позволяет использовать их для преобразования переменного тока в постоянный (в выпрямителях), а также для развязки цепей постоянного тока. Для уменьшения нагрев, силовых диодов применяют индивидуальные радиаторы или принудительное воздушное охлаждение преобразовательного устройства.
Одной из разновидностей диодов являются стабилитроны. Их особенность заключается в возникновении неразрушающего пробоя при подаче на электроды сравнительно малых обратных напряжений С/г. При этом напряжение 11г почти не зависит от силы тока, проходящего через диод, что позволяет применять стабилитроны в схемах стабилизации напряжения.
Диоды с малыми токами утечки — варикапы — используют в качестве конденсаторов, управляемых напряжением. Принцип действия варикапа основан на зависимости емкости С п—р-перехода от обратного (запирающего) напряжения. Увеличение запирающего напряжения приводит к уменьшению емкости.
При использовании сильно легированного полупроводникового материала пробой диода может произойти под действием контактной разности потенциалов без приложения внешнего напряжения. В этом случае носители тока с энергией, меньшей уровня потенциального барьера,' проникают через переход благодаря его малой толщине. Это явление называют квантомеханическим туннельным эффектом, а диоды — туннельными. Как видно из рис. 58, г, характеристика диода имеет участок с отрицательным динамическим сопротивлением Ка, что позволяет с помощью туннельных диодов просто и экономично осуществлять операции в схемах импульсной техники.
Диоды, у которых при воздействии светового потока Ф в п—р-переходе образуются носители тока, называют фотодиодами. Фототоки являются токами утечки при запирающем напряжении на фотодиоде. Темновой ток у фотодиодов настолько мал, что им пренебрегают в практических расчетах. Фотодиоды позволяют осуществлять управление в схемах автоматики без гальванической связи между цепями.
Светодиодами называют полупроводниковые приборы, у которых при протекании прямого тока /р определенной силы в п-р-переходе происходит излучение света. Светодиоды выпускают различных цветов и применяют в качестве световых индикаторов, в опункоэлектронных приборах (оптронах), в качестве излучателей в устройствах оптико-волоконной связи и др.
Однопереходные и полевые транзисторы. (ОПТ и ПТ) относятся к приборам с одним п—р-переходом, которые имеют в отличие от рассмотренных выше три (Э— эмиттерный, Б1, Б2 — базовые), а не два вывода.
Вольт-амперная характеристика ОПТ содержит участок отрицательного сопротивления а—б, соответствующий процессу скачкообразного отпирания п—р-перехода при изменении межбазового напряжения 1!6б. Наличие у. ОПТ релейного процесса (скачкообразного отпирания) позволяет использовать их в схемах управления тиристорами, а высокое входное сопротивление со стороны эмиттера, характерное для этих приборов, делает их особенно эффективными для получения выдержки времени в цепях с конденсаторами. При V66=0 характеристика ОПТ принимает вид характеристики обычного диода.
Полевые транзисторы имеют один запертый п—р-переход и три вывода: сток и исток — от концов одной л-области (канала) и затвор — от р-области, которая находится внутри л-области, причем сечение канала очень мало. Таким образом, между каналом и затвором существует п—р-переход, у которого при возрастании запирающего напряжения увеличивается толщина обедненного (основными носителями тока) слоя. Это приводит к уменьшению сечения канала, что позволяет управлять электропроводностью п—р-перехода. Напряжение 113», при котором происходит полное перекрытие канала, называется напряжением отсечки 6/0тс-У выходной характеристики полевого транзистора (рис. 60, б) можно различить три области: область А. в которой канал похож на регулируемый с помощью напряжения затвора резистор; область Б, где сила тока /с почти не зависит от напряжения 1!сн и изменяется только под действием напряжения затвора (режим усиления); область пробоя В.
Двух-переходные полупроводниковые приборы. К ним относятся транзисторы, или полупроводниковые триоды. Транзистор имеет трехслойную п—р—«-структуру с двумя переходами и три вывода: эмиттер (3), база (5) и коллектор {К). Принцип действия транзисторов с различным чередованием проводимости одинаков, а полярность напряжения, прикладываемого к их выводам, противоположна по знаку.
Рассмотрим работу транзистора типа п—р—п, включенного по схеме с общим эмиттером (рис. 61, а), которая чаще применяется на судах, чем другие схемы (с общим коллектором и с общей базой).
При подаче питания в схему переход база—эмиттер открывается при малом напряжении С/бэ и в область базы из области эмиттера инжектируются (вводятся) электроны, которые создают ток /э. Переход база — коллектор закрыт более высоким запирающим напряжением Овк. В области базы электроны дрейфуют в направлении к переходу база — коллектор, закрытого для основных носителей тока базы (дырок) и открытого для электронов. В результате основная часть электронов оказывается в области коллектора и образует ток /к, почти равный току /э. Лишь незначительная часть электронов пройдет через базовый электрод, образуя ток базы *б-
При возрастании напряжения в область базы, а затем и в область коллектора поступит еще большее число носителей тока, в связи с чем сила тока возрастает. Причем малое приращение приводит к большому увеличению напряжения на нагрузке
Таким образом, в транзисторе происходит усиление входного сигнала, что является основным его достоинством.
Отношение приращения тока коллектора Л^к к приращению тока базы Д/б называют коэффициентом усиления транзистора р, или коэффициентом передачи по току:
р — н21 шш ык/и6 при их = соп51.
Транзистор может находиться в одном из трех состояний (рис. 61, б): закрытом (режим отсечки) при запирающем (/бэ>0 для         р—п-р-структуры и 0в»-<0 для п—р—п-структуры; активном (режим усиления), когда действует зависимость — рд/б и любое приращение 1*б вызывает приращение /к, и открытом (режим насыщения), характеризующимся соотношениями.
Много-переходные приборы. Тиристоры (управляемые диоды или вентили) имеют четырехслойную структуру с тремя электронно-дырочными переходами и тремя выводами: анодом А, катодом К и управляющим электродом УЭ. Эквивалентная схема тиристора  состоит нз двух /I—р—п и р—п—р транзисторов с внутренней обратной связью, которая позволяет тиристору находиться во включенном состоянии (состоянии проводимости) после снятия управляющего сигнала, .т.е. обладать памятью. При отсутствии сигнала /у на управляющем электроде и отрицательном анодном напряжении тиристор закрыт, так как его крайние переходы П1 и ПЗ закрыты. Если к аноду приложено напряжение положительного знака, закрытым является только средний переход П2. При повышении напряжения до определенного значения переход П2 пробивается без разрушения, сохраняя проводимость при значительном снижении анодного напряжения и силы тока, протекающего через тиристор. Если же сила тока снизится ниже силы тока удержания /уд, то тиристор закроется. Напряжение пробоя Гр тиристора уменьшается с увеличением силы тока управления. При определенном значении, равном силе тока спрямления, вольт-амперная характеристика тиристора соответствует характеристике неуправляемого диода.
Выключается тиристор в цепях переменного тока автоматически при переходе синусоиды тока через ноль (естественная коммутация). В схемах постоянного тока для отключения тиристора необходимо или прервать анодный ток другим аппаратом или приложить к аноду обратное напряжение в течение определенного времени для восстановления запирающих свойств тиристора. Это обычно достигается подачей на анод короткого импульса напряжения в результате разряда предварительно заряженного конденсатора (искусственная коммутация). Для восстановления открытого состояния прибора требуется в течение положительного полупериода переменного тока или в любой момент при постоянном токе подавать на управляющий электрод сигнал управления /у определенной силы и длительности. Неполная управляемость тиристоров является их недостатком, так как приводит к усложнению схем.
В последнее время появились полностью управляемые тиристоры, отключаемые при подаче отрицательного сигнала малой мощности на управляющий электрод. Однако эти тиристоры пока не используются на судах, так как их характеристики хуже, чем у обычных.
Триодные пятислойные тиристоры, предназначенные для работы в цепях переменного тока в течение обоих полупериодов, называют симисторами (симметричные тиристоры). Тиристоры, не имеющие управляющего электрода, называются диодными тиристорами — динисторами. Существуют также фототиристоры, используемые в комбинации со светодиодами в оптронах, передающих сигналы с гальваническим разделением цепей.
Цифровые микросхемы выполняют логические операции НЕ (инверсия), ИЛИ (логическое сложение), И (логическое умножение), а также более сложные, присущие дискретным устройствам (импульсным генераторам, счетчикам, триггерам и др.).
Выполнение операции рассмотрим на примере диодной схемы (рис. 66), где Е\ и Ег — источники входных сигналов, имеющих по два уровня («О» и «1»); /?/, Н2 — резисторы с одинаковыми сопротивлениями; У01, У02 — диоды; Е3 — напряжение питания и (У — выходной сигнал. Предположим, что уровень входного сигнала «О» равен нулю, уровень входного сигнала «1>— чуть более 3 В, а выходной сигнал V—3 В. При =Е2=0 оба диода открыты и шунтируют резистор Н2 (нагрузку). Поскольку падение напряжения на резисторе близко к нулю, на выходе будет сигнал «О». Если на один из входов подать сигнал «/», запирающий диод, то значение выходного сигнала не изменится, так как второй диод будет по-прежнему шунтировать резистор Н2. Только при подаче на оба входа Е\ и Е2 сигналов «/» выходной сигнал составит 3 В, что соответствует (выполнению операции И).
Развитие интегральной технологии привело к созданию больших интегральных схем (БИС), содержащих до десятков тысяч элементов. Большие интегральные схемы можно условно представить как большое число микросхем, связанных между собой. Главным достоинством БИС является высокая надежность, малые габаритные размеры и масса. Они способны решать отдельные задачи в области вычислительной техники и автоматики.
Важным этапом развития электронной техники явилось создание на основе БИС систем с программируемой (настраиваемой) функцией или логикой — микропроцессоров. Кроме вычислительной техники, микропроцессоры могут применяться в системах автоматического управления работой земснарядов, энергетическими установками, движением судна и т.д., осуществлять функции диагностирования технического состояния судовых установок.

1. По каким признакам классифицируется электрическая аппаратура?
2. Назовите основные аппараты ручного управления н их отличительные особенности.
3. Что такое электромагнитная система аппарата?
4. Расскажите принцип действия датчиков температуры.
5. Из каких основных функциональных узлов состоят автоматические выключатели?
6. Объясните работу индукционной муфты.
7. Что дает разделение рабочих обмоток магнитного усилителя?
8. Какие типы проводимостей применяются в полупроводниковых приборах?
9. Что такое коэффициент усиления транзистора?
10. Чем отличаются цифровые микросхемы от аналоговых?

Похожие статьи