Полупроводники и их свойства
В настоящее время подавляющее большинство судов оборудуется электрическими станциями переменного тока. Однако в некоторых случаях бывает необходим и постоянный ток.
Постоянный ток применяется для питания цепей возбуждения электрических машин, для зарядки аккумуляторов, для некоторых элементов автоматического управления (электромагнитное реле времени) и в некоторых других случаях.
Получение для указанных целей постоянного тока осуществляется, главным образом, с помощью выпрямителей, преобразующих переменный ток в постоянный.
Наибольшее значение в современных судовых электрических установках имеют сухие полупроводниковые выпрямители.
Полупроводниками называется особая группа веществ, обладающих электрической проводимостью, меньшей, чем у проводников электрического тока, но большей, чем у изоляторов.
К этой группе веществ относятся окислы, сернистые соединения и сплавы некоторых металлов, а также селен, германий, кремний и
некоторые другие химические элементы. Наиболее часто на судах применяются меднозакисные (купроксные), селеновые, германиевые и кремниевые выпрямители.
Характерной особенностью полупроводников является их свойство резко изменять величину электрической проводимости под влиянием ряда внешних факторов: температуры, давления, освещения, наличия посторонних примесей и т. д. На этом свойстве основано применение полупроводников в установках температурной сигнализации, в радиотехнике и для других разнообразных целей.
Для нас наиболее существенным является то обстоятельство, что контакт между проводником (металлом) и полупроводником может обладать односторонней проводимостью. Этот факт и позволяет осуществить полупроводниковые выпрямительные устройства.
Принцип действия полупроводниковых выпрямителей
Любой полупроводниковый выпрямительный элемент состоит из двух основных частей: металлического электрода и полупроводниковой пластинки. На поверхности соприкосновения металла с полупроводником на последнем в результате технологической обработки или вследствие свойств применяемых материалов образуется тонкий, так называемый запорный слой. Процесс получения этого слоя технологической обработкой носит название формовки выпрямителя.
Сопротивление запорного слоя прохождению тока одного направления значительно (в тысячи раз) меньше, чем току противоположного направления. Первое направление тока называется пропускным, а второе — запорным.
Зависимость между напряжением, приложенным к выпрямительному элементу и током, протекающим через него, характеризует свойства выпрямительного элемента и называется вольт-амперной характеристикой. Примерная вольт-амперная характеристика полупроводникового выпрямителя дана на рис. 1.
Рис. 1
Для практических целей обычно достаточно знать две точки вольт-амперной характеристики, расположенные на ветвях кривых, соответствующих пропускному и запорному направлениям. Значения величин, определяющих эти точки, называются параметрами выпрямителя.
Для пропускного направления параметром является падение напряжения при номинальном токе выпрямительного элемента, или (что все равно) величина тока при данном напряжении.
Параметром запорного направления служит величина обратного тока при номинальном напряжении выпрямителя.
При длительном хранении, а также в процессе работы параметры пропускного направления у некоторых типов выпрямителей изменяются в худшую сторону. Это явление носит название старения выпрямителя.
В процессе эксплуатации при длительном бездействии или под воздействием влаги селеновые выпрямители расформовываются и сопротивление запорного слоя току обратного направления сильно уменьшается. Поэтому селеновые выпрямители должны периодически подвергаться повторной формовке.
Рис. 2
Кроме того, параметры большинства полупроводниковых выпрямителей сильно зависят от температуры. Поэтому в процессе эксплуатации необходимо тщательно следить за тем, чтобы температура выпрямительных элементов не превышала допустимую для них рабочую температуру. В ряде случаев для выполнения этого условия применяют искусственную вентиляцию (охлаждение) выпрямителей.
Каждый выпрямительный элемент может работать только в определенных пределах, допустимых для него значений тока и напряжения. Под рабочим напряжением понимается максимальное допустимое эффективное значение переменного напряжения на единичный выпрямительный элемент при работе выпрямителя в однофазной однополупериодной схеме (о чем будет сказано далее) на омическую нагрузку.
Поэтому для получения нужных значений выпрямленных токов и напряжений отдельные выпрямительные элементы — вентили—соединяют в параллельно и последовательно включаемые группы.
Отношение максимального мгновенного значения выпрямленного напряжения к минимальному его значению называется коэффициентом пульсации выпрямителя.
В зависимости от допустимой степени пульсации, рода нагрузки и требуемой мощности, применяют различные схемы включения выпрямителей. Так как выпрямленное напряжение связано с подводимым переменным напряжением вполне определенным соотношением (зависящим от схемы включения выпрямителя), то для получения стандартных значений выпрямленного напряжения переменное напряжение подводят через трансформатор.
На рис. 2 даны наиболее употребительные схемы выпрямления, а в табл. 1 — наименования этих схем и соотношения между электрическими параметрами для случая активной нагрузки и идеальных выпрямителей. Для конкретных, выпускаемых промышленностью, типов выпрямителей необходимо учесть падение напряжения в них.
Обозначения:
U — действующее значение переменного напряжения (при мостовых схемах линейное);
Udх — среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе;
U0 — амплитуда обратного напряжения;
Id — среднее значение выпрямленного тока;
Idmax — максимальное значение тока в цепи нагрузки;
I1d —среднее значение выпрямленного тока в плече.
В однополупериодной схеме выпрямитель выпрямляет только одну полуволну синусоиды, для другой (обратного направления) он заперт. В двухполупериодных схемах происходит выпрямление как прямой, так и обратной полуволны.
Типы выпрямителей и их свойства
Первыми, по времени освоения, появились меднозакисные (купроксные) выпрямители, устройство которых схематически изображено на рис. 3.
Рис. 3
Выпрямитель состоит из медного основания 1 (плюсовый электрод), покрытого слоем закиси меди 3, на которую нанесен второй (минусовый) электрод 4.
Минусовый электрод у выпрямителей малой мощности выполняется из серебра, а у более мощных состоит из двух слоев: меди и никеля, наносимых электрохимическим путем.
Между основанием 1 и слоем закиси меди 3 в результате особой технологической обработки возникает запорный слой 2.
Отдельные вентили выпускаются в виде дисков, шайб и прямоугольных пластин. Собранные выпрямители помещают в герметизированный корпус или покрывают водостойким лаком, так как на меднозакисные выпрямители влага оказывает вредное воздействие.
Рис. 4
Допустимая плотность тока для купроксных выпрямителей составляет 50—60 ма/см2. Рабочее эффективное напряжение составляет 8— 10 в, пробивное напряжение 40— 70 в и к. п. д. порядка 55—65%.
Характерными особенностями купроксных выпрямителей является отсутствие необходимости в формовке, отсутствие явления расформовки, старение этих выпрямителей происходит независимо от того, работают ли они или бездействуют (при этом наиболее интенсивное старение происходит за первый год после изготовления выпрямителя и в дальнейшем почти не наблюдается). В связи с последним обстоятельством купроксные выпрямители, за исключением наиболее мощных, при их изготовлении подвергаются искусственному старению, после которого их параметры практически остаются стабильными.
Меднозакисные выпрямители могут работать при температуре окружающей среды от —25 до +55-60° С.
При электрическом пробое они не восстанавливаются и подлежат замене.
На судах этот тип выпрямителей используется в основном в электроизмерительных приборах.
Селеновые выпрямительные элементы выпускаются трех типов, конструкция которых схематически дана на рис. 4.
Элемент типа ВС (рис. 4, а) состоит из стального основания 1 с никелевым покрытием 2 (отрицательный электрод), слоя кристаллического селена 3 и положительного электрода 5, состоящего из сплава олова с кадмием. На поверхности селена, примыкающей к положительному электроду, в результате процесса формовки образуется запорный слой 4.
Выпрямители типа ABC отличаются от выпрямителей типа ВС тем, что отрицательным электродом у них служит алюминий, покрытый слоем висмута (рис. 4, б).
Рис. 5
Выпрямители типа ТВС (рис. 48, в) собираются на алюминиевом основании 1 (положительный электрод), на которое наносится слой кристаллического селена 3, отрицательным электродом 5 у них служит алюминиевая фольга, покрытая слоем висмута 4. Запорный слой 2 в результате формовки выпрямителя возникает на поверхности селена, примыкающей к алюминиевому основанию 1. Как видим, полярность выпрямительных элементов типа ТВС противоположна полярности элементов типов ВС и ABC.
Селеновые выпрямительные элементы выпускаются в виде дисков, круглых шайб или квадратных пластин. Комплектные выпрямительные устройства, состоящие из дисковых элементов, собираются в пластмассовых трубках или металлических корпусах. Выпрямительные блоки из круглых шайб или квадратных пластин собираются на металлической изолированной шпильке, образуя так называемые выпрямительные столбы.
На рис. 5 дана схема сборки такого столба на шпильке 1, покрытой слоем изоляции 2. На шпильку надеваются выпрямительные элементы 3, имеющие для этой цели центральные отверстия. Между выпрямительными элементами расположены контактные шайбы 4, промежуточные шайбы 5 и радиаторные шайбы 6, служащие для отвода тепла. Вся сборка с концов изолируется шайбами 7 и стягивается гайками 8.
Отечественной промышленностью селеновые выпрямительные элементы выпускаются на рабочее напряжение от 12 до 36 в; пробивное напряжение для выпрямителей на стальной основе равно 50— 80 в, а на алюминиевой 80—100 в. Длительно допустимый ток при температуре окружающей среды 35° С и при естественном охлаждении составляет от 0,04 до 8 а на элемент в зависимости от размеров вентилей и схем их соединения. Плотность тока при этом находится в пределах 40—60 ма/см2.
При повышении температуры окружающей среды выше 35° С нагрузка должна быть снижена, но при искусственном охлаждении допустимую нагрузку можно увеличить. Так, принудительная вентиляция со скоростью воздушного потока 27—28 м/мин позволяет увеличить нагрузку на селеновый выпрямитель вдвое.
К. п. д. селеновых выпрямителей составляет 50—70% для однофазных схем и 60—80% для трехфазных.
Ценным свойством селеновых выпрямителей является их способность оставаться в работе после электрического пробоя, если при последнем не нарушен катодный слой.
Рис. 6
При изготовлении германиевого выпрямителя пластинка чистого монокристаллического германия 1 (рис. 6) припаивается оловом к металлическому основанию выпрямителя 2. Затем на германиевую пластинку накладывается пластинка индия 3. В результате термической обработки индий диффундирует в германий, образуя запорный слой. К верхней поверхности пластинки индия припаивается гибкий токоотвод 4, соединяющийся с верхней контактной шпилькой 5, пропущенной через изолятор 6. Так как германий боится влаги, то выпрямитель заключается в металлический корпус 7, надетый на основание 1 и уплотненный прокладкой 8. В основание ввернута нижняя контактная шпилька 9.
Особенностью германиевых выпрямителей являются их малые размеры по сравнению с купроксными и селеновыми. Допускаемая плотность тока в германиевых выпрямителях в 1 500 раз больше, чем в селеновых, и в 4 000 раз больше, чем в купроксных. Однако малые размеры германиевых выпрямителей создают затруднения в отводе от них тепла. Наиболее эффективным методом отвода тепла является применение радиаторов с воздушным, водяным или масляным охлаждением.
Нормальный перегрев германиевого элемента при номинальной нагрузке не должен превышать 30° С при температуре окружающей среды 35° С. При повышении температуры окружающей среды до 50° С нагрузку следует снижать до 40% от номинальной.
К положительным свойствам германиевых выпрямителей относятся отсутствие необходимости в формовке, малое старение, длительная стабильность основных параметров и высокий к. п. д., составляющий 98—99%.
В настоящее время имеются германиевые выпрямительные элементы на ток до 200 а и обратное напряжение 200 в.
Комплектные германиевые выпрямители, собранные из отдельных элементов, выпускаются мощностью в несколько тысяч киловатт при токе до 100 000 а.
Наиболее перспективным типом полупроводниковых выпрямителей являются кремниевые выпрямители, конструкция которых аналогична конструкции германиевых.
Кремниевые выпрямители мало чувствительны к изменению температуры окружающей среды и могут работать в диапазоне температур от -65 до +250° С. Они допускают также более высокие плотности тока (до 200 а/см2 при естественном охлаждении), имеют высокое допустимое обратное напряжение (до 200 в) и к. п. д., достигающий 99%.
