книги / Релейная защита на унифицированных полупроводниковых элементах

зультате теплового движения он может легко превра­ титься в свободный электрон.

Атом примеси, потерявших электрон, представляет собой связанный ион с единичным положительным за­ рядом.

Полупроводники, у которых дополнительные свобод­ ные электроны образуются при внесении пятивалентных примесей, называются электронными или п-типа. При­ меси, создающие электропроводность такого типа, назы­ ваются д о н о р н ы м и . В качестве донорных примесей наряду с сурьмой применяют фосфор и мышьяк. Иначе влияют на полупроводник примеси трехвалентных эле­ ментов. Например, если ввести в кристаллическую ре­ шетку германия атом индия, то для образования одной

перешедшего от одного из близлежащих атомов герма­ ния, а на месте ушедшего электрона возникнет свобод­ ная дырка. Атом примеси, приобретший дополнительный электрон, представляет собой связанный ион с единич­ ным отрицательным зарядом. Таким образом, при введении трехвалентного элемента в основном полупро­ воднике возникают дополнительные свободные заряды— дырки. Такие примесные полупроводники называют

индия в качестве акцепторных примесей используют алюминий, галлий и бор. При нормальной температуре практически все примесные атомы оказываются ионизи­ рованными. Образующиеся при этом свободные носите­ ли зарядов—электроны или дырки называют основны­ ми. В полупроводниках n-типа это электроны, а обра­ зующиеся в атомах собственно германия в результате теплового движения дырки, число которых относительно мало, считаются неосновными носителями. В полупро­ водниках p-типа основными носителями являются дырки, а неосновными — электроны.

Многие полупроводниковые приборы основаны на ис­ пользовании особых свойств пластинки из полупровод­ никового материала, состоящей из двух областей раз­ ного типа проводимости: п-типа и p-типа, главным из

11

которых является способность пропускать ток в одном направлении. Промежуточный переходный слой, обра­ зующийся на границе этих областей, называется р-п пе­ реходом.

Если к такой пластинке приложить постоянное на­ пряжение, то в зависимости от полярности последнего сопротивление полупроводника будет различным.

При подключении источника напряжения в направ­ лении от /7-области к л-области (плюсом к /7-области) сопротивление будет невелико и через р-п переход прой­ дет значительный ток. Ток и напряжение подобного ре­ жима называют прямыми. При подключении источника напряжения в направлении от n-области к р-области (плюсом к л-области) сопротивление полупроводника оказывается во много раз большим, а величина прохо­ дящего тока весьма малой. В последнем случае соответ­ ствующий ток и напряжение называют обратными. Оче­

образом, по обе стороны р-п перехода число основных носителей снижается. Образуется зона, обедненная но­ сителями зарядов. При этом в p-области образуется вблизи р-п перехода пространственный отрицательный заряд ионов акцепторной примеси. Этот заряд препят­ ствует дальнейшей диффузии электронов из п-области.

12

кочастотные. Высокочастотные диоды в технике релей­ ной защиты почти не применяются и в настоящей книге не рассматриваются. Имеется еще особая группа так называемых переключающих диодов или тиристоров — полупроводниковых приборов, имеющих четырехслойную р-п-р-п структуру и содержащих три р-п перехода. Ти­ ристоры подразделяются на две подгруппы: неуправ­ ляемые, или динисторы, и управляемые, или тринисторы. Подробно о тиристорах см. в § 4.

Система обозначений диодов. В настоящее время действуют две системы обозначений диодов: старая, применявшаяся до 1964 г., которой пользуются и поны­ не для части выпускаемых приборов, и новая, более со­ временная, введенная в 1964 г. (ГОСТ 10862-64).

По старой системе все диоды обозначались буквой Д и числом, обозначившим основной материал и область применения диода, после чего ставилась буква, указы­ вавшая разновидность диода внутри данной группы. Точечные и маломощные сплавные германиевые диоды обозначались цифрами 1—100, точечные кремниевые диоды 101—200, плоскостные кремниевые 201—300, пло­ скостные германиевые 301—400, стабилитроны 801—900 и т. д.

Пример обозначения: Д7Ж — диод германиевый, вы­ прямительный, разновидность Ж (на предельное обрат­ ное напряжение 400 В).

По новой системе обозначение составляется из четы­ рех элементов. Первый элемент — буква или цифра, обозначающая исходный материал: Г (или 1)— герма­ ний, К (или 2) — кремний, А (или 3) — арсенид галлия. Второй элемент — буква, указывающая класс или груп­

(тринисторы); буквами А, В, И обозначаются специаль­ ные высокочастотные диоды. Третий элемент обозначе­ ния диодов — число, отражающее назначение или элек­ трические свойства прибора. В частности, для диодов низкой частоты имеем: выпрямительные 101—399, уни­ версальные 401—499, импульсные 501—599. Третьи эле­ менты обозначений стабилитронов и переключающих диодов приводятся ниже при описании их работы. По­

14

следний элемент обозначения — буква — указывает на разновидность прибора внутри данной группы. Пример обозначения: К102А — кремниевый диод, выпрямитель­ ный, разновидность А.

Основные параметры диодов. Для каждого типа диода существуют свои классификационные параметры. Однако ряд параметров является общим для всех диодов.

Параметры выпрямительных диодов, рассматривае­ мые ниже, применимы в общем случае и к другим ти-

б)

Рис. 4. Условное изображение диода (а) и его вольтамперная характеристика (б).

А — анод; К — катод.

пам диодов. Для каждого типа диода строится вольтамперная характеристика, которая используется при подборе диода.

На рис. 4 показаны условное изображение диода и его вольт-амперная характеристика. При прямом вклю­ чении на анод подается плюс источника тока. Путь пря­ мого тока указан стрелкой. Вольт-амперная характери­ стика представляет собой зависимость между током через диод и величиной прямого или обратного напря­ жения (ОА — прямая ветвь, О Б —обратная ветвь). Зна­

15

ком «+» отмечаются ветви характеристики при повышейной температуре окружающей среды, а знаком «—» при пониженной температуре. Для каждого типа диода эти температуры приводятся в справочниках [6].

Из вольт-амперной характеристики находят один из важных параметров диода — дифференциальное прямое сопротивление /?д. Его определяют на прямолинейном участке прямой ветви как отношение приращений на­

/пр — ток, мА. Другой параметр — обратное сопротивле­ ние диода Яобр находят как отношение величин обрат­ ного напряжения и обратного тока, взятых на участке обратной ветви вблизи точки перегиба характеристики (точка В). Необходимо учитывать, что обратное сопро­ тивление диода сильно зависит от температуры (на каж­ дые 10°С повышения температуры обратный ток герма­

сравнимых по основным параметрам диодов абсолют­ ные значения обратных токов у германиевых диодов намного больше, чем у кремниевых.

В ы п р я м и т е л ь н ы е д и о д ы бывают точечные и плоскостные. Точечные диоды применяются преимуще­ ственно в радиотехнике, плоскостные получили широкое распространение во всех областях техники. Плоскостные диоды имеют очень много исполнений, различающихся по своим параметрам. Одним из основных параметров является номинальный прямой ток /ирномЭто макси­ мально допустимое по нагреву при длительной работе значение постоянного прямого тока (или среднего за период выпрямленного тока синусоидальной формы про­ мышленной частоты) при рекомендуемых условиях охлаждения. По этому признаку выпрямительные дио­ ды подразделяются на маломощные (номинальный ток до 0,3 А), средней мощности (0,3—10 А) и большой мощности (10 А и более).

Для измерительных целей предпочитают брать мало­ мощные диоды из германия, так как они обладают не­ большим сопротивлением в прямом направлении. В ос­ тальных случаях чаще применяют кремниевые диоды, которые обладают более стабильными характеристика­ ми и менее чувствительны к перегрузкам, чем германие­ вые. Для нормальной работы диодов, рассчитанных на

16

токи больше, чем 2 А, необходимо обеспечить их охлаж­ дение в соответствии с заводскими указаниями.

Соответствующее номинальному току среднее паде­ ние напряжения на диоде называется номинальным пря­ мым напряжением t/пр-ном- Значение l/пр.ном у герма­ ниевых диодов меньше, чем у кремниевых. Этим, в ча­ стности, обусловлено их более широкое применение при

очень больших токах.

Обратный ток через диод до достижения опасной с точки зрения пробоя величины обратного напряжения изменяется в небольших пределах. Номинальный обрат­ ный ток /обрном — это значение постоянного или средне­ го за период выпрямленного тока, проходящего через диод при номинальном обратном напряжении. По стан­ дарту эта величина дается для наиболее высокой тем­ пературы окружающей среды из условий допустимого нагрева р-п перехода, составляющей для германиевых диодов 75°С, а для кремниевых 125°С. При более низ­ ких температурах этот ток значительно меньше. Значение обратного напряжения, выше которого проис­ ходит пробой диода, называется пробивным напряже­ нием l/лробОно различно для разных исполнений дио­ дов и составляет от десятков до нескольких сот вольт. Номинальное обратное напряжение верном или просто номинальное напряжение £/Ном диода — это максималь­ ное значение напряжения, которое может быть длитель­ но приложено к диоду в обратном направлении без опасности пробоя.

Значение обратного номинального напряжения для большинства диодов составляет до 80% значения про­ бивного напряжения. Номинальное напряжение являет­ ся основным классификационным параметром выпря­ мительных диодов.

И м п у л ь с н ы е д и о д ы используются в качестве переключательных элементов в устройствах релейной защиты и электроавтоматики. Они широко применяются в логической части устройств в схемах И, ИЛИ, ЗАП­ РЕТ, а также в триггерах, релейных элементах и эле­ ментах выдержки времени.

При работе диода в импульсном режиме требуется, чтобы при подаче или снятии с него импульса напряже­ ния или тока форма импульса не искажалась. В боль­ шинстве случаев прямое сопротивление диода намного меньше сопротивления нагрузки и прямой ток при ак-

гивиой нагрузке устанавливается практически без искажения. При этом падение напряжения на диоде в начальный момент больше его установившегося зна­ чения, что вызвано наличием потенциального барьера, образованного объемными зарядами в зоне р-п перехо­ да. На устранение потенциального барьера и заполне­ ние зоны объемных зарядов свободными электронами и дырками требуется некоторое время.

После снятия прямого тока и подачи запирающего напряжения на диод обратный ток достигает своего установившегося значения не мгновенно. Соответствен­ но не сразу устанавливается и полное значение обрат­ ного напряжения на диоде. Эти явления связаны с тем, что при прохождении прямого тока через диод основные

Рис. 5. Временные параметры импульсных диодов.

являющиеся для нее неосновными, образуют после сня­ тия прямого тока своего рода объемный заряд, на рас­ сасывание которого требуется некоторое время. В тече­ ние этого времени воссоздается также потенциальный барьер в зоне р-п перехода. J

Переходные процессы в импульсных диодах измеря­ ются микросекундами и долями микросекунд в отличие от низкочастотных выпрямительных диодов, в которых

18

продолжительность этих процессов намного больше. Та­ кое свойство импульсных диодов достигается за счет специальной технологии их изготовления (микросплавные и диффузионные диоды).

В качестве характеристик интервалов для импульс­ ных диодов принимают:

Туст — время установления прямого сопротивления диода, представляющее собой интервал времени от на­ чала прохождения импульса прямого тока до момента, когда напряжение на диоде упадет до 1,2 установивше­ гося значения (рис. 5, а);

Твосст— время восстановления обратного сопротивле­ ния диода, представляющее собой интервал времени от момента, когда после подачи обратного напряжения прямой ток становится равным нулю, до момента, когда обратный ток снизится до заданного уровня (рис. 5,6). Последний параметр является классификационным для импульсных диодов;

импульсное сопротивление /?1ШП.макс, равное отноше­ нию максимального прямого импульсного напряжения к максимальному прямому импульсному току.

Наиболее широко применяемые в промышленной ав­ томатике кремниевые импульсные диоды типа Д220 об­ ладают импульсным сопротивлением около 50—70 Ом. Время восстановления у таких диодов составляет 0,5 мкс при прямом токе до 500 мА.

С т а б и л и т р о н ы , и л и опорные диоды, используют­ ся для стабилизации напряжения питания полупровод­ никовых устройств, для ограничения величины подава­ емого сигнала, для создания опорного эталонного напря­ жения в схемах сравнения и других целей, когда требует­ ся поддержание или ограничение напряжения на опреде­ ленном уровне.

Рабочий диапазон напряжений стабилитрона нахо­ дится на участке вольт-амперной характеристики, где, начиная с некоторого значения обратного напряжения, происходит быстрое нарастание обратного тока даже при незначительном увеличении обратного напряжения. При изменении тока через диод в широких пределах падение напряжения на нем почти ке меняется. Это явление называется пробоем и его используют для ста­ билизации напряжения. Механизм пробоя в полупро­ водниковых стабилитронах может быть туннельным, лавинным или тепловым. В устройствах релейной защи­

ты в основном используют стабилитроны с лавинным пробоем. Сущность лавинного пробоя состоит в том, что при достижении некоторого значения обратного напря­ жения свободные носители зарядов, попадающие на участок р-п перехода, ускоряются под действием элек­ трического поля настолько, что становятся в состоянии ионизировать атомы полупроводникового материала. По мере повышения напряжения этот процесс лавинообраз­ но нарастает, образуя множество новых свободных зарядов. Ток через диод быстро растет. Процесс обра­ тим. При снижении напряжения происходит быстрое уменьшение тока. В качестве основного материала для изготовления стабилитронов берется кремний. Примене­ ние германия для этой цели оказалось невозможным из-за быстрого наступления необратимого теплового пробоя р-п перехода при возрастании обратного напря­ жения. На рис. 6, а показано условное обозначение ста­ билитрона, а на рис. 6,6 в качестве примера приведена вольт-амперная характеристика стабилитрона типа Д814А.

Основным классификационным параметром стабили­ трона является напряжение стабилизации Ucт. Следует иметь в виду, что это напряжение даже для однотипных стабилитронов может отличаться у разных экземпляров на 5—15%. Зависимость напряжения стабилизации от температуры характеризуется так называемым темпера­ турным коэффициентом напряжения ТКН, представляю­ щим собой процентное изменение напряжения стабили­ зации при изменении температуры на 1°С и равным для стабилитронов типа КС196 0,0005—0,005%, а для стаби­ литронов типа Д814 до 0,09%. У стабилитронов, рассчи­ танных на рабочие токи 0,5—1 А и выше или на повы­

ния и тока, взятые иа прямолинейном участке вольтамперной характеристики.

Для каждого типа стабилитрона дается наименьшее и наибольшее значение тока стабилизации, в пределах которых обеспечивается нормальная работа стабилитро­ на (рис. 6). В обозначениях стабилитронов четкой

20