Какое свойство в вентилях используется в выпрямителях

Выпрямители. Электростанции вырабатывают и передают потребителям переменный ток частотой 50 Гц. Однако для аппаратуры железнодорожной автоматики и телемеханики в основном требуется постоянный ток. Поэтому возникает необходимость преобразования переменного тока в постоянный. Для этого используют выпрямительные устройства (выпрямители), которые состоят из трансформатора Т, выпрямитапьной схемы В и фильтра Ф (рис. 218).

Трансформатор служит для преобразования стандартного переменного напряжения сети в переменное напряжение, при котором на выходе выпрямительного устройства получается постоянное напряжение, необходимое для питания аппаратуры автоматики и телемеханики.

Выпрямительная схема состоит из вентилей, пропускающих ток только в одном направлении. На выходе выпрямительной схемы выпрямленный ток изменяется по величине (пульсирует). В результате

Рис. 218. Структурная схема выпрямительного устройства

действия фильтра пульсация выпрямленного напряжения, подводимого к нагрузке, становится во много раз меньше.

Полупроводниковые вентили. Для электропитания устройств железнодорожной автоматики и телемеханики применяют полупроводниковые вентили (селеновые, кремниевые). Вентиль представляет собой прибор, обладающий односторонней проводимостью. Току прямого направления вентиль оказывает малое сопротивление, а току обратного направления – очень большое сопротивление. Это основное электрическое свойство вентиля выражается его вольт-ампер ной характеристикой (рис. 219), т. е. зависимостью тока от напряжения, приложенного к вентилю.

При прямом напряжении ?/пр вентиль легко пропускает ток /пр, который резко увеличивается с возрастанием прямого напряжения. Зависимость /пр = ф((Уг|р) выражает прямая ветвь вольт-амперной характеристики. Обратная ветвь этой характеристики выражает зависимость обратного тока /(|Г)Р от приложенного обратного напряжения ?Уобр. Под действием обратного напряжения вентиль-пропускает незначительный ток, увеличивающийся с возрастанием обратного напряжения. При обратном напряжении, называемом напряжением пробоя, происходит электрический пробой вентиля.

Максимальное обратное напряжение, которое вентиль может выдерживать без пробоя, сохраняя в допустимых пределах значение обратного тока, называется допустимым обратным напряжением. Для надежной работы вентиля допустимое обратное напряжение выбирают намного меньше напряжения пробоя.

Полупроводниковый вентиль представляет собой контактное соединение двух полупроводников с различными типами проводимости – электронной п и дырочной р (рис. 220, а). Вследствие большой концентрации электронов в полупроводнике п по сравнению с полупроводником р электроны будут проникать из полупроводника п в р. Аналогично будут проникать дырки в полупроводник п. В результате этого в тонком пограничном слое полупроводника п образуется объемный положительный заряд, а в пограничном слое полупроводника р – объемный отрицательный заряд.

Электрическое поле этих пространственных зарядов противодействует дальнейшей диффузии электронов и дырок через переход р – п. Таким образом, в слое р – п возникает потенциальный барьер.

Если положительный полюс источника питания соединить с полупроводником р, а отрицательный полюс – с полупроводником п (рис. 220, б), то электрическое поле источника ослабит действие пространственных зарядов и уменьшит потенциальный барьер, в результате чего возрастает диффу-

Рис. 219. Вольт-ампер-ная характеристика вентиля

Рис. 220. Принцип работы вентиля

зия, а следовательно, и ток через переход р – п. Такое соединение источника является прямым. При обратном соединении, когда положительный полюс источника соединен с полупроводником п, а отрицательный -с полупроводником р, внешнее электрическое поле источника усиливает поле пространственных зарядов и удаляет основные носители тока с обеих сторон перехода (рис. 220, в). В этом случае через переход проходит очень малый ток, создаваемый движением неосновных носителей. Таким образом, контактное соединение двух полупроводников с разными проводимостями обладает односторонней проводимостью, т. е. является вентилем.

Селеновые вентили (рис. 221). На алюминиевую пластину 1 круглой, квадратной или прямоугольной формы нанесен тонкий слой селена 2, а поверх него – слой легкоплавкого сплава 3 из олова, кадмия и висмута. Между слоем селена, имеющего дырочную электропроводимость, и легкоплавким сплавом, обладающим электронной проводимостью, образуется вентильный р – «-переход.

Выпускаются селеновые элементы разных размеров на токи нагрузки от 60 мкА до 24 А на один элемент. Чем больше активная поверхность элемента, тем больший ток можно пропустить через него.

В зависимости от допустимого переменного напряжения селеновые элементы делят на шесть классов:

Класс …… В Г Д Е И К

Допустимое значение действующего переменного напряжения, В 20 25 30 35 40 45

Селеновые вентили собирают в выпрямительные столбики. В столбике отдельные элементы соединяют в различные выпрямительные схемы. В системах автоматики и телемеханики используют однофазный и трехфазный выпрямительные мосты. После длительной работы прямое сопротивление селеновых вентилей повышается, это явление называется старением вентилей. В нормальных условиях работы выпрямителей срок их службы составляет примерно 5 лет. При нарушении нормальных режимов работы (перегрузка, превышение допустимой температуры и т.п.) срок службы выпрямителя сокращается.

Кремниевые вентили. Силовые кремниевые вентили подразделяют на неуправляемые и управляемые (тиристоры). По конструкции они

Рис. 221. Селеновый вентиль

Рис. 222. Пояснение к устройству кремниевого вентиля

Рис. 223. Тиристор

напоминают германиевые вентили, но их изготавливают из других материалов. Основой кремниевого вентиля (рис. 222) является тонкая пластинка 2 чистого кремния, обладающая электронной (п) проводимостью. Эту пластину сплавляют с пластиной алюминия 4. Вследствие диффузии атомов алюминия в кремнии создается тонкий слой 3, обладающий дырочной (р) проводимостью. Таким образом, внутри кремниевой пластины создается р – «-переход, обусловливающий выпрямляющее действие вентиля. Кремниевые вентили находятся в герметичном корпусе, что защищает их от влияния влажности окружающей среды. Один вывод кремниевого вентиля соединяется с алюминиевой пластиной, другой – с токосъемным сплавом 1 серебра с сурьмой, нанесенным на другую сторону пластины кремния. Вентиль проводит ток в направлении от алюминия к кремнию. Выпрямительные кремниевые вентили имеют немного большее пря мое сопротивление, чем германиевые, зато их обратное сопротивление примерно на порядок больше. Допустимое обратное напряжение кремниевых вентилей больше, чем германиевых, и достигает 600 В и более, рабочий ток, доЮОО А рабочая температура от – 60 до + 150′ С. Большое допустимое обратное напряжение позволяет составлять выпрямительные схемы из кремниевых вентилей без их последовательного соединения. Кремниевые вентили имеют небольшие размеры и пропускают большие токи, поэтому они требуют интенсивного охлаждения. При небольших нагрузках их охлаждают с помощью радиаторов, а при больших нагрузках-потоком воздуха от специального вентилятора.

Тиристор (рис. 223) представляет собой кремниевую пластину с «-проводимостью, в которой создается четырехслойная полупроводниковая структура р – « – р – «, состоит из трех р – /1-переходов, включаемых последовательно. Два крайних слоя риле припаянными к ним металлическими электродами являются анодом А и катодом К тиристора. К внутреннему слою с проводимостью р присоединяют управляющий электрод УЭ, через который проходит небольшой ток управления.

Тиристор может находиться в двух состояниях: в выключенном, или закрытом, которое характеризуется большим сопротивлением, и во включенном, или открытом, которое характеризуется малым сопротивлением. Переход из закрытого состояния в открытое осуществляется с помощью подачи на анод большого положительного потенциала или подачи в цепь управляющего электрода УЭ необходимого импульса напряжения. Переход тиристора из открытого состояния в закрытое осуществляется при отключении анодного напряжения или уменьшении прямого тока, проходящего через тиристор, до некоторого минимального значения, называемого удерживающим током.

Кремниевые стабилитроны. Плоскостные кремниевые диоды, предназначенные для стабилизации постоянного напряжения или для получения опорного (образцового неизменного) напряжения, называют кремниевыми стабилитронами или опорными диодами.

Для стабилизации напряжения обычно используют участок АВ вольт-амперной характеристики кремниевого стабилитрона (рис. 224), когда к нему подключают обратное напряжение. При напряжении (УА начинается электрический пробой р – /г-перехода. Напряжению НА соответствует минимальный ток стабилизации /т1П- Обратному напряжению Нв соответствует максимальный ток стабилизации /тах И Наибольшая ДОПуСТИМаЯ МОЩНОСТЬ В СТабИЛИТрОНе РЛ1ах = ИВ/тах-При напряжениях* больших Нв, мощность, выделяемая в стабилитроне, превышает установленный предел. В результате электрический пробой переходит в тепловой и наступает необратимое разрушение р – п- перехода.

Таким образом, в области электрического пробоя (на участке А В вольт-амперной характеристики) кремниевые стабилитроны не перегреваются выше допустимой температуры и не выходят из строя. Причем напряжение пробоя остается почти постоянным при условии, когда обратный ток меняется в очень широких пределах (от /Ш1П до /гаах). Это свойство кремниевых диодов и используют для стабилизации напряжения. Стабилизатор напряжения (рис. 225, а) состоит из кремниевого стабилитрона V и резистора /?„, включенных последовательно. Сопротивление нагрузки Р,„ включают параллельно стабилитрону.

При напряжении НЕХ т1п начинается электрический пробои р – п-перехода стабилитрона V и на выходе стабилизатора устанавливается напряжение Нвыхпнп- При увеличении входного напряжения от (Увхш1п Д° Нвхшах увеличивается ток кремниевого стабилитрона от /гп1п'”л° /тах. а выходное напряжение меняется незначительно от

Рис. 224. Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона

Рис. 225. Стабилизатор напряжения с кремниевым стабилитроном:

а – схема; б – характеристики

^выхпИп Д° ^выхтах- Номинальное ВХОДНОе Напряжение ?/вх.„ом

соответствует точке Б, расположенной на середине рабочего участка АВ характеристики стабилитрона. Изменению входного напряжения А0ВХ = 11вх тах – ?/вх.1,0м будет соответствовать незначительное изменение выходного напряжения А(УвЫХ-= (УВЬ1Х тах – б/вых„.ом. Сопротивление резистора Во выбирается таким, чтобы при напряжении (Увх тах ток кремниевого стабилитрона не превышал заданный предел, за которым происходит пробой и стабилитрон выходит из строя.

Пределы стабилизации напряжения в кремниевом стабилитроне ограничены минимальным /га1п и максимальным /тах токами стабилизации. Напряжение стабилизации кремниевых стабилитронов зависит от их типа и может быть равно от 3,7 до 100 В. Если необходимо стабилизировать более высокое напряжение, то включают несколько стабилитронов последовательно. Параллельное включение стабилитронов не применяется, так как невозможно подобрать стабилитроны с совершенно одинаковыми вольт-амперными характеристиками и при параллельном включении работает только один стабилитрон, у которого электрический пробой наступает раньше. Вольт-амперная характеристика кремниевого диода имеет резкий излом при прямом напряжении 1-1,5 В, поэтому кремниевые диоды можно использовать для стабилизации малых напряжений. В этом случае их включают в прямом направлении.

Кремниевые стабилитроны используют в выпрямителях диспетчерской, горочной и электрической централизации для получения опорного (определенного неизменного) напряжения.

⇐Щелочные никепь-железные и никель-кадмиевые аккумуляторы. Аккумуляторные помещения | Электропитающие устройства и линейные сооружения автоматики, телемеханики и связи железнодорожного транспорта | Классификация схем выпрямления переменного тока и их параметры⇒