Эксплуатация электрических машин. Управление электроприводом

При эксплуатации электропривода электродвигатель должен быть немедленно отключен:

при несчастном случае с человеком;

появлении дыма или огня из электродвигателя пли аппаратуры;

сильной вибрации электродвигателя;

поломке приводимого механизма;

недопустимом нагреве подшипников;

чрезмерном снижении скорости электродвигателя, сопровож­дающимся сильным его нагреванием;

неожиданном непреодолимом стопорении двигателя.

Если с места, где установлен двигатель, не виден аппарат уп­равления приводом, то вблизи двигателя должен быть установлен дополнительный коммутирующий аппарат, предотвращающий ди­станционный пуск двигателя при его ревизии или осмотре. Перед пуском вновь установленного электродвигателя его очищают от пыли. Очищают также от пыли, мусора, грязи место, где он уста­новлен. Проверяют, нет ли в двигателе посторонних предметов. Продувают его сухим сжатым воздухом при давлении не выше 0,2 МПа, измеряют сопротивление изоляции, проверяют состоя­ние наружных болтовых соединений. Осматривают подведенные ка­бели и затяжку болтов заземления. Проверяют соответствие напря­жения сети и электродвигателя. Проворачивают ротор вручную, проверяют правильность сопряжения валов электродвигателя и при­водимого механизма. При наличии пускового реостата проверяют, введен ли он полностью. Если при пуске двигатель не вращается, гудит или вращается медленно, он должен быть немедленно от­ключен и неполадки устранены.

Необходимо вести систематическое наблюдение за работой электродвигателей. Оно заключается в контроле электрических параметров, нагрузки, температуры двигателя и его подшипников, в периодическом измерении его сопротивления.

Для контроля нагрузки в цепи питания двигателей средней и большой мощности устанавливают амперметры (обычно в двух фа­зах), где красной чертой должен быть отмечен наибольший допу­стимый (или номинальный) ток электродвигателя.

Температура двигателя измеряется термометром, встроенной термопарой или термисторными датчиками, приклеиваемыми к лобовым частям обмоток к другим частям машин.

Измерение сопротивления изоляции производят мегомметром на отключенном от сети двигателе.

Внешний осмотр заземления электрических машин должен производиться ежедневно. Периодичность технических осмотров и ре­монтов устанавливается местными инструкциями. Для башенных кранов профилактические осмотры обычно проводятся не реже одного раза в 10 дней, среднего ремонта — не реже одного раза в год. Технические осмотры защищенных двигателей в пыльных или влажных помещениях следует проводить не реже, чем один раз в неделю, а текущие ремонты — раз в два-три месяца; закрытые двигатели осматривать один раз в два месяца, а текущие ремонты — один раз в год.

Капитальный ремонт двигателей назначается в зависимости от их состояния, выявленного при осмотре или текущем ремонте. Для электродвигателей, работающих в тяжелых условиях, капитальный ремонт должен производиться не реже, чем один раз в два года.

При осмотре и текущем ремонте двигатель и его пусковую, регулировочную и защитную аппаратуру чистят, продувают сжатым воз­духом, подтягивают крепежные узлы, проверяют звук, нагрев и на­личие смазки подшипников, подтягивают и зачищают контактные соединения, осматривают заземление, заменяют, если необходимо, щетки, чистят пусковой реостат, доливают в него масло. В это же время проводятся замеры сопротивления изоляции мегомметром.

Замена, хотя бы частичная, обмоток электродвигателя отно­сится уже к капитальному ремонту, сюда же относится правка вала, замена или заварка подшипниковых щитов и т.д.

Во время эксплуатации электрических приводов большое зна­чение имеет наблюдение за смазкой электрических машин и меха­нических передач. Масло для подшипников должно быть соответ­ствующих марок. Необходимо в подшипниках скольжения с коль­цевой смазкой доливать масло один раз в неделю или в декаду и полностью менять один раз в два—три месяца. В шариковых и ро­ликовых подшипниках смазку меняют два раза в год. Крышки под­шипников скольжения должны быть плотно закрыты для предот­вращения попадания в них влаги и пыли. Подшипники не должны сильно нагреваться (если руку трудно удержать на горячем подшипнике, двигатель следует остановить).

При неудовлетворительных показаниях сопротивления изоля­ции возможно, что изоляция необязательно повреждена, а просто отсырела. При этом электродвигатели и аппараты подвергаются сушке. Имеются специальные сушильные шкафы. Малые двигате­ли можно просушивать софитами с лампами накаливания.

Контроллеры. Контроллеры служат для управления работой элек­тродвигателя, т.е. его включения, регулирования частоты вращения, остановки и изменения направления движения (реверсирования). Контроллеры, применяемые для управления электродвигателями кра­новых механизмов, по принципу работы разделяются на два вида:

непосредственного управления, или силовые, замыкающие или размыкающие силовые цепи двигателя при помощи контактных устройств контроллера с ручным приводом;

дистанционного управления, или магнитные, управляемые при помощи командоконтроллеров, переключающих цепи управления.

Силовыми контроллерами, применяемыми на башенных кранах, служат кулачковые контроллеры переменного тока ККТ (рис. 7.1).

Основными узлами кулачкового контроллера являются контак­тные элементы и вал 5 с кулачковыми шайбами 4. Каждый контак­тный элемент состоит из основания 1, подвижного рычага 2 с роликом и подвижным контактом и приводной пружины 3, обес­печивающей замыкание подвижного и неподвижного контактов. Контактные элементы крепятся к корпусу 8 контроллера. Вал с кулачковыми шайбами (кулачковый барабан) вращается в под­шипниках, закрепленных в корпусе контроллера. Поворот кулач­кового барабана осуществляется с помощью рукоятки 6, насажен­ной на выступающий конец вала.

Контроллеры выпускают двух видов: контроллеры для управле­ния одним и двумя двигателями.

Магнитные контроллеры представляют собой панель в откры­том или защищенном исполнении, на которой размещены кон­такторы, реле управления, плавкие предохранители и другие ап­параты управления и электрической защиты.

Для управления катушками контакторов и реле магнитного кон­троллера обычно служит командоконтроллер. Командоконтроллер имеет такой же принцип работы, как и кулачковый контроллер ККТ, но количество переключаемых цепей у него меньше, а кон­такты серебряные, мостикового типа.

Магнитные контроллеры обладают рядом преимуществ по срав­нению с силовыми:

магнитным контроллером любой мощности управляют с помо­щью малогабаритного аппарата — командоконтроллера без при­менения значительного мускульного усилия машиниста;

магнитные контроллеры могут быть установлены вне кабины, в любом месте на кране;

контакторы магнитных контроллеров более износоустойчивы, чем контакты кулачковых контроллеров.

Применение магнитных контроллеров позволяет автоматизи­ровать операции пуска и торможения двигателя, что упрощает управление приводом и предохраняет двигатель от перегрузок.

Однако магнитные контроллеры имеют значительно более слож­ную схему и большее количество электроаппаратов, чем силовые, и поэтому требуют более тщательного ухода.

Контакторы и магнитные пускатели. Контакторы. Контактором называется электрический аппарат для замыкания и размыкания силовых электрических цепей, приводимый в действие при помо­щи электромагнита.

В зависимости от рода тока различают контакторы постоянного и переменного тока. По числу одновременно переключаемых цепей контакторы разделяют на однополюсные и многополюсные. Кон­такторы постоянного тока выпускаются одно- и двухполюсными, а контакторы переменного тока — двух-, трех- и четырехполюсными.

Главные контакты делают массивными, рассчитанными на боль­шую силу тока, а блок-контакты — небольшими, так как в цепи управления сила тока не превышает 5... 10 А.

При размыкании электрических цепей, находящихся под на­грузкой, между силовыми контактами контактора возникает элек­трическая дуга, которая вызывает ускоренный износ контактов и даже их разрушение. Для сокращения времени горения дуги при­меняются различные системы принудительного дугогашения.

Контакторы используют в магнитных контроллерах башенных кранов в качестве линейных контакторов цепи защиты и в ревер­сорах.

Магнитные пускатели. Магнитным пускателем называется ма­логабаритный контактор специального исполнения, предназначен­ный для пуска, остановки и реверсирования асинхронных короткозамкнутых электродвигателей, а также для коммутации (замы­кания и размыкания) других электрических цепей. Магнитный пус­катель может иметь встроенные тепловые реле для защиты элект­рической цепи от перегрузок.

На башенных кранах пускатели применяют для управления короткозамкнутыми двигателями, в магнитных контроллерах и для коммутации других силовых цепей.

Реле управления и защиты. Реле времени. Реле времени применя­ют в магнитных контроллерах кранов для автоматического замы­кания и размыкания цепей управления с заданной выдержкой вре­мени.

Промежуточное реле. Промежуточное реле применяют в крановых схемах в качестве вспомогательного аппарата, если основной аппа­рат не обладает достаточным количеством контактов, требуемых для работы схемы, а также если мощность контактов основного аппарата недостаточна для размыкания или замыкания цепи управления.

Реле минимального тока. Реле применяют в схеме привода грузо­вой лебедки с тормозной машиной для контроля силы тока об­мотки возбуждения.

Реле максимального тока. Реле максимальной силы тока (макси­мальное реле) — электромагнитное токовое реле мгновенного дей­ствия. Реле применяют для защиты электродвигателей от повреж­дения при резком возрастании силы тока, например, при боль­шой перегрузке, резком включении, коротком замыкании.

Тепловое реле. Тепловое реле служит для защиты электродвига­теля от небольших, но длительных перегрузок, при которых сила тока двигателя на 30% и более превышает номинальное значение. Тепловое реле срабатывает при определенном значении силы тока в течение некоторого интервала времени.

Резисторы. Применяемые в электрооборудовании башенных кра­нов резисторы делятся на пускорегулирующие, включаемые в си­ловую сеть электродвигателей, и резисторы, используемые в це­пях управления и сигнализации.

Пускорегулирующие резисторы (реостаты) включаются в цепь ротора электродвигателя и служат для плавного разгона, торможе­ния и регулирования частоты вращения электродвигателя, а также для торможения его в режиме противовключения.

В проволочных резисторах на металлические держатели, изолированные по граням фар­форовыми изоляторами, намотана константановая проволока.

Элементы ленточных резисторов (рис. 7.2) вы­полняются из намотанной на ребро ленты 3, укреп­ленной на стальном держателе с помощью фар­форовых изоляторов 1. Эти элементы собираются в ящике аналогично прово­лочным резисторам.

Пускорегулирующий реостат в зависимости от мощности и на­значения электродвигателя состоит из одного или нескольких ящи­ков резисторов.

Включают реостаты в цепь ротора двигателя или выключают (закорачивают) их в процессе работы с помощью контроллеров. Резисторы рассчитаны, как правило, только на кратковременное включение при пуске или торможении двигателя. Длительная ра­бота электродвигателей с включенными реостатами (рукоятка кон­троллера не установлена в крайнее положение) недопустима, так как при этом резисторы сильно перегреваются.

Тормозные машины. Тормозные машины применяют в электро­приводе грузоподъемных лебедок для получения пониженных ско­ростей перемещения груза.

На башенных кранах устанавливают тормозную машину пере­менного тока ТМ-4А, представляющую собой короткозамкнутый асинхронный электродвигатель специального исполнения, имею­щий малую частоту вращения.

Тормозная машина рассчитана на кратковременную работу с ПВ = 15 % и должна использоваться только для небольших переме­щений грузов.

Тормозные электромагниты и электрогидравлические толкатели. Тормозные электромагниты и электрогидравлические толкатели применяют для растормаживания колодочных тормозов в меха­низмах крана.

Тормозные электромагниты. Тормозные электромагниты имеют две основные части: магнитопровод и обмотку возбуждения (ка­тушку). Магнитопровод состоит из неподвижного ярма и подвиж­ного якоря. При прохождении тока через укрепленную на ярме ка­тушку возникает магнитное поле, под действием которого якорь при­тягивается к ярму и через систему рычагов растормаживает тормоз.

Тормозные электромагниты разделяют по роду питания на электромагниты переменного и постоянного тока.

Электрогидравлические толкатели. Электрогидравлические тол­катели — это машины, преобразующие электрическую энергию в механическую и имеющие прямолинейно перемещающийся ис­полнительный орган (шток).

По сравнению с тормозными электромагнитами электрогид­равлические толкатели обладают рядом преимуществ:

размеры и масса их меньше по сравнению с аналогичными по рабочим параметрам электромагнитами, потребление электроэнер­гии также в несколько раз меньше;

величина напорного усилия гидротолкателя не зависит от по­ложения поршня, в то время как у электромагнита усилие резко изменяется в зависимости от величины воздушного зазора между ярмом и якорем;

внешней нагрузки до величины максимального упорного усилия толкателя поршень останавливается. При этом не происходит ни перегрузки двигателя, ни механических поврежде­ний элементов толкателя.

Полупроводниковые выпрямители. Полупроводниковые выпрями­тели служат для выпрямления переменного тока в постоянный, который применяют на башенных кранах для питания обмоток возбуждения тормозных машин и тормозных электромагнитов, цепей управления катушек контакторов и цепей управления маг­нитных усилителей, для динамического торможения асинхронных двигателей, а также для питания цепей ограничителей грузоподъ­емности и анемометров.

Конечные выключатели. Конечные выключатели служат для ог­раничения действия механизмов крана, включения цепей сигна­лизации, а также используются в качестве выключателей блоки­ровки.

По принципу работы конечные выключатели подразделяют:

на рычажные (рис. 7.3), срабатывающие при действии на них отключающих устройств;

приводные (шпиндельные), которые жестко связаны с валом механизма и срабатывают после поворота вала выключателя на определенный угол.

Плавкие предохранители. Плавкие предохранители предназначе­ны для защиты электрооборудования и электрических сетей от больших токов, возникающих при коротких замыканиях, и значитель­ных (50% и более) перегрузках.

В предохранителе помещается проводник с низкой температу­рой плавления (плавкая вставка), через который проходит ток за­щищаемой цепи. При увеличении силы тока выделяется большое количество тепла, под действием которого проводник расплавля­ется и размыкает цепь. На башенных кранах применяют трубчатые предохранители без наполнения ПР-2 и с наполнением ПН2, НПР, НПН.

Рубильники. Силовые распределительные ящики. Рубильники и си­ловые распределительные ящики служат для нечастой коммута­ции (замыкания и размыкания) электрических цепей переменно­го и постоянного тока напряжением до 500 В. На башенных кранах рубильники применяют в защитных панелях и в силовых распре­делительных ящиках. Силовые распределительные ящики исполь­зуют на башенных кранах в качестве вводных (портальных) ру­бильников, устанавливаемых в нижней части металлоконструкции крана, на портале или на ходовой раме.

Рубильник (рис. 7.4, а) имеет один или несколько подвижных ножей 7, шарнирно укрепленных в контактных стойках 6. Ножи связаны траверсой 3 из изолирующего материала. При включении рубильника ножи вводятся в контактные губки 2. К губкам присо­единяют провода от источника питания, а к контактным стойкам ножей — провода включаемой рубильником цепи. Рубильником управляют (включают и отключают) с помощью рукоятки 4.

По числу размыкаемых цепей различают одно-, двух- и трехполюсные рубильники.

Силовой распределительный ящик (рис. 7.4, б) представляет со­бой шкаф 7 со встроенными в него рубильником 8 и предохрани­телями 10. Рубильник управляется с помощью рычажного привода боковой рукояткой 9. Рукоятка имеет блокировочное устройство, благодаря которому нельзя открыть крышку шкафа при включен­ном рубильнике и включить рубильник при открытой крышке. В корпусе предусмотрен зажим для крепления заземляющего провода.

В некоторых конструкциях силовых распределительных ящиков вместо отдельно устанавливаемых рубильника и плавких предо­хранителей применяют встраиваемый блок предохранитель—вы­ключатель (рис. 7.4, в). Блок состоит из контактных губок 11, уста­новленных на изоляционной панели, и подвижных ножей 14, вы­полненных вместе с предохранителями. Блок включается и отклю­чается рукояткой 13, связанной с ножами при помощи рычажной системы 12.

На всех распределительных ящиках, которые установлены в ка­честве портального рубильника на кране или в качестве рубильника

на подключательном пункте у подкранового пути, предус­матривается устройство для запирания ящика с рукоят­кой, установленной в поло­жение «Выключено». Оно дол­жно быть выполнено так, что­бы в запертом положении нельзя было включить руко­ятку, а при включенной ру­коятке — запереть устройство.

Автоматические выключа­тели. Автоматические выклю­чатели (автоматы) предназ­начены для автоматического отключения электрических цепей в случае нарушения нормальных условий их рабо­ты (например, при перегруз­ке или коротком замыка­нии), а также для нечастой коммутации.

Автомат (рис. 7.5, а) состо­ит из кожуха, коммутирующе­го устройства, дугогасительных камер, механизма управ­ления и

расцепителей максимального тока. Он отключается при срабатывании расцепителей максимальной силы тока. По прин­ципу действия расцепители бывают: тепловыми, электромагнитны­ми и комбинированными, состоящими из последовательно вклю­ченного теплового и электромагнитного расцепителей. Основным эле­ментом теплового расцепителя является биметаллическая пластина.

Электромагнитный расцепитель состоит из катушки 14 и сер­дечника 13. При возникновении тока короткого замыкания сер­дечник мгновенно втягивается в катушку. При этом рычаг 11 пово­рачивается, освобождает от зацепления с зубом фигурную деталь 6 и автомат отключается без выдержки времени.

Аппаратура ручного управления. Для нечастых переключений це­пей управления и освещения в схемах башенных кранов применяют кнопки управления, выключатели управления, пакетные выключа­тели и универсальные переключатели.

Кнопки управления (рис. 7.6, а) служат для замыкания и размы­кания цепей катушек контакторов, магнитных пускателей и реле,

а также для включения звукового сигнала. Комплект кнопок, встро­енных в общий кожух, называется кнопочной станцией.

Выключатели управления бывают с ручным приводом и педаль­ным (ножным). Выключатели с ручным приводом используются для отключения линейного контактора, их обычно называют аварийны­ми выключателями. Педальные выключатели (рис. 7.6, б) применяют для включения цепей управления, например для управления поса­дочной скоростью грузовых лебедок в схеме противовключения. Кон­такты выключателей управления рассчитаны на силу тока до 10 А.

Пакетные выключатели (рис. 7.6, в) применяют в схеме кранов для включения цепей управления и освещения. С помощью пакет­ных выключателей включают рабочее освещение и нагреватель­ные приборы.

Пакетный выключатель состоит из двух узлов: контактной сис­темы и переключающего механизма.

Пакетные выключатели выпускают в открытом и защищенном исполнении на величину силы тока от 10 до 60 А.

Универсальные переключатели (рис. 7.6, г) — это многоцепные электрические аппараты, применяемые для нечастых переключе­ний электрических цепей. На башенных кранах, у которых предус­мотрено управление механизмами из кабины или с переносного монтажного пульта, универсальные переключатели используют для переключения схемы крана на пульт или кабину. На некоторых кранах переключатели применены в качестве командоаппаратов для управления магнитными контроллерами.

Токоприемники. С помощью токоприемника электрооборудова­ние вращающейся части крана связано с внешней сетью и элект­роаппаратами, установленными на неповоротной части крана.

По принципу работы токоприемники башенных кранов разде­ляют на кольцевые и бескольцевые.

Бескольцевой токоприемник представляет собой шлейф из гиб­ких проводов, связывающих зажимы цепи на вращающейся и не­поворотной частях крана. Длина проводов выбирается достаточной для двух полных оборотов крана (720°) в обе стороны от началь­ного положения.

Бескольцевой токоприемник применяют на большинстве ба­шенных кранов, так как он значительно проще и надежней коль­цевого. При эксплуатации крана с бескольцевым токоприемником следует систематически наблюдать за работой ограничителя пово­рота, так как его неисправность может привести к скручиванию и обрыву проводов гибкого шлейфа.

Провода и кабели. Для подключения электрооборудования к внеш­ней цепи, а также для электрической связи между электродвигате­лями и электроаппаратами на башенном кране применяют прово­да и кабели.

Провода и жилы кабелей всех цепей крановой электросхемы должны иметь хорошо видную буквенную и цифровую марки­ровку.

Согласно правилам устройства электроустановок электропро­водка на кранах может выполняться проводами и кабелями с мед­ными жилами. Сечение проводов и токоведущих жил кабелей вы­бирают по допустимым длительным токовым нагрузкам в зависи­мости от мощности, потребляемой приемником. Однако по усло­виям механической прочности сечение медных проводов должно быть не менее 2,5 мм². В цепях управления для присоединения ко­мандоаппаратов, а также в цепях телеуправления и связи допуска­ется использовать гибкие провода с медными жилами сечением меньше 2,5 мм² при условии, что эти провода не несут механичес­кой нагрузки.

Внешнюю электропроводку по крану выполняют гибким кабе­лем с медными жилами в резиновой или равноценной изоляции, предназначенной для работы в интервале температур от —40 до +40°С. Для электропроводки в шкафах магнитных контроллеров и в кабинах используют одножильные и многожильные провода (ПР, ПРГ, ПВ-ХЛ, ПГВ-ХЛ) либо кабели для внешней проводки.

Кабельные барабаны. Электрическая энергия подается от внеш­ней цепи к электрооборудованию крана по кабелю. Длина кабеля, который соединяет вводный рубильник на ходовой раме (порта­ле) башенного крана с подключательным пунктом у кранового пути, обычно равна 50 м.

Для предохранения кабеля от износа и обрывов при задевании за неровности подкранового пути применяют различные средства. При длине пути более 50 м подключательный пункт размещают у середины подкранового пути, а для кабеля устраивают деревян­ный лоток, по которому кабель протаскивают краном. При длине пути 50 м и менее вдоль подкранового пути натягивают на стойках проволоку или канат, а к ним с помощью проволочных колец прикрепляют кабель.

Применение кабельного барабана избавляет от необходимости выполнять эти сложные и ненадежные устройства. Кабельный ба­рабан предназначен для наматывания (или сматывания) кабеля при перемещении крана по рельсовому пути. Барабан представляет собой полый цилиндр, внутри которого помещается кольцевой токоприемник, связывающий наматывающийся кабель с вводным рубильником.

Кабель наматывается на внешнюю цилиндрическую поверхность барабана. Кабельный барабан укрепляется на металлоконструкции крана и имеет приводное устройство, с помощью которого проис­ходит наматывание кабеля на барабан при движении крана к подключательному пункту. Кабель сматывается с барабана за счет собственного натяжения или в результате изменения направления вращения привода барабана.

ЭЛЕКТРОНИКА

Общие сведения о полупроводниках

Полупроводниками называют вещества, удельная проводимость которых имеет промежуточное значе­ние между удельными проводимостями металлов и диэлектриков. Полупроводники одновременно явля­ются плохими проводниками и плохими диэлектри­ками. Граница между полупроводниками и диэлект­риками условна, так как диэлектрики при высоких температурах могут вести себя как полупроводники, а чистые полупроводники при низких температурах ведут себя как диэлектрики. В металлах концентра­ция электронов практически не зависит от темпера­туры, а в полупроводниках носители заряда возни­кают лишь при повышении температуры или при поглощении энергии от другого источника.

Типичными полупроводниками являются углерод (С), германий (Ge) и кремний (Si). Германий - это хрупкий серовато-белый элемент, открытый в 1886г. Источником порошкообразной двуокиси германия, из которой получают твердый чистый германий, яв­ляются золы некоторых сортов угля.

Кремний был открыт в 1823 г. Он широко рас­пространен в земной коре в виде кремнезема (двуокиси кремния), силикатов и алюмосиликатов. Дву­окисью кремния богаты песок, кварц, агат и кре­мень. Из двуокиси кремния химическим путем по­лучают чистый кремний. Кремний является наибо­лее широко используемым полупроводниковым ма­териалом.

Рассмотрим подробнее образование электронов про­водимости в полупроводниках на примере кремния. Атом кремния имеет порядковый номер Z = 14 в пе­риодической системе Менделеева. Поэтому в состав его атома входят 14 электронов. Однако только че­тыре из них находятся на незаполненной внешней оболочке и являются слабо связанными. Эти элект­роны называются валентными и обусловливают че­тыре валентности кремния. Атомы кремния способ­ны объединять свои валентные электроны с други­ми атомами кремния с помощью, так называемой ковалентной связи (рис. 11.1). При ковалентной связи валентные электроны совместно используют­ся различными атомами, что приводит к образова­нию кристалла.

Рис. 11.1

При повышении температуры кристалла тепло­вые колебания решетки приводят к разрыву некоторых валентных связей. В результате этого часть электронов, ранее участвовавших в образовании ва­лентных связей, отщепляется и становится элект­ронами проводимости. При наличии электрическо­го поля они перемещаются против поля и образуют электрический ток.

Однако при освобождении электрона в кристал­лической решетке образуется незаполненная меж­атомная связь. Такие «пустые» места с отсутствую­щими электронами связи получили название «ды­рок». Возникновение дырок в кристалле полупро­водника создает дополнительную возможность для переноса заряда. Действительно, дырка может быть заполнена электроном, перешедшим под действием тепловых колебаний от соседнего атома. В резуль­тате на этом месте будет восстановлена нормальная связь, но зато в другом месте появится дырка. В эту новую дырку в свою очередь может перейти какой-либо из других электронов связи и т.д. Последова­тельное заполнение свободной связи электронами эк­вивалентно движению дырки в направлении, про­тивоположном движению электронов. Таким обра­зом, если при наличии электрического поля элект­роны перемещаются против поля, то дырки будут двигаться в направлении поля, т.е. так, как двига­лись бы положительные заряды. Следовательно, в полупроводнике имеются два типа носителей тока - электроны и дырки, а общая проводимость полу­проводника является суммой электронной проводи­мости (n-типа, от слова negative) и дырочной про­водимости (p -типа, от слова positive).

Наряду с переходами электронов из связанного состояния в свободное существуют обратные пере­ходы, при которых электрон проводимости улавли­вается на одно из вакантных мест электронов свя­зи. Этот процесс называют рекомбинацией электрона и дырки. В состоянии равновесия устанавливает­ся такая концентрация электронов (и равная ей кон­центрация дырок), при которой число прямых и об­ратных переходов в единицу времени одинаково.

Рассмотренный процесс проводимости в чистых полупроводниках называется собственной проводи­мостью. Собственная проводимость быстро возрас­тает с повышением температуры, и в этом существен­ное отличие полупроводников от металлов, у кото­рых с повышением температуры проводимость уменьшается. Все полупроводниковые материалы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления.

Чистые полупроводники являются объектом глав­ным образом теоретического интереса. Основные ис­следования полупроводников связаны с влиянием добавления примесей в чистые материалы. Без этих примесей не было бы большинства полупроводни­ковых приборов.

Чистые полупроводниковые материалы, такие как германий и кремний, содержат при комнатной тем­пературе небольшое количество электронно-дыроч­ных пар и поэтому могут проводить очень малень­кий ток. Для увеличения проводимости чистых ма­териалов используется легирование.

Легирование - это добавление примесей в полу­проводниковые материалы. Используются два типа примесей. Примеси первого типа - пятивалентные -состоят из атомов с пятью валентными электронами, например, мышьяк и сурьма. Примеси второго типа - трехвалентные - состоят из атомов с тремя валент­ными электронами, например, индий и галлий.

Когда чистый полупроводниковый материал ле­гируется пятивалентным материалом, таким как мышьяк (As), то некоторые атомы полупроводника замещаются атомами мышьяка (рис. 11.2).

рис. 11.2

Атом мышьяка вводит четыре своих валентных электрона в ковалентные связи с соседними атома­ми. Его пятый электрон слабо связан с ядром и лег­ко может стать свободным. Атом мышьяка называ­ется донорским, поскольку он отдает свой лишний электрон. В легированном полупроводниковом ма­териале находится достаточное количество донор­ских атомов, а следовательно, и свободных электро­нов для поддержания тока.

При комнатной температуре количество допол­нительных свободных электронов превышает коли­чество электронно-дырочных пар. Это означает, что в материале больше электронов, чем дырок. Поэто­му электроны называют основными носителями. Дырки называют не основными носителями. По­скольку основные носители имеют отрицательный заряд, такой материал называется полупроводником n - типа.

Когда полупроводниковый материал легирован трехвалентными атомами, например атомами индия (In), то эти атомы разместят свои три валентных электрона среди трех соседних атомов (рис. 11.3).

Рис. 11.3

Это создаст в ковалентной связи дырку. Наличие дополнительных дырок позволит электронам легко дрейфовать от одной ковалентной связи к другой. Так как дырки легко принимают электроны, ато­мы, которые вносят в полупроводник дополнитель­ные дырки, называются акцепторными.

При обычных условиях количество дырок в та­ком материале значительно превышает количество электронов. Следовательно, дырки являются основ­ными носителями, а электроны – не основными. По­скольку основные носители имеют положительный заряд, материал называется полупроводником p-типа.

Полупроводниковые материалы n- и p-типов име­ют значительно более высокую проводимость, чем чистые полупроводники. Эта проводимость может быть увеличена или уменьшена путем изменения количества примесей. Чем сильнее полупроводни­ковый материал легирован, тем меньше его элект­рическое сопротивление. Контакт двух полупроводников с различными типами проводимости называется p-n-переходом и обладает очень важным свойством - его сопротивление зависит от направления тока. Отметим, что такой контакт нельзя получить, прижимая друг к другу два полупроводника, p-n-переход создается в одной пластине полупроводника путем образования в ней областей с различными типами проводимости. Методы получения p-n-переходов описаны ниже. Итак, в куске монокристаллического полупровод­ника на границе между двумя слоями с различного рода проводимостями образуется p-n-переход. На ней имеет место значительный перепад концент­раций носителей зарядов. Концентрация электро­нов в n-области во много раз больше их концент­рации в n-области. Вследствие этого электроны диффундируют в область их низкой концентрации (в n-область). Здесь они рекомбинируют с дырками и таким путем создают пространственный отрицатель­ный заряд ионизированных атомов акцептора, не скомпенсированный положительным зарядом дырок. Одновременно происходит диффузия дырок в n-область. Здесь создается не скомпенсированный за­рядом электронов пространственный положительный заряд ионов донора. Таким образом, на границе со­здается двойной слой пространственного заряда (рис. 11.4, а), обедненный основными носителями тока. В этом слое возникает контактное электрическое поле E_s, препятствующее дальнейшему переходу электронов и дырок из одной области в другую.

Контактное поле поддерживает состояние равно­весия на определенном уровне. Но и в этом случае под действием тепла небольшая часть электронов и дырок будет продолжать проходить через потенци­альный барьер, обусловленный пространственными зарядами, создавая ток диффузии. Однако одновременно с этим под действием контактного поля не­ основные носители заряда p- и n-областей (элект­роны и дырки) создают небольшой ток проводимос­ти. В состоянии равновесия эти токи взаимно ком­пенсируются.

рис. 11.4

Если к p-n-переходу подключить внешний источ­ник тока, то напряжение указанной на рис. 11.4,б обратной полярности приведет к появлению внеш­него поля Е, совпадающего по направлению с кон­тактным полем е_к. В результате ширина двойного слоя увеличится, и тока за счет основных носителей практически не будет. В цепи возможен лишь незначительный ток за счет не основных носителей (обратный ток I_обр).

При включении напряжения прямой полярности направление внешнего поля противоположно направ­лению контактного поля (рис. 11.4, в). Ширина двойного слоя уменьшится, и в цепи возникнет боль­шой прямой ток I_пр. Таким образом, p-n-переход обладает ярко выраженной односторонней проводи­мостью. Это отражает его вольтамперная характе­ристика (рис. 11.5).

рис. 11.5

Когда к p-n-переходу приложено прямое напря­жение, ток быстро возрастает с ростом напряжения. Когда же к р-n-переходу приложено обратное напря­жение, ток очень мал, быстро достигает насыщения и не изменяется до некоторого предельного значе­ния обратного напряжения, после чего резко возра­стает. Это так называемое напряжение пробоя U _{пр ,} при котором наступает пробой p-n-перехода и он раз­рушается. Следует отметить, что на рис.11.5 масштаб обратного тока в тысячу раз меньше масш­таба прямого тока.

Полупроводниковые диоды

P-n-переход является основой полупроводниковых диодов, которые применяются для выпрямления пе­ременного тока и для других нелинейных преобра­зований электрических сигналов.

Диод проводит ток в прямом направлении только тогда, когда величина внешнего напряжения (в воль­тах) больше потенциального барьера (в электрон-вольтах). Для германиевого диода минимальное внеш­нее напр<