КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ЭНЕНРГИИ И ПЕРЕДАЧЕ ИНФОРМАЦИИ

ВВЕДЕНИЕ

Современный мир трудно представить без полупроводниковых приборов. Они открывают большие возможности в самых различных областях науки, техники, быту, медицине, военной и аэрокосмической отраслях.

Основной целью дипломного проекта является разработка стендов для изучения и исследования полупроводниковых приборов с использованием современных компонентов оборудования «Основы аналоговой электроники» предназначенных для быстрого освоения лабораторного практикума по разделам курсов «Электронная техника», «Промышленная электроника», «Электроника и микроэлектроника».

В проекте рассмотрены следующие вопросы:

классификация полупроводниковых приборов и их применение в преобразователях энергии и передаче информации;

система условных обозначений диодов и транзисторов. Основные характеристики и параметры. Способы охлаждения. Расчёт нагрузочной способности;

исследования силовых полупроводниковых приборов на лабораторном стенде;

специальные типы диодов. Система условных обозначений. Основные характеристики и параметры;

транзисторы. Система обозначений. Основные характеристики и параметры;

охрана труда и техника безопасности при проведении работ;

технико-экономический расчет;

безопасность в чрезвычайных ситуациях.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ЭНЕНРГИИ И ПЕРЕДАЧЕ ИНФОРМАЦИИ

Назначение и классификация полупроводниковых приборов

Полупроводниковыми приборами называются электронные устройства, действие которых основано на электронных процессах в полупроводниках. В электронике полупроводниковые приборы используются для обработки электрических сигналов, а также для преобразования одних видов энергии в другие. Полупроводниковые приборы делятся на дискретные и интегральные.

Дискретные полупроводниковые приборы, выполняются в виде отдельных устройств, различаются по назначению, виду характеристик, типу материала, принципу действия, области применения, конструкции и технологии. К их основным классам относят:

электропреобразовательные приборы (диод, транзистор, тиристор и другие);

оптоэлектронные приборы, преобразующие световые сигналы в электрические и наоборот (фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, полупроводниковый лазер, излучающий диод и т.д.);

термоэлектрические, преобразующие тепловую энергию в электрическую и наоборот (термоэлемент, термоэлектрический генератор, терморезистор и т.п.);

магнитоэлектрические приборы (измерительный преобразователь на основе эффекта Холла);

пьезоэлектрические и тензометрические приборы, реагирующие на изменение давления или механическое смещение.

Интегральные полупроводниковые приборы являются активными элементами интегральных схем. Интегральные схемы состоят из интегральных диод, транзистор, тиристор, резисторов, конденсаторов и соединений между ними. Элементы интегральных схем создаются в едином техническом цикле на одном кристалле полупроводника. Если же пассивные элементы изготавливают отдельно на диэлектрической подложке, а активные элементы устанавливают в схему в виде дискретных бескорпусных полупроводниковых приборов, то интегральная схема называется гибридной.

Интегральные системы классифицируются по областям использования (аналоговые и цифровые). Цифровые включают в себя логические, счетно-преобразовательные и интегральные схемы памяти. Аналоговые интегральные схемы охватывают приборы усиления, источники вторичного питания, сверхвысокочастотные схемы.

В зависимости от применяемого полупроводникового материала различают германиевые. Кремневые, арсенид-галлиевые и другие приборы.

По конструктивным и технологическим признакам полупроводниковые приборы разделяют на точечные и плоскостные. Плоскостные в свою очередь делятся на диффузионные, мезапланарные, планарные и другие. Основной технологией полупроводниковых приборов является планарная технология.

В зависимости от мощности преобразуемых сигналов различают полупроводниковые приборы малой мощности (токи до 10А) и силовые полупроводниковые приборы (СПП).

Применение полупроводниковых приборов в преобразователях энергии и передаче информации.

Преобразователь электрической энергии — это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования параметров электрической энергии (Рис.1.1)

Рис 1.1. Классификация по характеру преобразования

Выпрямители

Выпрямители делятся на выпрямители тока и выпрямители напряжения.

В выпрямителях тока ток на выходе протекает в одном направлении, а мгновенные значения напряжения на выходе могут менять полярность. В качестве вентилей в них применяют диоды и тиристоры.

В выпрямителях напряжения напряжение на выходе не меняет полярность, а ток на выходе может менять направление. В качестве вентилей в них применяют диоды и транзисторы или запираемые тиристоры.

В настоящее время основное применение имеют выпрямители тока. Именно они рассматриваются в этой и последующих главах. Для сокращения в дальнейшем будем называть их просто выпрямителями, опуская слово тока.

Выпрямители напряжения сложнее и будут рассмотрены позже. Выпрямители тока классифицируются по ряду признаков (рис. 1.2).

Рис. 1.2 Классификация выпрямителей

1. По числу фаз выпрямители делятся:

а) на однофазные, которые питаются от однофазной сети;

б) на многофазные, которые питаются от многофазной сети.

2. По числу выпрямляемых полуволн выпрямители делятся:

а) на однополупериодные;

б) на двух полупериодные.

3. По построению схем выпрямители делятся на следующие:

а) нулевые (однотактные, в которых ток по вторичной обмотке трансформаторов протекает в одном направлении);

б) мостовые (двухтактные, в которых ток по вторичной обмотке трансформаторов протекает в двух направлениях). В мостовой схеме трансформатор может отсутствовать.

4. По мощности выпрямители делятся на следующие:

а) малой мощности (до сотен ватт);

б) средней мощности (до десятков киловатт);

в) большой мощности (сотни и тысячи киловатт).

5. По возможностям управления выпрямители делятся:

а) на неуправляемые, выполненные на диодах;

б) на управляемые, выполненные на тиристорах.

На рис. 1.3 приведена обобщенная структурная схема выпрямителя, содержащая сетевой фильтр СФ, трансформатор Т, вентильный блок ВБ, сглаживающий фильтр СГФ, стабилизатор СТ, систему управления СУ и нагрузку Н. Энергия из сети подается через сетевой фильтр, служащий для уменьшения вредного влияния выпрямителя на питающую сеть. Трансформатор служит для согласования выпрямленного напряжения и напряжения сети, а также для потенциального разделения нагрузки и сети. Вентильный блок служит для выпрямления переменного тока. Сглаживающий фильтр осуществляет фильтрацию (сглаживание) выпрямленного напряжения. Стабилизатор обеспечивает поддержание с необходимой точностью требуемой величины постоянного напряжения на нагрузке в условиях изменения напряжения питающей сети и тока нагрузки. Система управления в управляемом выпрямителе обеспечивает регулирование выпрямленного напряжения.

Рис. 1.3. Обобщённая структурная схема выпрямителя

Не все указанные блоки обязательно присутствуют в схеме. В зависимости от предъявляемых требований могут отсутствовать все блоки, кроме ВБ. Однако, в большинстве случаев необходим и трансформатор. Поэтому в дальнейшем процессы рассматриваются для комплекта Т - ВБ. Наличие сглаживающего фильтра оказывает значительное влияние на режим работы выпрямителя и его элементов. Существенным при этом является характер входной цепи сглаживающего фильтра, определяющий совместно с внешней нагрузкой вид нагрузки выпрямителя.

Возможны следующие виды нагрузок выпрямителя (с учетом фильтра):

а) активная;

б) активно-индуктивная (например, выпрямитель работает на обмотку возбуждения двигателя);

в) активно-индуктивная с противо-ЭДС (выпрямитель работает на якорь двигателя);

г) активно-емкостная (емкостный фильтр).

В виду сложности расчетов выпрямителей, анализ процессов в них в первом приближении выполняется при упрощающих допущениях об индуктивности нагрузки. Принимается, что либо индуктивность в цепи выпрямленного тока L_d =0, либо L_d =∞.

Инверторы

Классификация инверторов

Инвертирование - это преобразование постоянного тока в переменный. Существует два типа инверторов: ведомые и автономные.

Ведомые инверторы (ВИ) работают на сеть, в которой есть другие источники электроэнергии. Коммутации вентилей в них осуществляются за счет энергии этой сети. Частота на выходе ВИ равна частоте сети, а напряжение - напряжению сети.

Автономные инверторы (АИ) - это инверторы, которые работают на сеть, в которой нет других источников электроэнергии. Коммутации вентилей в них осуществляются благодаря применению полностью управляемых вентилей или устройств искусственной коммутации. При этом частота на выходе АИ определяется частотой управления, а напряжение – параметрами нагрузки и системой регулирования.

Наиболее часто ведомые инверторы применяются, когда нужно отдать механическую энергию, запасенную в маховых массах электродвигателя и рабочей машины, обратно в сеть. Торможение электропривода, осуществляемое таким образом, является наиболее энергетически эффективным. Количество возвращаемой энергии может быть весьма велико.

Автономные инверторы применяются для получения регулируемой частоты в электроприводах переменного тока, а также для получения более высоких частот в электротермических и электротехнологических установках. Они являются основной частью преобразователей частоты.

Переход от выпрямительного к инверторному режиму

Ведомые инверторы выполняются по тем же схемам, что и управляемые выпрямители. Переход от выпрямительного к инверторному режиму возможен в системе (рисунок 1.4 а), содержащей выпрямитель и электрическую машину (ЭМ). Реактор (индуктивность L_d) между выпрямителем и ЭМ воспринимает на себя разницу мгновенных значений ЭДС выпрямителя и ПЭДС двигателя. На рисунке 1.4 б приведены диаграммы токов и напряжений, иллюстрирующие процессы в выпрямителе, нагруженном на ЭМ, работающую в двигательном режиме. ЭДС выпрямителя создается в основном положительными участками полуволн напряжения и ее среднее значение положительно. Также положительна ПЭДС двигателя.

Если угол управления увеличить до 90°, то ЭДС выпрямителя уменьшится до нуля, и двигатель остановится. При этом ЭДС выпрямителя в одинаковой степени создается положительными и отрицательными участками полуволн напряжения (рисунок 1.4 в).

Изменение направления потока мощности в системе, содержащей вентили, возможно только по второму способу, описанному выше. Для того чтобы перейти из выпрямительного режима в инверторный нужно:

1) привести во вращение ЭМ в другом направлении, подведя к ней механическую энергию и переведя ее в генераторный режим;

2) увеличить угол управления (больше 90°), чтобы в основном использовать отрицательные участки полуволн напряжения сети и сделать среднее значение ЭДС инвертора отрицательным (рисунок 1.4 г).

При описании процессов в ведомом инверторе, кроме угла управления a (угла запаздывания), используется угол управления b (угол опережения), отсчитываемый от точки, находящейся через 180° от точки естественной коммутации. Следовательно, β = 180°-α.

Угол управления β не может достигать 0°, т.к. требуется время на восстановление запирающих свойств тиристора в прямом направлении (рисунок 1.4 г).

Рис. 1.4. Переход из выпрямленного в инверторный режим в трёхфазной нулевой схеме (а); б, в, г – диаграммы токов и напряжений при различных углах α.

Регулировочные и внешние характеристики ведомого инвертора

Преобразователь, который может работать как в выпрямительном, так и в инверторном режиме назовем ведомым преобразователем. На рисунке 1.5 приведены внешние и регулировочные характеристики ведомого инвертора в режиме непрерывного тока совместно с характеристиками выпрямителя.

Рис.1.5. Регулировочные характеристики преобразователя в непрерывном и прерывистом режиме при работе на ПЭДС (а) и его внешние характеристики в непрерывном режиме (б)

Напряжение на зажимах постоянного тока инвертора назовем инвертируемым напряжением. Так как оно измеряется между теми же точками, что и выпрямленное, то будем обозначать их одинаково - U_d.Закон изменения этого напряжения при изменении угла управления тот же, что и в выпрямительном режиме. Поэтому регулировочная характеристика ведомого преобразователя в непрерывном режиме (рис. 1.5 а) определяется тем же уравнением

U_daо = U_d_оcosα . (1.1)

Коммутация вентилей происходит за счет напряжения сети, и на участке коммутации напряжение идет посредине между фазными ЭДС (рис. 7.4 а - б). За счет дополнительной коммутационной площадки с ростом тока напряжение по модулю увеличивается.

Внешние характеристики приведены на рисунке 1.5 б.

Рисунок 1.6. Диаграммы токов и напряжений в ведомом инверторе при Х_d=∞, X_a ≠ 0 для трёхфазной нулевой (а) и мостовой (б) схем

В первом квадранте (для выпрямителя) они связывают выходные величины и являются выходными. Характеристики в 4-м квадранте (ведомого инвертора) связывают входные величины (по энергетическому каналу) и поэтому являются входными. Внешние характеристики выпрямителя по смыслу являются выходными, и поэтому выходное напряжение за счет внутреннего сопротивления с ростом тока падает. Внешние характеристики инвертора являются по смыслу входными и поэтому, если необходимо «загнать» в инвертор больший ток, нужно подать на вход большее напряжение.

Внешние характеристики с учетом наличия области прерывистого режима приведены на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7. Внешние характеристики ведомого преобразователя, выполненного по трёхфазной нулевой (а) и трёхфазной мостовой (б) схемам.

Преобразователи частоты

Преобразователи частоты (ПЧ) предназначены для преобразования переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты. Преобразователи частоты для частотно-регулируемых электроприводов преобразуют электроэнергию, поступающую из сети переменного тока, в электроэнергию с меняющейся по заданным законам частотой и напряжением.

Преобразователи частоты по построению могут быть разбиты на два типа:

а) двухзвенные преобразователи частоты (ДПЧ);

б) непосредственные преобразователи частоты (НПЧ).

В ДПЧ первое звено представляет собой выпрямитель (управляемый или неуправляемый) с фильтром на выходе, а второе - автономный инвертор. Таким образом, нагрузка связана с сетью через два звена, и происходит двукратное преобразование энергии. Второе звено в ДПЧ может быть выполнено как на основе автономного инвертора напряжения (АИН), так и на основе автономного инвертора тока (АИТ).

ДПЧ позволяют получить на выходе частоты как меньшие, так и большие входных. Их недостаток - двойное преобразование энергии, ведущее к увеличению потерь.

НПЧ выполняются на основе реверсивных преобразователей. Однофазный НПЧ представляет собой двухкомплектный реверсивный преобразователь, на выходе которого подключена нагрузка. Каждый комплект вентилей пропускает одну полуволну тока. Трехфазный НПЧ представляет собой три реверсивных преобразователя, каждый из которых питает одну фазу нагрузки.

НПЧ позволяют получить на выходе частоты, только меньшие входных. В НПЧ происходит однократное преобразование энергии.

Принцип действия НПЧ

В НПЧ напряжение сети подается непосредственно на двигатель черезуправляемые вентили. Каждая фаза НПЧ выполняется на основ реверсивногодвухкомплектного преобразователя с раздельным или совместнымуправлением комплектами.

На рисунке 1.8 а приведена схема трехфазно-однофазного НПЧ, выполненного на основе трехфазных нулевых схем, преобразующего трехфазное напряжение сети частотой 50 Гц в однофазное с регулируемой частотой. При переключении комплектов В и Н на выходе формируется двуполярное напряжение. Возможны два закона управления - прямоугольный и синусоидальный. При прямоугольном управлении в течение полуволны тока на один комплект подаются управляющие импульсы с углом управления (углом задержки) a = const пока этот комплект работает в выпрямительном режиме, а затем с углом управления (углом опережения) b = a, когда для снижения тока необходим переход в инверторный режим (рисунок 1.8 б). После бестоковой паузы аналогично подаются управляющие импульсы на второй комплект.

При синусоидальном управлении угол управления a непрерывно меняется так, чтобы гладкая составляющая выходного напряжения изменялась по синусоидальному закону (рисунок 1.8 в).

Рисунок 1.8. Схема трёхфазно-однофазного НПЧ (а), диаграммы напряжения и тока нагрузки при прямоугольном управлении (б) и диаграммы напряжения на нагрузке при синусоидальном управлении (в)

Схема трехфазно-трехфазного НПЧ, выполненного на основе трехфазных мостовых схем приведена на рисунке 1.9. Эта схема требует разделения фаз нагрузки.

Рисунок 1.9. Схема трёхфазно-трёхфазного НПЧ

Введение

Лабораторные занятия по курсу «Электронная преобразовательная техника» дают представление о физических свойствах, параметрах и характеристиках дискретных полупроводниковых приборов.

Лабораторный стенд имеет источники питания, наборную панель с гнёздами и клеммами для сборки электрических схем, необходимых для снятия характеристик используемого прибора. На рабочем месте имеется комплект проводов с наконечниками, измерительными и исследуемыми приборами. На рисунке 3.1 представлен план учебной лаборатории.

Рисунок 3.1 План учебной лаборатории

Входное напряжение блока питания 127 В. Выходное напряжение постоянное:

200 В 1 А;

0…15 В 0, 5 А – регулируемый G1;

0…15 В 0, 5 А – регулируемый G2;

0…5 В 3 А – регулируемый G3.

Регулируемые источники питания имеют защиту от короткого замыкания. При срабатывании защиты необходимо выключить стенд и выдержать в таком состоянии 5…10 сек.

Источник питания выполнен в виде отдельного модульного элемента в корпусе и вмонтирован в лабораторный стенд.

Источник питания осеспечивает

200 В; 0, 1 А – нерегулируемый;

50 В; 5 А – нерегулируемый;

5 В; 0, 3 А – для питания входных цепей транзисторов, регулируемый 0…4, 5 В;

15 В; 0, 5 А – для питания выходных цепей транзисторов, регулируемый 0…14 В.

Виды и обозначение диодов

В зависимости от свойств и поведения ВАХ различают следующие виды диодов.

1) Выпрямительные диоды различных классов, отличающиеся напряжением, временем переключения, рабочей полосой частот. ВАХ как у обычного p-n-перехода. Обозначение стандартное (таблица 2.1). В качестве выпрямительных используют сплавные эпитаксиальные и диффузионные диоды, выполненные на основе несимметричных p-n-переходов. Для выпрямительных диодов характерны малые сопротивления и большие токи в прямом режиме. Барьерная емкость из-за большой площади перехода достигает значений десятков пикофарад. Германиевые выпрямительные диоды применяют до температур 70-80^оС, кремниевые до 120-150^оС, арсенид-галлиевые до 150^оС.

Основные параметры выпрямительных диодов:

U_{обр, макс} –максимально допустимое обратное напряжение, которое диод может выдержать без нарушения его работоспособности;

I_{вып, ср} - средний выпрямленный ток;

I_{пр, п} – пиковое значение импульса тока при заданных максимальной длительности, скважности и формы импульса;

U_{пр, ср} – среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока;

P_ср – средняя за период мощность, рассеиваемая диодом, при протекании тока в прямом и обратном направлениях;

r_диф – дифференциальное сопротивление диода в прямом режиме.

Стоит отметить класс импульсных диодов, имеющих очень малую длительность переходных процессов из-за малых емкостей переходов (доли пикофарад); уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади p-n-перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них меньше, чем у низкочастотных выпрямительных диодов. Их используют в импульсных схемах.

К параметрам, перечисленным выше, для импульсных диодов следует отнести общую емкость С_Д, максимальные импульсные прямые и обратные напряжения и токи, время установления прямого напряжения от момента подачи импульса прямого тока до достижения им заданного значения прямого напряжения и время восстановления обратного сопротивления диода с момента прохождения тока через нуль до момента, когда обратный ток достигает заданного малого значения (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 Ток обратной ветви

После изменения полярности напряжения в течение времени t₁ обратный ток меняется мало, он ограничен только внешним сопротивлением цепи. При этом заряд неосновных носителей, накопленных в базе диода, рассасывается. Далее ток уменьшается до своего статического значения при полном рассасывании заряда в базе.

2) Стабилитроны – диоды, предназначенные для работы в режиме электрического пробоя. Условное обозначение отличается от стандартного (таблица 2.1). В этом режиме при значительном изменении тока стабилитрона напряжение на нем меняется мало. В низковольтных (до 5, 7В) стабилитронах используется туннельный пробой, а в высоковольтных – лавинный пробой. В них более высокоомная база.

Основные параметры:

U_ст – напряжение стабилизации при заданном токе в режиме пробоя;

I_{ст, мин} и I_{ст, макс} – минимально допустимый и максимально допустимый токи стабилизации;

r_ст – дифференциальное сопротивление стабилитрона на участке пробоя;

- температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилизации при заданном токе стабилизации. Туннельный пробой характеризуется отрицательным ТКН, а лавинный - положительным.

Для стабилизации малых напряжений (0, 3…1, 9В) используют диоды, называемые стабисторами, которые работают в прямом режиме, имеют специальную форму прямой ветви. Обозначение такое же, как у выпрямительных диодов.

3) Диод Шотки – разновидность выпрямительных диодов, работающий на основе выпрямляющего контакта металл – полупроводник, образующего контактную разность потенциалов из-за перехода части электронов из полупроводника n -типа в металл и уменьшения концентрации электронов в полупроводниковой части контакта. Эта область обладает повышенным сопротивлением. При подключении внешнего источника плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, потенциальный барьер понизится и через переход пойдет прямой ток.

В диоде Шотки отсутствуют явления накопления и рассасывания основных носителей, поэтому они очень быстродействующие и могут работать на частотах до десятков ГГц. Прямое напряжение составляет ~0, 5 В, прямой допустимый ток может достигать сотни ампер, а обратное напряжение – сотен вольт. ВАХ диода Шотки напоминает характеристику обычных p-n-переходов, отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8-10 декад напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи достаточно малы – 10^-10…10^-9 А.

Конструктивно диоды Шотки выполняют в виде пластины из низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла.

Диоды Шотки применяют в переключательных схемах, а также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах, из-за соответствующей вида его ВАХ.

4) Варикап – полупроводниковый диод, предназначенный для работы в качестве емкости, величина которой зависит от приложенного к нему напряжения. Основная его характеристика – вольт-фарадная С( U ) (таблица 2.1).

Варикап работает как правило при обратном напряжении, при изменении которого изменяется в широких пределах барьерная емкость диода, причем:

, (4.1)

где С(0) – емкость при нулевом напряжении на диоде; - контактный потенциал; n=2 для резких и n =3 для плавных p-n-переходов.

Основные параметры варикапа:

С – емкость, измеренная между выводами при заданном обратном напряжении;

- коэффициент перекрытия по емкости;

r_П – суммарное активное сопротивление диода;

- добротность, определяемая при заданном значении емкости.

5) Туннельный диод – полупроводниковый диод с падающим участком на прямой ветви ВАХ, обусловленный туннельным эффектом. Обозначение и ВАХ даны в таблице 2.1. Падающий участок характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением.

В зависимости от функционального назначения туннельные диоды условно подразделяются на усилительные, генераторные и переключательные.

4.2. Основные параметры:

I_П и U_П – пиковые ток и напряжение начала падающего участка;

I_В и U_В – ток и напряжение впадины (конца падающего участка);

- отношение тока впадины к пиковому току;

U_Р – диапазон напряжений падающего участка ( раствор).

L_Д – полная последовательная индуктивность диода при заданных условиях (рис.4.2, представляющий схему замещения диода на падающем участке ВАХ для малых изменений тока и напряжения на диоде).

Рисунок 4.2 Схема замещения диода

f₀ – резонансная частота, при которой общее реактивное сопротивление p-n-перехода и индуктивности корпуса обращается в нуль;

f_R - предельная резистивная частота, при которой активная составляющая полного сопротивления последовательной цепи, состоящей из p-n-перехода и сопротивлений потерь, обращается в нуль;

К_Ш – шумовая постоянная туннельного диода, определяющая коэффициент шума диода;

r_П – сопротивление потерь, включающее сопротивление кристалла, контактных соединений и выводов.

Разновидностью туннельного диода является обращенный диод. Это полупроводниковый диод, физические явления в котором подобны физическим явлениям в туннельном диоде. Его рассматривают иногда как вариант туннельного диода. Здесь участок с отрицательным сопротивлением выражен более слабо, чем у туннельного, а иногда даже отсутствует. Обозначение и ВАХ даны в таблице. Обратная ветвь обращенного диода используется как прямая ветвь обычного диода.

Таблица 4.1

Тип диода	Условное обозначение	Характеристика
Выпрямительный
Диод Шотки
Стабилитрон
Стабистор
Варикап
Туннельный диод
Обращенный диод

Классификация транзисторов

Транзистор - это электропреобразовательный прибор, содержащий два и более p -n -переходов, имеющий три и более вывода и предназначенный для усиления мощности. В силовой электронике транзисторы практически всегда применяются только в ключевом режиме, то есть могут быть либо полностью открыты, либо полностью закрыты. Транзисторы обычно не допускают приложения к ним обратного напряжения и, поэтому, шунтируются встречно включенными диодами. Такое сочетание транзистора и диода будем называть транзисторным ключом.

В настоящее время существует множество различных типов транзисторов. На рисунке 6.1 приведена классификация основных типов транзисторов.

Транзисторы по принципу действия делятся на биполярные (управляемые током), униполярные (управляемые электрическим полем или полевые) и /GST-транзисторы. Аббревиатура IGBT- это сокращение названия Insulated gate bipolar transistor.В переводе это значит биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ).

В биполярных транзисторах ток определяется движением носителей зарядов обоих знаков: электронов и дырок, поэтому они называются биполярными.

В полевых транзисторах ток определяется шириной проводящего канала, по которому движутся носители зарядов одного знака, отсюда их другое название - униполярные.

IGBT-транзисторы являются гибридными, в них сочетаются положительные свойства биполярных и полевых транзисторов.

Биполярные транзисторы содержат три чередующихся слоя с различным типом проводимости. Средний слой структуры называется базой. Крайний слой, являющийся источником носителей заряда, называется эмиттером. Другой крайний слой, принимающий заряды, называется коллектором. В зависимости от порядка их чередования биполярные транзисторы делятся на транзисторы типа n-p-n и p-n-p.

Полевые транзисторы (ПТ) делятся по принципу действия на ПТ с затвором в виде p-n-перехода и на ПТ с изолированным затвором (ПТИЗ). Последние по их структуре называют также МОП-транзисторами.

Рис. 6.1. Классификация основных типов транзисторов (к - коллектор; э -эмиттер; б - база; с - сток; и - исток; з - затвор; п - подложка) (металл – окисел- полупроводник) или МДП-транзисторами (металл-диэлектрик - полупроводник).

Электрод, из которого выходят основные носители, называется истоком. Электрод, куда приходят основные носители, называется стоком. От истока к стоку носители движутся по каналу. Электрод, регулирующий ширину канала, называется затвором.

МОП-транзисторы могут быть выполнены с встроенным и с индуцированным каналом. МОП-транзисторы с встроенным каналом при отсутствии управляющего сигнала открыты (нормально открыты). МОП-транзисторы с индуцированным каналом при отсутствии управляющего сигнала закрыты (нормально закрыты).

Из полевых транзисторов МОП-транзисторы с индуцированным каналом получили наибольшее применение в преобразовательной технике.

В зависимости от типа полупроводника, из которого выполнен канал, ПТ делятся на ПТ с каналом n-типа и ПТ с каналом p-типа. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) или, как они сокращенно называются по-английски / GBT, представляют собой гибрид биполярного транзистора и ПТИЗ, сочетающий их лучшие свойства. БТИЗ - это сложная многослойная структура и процессы в ней весьма сложны. Поэтому на рисунке 6.2 приведена очень упрощенная схема замещения. При подаче на затвор З напряжения, положительного относительно точки Э, ПТИЗ открывается и начинает проходить ток от точки К через эмиттерно-базовый переход биполярного транзистора и открытый ПТИЗ к точке Э. При этом открывается биполярный транзистор, через который проходит ток от точки К к точке Э. Буквами Э, К, З обозначены эмиттер, коллектор и затвор БТИЗ. БТИЗ могут работать только в ключевом режиме.

БТИЗ в настоящее время получили наибольшее распространение в устройствах силовой электроники при мощностях от сотен Вт до тысячи кВт.

Рисунок 6.2. Упрощенная схема замещения БТИЗ

Анализ опасных факторов

Согласно ГОСТ 12.0.003-99 системы стандартов безопасности труда опасные и вредные производственные факторы подразделяют по природе действия на физические, химические, биологические и психофизиологические.

В таблице 8.1 приведены характеристики опасных и вредных производственных факторов, действующих на обслуживающий персонал.

Таблица8.1 Характеристика опасных и вредных производственных факторов (ОВПФ)

ОВФП	Источник	норма	Документ	Чем обеспечивается защита
Электрический ток	Электротехни-ческие устройства	1, 0 мА	ГОСТ 12.1.030-01	Защитное заземление, Защитное отключение
Недостаточное освещение	Газоразрядные лампы	Не менее 250 лк	СНИП 2-4-01	Дополнительными лампами
Относительная влажность		40-60%	ГОСТ 12.1.005-91	Кондиционирование
Запыленность воздуха		6 мг/м³	ГОСТ 12.1.005-91	Кондиционирование

Продолжение таблицы 8.1

ОВПФ	Источник	Норма	Документ	Чем обеспечивается Защита
Повышенная температура воздуха		18÷ 20	ГОСТ12.1.005-91	Кондиционирование
Скорость движения воздуха		До 0, 2м/с	ГОСТ12.1.005-91	Кондиционирование

В соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.019-01, 12.1.038-01 мероприятия по защите работающих от действия электрического тока подразделяются на:

организационные;

коллективные;

индивидуальные.

К организационным мероприятиям относятся:

назначение лиц, ответственных за организацию и производство работ;

оформление работы распоряжением;

допуск к работе;

надзор во время работы.

К коллективным мероприятиям относятся:

отключения питания;

обеспечение невозможности ошибочного включения;

установка знаков безопасности и ограждение частей оставшихся под напряжением.

К индивидуальным мероприятиям относятся использование работающим индивидуальных средств защиты.

К техническим способам защиты относятся:

защитное заземление;

зануление;

защитное отключение.

Требование безопасности к оборудованию лаборатории отражены в ГОСТ 12.2.003-91.

Безопасность оборудования стендов обеспечивается:

выбором рациональных конструкций и безопасностью их элементов;

применением средств автоматизации, дистанционного управления, блокировок, сигнализации и средств защиты;

герметизацией оборудования;

мероприятиями по снижению нервно-психических нагрузок и выполнению требований эргономики.

Кроме того обору

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒