Для з'ясування принципу дії синхронного двигуна звернемося до моделі, зображеної на мал. Магнітне поле, створене трифазним струмом, що протікає по обмотках статора, представлене у вигляді двох полюсів N' і S' постійного магніту, що обертається з незмінною швидкістю n0. Ротор також зображений у вигляді постійного магніту з полюсами N і S. Обидві магнітні системи зовнішня і внутрішня, розділені повітряним зазором, можуть обертатися навколо осі.

Якщо обмотку збудження двигуна приєднати до джерела постійного струму, а обмотку статора підключити до трифазної мережі, то магнітне поле статора почне обертатися з постійною швидкістю навколо нерухомого ротора, причому ця швидкість практично встановлюється миттєво. Припустимо, що n0 = 3000 об./хв.; це означає, що протягом секунди мимо кожного полюса ротора буде проходити по 50 раз полюс N' і полюс S' обертового поля статора. Отже, на ротор будуть діяти сили, направлені то в одну, то в іншу сторону; середнє значення моменту сил дорівнює нулю. У результаті ротор, що має певний моментом інерції, не зрушиться з місця.

Якщо будь-яким способом заздалегідь розігнати ротор до синхронної швидкості, то сили взаємодії полюсів ротора N - S з полюсами N' - S' поля статора, що обертається, забезпечать обертання ротора з швидкістю поля n0.

У режимі ідеального холостого ходу (момент опору Моп = 0) осі обох магнітних систем співпадають (рис. а). На полюси ротора діють радіальні сили F1 і F2, які не створюють ні обертаючого моменту, ні моменту опору.

Якщо до вала двигуна прикласти механічне навантаження, що створює момент опору Моп, то вісь ротора зміститься назад (відносно осі полюсів поля, що обертається ) на кут , який залежить від величини моменту Моп. На полюси ротора тепер діятимуть сили тяжіння F1 і F2, тангенціальні складові яких F1 і F2 створюють обертаючий момент М = Моп, який долає момент опору механічного навантаження (мал. б)

Залежність M() при Е0 = const (тобто при незмінному струмі збудження) називається кутовою характеристикою синхронного двигуна.

Стійка робота синхронного двигуна можлива, коли при збільшенні моменту опору Моп і відповідному зростанні кута електромагнітний обертаючий момент також збільшується, тобто коли . Отже, при зміні від 0 до 90 робота двигуна буде стійкою. При 90 робота двигуна неможлива, оскільки при цьому збільшення механічного навантаження на валу двигуна супроводжується зменшенням обертаючого моменту.

При роботі двигуна з номінальним навантаженням і номінальним струмом збудження кут звичайно не перевищує 25 - З0. При цих значеннях кута відношення максимальною моменту до номінального, що визначає короткочасну перевантажувальну здатність синхронною двигуна, дорівнює

Лекція 13. Машини постійного струму

Машини постійного струму.

Одна й та сама машина постійного струму в принципі може працювати і як генератор, і як двигун. (Ця властивість машини постійного струму, що називається оборотністю, дає змогу не розглядати окремо будову генератора чи двигуна.) Проте кожну електричну машину виробник випускає з певним призначенням - працювати тільки як генератор або тільки як двигун. Дуже рідко використовують машини постійного струму, призначені для роботи як генератором, так і двигуном.

Генератори постійного струму застосовують тоді, коли потрібно мати самостійне джерело струму, наприклад для живлення деяких видів електромагнітів, електромагнітних муфт, електродвигунів, зварювальних установок, знаходять застосування в установках для зарядки акумуляторних батарей і агрегатах, що перетворюють змінний струм в постійний, необхідний для живлення електролізних установок і інших споживачів постійного струму; в синхронних машинах змінного струму для живлення обмотки живлення ротора; в електромашинних агрегатах, які використовуються в промисловості для широкого і плавного регулювання швидкості робочих машин, наприклад у тролейбусах, електровозах, деяких типах підйомних кранів, у пристроях автоматики.

Устрій та принцип дії генератора постійного струму

Являє собою електричну машину, що перетворює механічну енергію первинного двигуна в електричну енергію постійного струму.

Основними частинами генератора постійного струму є: нерухома магнітна система, що створює основне магнітне поле машини; якір, що приводиться до обертання, і в обмотці якого індукується електрорушійна сила; колектор, за допомогою якого отримують постійну напругу на клемах генератора. Конструктивні елементи показані на наведеному рисунку.

Статор машини постійного струму складається зі станини і осердя. Станину виготовляють з маловуглецевої литої сталі, яка має значну магнітну проникність. Тому станина є також і магнітопроводом. Одночасно це основна деталь, що об'єднує інші деталі й складальні одиниці машини в єдине ціле. Так, до станини із середини прикріплюють болтами полюси, котрі складаються з осердя, полюсного наконечника і котушки.

Розрізняють основні й додаткові полюси. Основні полюси збуджують магнітне поле; тому обмотки їх котушок називають обмотками збудження. Додаткові полюси встановлюють у машинах підвищеної потужності (понад 1 кВт) для поліпшення роботи машини; обмотку додаткових полюсів з'єднують послідовно з обмоткою ротора (якоря).

Ротор (якір) (див. рисунок) машини постійного струму складається з осердя й обмотки. Осердя якоря набирають з тонких листів електротехнічної сталі (0,35 - 0,5 мм), ізольованих один від одного лаковим покриттям або тонким папером, що зменшує втрати на вихрові струми. У пази осердя укладаються ізольовані провідники (стержні). Стержні з'єднуються між собою по торцях і утворюють замкнену обмотку якоря. В осерді якоря роблять вентиляційні канали. Щоб струм від обмотки якоря в зовнішнє коло (у генераторі) або із зовнішнього кола до обмотки якоря (у двигуні) проходив в одному й тому самому напрямі, у машині постійного струму встановлюють колектор. Набирають його з мідних пластин, ізольованих одна від одної і від вала машини міканітовими прокладками. Кожна з пластин колектора приєднується до певної точки обмотки якоря (про принцип з'єднання буде далі). Осердя якоря і колектор закріплюють на одному валу. Отже, колектор - це пристрій, який конструктивно об'єднаний з якорем (ротором) електричної машини і є механічним перетворювачем частоти. По ізольованих один від одного і приєднаних до витків обмотки якоря пластинах, що становлять колектор, ковзають струмоз'ємні щітки. Через ці щітки й колектор обмотка якоря приєднується до зовнішнього електричного кола. Щітки вставляють в обойми щіткотримача і притискують до колектора пружинами.

Магнітна система.

На рисунку схематично показана магнітна система двополюсної машини постійного струму. Як зазначалось, нерухома станина (1) виготовляється з литої сталі. До внутрішньої поверхні станини прикріплені осердя (2) електромагнітів. На осердя надіті котушки (3) з мідного ізольованого проводу. Для утримання котушок осердя забезпечуються полюсними наконечниками (4). Форма полюсних наконечників забезпечує більш сприятливий розподіл магнітних лінії в повітряному зазорі .

Котушки електромагнітів, що утворюють обмотку збудження, живляться постійним струмом і створюють незмінний у часі і в просторі магнітний поток Ф. Магнітні лінії цього потоку вийдуть з північного полюса, проходять через циліндричний якір (5), потім входять в південний полюс і замикаються через станину по двох паралельних гілках.

Принцип з'єднання стержнів між собою, а також роль колектора пояснимо на прикладі найпростішого якоря з вісьма стержнями (див. рисунок). При обертанні якоря в магнітному полі стержні перетинають магнітні лінії і в них індукуються ЕРС. Напрями цих ЕРС, знайдені за правилом правої руки, вказані на рисунку (точка - напрям ЕРС із площини малюнка; хрестик - в площину малюнка). ЕРС, індукована в кожному стержні якоря, при переході від полюса N до полюса S змінює свій напрям на протилежне.

Для отримання на клемах генератора досить великої напруги стержні обмотки повинні бути сполучені між собою так, щоб індуковані в них ЕРС сумувались. У зразку, що розглядається стержні сполучені через два з третім: стержень 1 з'єднаний зі стержнем 4, стержень 4 - зі стержнем 7, стержень 7 - зі стержнем 2, стержень 2 - зі стержнем 5, стержень 5 - зі стержнем 8, стержень 8 - зі стержнем 3, стержень 3 - зі стержнем 6 і стержень 6 - зі стержнем 1. Відстань між кожними двома стержнями, що з'єднуються, один з одним, потрібно вибирати так, щоб в обмотку увійшли всі стержні, розташовані на якорі, і щоб утворилось замкнене коло (на рисунку останній стержень 6 замикається зі стержнем 1, з якого був початий обхід обмотки).

Перемички між стержнями 1 - 4, 7 - 2, 5 - 8 і 3 - 6, що розташовані на передньому торці якоря, з'єднані відповідно з колекторними пластинами А, В, С, D.

Розглядаючи наступний рисунок (а), (тут обмотка якоря представлена в розгорненому на площині вигляді), можна встановити, що в обмотці якоря утворилися дві паралельні вітки I і II. У вітці I послідовно включені стержні 1, 6, 3 і 8 з сумарною ЕРС

еI = e1 + e6 + e3 + e8,

а у вітці II послідовно включені стержні 4, 7, 2 і 5 з сумарною ЕРС

еII = e4 + e7 + e2 + e5. ЕРС еI і еII

однакові за величиною

еI = еII = Е

(оскільки вони утворюються у симетрично розташованих відносно магнітного поля провідниках 1 і 4, 6 і 7, 3 і 2, 8 і 5) і направлені назустріч одна одній, тому струм в колі обмотки якоря не виникає.

Напруга між пластинами колектора А і С (рис. а) утворює ЕРС віток Е.

При повороті якоря, наприклад на 90°, обмотка якоря знову утворить дві вітки I і II (рисунок б); в кожну з них будуть входити вже інші стержні, але індукована в кожній вітці сумарна ЕРС збереже своє колишнє значення Е. Напруга між колекторними пластинами В і D залишиться незмінною.

Приєднання споживачів до генератора здійснюється через нерухомі щітки М1 і М2, прилеглі до колектора.

Розташування щіток вибирають так, щоб напруга між ними мала найбільшу можливу величину, рівну сумарній ЕРС Е кожної з паралельних віток якірної обмотки. Щітки утримуються за допомогою спеціальних утримувачів.

Якщо клеми ( + ) і ( - ) працюючого генератора замкнути на зовнішній опір Rн, то у зовнішньому колі і вітках якірної обмотки почне протікати постійний струм І.

ЕРС генератора.

У машинах постійного струму відносно великих розмірів магнітна система має не одну, а кілька пар полюсів, розташованих рівномірно навколо якоря. Полярність полюсів чергується. Для прикладу на рисунку показана магнітна система чотирьохполюсної машини.

Якірна обмотка також може, мати не одну, а кілька пар паралельних гілок. Число пар полюсів і число пар паралельних гілок визначаються в процесі проектування електричної машини.

Якщо позначити магнітний потік одного полюса Ф, число пар полюсів (яке завжди є парним) 2p, діаметр якоря d і довжину його l, то середнє значення. магнітної індукції на поверхні якоря:

Середнє значення ЕРС, що індукується в кожному з стержнів обмотки якоря при швидкості обертання якоря n (об./хвилину),

Оскільки ЕРС генератора дорівнює результуючій ЕРС одній паралельній гілці обмотки якоря, то, позначивши через N загальне число стержнів обмотки якоря, а через 2а - число паралельних віток отримаємо

Для кожної машини величини р, N і а є постійними і в умовах експлуатації не змінюються. Тому надалі будемо користуватися формулою

де постійний коефіцієнт

Збудження генератора.

У залежності від способу живлення обмотки збудження розрізнюють:

генератори з незалежним збудженням;

генератори з самозбудженням.

На рисунку представлена електрична схема генератора постійною струму з незалежним збудженням. Обмотка збудження живиться струмом, що отримується від стороннього джерела, наприклад від акумуляторної батареї. Струм збудження Iзб в цій схемі не залежить від умов роботи генератора.

При розімкненому зовнішньому колі струм генератора дорівнює нулю (Iя = 0), і вольтметр, приєднаний до клем генератора (до щіток якоря), вимірює ЕРС, що індукується в якорі.:



де rя - опір обмотки якоря.

Реостат rр в колі збудження дозволяє змінювати струм збудження і тим самим регулювати магнітний потік Ф, а отже, і ЕРС Е генератора.

На рисунку подана характеристика холостого ходу генератора. Через наявність залишкового магнітного потоку в сталевому магнітопроводі характеристика холостого ходу починається не з нуля, а з деякого значення Езал (при Iзб = 0).

Генератор з паралельним збудженням.

Необхідність стороннього джерела для живлення обмотки збудження ускладнює експлуатацію генератора, внаслідок чого машини з незалежним збудженням застосовуються тільки для спеціальних цілей. У генераторах постійного струму в більшості випадків застосовують самозбудження, тобто живлення обмотки збудження від якоря самої машини.

Принцип самозбудження полягає в наступному. Спочатку при обертанні якоря залишковий магнітний потік (що завжди має місце в магнітопроводі машини) наводить в обмотці якоря незначну ЕРС Езал. Остання викликає невеликий струм в обмотці збудження. Цей струм посилює магнітне поле полюсів, що в свою чергу підвищує ЕРС, що наводиться в якорі і збільшує струм збудження. В результаті магнітний потік невдовзі досягає нормальної величини.

Для забезпечення самозбудження необхідно:

а) наявність залишкового магнітного потоку в магніті;

б) правильне приєднання кінців обмотки збудження до клем якоря, при якому струм збудження буде посилювати, а не послабляти залишковий магнітний потік.

Крім того, необхідно, щоб опір кола збудження не перевищував певного для кожної машини значення.

Обмотка збудження може бути приєднана до якоря паралельно або послідовно. На практиці застосовуються генератори з паралельним збудженням, а також генератори зі змішаним збудженням, маючи дві обмотки збудження паралельну і послідовну.

На рисунку наведена схема генератора з паралельним збудженням. Обмотка збудження і зовнішнє коло (навантаження) приєднуються до якоря паралельно. Струм якоря розгалужується по двох паралельних колах - зовнішньому і колу обмотки збудження:

Iя = I + Iзб

Паралельна обмотка збудження виконується з великого числа витків тонкого дроту. При цьому намагнічуюча сила, пропорційна числу ампер-витків, виходить достатньою для створення необхідного магнітного потоку при порівняно невеликому струмі збудження (струм збудження становить 1 - 5% від номінального струму машини).

Реакція якоря.

Внаслідок реакції якоря відбувається деформація магнітного поля машини: збільшується щільність магнітних ліній з одного боку кожного полюса і зменшується щільність з іншого боку полюсів. Реакція якоря викликає небажані наслідки: сильне іскріння під щітками, що порушує нормальну роботу машини; зменшення ЕРС генератора, що призводить до додаткового зниження напруги на клемах генератора при збільшенні його навантаження.

Основним засобом ослаблення реакції якоря є застосування компенсаційної обмотки, яка розміщується в полюсах машини і з'єднується послідовно з якорем.

Магнітне поле, створене струмом компенсаційної обмотки, спрямоване назустріч магнітному полю обмотки якоря. Відповідним вибором числа витків компенсаційної обмотки можна добитися практично повної компенсації реакції якоря.

Комутація.

Робота машин постійного струму часто супроводжується іскрінням між щітками і колектором. Сильне іскріння робить нормальну роботу машини неможливою.

Причинами іскріння можуть бути механічні дефекти: шорстка поверхня колектора, слабий тиск щіток, забруднення колектора, вібрація і інші несправності, що призводять до порушення в окремі моменти часу контакту щіток з колектором.

У процесі експлуатації бувають випадки, коли машина, цілком справна в механічному відношенні, сильно іскрить. Причиною іскріння тут є фізичний процес, що відбувається при переході щітки з однієї колекторної пластини на іншу. Сутність цього процесу пояснимо схемою якірної обмотки з 16 стержнями (див. рисунок).

При обертанні якоря колекторні пластини по черзі вступають в контакт з щітками. При цьому перехід щітки з однієї пластини на іншу, наприклад щітки М1 з пластини А на пластину В, супроводжуватиметься перемиканням секції PQ якірної обмотки з однієї паралельної вітку на іншу. При цьому струм в цій секції змінюється з +Iя/2 на -Iя/2. Внаслідок швидкої зміни струму в секції (на величину Iя) виникає ЕРС самоіндукції еL, величина якої тим більше, чим вища швидкість обертання якоря. Комплекс явищ, пов'язаних зі зміною напряму струму в замкнених щіткою секціях якірної обмотки, називають комутацією.

ЕРС еL, що виникає в секції, що комутується, спричиняє появу мікроскопічних дуг між краєм щітки і колекторною пластиною, що йде з-під щітки. Ці дуги зовні сприймаються, як іскріння щіток.

Основним засобом боротьби з комутаційним іскрінням служать додаткові полюси (див. рисунок). Магнітний потік цих полюсів індукує в рухомій секції ЕРС ек, що комутується, і направлену назустріч ЕРС еL, так що ек + еL 0. Цим усувається виникнення недопустимого іскріння.

Потрібно відмітити, що якщо швидкість обертання машини перевищить гранично допустиме значення, то умова ек + еL 0 порушується і машина знову починає іскрити.

Зовнішня характеристика.

Однією з найважливіших характеристик генератора є зовнішня характеристика, що являє собою залежність напруги U на клемах генератора від струму I при постійній швидкості обертання якоря n і незмінному опорі кола збудження.

На рисунку представлена зовнішня характеристика генератора з паралельним збудженням. Напруга на клемах генератора визначається за формулою

U = Е - Iя rя

Із зростанням навантаження напруга U на клемах генератора знижується внаслідок збільшення падіння напруги в колі якоря і деякого ослаблення магнітного потоку машини при неповній компенсації реакції якоря. Крім того, при зниженні напруги струм збудження меншає (оскільки Iзб пропорційний U), що призводить до ослаблення магнітного потоку полюсів. Це в свою чергу спричиняє додаткове зменшення ЕРС Е і напруги U генератора. Щоб коливання струму збудження незначно впливали на величину ЕРС, що індукується, генератори повинні працювати з насиченою магнітною системою.

Підтримка незмінною напруги при різних навантаженнях досягається зміною ЕРС Е шляхом регулювання струму збудження (реостатом rр на схемі генератора з паралельним збудженням).

У деяких випадках застосовують генератори зі змішаним збудженням. У цих машин, крім основної паралельної обмотки збудження 1, є ще одна обмотка 2 з невеликим числом витків, що вмикається послідовно з навантаженням (див. рисунок).

Обидві обмотки знаходяться на одних і тих же сердечниках головних полюсів і звичайно приєднуються так, щоб магнітні потоки, що створюються ними складалися (узгоджене включення обмоток). При збільшенні навантажувального струму одночасно зростає струм в послідовній обмотці збудження. Завдяки цьому потік збудження дещо посилюється і збільшує ЕРС, що індукується. Цим частково компенсується падіння напруги в колі якоря при збільшенні навантаження.

Виникнення електромагнітного обертаючого моменту.

У кожній машині постійного струму має місце взаємодія між струмом якоря Iя і магнітним потоком Ф (див. рисунок). На кожний стержень якоря діє електромагнітна сила

F = ВI l.

Лекція 14. Вступ до електроніки. Напівпровідники

Електроніка як наука займається вивченням електронних явищ і процесів, пов'язаних зі зміною концентрації і переміщенням заряджених часток в різних середовищах (у вакуумі, газах, рідинах, твердих тілах) і умовах (при різній температурі, під впливом електричних і магнітних полів).

Задачею електроніки як галузі техніки (технічної електроніки) є розробка, виробництво і експлуатація електронних приладів і пристроїв самого різного призначення.

Можна назвати декілька основних напрямів, що характеризують сфери прикладення технічної електроніки. Кожний з цих напрямів, в свою чергу, має численні розгалуження. Це зв'язок, радіоелектронна апаратура широкого споживання, промислова електроніка (управління виробничими процесами, вимірювальна апаратура, пристрої електроживлення, промислове телебачення, автоматика, телеуправління, медична апаратура (діагностична, лікувальна, протезування і ін.), електротехнічне і енергетичне обладнання), спеціальна техніка (апаратура, що застосовується на транспорті, радіолокація і радіонавігація, інфрачервона техніка, обладнання космічних апаратів, оптичні квантові генератори, ультразвукова локація, ядерна електроніка, біологічна електроніка і т.д.), обчислювальна техніка і технічна кібернетики (електронні цифрові та аналогові обчислювальні машини, персональні мікрокомп'ютери, автоматизовані системи управління, автоматичні інформаційні системи, електронні навчальні і контролюючі машини і т.д.).

Ефективність електронної апаратури зумовлена високою швидкодією, точністю і чутливістю її елементів, найважливішими з яких є електронні прилади. За допомогою цих приладів можна порівняно просто і в багатьох випадках з високим к.к.д. перетворювати електричну енергію за формою, величиною і частотою струму або напруги. Такий процес перетворення енергії здійснюється в багатьох схемах електронної апаратури (спрямовувачах, підсилювачах, генераторах).

За допомогою електронних приладів вдається перетворювати неелектричну енергію в електричну і навпаки (наприклад, в фотоелементах, терморезисторах). Різноманітні електронні датчики і вимірювальні прилади дозволяють з високою точністю вимірювати, реєструвати і регулювати зміни всіляких неелектричних величин - температури, тиску, пружних деформацій, прозорості і т.д.

Процеси перетворення енергії в приладах електроніки відбуваються з великою швидкістю. Це зумовлене малою інерційністю, характерною для більшості електронних приладів, що дозволяє застосовувати їх в широкому діапазоні частот - від нуля до десятків і сотень гігагерц. При цьому досягається така висока чутливість, яка не може бути отримана в приладах іншого типу.

Сучасний етап розвитку електронної техніки характеризується значним ускладненням електронної апаратури. Звичайні (дискретні) компоненти електронних схем вже не можуть в повній мірі задовольнити вимоги щодо різкого зменшення габаритних розмірів і підвищення надійності електронних пристроїв.

Все більш широкий розвиток отримує мікроелектроніка - галузь електроніки, що займається мікромініатюризацією електронної апаратури з метою зменшення її об'єму, маси, вартості, підвищення надійності і економічності на основі комплексу конструктивних, технологічних і схемних методів.

Основною елементною базою сучасних електронних пристроїв є напівпровідникові прилади. Клас напівпровідникових приладів складають діоди, біполярні і польові транзистори, тиристори і інші прилади, принцип дії яких заснований на електрофізичних процесах в напівпровідниках.

До напівпровідників відносяться чисельні матеріали, які за багатьма ознаками займають проміжне становище між провідниковими і діелектричними. Найбільше застосування в напівпровідниковій техніці отримали кремній, германій, галій, селен і такі хімічні сполуки, як арсенід галію, карбід кремнію, сульфід кадмію і т. д. Напівпровідники відрізняються від інших твердих кристалічних матеріалів електропровідністю, енергетичним станом кристалів, характерною залежністю електричних властивостей від температури, випромінювань і інших зовнішніх впливів. Контролюючи електронні процеси - концентрацію, швидкість і напрям руху заряджених часток - за допомогою електричних і магнітних полів, можна, керувати електричним струмом в напівпровідникових приладах.

Вивчення властивостей цих часток і їх поведінки в різних умовах є необхідною передумовою для розуміння роботи різноманітних електронних елементів.

Теорія фізичних явищ в напівпровідниках відзначається складністю і може бути опанована на основі глибокого вивчення фундаментальних розділів твердого тіла з застосуванням відповідного апарату. Тому обмежимось спрощеним викладенням основних теоретичних положень фізики напівпровідників, виокремлюючи лише ті з них, які необхідні для наступного вивчення і розуміння роботи напівпровідникових приладів.

Електричні властивості напівпровідників.

Уявлення про основи зонної теорії твердого тіла.

Відомо:

Кількість електронів в атомі дорівнює кількості протонів в ядрі.

Кожний з електронів має певну енергію (знаходиться на певному енергетичному рівні) - чим далі від ядра, тим енергетичний рівень вищий.

Енергія електрона змінюється тільки дискретно, певними порціями - і тому електрони в атомі мають цілком певні орбіти.

Енергетичні рівні, на яких знаходяться електрони, називаються дозволеними; ті рівні, де електрони знаходитись не можуть - забороненими.

Електрони, найменш пов'язані з ядром, можуть вступати у взаємодію з ядрами інших атомів - це валентні електрони.

Існують зони, що містять дозволені рівні (дозволені зони), між якими знаходяться заборонені зони. Зони, в яких знаходяться рівні валентних електронів - це валентні зони.

Вище валентної зони в твердих тілах існує зона з ще більш високоенергетичними рівнями - зона провідності. В цій зоні енергія електронів настільки велика, що вони вже не пов'язані з ядром і можуть вільно переміщуватись між атомами.

Електропровідність твердих тіл обумовлена саме такими електронами, що перейшли з валентної зони до зони провідності.

Розташування енергетичних зон:

Для напівпровідників характерна кристалічна будова, тобто певне, суворо визначене розташування атомів на однакових відстанях один від одного, в результаті чого утворюється кристалічна решітка.

Між атомами кристалічної решітки існують зв'язки. Вони утворюються валентними електронами, які взаємодіють не тільки з ядром свого атому, але й з ядром сусіднього. Так, в кристалах кремнію, германію зв'язок між двома сусідніми атомами здійснюється двома валентними електронами - по одному від кожного атома. Такий зв'язок між атомами називається двохелектронним, або ковалентним.

Характерна особливість двохелектронних зв'язків полягає в тому, що при їх утворені електрони зв'язку належать вже не одному, а одразу обом, зв'язаних між собою атомам, тобто є для них спільними. В результаті зовнішня орбіта кожного з атомів, наприклад, чотирьохвалентних кремнію або германія має немов би по вісім електронів і стає повністю заповненою.

Кристалічна решітка, в якій кожний валентний електрон атомів решітки бере участь у ковалентних зв'язках з іншими атомами речовини, є ідеальною. В такому кристалі всі валентні електрони міцно зв'язані між собою і вільні електрони, які могли б брати участь у переносі зарядів відсутні. Таку кристалічну решітку мають всі хімічно чисті бездомішкові напівпровідники при температурі абсолютного нуля (-273С). В цих умовах напівпровідники мають властивості ідеальних ізоляторів.

Найбільше застосування для виготовлення приладів мають такі напівпровідникові елементи, як германій та кремній.

Атоми цих елементів утворюють кристал у формі тетраедра. Завдяки цьому ядра всіх елементів знаходяться на однаковій малій відстані один від одного, утворюючи нерухомі вузли кристалічної решітки. Кожний з чотирьох валентних електронів знаходиться під впливом одного з чотирьох сусідніх ядер і обертається по орбіті, що охоплює своє і сусіднє ядро.

При переході електрона в зону провідності на валентному рівні залишається незаповнене електроном місце, на яке може перейти інший електрон з іншої ядерної пари. Таке незаповнене електроном місце у ковалентному зв'язку (вакансія) називається діркою. Процес утворення пари електрон-дірка отримав назву генерація зарядів. Дірка має додатний заряд, тому вона може перетягнути до себе електрон сусіднього заповненого ковалентного зв'язку. В результаті відновлюється один зв'язок (цей процес називається рекомбінацією) і порушується сусідній. Отже, заповнення однієї дірки супроводжується виникненням нової в іншому місці. Такий генераційно-рекомбінаційний процес безперервно повторюється, і дірка, переміщуючись із одного зв'язку в інший, буде переміщуватись по кристалу, що рівносильне переміщенню додатного заряду, рівного за величиною заряду електрона.

Власна провідність.

В основі роботи напівпровідникових приладів лежить той факт, що вивільнення електрона супроводжується утворенням дірки, причому дірка не є постійною приналежністю одного атому - при переході на її місце електрона з сусіднього атому вільне місце з'являється тепер в іншому зв'язку, тобто разом з хаотичним рухом вільних електронів здійснюється і хаотичний рух дірок, який супроводжується переміщенням валентних електронів з одного міжатомного зв'язку (ковалентного зв'язку) в інший.

Якщо помістити напівпровідник в електричне поле, в ньому хаотичний рух перетворюється у впорядкований - рух вільних електронів в зоні провідності і рух електронів в валентній зоні, тобто дірок. Тільки направлений рух дірок зворотно руху вільних електронів.

Отже носіями електричного струму в напівпровідниках є як від'ємні заряди - електрони, так і позитивні заряди - дірки (оскільки відсутність від'ємного заряду еквівалентно присутності додатного).

Провідність, що зумовлена рухом електронів, називається електронною і позначається буквою n (n-провідність).

Провідність, що зумовлена рухом дірок, називається дірковою і позначається буквою p (p-провідність).

Домішкова провідність.

Чистий напівпровідник має однакові степені електронної і діркової провідності (в розумінні рівної кількості носіїв одного та іншого типів).

Шляхом внесення в чистий напівпровідник певного домішку можна створити напівпровідник, в якому переважала або n-, або p-провідність.

Домішки, що збільшують електронну провідність, називаються донорними (ті, що віддають).

Для 4-валентних напівпровідників (кремній, германій) донорними домішками є 5-валентні елементи (сурма, миш'як).

Атом донорного домішку займає місце в кристалічній решітці, при цьому чотири його валентні електрони вступають в ковалентні зв'язки з сусідніми атомами кремнію, а п'ятий, облишений ковалентних зв'язків, слабо пов'язаний з ядром і легко звільняється. Отже донорні атоми різко збільшуючи кількість вільних електронів, не збільшуючи кількості дірок, оскільки ковалентні зв'язки атомів домішку заповнені і не перехоплюють електронів з валентної зони сусідніх атомів.

Домішки, що збільшують діркову провідність, називаються акцепторними (ті, що приєднують). Для 4-валентних напівпровідників акцепторними домішком є 3-валентний елемент (індій).

Атом акцепторного домішку, вступаючи трьома своїми валентними електронами в ковалентні зв'язки, залишає місце в одному ковалентному зв'язку незаповненим, тобто утворюється дірка. Внесення акцепторних домішок призводить до утворення дірок і не супроводжується збільшенням числа вільних електронів.

Оскільки будь-який напівпровідник має власну провідність, в ньому крім основних носіїв, є невелика частка неосновних. Інакше кажучи в напівпровіднику n-типу є велика кількість вільних електронів (тут вони - основні носії) і невелика кількість дірок (неосновні носії), а в напівпровіднику p-типу - навпаки.

Властивості p-n переходу.

В основі роботи сучасних напівпровідникових приладів лежать явища, що відбуваються в області електричного контакту провідників і напівпровідників із різною провідністю.

Найбільше розповсюдження в напівпровідниковій техніці і мікроелектроніці отримали контакти типу напівпровідник-напівпровідник.

Електричний перехід між двома областями напівпровідника, одна з яких має електропровідність n-типу, а інша p-типу, називають електронно-дірковим, або р-n переходом.

Електронно-дірковий перехід не можна створити простим дотиком пластин n- і p-типу, оскільки при цьому неминучий проміжний шар повітря, окислів або поверхневих забруднень. Ці переходи отримують сплавленням або дифузією відповідних домішок в пластинки монокристалу напівпровідника, а також шляхом вирощування р-n переходу із розплаву напівпровідника з регульованою кількістю домішок.

Якщо на кристал кремнію, обробленого миш'яком (тобто такий кристал матиме n-провідність), наплавити шматок індію, то частина атомів індію внаслідок дифузії проникне в товщу кристалу і в ньому утворяться області з різним типом провідності.

Внаслідок різної концентрації електронів в шарах p і n буде відбуватись їх дифузія з області n в область p. Аналогічно буде відбуватись дифузія дірок з області p в область n.

Завдяки дифузії основних носіїв порушується електрична нейтральність в напівпровіднику: область p здобуває від'ємний, а область n - додатний заряд. Між областями виникає електричне поле з різницею потенціалів близько 0,35 В у германієвому і 0,65 В у кремнієвому напівпровідниках. Ця різниця потенціалів - потенціальний бар'єр - вже перешкоджає дифузії основних носіїв, але для неосновних носіїв утворене поле є прискорюючим, внаслідок чого виникає рух електронів з p-області в n-область і рух дірок в протилежному напрямку.

Рух носіїв, зумовлений різницею концентрацій, називається дифузійним струмом, а рух носіїв під дією електричного поля - дрейфовим струмом.

Між дрейфовим і дифузійним струмами при певному потенціальному бар'єрі існує динамічна рівновага, так що сумарний струм через p-n перехід дорівнює нулю.

Ці явища відбуваються при утворені p-n переходу.

Розглянемо тепер явища, що відбуваються в p-n переході при підведені до нього зовнішнього електричного поля.

При підключені “+” до шару n, а “-” до шару p (таке включення називається зворотним) зовнішня напруга буде діяти згідно з потенціальним бар'єром. Оскільки опір безпосередньо області переходу набагато більший іншої частини напівпровідника, то саме в зоні переходу потенціальний бар'єр збільшується на значення зовнішньої напруги.

В цьому випадку дифузійний перехід носіїв ще більш утруднюється і навіть при відносно невеликій зовнішній напрузі дорівнює нулю.

Значення же дрейфового струму від зовнішньої напруги не залежить і обмежується швидкістю генерації неосновних носіїв, яка визначається t.

На рис. показана вольт-амперна характеристика (ВАХ) p-n переходу (Звернути увагу на масштаби на осях !!!).

При зворотному включені (ліва частина графіка) струм через перехід з'являється при подачі напруги і, досягнувши значення струму насичення, обумовленого дрейфом неосновних носіїв, залишається незмінним ( -0,2 mA). Однак при більших значеннях зворотної напруги рухомі електрони здобувають більші швидкості і, вдаряючись об атоми, викликають ударну іонізацію. Крім того, під дією сильного електричного поля частина електронів з валентної зони переходить в зону провідності. Ці процеси збільшуються лавиноподібно і призводить до різкого збільшення струму через p-n перехід - його електричного пробою. Внаслідок збільшення струму збільшується t, енергія електронів збільшується, що в свою чергу полегшує їх перехід з валентної зони в зону провідності - виникає так званий тепловий пробій. Якщо не включити в коло p-n переходу обмежувальний опір, напівпровідник може перегрітись і вийти з ладу.

При прямому включені “+” - до шару р, а “-” - до шару n із підвищенням прямої напруги U потенціальний бар'єр зменшується, а потім зовсім зникає. При U > Uбар поле вже є прискорюючим для основних носіїв і струм через перехід стрімко збільшується (права частина графіку). Процес введення носіїв заряду через електронно-дірковий перехід при зменшені потенціального бар'єру в область напівпровідника, де ці носії заряду є неосновними, називається інжекцією (англ. inject - впорскувати, вводити).

Отже p-n перехід має властивості вентиля - в прямому напрямку опір його дуже малий, а в зворотному практично нескінчений.

P-n перехід може нормально працювати тільки в невеликому діапазоні температур. При дуже низьких температурах (< 60 C) електрони донорних атомів не можуть здолати навіть ту вузеньку заборонену зону, яка відділяє їх від зони провідності основного напівпровідника, тому в ньому практично відсутні основні носії.

При високих температурах енергія електронів валентної зони основних атомів достатня для переходу в зону провідності і напівпровідник перетворюється в звичайний провідник, при цьому втрачаються його вентильні властивості і струм через перехід різко збільшується. В наслідок чого виникає подальшій розігрів напівпровідника. Процес лавиноподібно наростає, що призводить до розплавлення і виходу з ладу напівпровідникового пристрою.

Лекція 15. Використання властивостей електронно-діркового переходу

Напівпровідниковим діодом називається прилад, що має один електроно-дірковий перехід.

Найбільше застосування отримали германієві і кремнієві напівпровідникові діоди, а також діоди, виконані на основі арсеніду галію.

Можна не сумніватися в тому, що і в майбутньому напівпровідникові діоди будуть мати першорядне значення в електронній техніці, безперервно удосконалитися і оновлюватися.

Найважливішими достоїнствами напівпровідникових діодів є:

· малі габаритні розміри і маса;

· високий коефіцієнт корисної дії (понад 99 %);

· відсутність джерела електронів, яке треба розжарювати;

· практично необмежений термін служби (при виконанні відповідних правил експлуатації);

· висока надійність.

У залежності від способу отримання електроно-діркових переходів напівпровідникові діоди діляться на два типи: точкові і площинні.

В точковому діоді до кристалічного напівпровідника з одним типом провідності вплавляється кінець вольфрамової проволоки, на яку нанесений шар акцептора (якщо кристал має n-провідність) або донора (якщо кристал p-провідності). В процесі сплавлення атоми домішку з поверхні проволоки дифундують в кристал і в ньому утворюється p-n перехід.

Точкові діоди завдяки малій площі p-n переходу мають малу ємність, що зумовлює менше викривлення імпульсних сигналів (далі буде), і тому широко застосовуються у високочастотних схемах, зокрема в цифрових логічних і вимірювальних схемах.

В площинних діодах p-n перехід утворюється при наплавленні шматочку індію на германієвий або кремнієвий кристал з n-провідністю. Використовуються площинні діоди головним чином в схемах спрямовувачів.

Основною характеристикою напівпровідникових діодів є вольт-амперна характеристика (ВАХ). Очевидно, що графік вольт-амперної характеристики діода уявляє собою вольт-амперну характеристику p-n переходу.

Основні параметри діоду:

· Прямий струм, що відповідає вказаній напрузі (1 - 2 В);

· Допустима амплітуда зворотної напруги;

· Максимальна пробивна напруга;

· Зворотний струм, що відповідає вказаній зворотній напрузі.

· Максимально допустиме значення зворотної напруги;

· Зворотний струм при максимально допустимій зворотній напрузі;

· Середнє значення спрямленого струму;

· Падіння напруги при проходженні прямого струму.

За аналогією із радіоламповими діодами (попередниками напівпровідникових діодів), область приладу, з p-провідністю називають анодом, область, що має n-провідність - катодом.

Спрямляючі діоди

У спрямовувачах змінної напруги найбільше застосування знаходять германієві і кремнієві напівпровідникові діоди. Основними методами отримання p-n переходів для спрямляючих діодів є сплавлення і дифузія.

Електронно-дірковий перехід утворюється виплавлянням алюмінію в кремній. Пластинка кремнію з p-n переходом припаюється до кристалоутримовача, що є одночасно і основою корпусу діода. До кристалоутримовача приварюється корпус зі скляним ізолятором, через який проходить алюмінієвий вивід.

У дифузійних діодах р-п перехід створюється при високій температурі дифузією домішку в кремній або германій з середи, що містить пари домішкового матеріалу. Конструкції дифузійних і сплавних спрямляючих діодів аналогічні. Малопотужні спрямляючі діоди мають відносно невеликі габарити і масу і за допомогою гнучких виводів монтуються в схему. У потужних діодів кристалоутримовач являє собою масивну тепловідводну основу з гвинтом і пласкою зовнішньою поверхнею для забезпечення надійного теплового контакту із зовнішнім тепловідводом. Між кристалом і основою звичайно вміщують пластинку з вольфраму або ковару, що має приблизно такий же коефіцієнт лінійного розширення, як і матеріал кристала. Це сприяє зменшенню механічних напружень в кристалі при зміні температури.

Робота напівпровідникового спрямляючого діода заснована на властивості р-п переходу пропускати струм тільки в одному напрямі.

На умовному позначенні діоду сторона трикутника, від якої є вивід, відповідає аноду, а протилежний їй кут - катоду. Аноду відповідає p-область, а катоду - п-область діоду.

Схеми спрямовувачів.

Спрямовувач - пристрій, призначений для забезпечення живлення споживачів постійного струму від джерела змінного струму.

Структурна схема спрямовувача має вид:

Спрямовувач в більшості випадків складається з таких елементів:

· силовий трансформатор, який забезпечує підвищення або зниження напруги мережі змінного струму до потрібної величини;

· вентильна схема, складається з одного або кількох вентилів, що мають односторонню провідність струму і що виконують основну функцію спрямовувача - перетворення змінного струму в пульсуючий;

· згладжуючий фільтр, який зменшує пульсацію спрямленого струму.

В схему спрямовувача, крім цих основних елементів, можуть входити різні допоміжні пристрої, призначені для регулювання спрямленої напруги, включення і виключення спрямовувача, захисту спрямовувача від пошкодження при порушення нормального режиму роботи, контрольно-вимірювальні прилади і т.п.

Класифікуються спрямовувачі за числом фаз змінного струму мережі живлення, за типом вентилів, за схемою їх включення та за ін. показниками.

Спрямовувачі, що працюють від однофазної мережі змінного струму, називаються однофазними. Вони поділяються на:

· однопівперіодні, в яких струм через навантаження проходить тільки протягом одного півперіоду за період зміни напруги мережі;

· двопівперіодні, в яких струм через навантаження проходить протягом обох півперіодів за період зміни напруги мережі.

Розрізняють однотактні (в яких струм через вторинну обмотку трансформатора проходить тільки протягом одного півперіоду за період зміни напруги мережі) і двотактні (в яких струм через вторинну обмотку трансформатора проходить протягом обох півперіодів за період зміни напруги мережі).

Виокремлюють ще схеми з множенням напруги, які використовуються для підвищення спрямленої напруги на навантаженні при заданій напрузі на вторинній обмотці трансформатора або при відсутності підвищуючого трансформатора.

Найпростіший спрямовувач складається з трансформатора і електронного приладу, що має односторонню провідність - вентиля.

Резистор Rн уявляє собою навантаження. Як вентиль може бути використаний діод VD. Трансформатор Т перетворює напругу мережі у відповідності з потрібним значенням постійної напруги.

Коли до діода надходить півхвиля додатної полярності (на аноді - “+”, на катоді - “-“), висота потенціального бар'єру переходу знижується (кажуть р-п перехід зміщується в прямому напрямку), носії зарядів - дірки із p-області і електрони із п-області легко долають цей бар'єр і забезпечують протікання прямого струму в колі (іпр). При цьому на навантаженні Rн утворюється напруга у вигляді додатних півхвиль.

При появі на діоді від'ємної півхвилі (на аноді - “-”, на катоді - “+ “) сумарне електричне поле на р-п переході (потенціальний бар'єр і зовнішня напруга) збільшується, що перешкоджає проходженню зарядів через р-п перехід. Струм в навантаженні дорівнюватиме незначному зворотному струму (ізв), зумовленого дрейфовим струмом через р-п перехід, а напруга на навантаженні буде близькою до нуля.

Отже, завдяки односторонній провідності струм через вентиль і навантаження проходить тільки в тій частині періоду, коли полярність напруги відповідає прямій напрузі діода. Тому наведена схема отримала назву однопівперіодна. Під час другого півперіоду струм через навантаження не проходить (див. час. діаграму).

Таким чином, спрямлений струм уявляє собою імпульси синусоїдальної форми, тривалість яких дорівнює половині періоду підведеної змінної напруги.

Якщо використовуючи математичні прийоми розкласти періодичну (імпульсну) функцію в нескінчений тригонометричний ряд ( f(t) = a0 + a1sin(t) + a2sin(2t) + …), то можна побачити, що такі імпульси мають не тільки постійну складову (a0), але і гармоніки (1-а гармоніка - a1sin(t), 2-а гармоніка - a2sin(2t) і так далі до нескінченності).

Для наведеної схеми спрямовувача: постійна складова - 32% від амплітуди напруги живлення; амплітуда першої гармоніки - 50%; другої - 20%.

Для того, щоб через навантаження проходила тільки постійна складова імпульсного струму паралельно навантаженню включають згладжуючий фільтр, який має незначний опір для гармонік і великий опір для постійної складової. Найпростіший фільтр є конденсатор.

Під час прямої напруги конденсатор заряджається, а під час зворотної для вентиля напруги - розряджаючись живить навантаження. Треба мати на увазі, що в цей час діод знаходиться під дією не тільки зворотної напруги, а ще й під напругою від конденсатора, тобто максимально можлива зворотна напруга на вентилі дорівнює подвійній напрузі живлення. Це необхідно враховувати при виборі вентиля з тим, щоб не допустити його пробою при зворотній напрузі на трансформаторі.

...