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, выпрямительной 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).
Рис. 218. Структурная схема выпрямительного устройства
В результате 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-амперной характеристикой (рис. 219), т. е. зависимостью тока от напряжения, приложенного к вентилю.
При прямом напряжении Unp вентиль легко пропускает ток, который резко увеличивается с возрастанием прямого напряжения. Зависимость выражает прямая ветвь вольт-амперной характеристики. Обратная ветвь этой характеристики выражает зависимость обратного тока от приложенного обратного напряжения. 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.
Рис. 219. Вольт-амперная характеристика вентиля
Электрическое поле этих пространственных зарядов противодействует дальнейшей диффузии электронов и дырок через переход р — п. Таким образом, в слое р — п возникает потенциальный барьер.
Рис. 220. Принцип работы вентиля
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 диффузия, 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 — n-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:
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 напоминают германиевые вентили, но их изготавливают из других материалов. Основой кремниевого вентиля (рис. 222) является тонкая пластинка 2 чистого кремния, обладающая электронной 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 — n-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 прямое 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, до1000 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.
Рис. 223. Тиристор
Рис. 222. Пояснение к устройству кремниевого вентиля
Рис. 221. Селеновый вентиль
Тиристор (рис. 223) представляет собой кремниевую пластину с n-проводимостью, в которой создается четырехстопная полупроводниковая структура р — n — р — n, состоит из трех р — n-переходов, включаемых последовательно. Два крайних слоя р и n с 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 цель управляющего электрода УЭ необходимою 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.
Рис. 224. Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона
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 Uа начинается электрический пробой р — n-перехода. Напряжению Uа соответствует минимальный ток стабилизации Imin. Обратному напряжению Uв соответствует максимальный ток стабилизации Iтах и наибольшая допустимая мощность в стабилитроне Рmах = UвImах. При напряжениях, больших Ur, мощность, выделяемая в стабилитроне, превышает установленный предел. В результате электрический пробой переходит в тепловой и наступает необратимое разрушение р — n-перехода.
Таким образом, в области электрического пробоя (на участке АВ 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. Это свойство кремниевых диодов и используют для стабилизации напряжения. Стабилизатор напряжения (рис. 225, а) состоит из кремниевого стабилитрона V и резистора R0, включенных последовательно. Сопротивление нагрузки RH включают параллельно стабилитрону.
При напряжении Uвx min начинается электрический пробой р — n- перехода стабилитрона V и на выходе стабилизатора устанавливается напряжение Uвыхmin. При увеличении входного напряжения увеличивается ток кремниевого стабилитрона, а выходное напряжение меняется незначительно.
Рис. 225. Стабилизатор напряжения с кремниевым стабилитроном:
а — схема; б — характеристики
Сопротивление резистора R0 выбирается таким, чтобы при напряжении ток кремниевого стабилитрона не превышал заданный предел, за которым происходит пробой и стабилитрон выходит из строя.
Пределы стабилизации напряжения в кремниевом стабилитроне ограничены минимальным и максимальным 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.