книги / Релейная защита на унифицированных полупроводниковых элементах

системы нет. Так, у стабилитронов старых типов Д808— Д811 и Д813 последние две цифры отражают среднее значение напряжения стабилизации. У более новых ста­ билитронов Д814А— Д814Д напряжение стабилизации определяется буквой после числового обозначения. То же относится и к стабилитронам типа Д815, Д816, Д817, Д818. Наиболее современные стабилитроны типа КС подразделяются по мощности и по напряжению стаби-

Рис. 6. Условное обозначение стабилитро­ на (а) и вольт-амперная характеристика стабилитрона Д814А (б).

лизации: маломощные (до 0,3 Вт) обозначаются числа­ ми 101—399, средней мощности (до 5 Вт) 401—699 и большой мощности (свыше 5 Вт) 701—999. Внутри каж­ дой группы первая сотня чисел имеет напряжение ста­ билизации до 9,9 В, вторая сотня 10—99 В и третья сотня 100—199 В. В каждом числе последние две циф­ ры отражают значение напряжения стабилизации, при-

21

чем в первой сотне — это единицы и десятые вольта, во второй сотне —это десятки и единицы вольт, в третьей сотне, чтобы узнать действительное значение напряже­ ния стабилизации, надо к двум последним цифрам еще добавить 100.

П р и м е р : у КС 147 A Ucr= 4,7 В, а у КС 620 А Uс? = 120 В (100+20).

Если в конце обозначения стабилитрона стоит буква П, то это означает, что его корпус является катодом прибора. При отсутствии буквы П в обозначении кор­ пус служит анодом.

4. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ С НЕСКОЛЬКИМИ /г-л ПЕРЕХОДАМИ

Наибольшее применение имеют полупроводниковые приборы, содержащие два р-п перехода, именуемые т р а н з и с т о р а м и . Прежде эти приборы часто назы­ вали полупроводниковыми триодами по аналогии с ва­ куумными электронными лампами с сеточным управле­ нием. Эта аналогия объясняется способностью транзи­ стора усиливать электрические сигналы. В технике релейной защиты наряду с усилительными свойствами используется также способность транзисторов работать в так называемом режиме переключения, подобном ре­ жиму замыкания и размыкания контактов электромеха­ нических реле.

Кроме транзисторов в релейной защите находят при­ менение приборы с тремя и более переходами. К ним в первую очередь могут быть отнесены так называемые переключающие диоды, или тиристоры.

Принцип работы транзистора. Основной частью тран­ зистора является пластинка из полупроводникового ма­ териала, в которой создаются три области разных типов проводимости. В зависимости от исполнения транзисто­ ры имеют либо две крайние области с электронной про­

От каждой из областей делается контактный вывод. Фи­ зические процессы в транзисторах одного и другого ти­ пов аналогичны. При этом на соответствующие выводы

22

транзисторов подаются напряжения противоположной полярности*

Рассмотрим устройство и работу транзистора типа р-«-р. Такой транзистор изготавливается из пластинки германия или кремния, имеющего проводимость «-типа, с двух сторон которой создаются путем вплавления или диффузии соответствующих примесей две p-области. При

перехода. При изготовлении транзисторов добиваются, чтобы толщина «-области

между этими переходами была по возможности малой и составляла несколько (иногда до десятков) микрон. Эта «-область основной пластинки называется базой (Б). На рис. 7, а и б приведены условные изображения транзисторов типа р-«-р и п-р-п с обозначением выводов соответствующих областей. Стрелкой показано направ­ ление тока в эмиттере. Транзистор монтируется в гер­ метичном корпусе и снабжается выводами от каждой из областей.

На рис. 8,«, б и в показаны три возможные схемы включения транзисторов: схема с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Чаще других применяется схема включения с общим эмиттером. Для пояснения принципа работы собственно транзистора не имеет значения, по какой из схем он включен. Ниже в качестве примера дается описание ра­

направлении через переход эмиттер — база напряжение на последнем составляет несколько десятков — сот мил­ ливольт. Переход эмиттер — база работает подобно обычному диоду. Так как концентрация основных носи­ телей электронов в базе намного меньше концентрации

23

основных носителей в эмиттере дырок, прохождение тока по цепи эмиттер — база обеспечивается в основном за счет диффузии дырок из эмиттера в базу. Подобный процесс называют и н ж е к ц и е й (впрыскиванием) ды­ рок в базу. В связи с весьма малой толщиной базы процесс рекомбинации дырок и электронов в базе огра­ ничен и почти все дырки достигают коллекторного пере­ хода. Коллекторный переход закрыт запирающим напряжением, составляющим десятки, а иногда даже

Рис. 8. Схемы включения транзисторов.

а — схема ОЭ; б — схема ОБ; в —схема ОК.

сотни вольт. В зоне коллекторного перехода действует сильное электрическое поле. Это поле захватывает дыр­ ки, приближающиеся к переходу, и перемещает их к вы­ воду коллектора. Происходит «втягивание» дырок в коллектор. Так возникает ток / к на участке база — кол­

h = 1к + Ifj-

При отсутствии тока в эмиттере и наличии запираю­ щего напряжения между коллектором и базой (UK< 0) через переход коллектор — база проходит только обрат­

коэфициент усиления по току в схеме с ОЭ, меняющий­ ся для разных типов транзисторов и <их режимов в пре­ делах 10—350. Из изложенного видно, что эффект уси-

24

ления с помощью транзистора выражается в том, что небольшие изменения тока базы вызывают во много раз большее изменение коллекторного тока.

Рассмотренный режим работы транзистора в каче­ стве усилителя называют также активным (А). Этот режим характеризуется тем, что на коллекторный пере­ ход подано отрицательное напряжение 1УК < 0, а эмиттерный ток положителен /э > 0.

В устройствах релейной защиты широко используют­ ся два предельных режима работы транзистора: режим отсечки (О) и режим насыщения (Н).

Режим отсечки характеризуется тем, что на коллек­

ленностью, подобно диодам подразделяются на несколь­ ко видов, различающихся между собой по величинам рассеиваемой мощности, диапазону допустимых частот, предельным рабочим напряжениям, исходным полупро­ водниковым материалам и другим признакам, в частно­ сти по целевому назначению.

В практике релейной защиты применяются в основ­ ном различные импульсные и усилительные транзисто­ ры, рассчитанные на работу в области низких и средних частот.

Система обозначений транзисторов. По величинам рассеиваемых ими мощностей транзисторы делятся на маломощные (менее 0,3 Вт), средней мощности (0,3— 1,5 Вт) и мощные (свыше 1,5 Вт). По диапазону частот их подразделяют на низкочастотные (ниже 0,3 МГц), средней частоты (0,3—30 МГц) и высокочастотные (30— 300 МГц). Соответственно построена и система обозна­ чений транзисторов. Транзисторы, выпуск которых на­ чался до 1964 г., имеют обозначения, содержащие две составляющие: букву П и затем число, по которому определяется материал, мощность и предельная частота прибора. Иногда в конце обозначения ставится буква, указывающая на разновидность прибора по дополни­ тельному признаку. В обозначениях транзисторов ис­ пользуются следующие числа: маломощных германиевых низкочастотных 1—100; маломощных кремниевых низко­

25

частотных 101—200, мощных германиевых низкочастот­ ных 201—300, мощных кремниевых низкочастотных 301—400, маломощных германиевых высокочастотных 401—500, маломощных кремниевых высокочастотных 501—600, мощных германиевых высокочастотных 601— 700 и мощных кремниевых высокочастотных 701—800. Впереди обозначения перед буквой П иногда ставится буква М, указывающая, что транзистор имеет металли­ ческий корпус холодносварной конструкции.

Пример обозначения: МП42А — транзистор мало­ мощный германиевый низкочастотный в холодносварном корпусе, разновидность А.

Новая система обозначений полупроводниковых при­ боров, введенная после 1964 г., содержит четыре состав­ ляющих. Первая из них, буква или цифра, обозначает исходный материал: Г (или 1)— германий; К (или 2) — кремний; А (или 3)— арсенид галлия. Вторая состав­ ляющая— это буква Т (транзистор). Третья составляю­ щая — число, обозначающее мощность и предельную частоту транзистора. Для транзисторов малой мощности используются следующие числа: низкой частоты 101— 199, средней частоты 201—299, высокой частоты 301— 399, для транзисторов средней мощности соответствен­ но— низкой частоты 401—499, средней частоты от 501— 599 и высокой частоты 601—699, а для транзисторов большой мощности — низкой частоты 701—799, средней частоты 801—899 и высокой частоты 901—999. Четвер­ той составляющей является еще одна буква, указываю­ щая на разновидность прибора.

Пример обозначения: ГТ-403И, транзистор германие­ вый средней мощности низкочастотный, разновидность И. Конструктивные особенности, важнейшие параметры и область использования того или иного прибора приво­ дятся в справочных материалах на соответствующие типы транзисторов. Так, приведенный в качестве при­ мера обозначений транзистор МП42А является прибо­ ром сплавной конструкции с проводимостью р~п-р типа, предназначенным для работы в импульсных схемах. Та­ кие транзисторы часто применяются в устройствах ре­ лейной защиты. Другой приведенный в качестве приме­ ра транзистор ГТ-403И применяется в преобразователях

иусилителях постоянного тока.

Косновным параметрам транзисторов относятся па­ раметры по режиму постоянного тока, параметры так

26

называемых малого и большого сигналов и параметры предельных режимов.

Параметры постоянного тока охватывают допусти­ мые величины обратных токов коллектора и эмиттера

иих зависимость от температуры и приложенного на­ пряжения. Этими величинами пользуются при расчетах

ипроверке режимов работы транзисторов.

Для схем, в которых происходит усиление неболь­ ших сигналов переменного тока, пользуются дифферен­ циальными параметрами малого сигнала, в большинстве случаев ft-параметрами. Они устанавливают связь меж­ ду переменными напряжениями и токами на входе и выходе транзистора. При этом значения подаваемых пе­ ременных токов и напряжений должны быть намного меньше значений постоянного тока, определяющих ре­ жим работы транзистора — напряжения питания кол­ лекторной цепи, напряжения смещения и т. п.:

Здесь индекс I относится к входу, а индекс 2 — к вы­ ходу транзистора; Ап — входное сопротивление; fti2— ко­ эффициент обратной связи по напряжению; h22— выход­ ная проводимость и h2i — коэффициент усиления тока. Иногда у параметра h2i рядом с индексом ставится бук­ ва б, э или к, указывающая на схему включения тран­ зистора соответственно ОБ, ОЭ или ОК. В схеме вклю­ чения ОБ параметр Аг1б равен по абсолютному значе­ нию коэффициенту передачи тока эмиттера а.

При работе транзисторов в ключевых и импульсных схемах со значительными входными сигналами обраща­ ются к так называемым параметрам большого сигнала. В их числе статический коэффициент усиления тока

следним параметром пользуются при малом сопротивле­ нии источника входного сигнала.

К параметрам большого сигнала относят также на­ пряжения между коллектором и эмиттером и базой н эмиттером £7б.н в режиме насыщения. В эту же группу параметров входит время рассасывания тр, представ­

27

ляющее собой интервал времени между моментом по­ дачи на базу запирающего сигнала н моментом, когда напряжение на коллекторе достигает 10—30% напряже­ ния питания коллекторной цепи l/n (рис. 9). Значение тр зависит от начальных величин токов базы и коллек­ тора.

Время рассасывания у маломощных транзисторов может достигать нескольких миллисекунд. Это время нужно учитывать при работе транзисторов в импульсных схемах.

Важным параметром транзистора в схеме ОЭ яв­ ляется напряжение на коллекторе Ua, при достижении

Рис. 9. К •понятию о временг рассасывания.

которого начинается быстрое нарастание коллекторного тока до разрушающих значений.

Параметрами предельных режимов работы транзи

Эти напряжения приводятся для определенной темпера­ туры окружающей среды и снижаются при повышении температуры.

28

Для выбора и проверки транзисторов широко ис­ пользуются вольт-амперные характеристики. Применяют­

мость эмиттерного тока или тока базы от напряжения между базой и эмиттером при заданных значениях на­ пряжения на коллекторе.

Выходная характеристика представляет собой зави­ симость тока коллектора от напряжения на коллекторе

Рис. 10. Волът-амперная характеристика транзистора ГТ-403И.

с —входная; б —выходная.

шается примерно на 0,2 мВ при возрастании темпера­ туры на 1°С.

Выходные характеристики при повышении темпера­ туры смещаются в сторону больших токов из-за возра­ стания обратного тока коллектора.

При включении транзистора по схеме ОБ зависи­ мость тока коллектора от напряжения невелика и уже

29

при небольших коллекторных напряжениях выходные характеристики идут почти горизонтально.

В связи с большим многообразием конструкций и областей применения транзисторов оказалось невозмож ным создать единую классификационную систему основ­ ных параметров для всех типов транзисторов. В зависи­ мости от назначения того или иного типа транзисторов в качестве классификационных принимается определен­ ная часть указанных выше основных параметров. Так,

п 9

6)

ния тока h2i и предельной частоты усиления или гене­ рации. Мощные транзисторы характеризуются макси­ мальным обратным напряжением между коллектором и

зуются в качестве быстродействующих выходных эле­

30