МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Маріупольський електромеханічний технікум
КОНТРОЛЬНА РОБОТА
«Електронні системи управління РС»
Варіант 8
| Виконав студент гр.ТС-19-1/11з.в. Кучинський М. В. | Перевірив викладач професійних дисциплін Орлов В.О. |
2021
1. Общие сведения о полупроводниках. Полупроводниковые диоды.
Полупроводниковые приборы изготовляют на основе кристаллов полупроводниковых материалов (кремния, германия и др.). С помощью сложных технологических операций в объеме кристалла создаются области с различным типом проводимости: электронной – п или дырочной – р. На границе таких областей образуются р-п-переходы, которые в одном направлении, являются проводниками электрического тока, а в другом – изоляторами.
Кремниевые полупроводниковые приборы, применяемые в промышленном и транспортном электроприводе, изготовляют на основе кристаллов кремния. Только в некоторых случаях в цепях управления применяют германиевые и еще реже другие полупроводниковые приборы.
В любом реальном полупроводнике имеют место все три типа проводимости: собственная, электронная и дырочная. Собственная проводимость зависит от температуры полупроводника и обусловлена носителями заряда обоих знаков, которые количественно уравновешены. (При комнатной температуре собственная проводимость полупроводника мала и ее можно не учитывать.) При температуре порядка 200°С собственная проводимость кремния возрастает так, что р-п-переходы исчезают и приборы перестают работать. У кристаллов германия это явление наступает при температуре порядка 100° С.) В примесном полупроводнике носители заряда, обусловленные преобладающей примесью, называются основными носителями заряда. В электронном полупроводнике основными носителями заряда являются электроны, а неосновными дырки. Наоборот, в дырочном полупроводнике основными носителями являются дырки а неосновными – электроны.
1.1 Полупроводниковые диоды.
Основой полупроводникового диода является р-п-переход. К обоим слоям монокристалла кремния (р-типа и п-типа) припаивают металлические контакты, через которые диод присоединяют к внешней цепи.
Устройство силового полупроводникового диода. К монокристаллу кремния, выполненному в виде диска сверху и снизу припаивают термокомпенсирующие пластины из вольфрама или молибдена, имеющие коэффициент линейного расширения, близкий к коэффициенту расширения кристалла кремния. Они защищают кристалл от деформации при колебаниях рабочей температуры и создают надежный омический контакт со слоями р- и п-кремния. Сочетание этих трех пластин составляет вентильный (диодный) элемент. Для защиты от влаги, загрязнений и механических повреждений вентильный элемент помещают в герметичный корпус, состоящий из массивного медного основания и металло-стеклянной крышки. Крышка состоит из стальной втулки, изолированной от стального стакана стеклянным изолятором.
Диоды, у которых кремний р-типа соединяется с основанием, а кремний п-типа – с внешним выводом, имеют «плюс» (анод) на радиаторе вентиля и «минус» (катод) на выводе. Наличие тех и других вентилей в ряде случаев упрощает компоновку преобразовательных устройств благодаря применению общих радиаторов или упрощения их соединения.
Условное графическое обозначение диода в электрической схеме показано на рис. 1.1а. Размеры диода: а = 5 мм, b = 4 мм или а = 6 мм, b = 5 мм.
Если к аноду (кремнию р-типа) приложен «плюс» внешнего напряжения, а к катоду (кремнию п-типа) – «минус», то высота потенциального барьера уменьшается и диффузионный ток основных носителей заряда резко возрастает. Ширина слоя, обедненного носителями заряда, уменьшается и сопротивление р-п-перехода становится малым. Такую полярность приложенного к диоду напряжения называют прямой.
Процесс перехода основных носителей заряда через р-п-переход в область, где они будут являться неосновными носителями, за счет уменьшения потенциального барьера при прямом напряжении, называют инжекцией.
При прямой полярности напряжения на р-п-переходе происходят два встречных процесса инжекции: электронов – из электронной области в дырочную, и дырок – из дырочной области в электронную. Рассмотрим процесс инжекции электронов в дырочную область. Инжекция электронов создает в дырочной области отрицательный объемный заряд. Вследствие этого появляется электрическое поле, которое втягивает основные носители заряда – дырки в область объемного заряда, созданного инжектированными электронами; здесь дырки рекомбинируются с электронами. Чтобы сохранить электрическую нейтральность в тех частях, откуда ушли дырки и где создался объемный заряд, из внешнего контакта поступают (втягиваются) дополнительные дырки. Таким образом, осуществляется прохождение тока через р-п-переход. Аналогичным образом идет процесс инжекции дырок в электронную область.
Процесс установления прямого тока через р-п-переход аналогичен процессу заряда конденсатора. Поэтому при рассмотрении физических процессов в р-п-переходе вводят понятие диффузионной емкости, которая зависит от прямого тока.
Если к диоду присоединить внешний источник напряжения с обратной полярностью (плюсом на катоде, т. е. на кремнии п-типа), то высота потенциального барьера увеличивается, что приводит к увеличению объемного заряда. При этом может проходить небольшой обратный ток только за счет движения неосновных носителей заряда и собственных носителей заряда полупроводника.
При обратном напряжении на диоде объемный заряд р-п-перехода связывают с понятием зарядной или барьерной емкости.
При работе диода в прямом направлении можно пренебречь барьерной емкостью; при работе диода в обратном направлении – диффузионной емкостью.
1.2 Классы силовых диодов.
Пробивное напряжение Uпр как параметр прибора принято определять при максимальной температуре р-п-перехода t = 140° С. По значению Uпp устанавливают максимально допустимое повторяющееся напряжение и неповторяющееся напряжение диода при работе его в установке.
Повторяющимся напряжением UП называют максимально допустимое мгновенное значение напряжения, прикладываемое к диоду в обратном направлении. Напряжение UП обычно является функцией схемы преобразователя, например появление выброса при восстановлении напряжения.
Неповторяющимся напряжением Uнеп называют максимально допустимое мгновенное значение любого неповторяющегося переходного напряжения, прикладываемого к прибору. Неповторяющееся напряжение обычно определяют внешней по отношению к преобразователю причиной, например перенапряжением в питающей сети.
В соответствии с численным значением допустимого повторяющегося напряжения силовые диоды подразделяют на классы: 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10; 11; 12; 13; 14; 16; 18; 20; 22 и т. д. (только четные цифры). Допустимое неповторяющееся напряжение определяют умножением класса прибора на 100. Пробивное напряжение силового полупроводникового прибора должно быть Uпр ≥ UП/0,75; для лавинных диодов Uпр ≥ UП/0,8. Неповторяющееся напряжение для нелавинных диодов должно быть Uнеп = 0,87 Uпр. При выпуске диодов их сортируют по классам. Лавинные диоды выпускают в пределах 6 – 14-го классов.
Процессы в диоде в момент приложения к р-п-переходу обратного напряжения. Если по диоду протекал ток в прямом направлении, то р-п-переход при приложении к диоду внешнего обратного напряжения некоторое время остается открытым и по нему будет проходить обратный ток до возврата инжектированных дырок из п-слоя в р-слой и инжектированных электронов из р-слоя в п-слой.При резком изменении прямого напряжения на обратное, например при тиристорном широтно-импульсном регулировании напряжения, возможен значительный обратный ток с последующим перенапряжением на р-п-переходе. В этом случае проводят дополнительные мероприятия для ограничения обратного тока и снижения перенапряжения в момент изменения полярности напряжения на диодах.
1.3 Тиристоры
Тиристор представляет собой четырехсложную полупроводниковую структуру р-п-р-п-типа, содержащую три р-п-перехода. Переход, соединенный с крайней p1-областью, называют анодом А; электрод, соединенный с крайней п2-областью, – катодом К; электрод, соединенный с р2-областью, – управляющим электродом.
Условное графическое изображение тиристора на схемах в соответствии с ГОСТ 2.730—73 а = 5 или 6 мм и соответственно b = 4 или 5 мм.
При приложении к тиристору прямого напряжения, когда «плюс» па аноде, а «минус» на катоде, область p1 выполняет функции одного эмиттера, инжектирующего дырки в области п1 (базу), а область п2 – функции второго эмиттера, инжектирующего электроны во вторую базу р2. Через тиристор проходит при этом два встречно направленных потока носителей: дырок, уходящих от p1 через п1 в базу p2, и электронов – от п2 через p2 в базу п1. Эмиттерные переходы П1 и П3 при прямом напряжении открыты, а коллекторный переход П2 смещен в обратном направлении и поэтому он воспринимает большую часть приложенного к тиристору напряжения.
При отсутствии напряжения на электроде управления (ЭУ) для обеспечения электрической нейтральности базы п1 при прохождении тока нужно, чтобы в нее входило столько электронов, сколько дырок в ней рекомбинирует.
2. Импульсные трансформаторы.
В тиристорно-импульсных регуляторах отпирание главных и вспомогательных тиристоров обычно осуществляется при помощи импульсных трансформаторов (ИТ). Форма отпирающих импульсов характеризуется следующими основными параметрами: U2 – амплитуда импульса. В; tф, tср – соответственно длительность фронта и среза импульса, мкс; ∆U2 – снижение вершины (плоской части) импульса, В; U2ф, U2обр – выбросы импульса, В. Активная длительность импульса tИ – интервал времени, измеренный на уровне половины амплитуды импульса напряжения (0,5(72). Активная длительность фронта 1ф—время нарастания импульса напряжения от 0,1U2 до 0,9U2. Активная длительность среза tсp – время уменьшения импульса напряжения от 0,9U2 до 0,1U2.
К управляющим импульсам для включения тиристоров предъявляются жесткие требования в части крутизны переднего фронта, ширины и амплитуды импульса. Например, для тиристоров ТЛ-250 желательно, чтобы скорость нарастания переднего фронта была не менее 1 А/мкс, ширина импульса tИ – не менее 60 мкс и амплитуда – не менее 14 В (в конце импульса 8,4 В).
Одним из основных требований, предъявляемых к ИТ, является передача импульса с минимальным искажением. При трансформации крутизна фронта и среза понижается, а на вершине импульса и после среза могут возникать высокочастотные паразитные колебания. Для обеспечения малого искажения фронта и среза, а также снижения амплитуды колебаний напряжения необходимо свести к минимуму индуктивности рассеяния обмоток и паразитные емкости. Для уменьшения снижения вершины импульса необходимо стремиться к снижению намагничивающего тока.
Для управления тиристорными регуляторами ИТ выполняют на кольцевых сердечниках из железоникелевых сплавов, например марки 50НП с толщиной ленты не более 0,05 мм. Импульсные трансформаторы имеют обычно одну первичную и несколько вторичных обмоток. Для лучшей передачи фронта импульса желательно первичную и вторичные обмотки мотать одновременно (параллельными ручьями). Однако если по прочности изоляции нельзя мотать обмотки одновременно, то следует распределить каждую из них по всему сердечнику и по возможности совместить начала и концы обмоток при одинаковом направлении намотки. Кроме вторичных обмоток, предназначенных для управления тиристорами, предусматриваются обмотки для перемагничивания сердечника во время паузы, а также для проверки системы управления с целью диагностики. К расположению последних предъявляют менее жесткие требования.
3. Режимы работы входного фильтра при однофазной нагрузке.
П
ри исследовании процессов во входном фильтре рассматривают два характерных режима его работы: режим А, при котором ТИП открыт и через него от фильтра проходит ток I, и режим Б, при котором ТИП закрыт и из контактной сети потребляется ток il′ для дозаряда емкости СФ. При математическом описании процессов в фильтре обычно принимают постоянным напряжение источника литания (UП = const), пренебрегают колебаниями тока в цепи нагрузки (I = const) и падением напряжения в сопротивлении дросселя фильтра (rФ = 0).4. Назначение, конструкция дросселей насыщения.
Дроссели насыщения (ДН) должны обеспечивать ограничение скорости нарастания тока и снижение коммутационных потерь в тиристорах при включении. Их обычно делают на кольцевых сердечниках, выполненных из тонкой ленты (до 0,1 мм) холоднокатаной электротехнической стали Э340. До насыщения сердечника к обмотке дросселя прикладывается практически все напряжение источника питания, поэтому она должна иметь хорошую межвитковую изоляцию. Известно, что если тиристор выходит из строя из-за чрезмерной скорости нарастания тока (di/dt), то это происходит в течение первой микросекунды или такого порядка времени. Поэтому очень важно, чтобы дроссель имел минимальную собственную емкость, через которую может проходить импульс тока, опасный для тиристора. Для этого обмотку выполняют гибким изолированным проводом, обеспечивающим достаточно большое расстояние между витками.
Основные параметры ДН (число витков рабочей обмотки ш и поперечное сечение сердечника s, м2). При перемагничивании сердечника возникает ЭДС самоиндукции еs = – щ(dФ/dt) ≈ – щs(∆В/фзад).
Обратное перемагничивание ДН осуществляется по-разному в зависимости от конкретной схемы тиристорного регулятора. В некоторых случаях удается осуществить перемагничивание ДН самой рабочей обмоткой путем пропускания по ней тока в обратном направлении.
Задача8
Определить амплитуду пульсации U на конденсаторе.
Определить размах пульсации І в ТЭД
Определить размах пульсации в силовой сети.
Дано:
| Lф мГн | Cф мкФ | I А | f гц | λ Коэф.заполн. | r дв.ТЭД Ом. | L мГн. |
| 2.0 | 1200 | 280 | 360 | 0.35 | 0.15 | 13 |
1. Определяем постоянную цепи ТЭД
2.Определяем периоды регулирования
3.
4.
С достаточной степенью точности при частоте 360Гц ΔImax можно определить по упрощенной формуле:
Определяем пульсацию тока в цепи ТЭД
Определяем пульсацию тока в контактной сети:
подставляем значения в формулу:
Ответы:
