книги / Электрооборудование электровакуумного производства

предохранители Прх... Пр$ и включается замыканием контактов магнитного пускателя Р2- Маломощные сиг­ нальные неоновые лампы Л \ —Л3 подключены парал­ лельно контактам пускателя Р2 через резисторы Ri — R° (без них любая газоразрядная лампа не может работать в режиме тлеющего разряда, для которого она предназ­ начена, а перейдет после зажигания в режим дугового разряда и выйдет из строя). Эти лампы сигнализируют о наличии напряжения на выводах электродвигателя М\. При перегорании одной из плавких вставок предохрани­ телей flpi —Пр3 соответствующий фазовый провод дви­ гателя отъединяется от сети, напряжение на нем падает и соответствующая лампа гаснет.

Это позволяет вовремя заметить обрыв цепи питания одной из фаз двигателя и не допускать его длитель­ ной работы на двух фазах, при которой он перегревает­ ся и может выйти из строя.

Вместе Q тем механический насос вакуумного агре­ гата является равномерной, мало меняющейся нагруз­ кой, поэтому вероятность длительной перегрузки элек­ тродвигателя мала и тепловая защита (от перегрева) не применяется. Практика эксплуатации вакуумных агрегатов показала достаточность защиты электродвига­ теля привода механического насоса только от случайных коротких замыканий с помощью плавких предохрани­ телей.

Электродвигатель М2 закрывает и открывает задвиж­ ку вакуумного затвора, для чего он подключается к сети или контактами пускателя Р6 или контактами пускателя Р8. Из схемы видно, что при замыкании контактов Ре левая (по схеме) фаза двигателя М2 подключается к се­ тевой шине 3, а правая — к шине 1. При замыкании кон­ тактов пускателя Р8 подключение крайних фаз двигателя меняется на обратное и двигатель вращается в обратную сторону.

Паромасляный насос вакуумного агрегата содержит нагреватель сопротивления (Рю— Р 12), который под­ ключен к электросети контактами пускателя Р3. Предо­ хранители Пр1— Пра защищают нагреватели от корот­ ких замыканий, а сигнальные лампы JIt —Ль сигнализи­ руют о наличии тока в каждой фазе нагревателя.

Следует обратить внимание на различие назначения сигнальных ламп Л \ —Л3 и Л4 —Л3. Если первые „све­ тятся при наличии напряжения на фазных проводах дви­

191

гателя М\ независимо от того, идет ли через двигатель ток или нет, то вторые светятся при наличии тока в со­ ответствующей фазе нагревателя, протекание которого через низкоомные резисторы #7—#» создает ня них паде­ ние напряжения 3,5—6,3 В, что не вызывает больших по­ терь мощности и вполне достаточно для питания мини­ атюрной лампы накаливания.

Разные схемы сигнализации здесь применяются на основе следующих соображений. Вероятность обрыва фазного провода электродвигателя мала, требуется толь­ ко защита от короткого замыкания, и если оно возни­ кает, то перегорает один из предохранителей Пр\— Прз, точнее говоря — его плавкая вставка. Этот факт и нужно зафиксировать сигнальной лампой, и он фиксируется по исчезновению напряжения, т. е. по погасшей лампе. Если это произошло при работе двигателя, немедленной ава­ рии не произойдет; двигатель, будучи разогнан, может работать далее и на двух фазах, правда, со снижением мощности, но запустить на двух фазах его будет нельзя, так как возникнут большие токи и сгорит еще одна встав­ ка и двигатель тем самым отключится от сети. Во избе­ жание этих последствий обслуживающий персонал по свечению одной из ламп обнаруживает обрыв фазы (сго­ ревшую вставку) и перед началом следующего цикла ра­ боты устраняет причину обрыва.

Другие условия и другие соображения принимаются

дить как от коротких замыканий, так и от перегорания самого электронагревателя, обычно изготовленного из ленты или проволоки сплава высокого сопротивления. Короткое замыкание приводит к перегоранию плавкой вставки и исчезновению напряжения на выводах нагре­ вателя. Это можно было бы индицировать, как в схеме питания двигателя Mi, но в случае обрыва в самом на­ гревателе напряжение на его зажиме осталось бы прак­ тически прежним, так как предохранитель остался исправным и лампа продолжала бы светиться, не пода­ вая сигнала об обпыве нагревателя. А это сигнал суще­ ственный, так как выход из строя хотя бы одного из на­ гревателей нарушает работу паромасляного насоса.

Так как при обрыве нагревателя исчезает ток, то и требуется обнаружить его исчезновение. Это достигает­ ся включением в цепь каждой фазы нагревателя небдль-

№

зависит от напряжения или тока якоря, в отличие от схем параллельного и последовательного возбуждения, когда обмотка возбуждения соединена параллельно или последовательно с якорем и имеет то же напряжение или тот же ток, что и якорь. В схеме независимого возбуждения требуются отдельные источники питания цепей якоря и возбуждения, в данном случае — отдельные вы­ прямители Дз8 —Ди и Д42 —Д45- Незначительное влия­ ние нагрузки на скорость вращения двигателя является в данном случае существенным достоинством, позволя­ ющим использовать эту схему, несмотря на некоторое усложнение питания.

В рассматриваемой схеме не применяются специаль­ ные меры для расширения диапазона скоростей враще­ ния и повышения стабильности заданной скорости, так как и то и другое обеспечиваются естественными харак­ теристиками электродвигателя независимого возбуж­ дения.

Диапазон скоростей составляет 5: 1 (не менее), а не­ стабильность скорости не превышает 10% заданной, что полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым технологией к равномерности и скорости вращения под­ ложки в процессе напыления.

Включается привод выключателем В15 и защищен от коротких замыканий плавким предохранителем Пр\ь- Для индикации скорости вращения подложки в схеме привода использован тахометрический мост (сокращен­ но— тахомост), состоящий из резисторов /?54, R5в, Rm и сопротивления обмотки якоря. Сопротивления резисто­ ров подобраны так, что соблюдается условие баланса моста, т. е. при подаче напряжения на питающую диа­ гональ моста — в точки а и б напряжение на измеритель­ ной диагонали — в точках в и г — отсутствует. Но мост сбалансирован для заторможенного двигателя, когда цепь его якоря является просто сопротивлением. Если якорь вращается, на его выводах действует еще и противоэлектродвижущая сила (противо-э. д. с.), направлен­ ная навстречу питающему напряжению и пропорциональ­ ная скорости вращения. Она поступает на измерительную диагональ моста через резистор Rw и измеряется с по­ мощью вольтметра ЯД7 с добавочным резистором # 55-

Шкала вольтметра градуирована непосредственно в единицах измерения частоты вращения подложки, об/мин.

194

Сопротивления резисторов выбраны из следующих соображений. Через резистор Rsj протекает ток якоря, поэтому его сопротивление должно быть меньше сопро­ тивления якоря, чтобы на нем не выделялось много энер­ гии и падение напряжения составляло 3—10% номиналь­ ного напряжения якоря. Через резисторы # 54— #56 дол­ жен протекать ток, составляющий 3—10% номинального тока якоря во избежание излишнего выделения энергии. Но уменьшение сопротивления # 57 и увеличение #54 и #56 вместе со снижением потерь энергии ведет к сниже­

нию чувствительности тахомоста и к необходимости при­ менения более чувствительного, а значит, и более доро­ гого вольтметра. Резистор # 55—добавочное сопротивле­ ние вольтметра — служит для подгонки масштаба шка­ лы вольтметра, т. е. для обеспечения соответствия меж­ ду показанием вольтметра и фактическим значением скорости двигателя.

Рассмотрим схему питания испарителей, представлен­ ную на рис. 2-54. Нагреватели испарителей выполнены, как правило, конструктивно совмещенными с емкостями для испаряемого материала, поэтому обладают очень малым омическим сопротивлением и для их питания при> ходится применять низкое напряжение при больших зна­ чениях тока. Это в свою очередь требует применения больших сечений проводов и коммутирующей аппарату­ ры, рассчитанной на большие токи.

Установка вакуумного напыления содержит четыре испарителя, работающих последовательно, в любом по-

рядке, но только по одному. Ток в каждом нагревателе регулируется в диапазоне ,10:1. Сетевое напряжение 220 В поступает через предохранитель Пр12 и пусковой контакт Р\ъ-\ на регулирующий автотрансформатор Трй и с его выхода на понижающий трансформатор Тра. Мак­ симальное напряжение на вторичной обмотке Тр9 состав­ ляет 15 В и может быть снижено с помощью автотранс­ форматора Трв практически до нуля. Четыре нагревателя /?хэ—/?22 включены параллельно, и каждый из них под­ ключается к питающему напряжению с помощью одного из симисторов Д \а—Д 19. Ток нагревателя измеряется од­ ним из амперметров ИП3 и ИП4, подключаемых после­ довательно с работающим нагревателем с помощью си­ мисторов Д3 и Д ь.

Симисторы использованы в этой схеме вместо кон­ тактов: Д 1з—Д 19 вместо замыкающих контактов, а Д 3 и Дь — вместо одного переключающего контакта. Такая схема в обычном (контактном) исполнении чрезвычайно громоздка. Нагреватели, потребляющие токи до 300 А, переключались с помощью мощных рубильников или сильноточных контакторов, которые выпускаются про­ мышленностью только в трехфазном (т. е. трехконтакт­ ном) исполнении. Каждое из таких замыкающих устройств приходилось выбирать на максимальный ток нагревателя через один контакт, так как разветвлять ток на три параллельно включенных контакта нельзя: один из контактов всегда размыкается последним, и че­ рез него проходит весь размыкаемый ток, т. е. ток, на размыкание которого и рассчитывается контактор. Та­ ким образом, стандартная аппаратура коммутации на­ гревателей получалась в 3 раза больше по объему, чем необходимо. Попытка применения нестандартных одно­ контактных устройств индивидуального выпуска (собст­ венной разработки) приводила к удорожанию и сниже­ нию надежности установок напыления.

Эти неудобства полностью исключаются применением симметричных тиристоров. Эти приборы являются бес­ контактными ключевыми элементами — аналогом замы­ кающего контакта и представляют собой сложную полу­ проводниковую структуру, которая может иметь два со­ стояния: проводимости и непроводимости.

Открывание симметричного тиристора производится пропусканием тока через управляющий электрод путем подачи на него напряжения через ограничительный ре-

196

Зистор. Так, тиристор Д в открывается подачей напря­ жения + 12 В на управляющий электрод через резистор /?15. Открытый тиристор проводит ток в обоих направ­ лениях, почему и называется симметричным тиристором. Тиристором же называется диод, который в проводящем направлении проводит только после открывания его то­ ком управляющего электрода, а в обратном направлении не проводит, как обычный диод. К достоинствам тирис­ тора относятся конструктивная простота и высокая ком­ пактность по сравнению с обычными контакторами при коммутации одинаковых значений токов. В общем случае применения полупроводниковых коммутирующих элемен­ тов, таких, как тиристор и др., по сравнению с элемента­ ми, снабженными механическими контактами, получают значительный выигрыш в надежности систем коммута­ ции при их незначительном усложнении за счет введения цепей управления. Существенно уменьшается объем ап­ паратуры, так как объем полупроводникового коммути­ рующего элемента в десятки раз меньше объема, зани­ маемого контактором при том же токе коммутации. Од­ нако при использовании полупроводниковых элементов в качестве коммутационных приходится учитывать и це­ лый ряд недостатков, присущих полупроводниковым эле­ ментам. Так, например, полупроводниковый элемент в закрытом состоянии обладает относительно большими токами утечки, что должно быть учтено при разработке схем и является ограничением для применения в отдель­ ных схемах. В открытом состоянии полупроводниковый элемент обладает падением напряжения в пределах 0,5— 1,5 В. Механический контакт в разомкнутом положении имеет пренебрежимо малый ток утечки, с величиной которого приходится считаться только в специальных случаях, а в замкнутом положении падение напряжения составляет десятые и сотые доли вольта, что на одиндва порядка меньше, чем у полупроводникового эле­ мента.

В рассматриваемом случае недостатки симметрично­ го тиристора как полупроводникового коммутирующего элемента для данной схемы несущественны. Управление работой осуществляется подачей постоянного напряже­ ния 12 В на управляющие электроды через ограничи­ тельные резисторы. Включение испарителя с помощью симметричного тиристора и его выбор осуществляются включением соответствующего контакта Pis-i—Pzi~u

197

а индикаций тока Испарителя включением амперметра с требуемой шкалой осуществляется включением соответ­ ствующего симистора через переключающий контакт Рп. В зависимости от положения движка автотрансформато­ ра при работе каждого испарителя ток может меняться от 0 до 200 А. Ток испарителя контролируется ампермет­ ром переменного тока электромагнитной системы. Из-за нелинейности шкалы этих приборов отсчет значений, меньших 20% максимального значения, практически не­ возможен. В связи с этим для измерения тока в широком диапазоне приходится использовать несколько шкал. Из­ мерение на разных шкалах может быть выполнено с по­ мощью применения многопредельных приборов, исполь­ зования специальных измерительных трансформаторов тока с различными пределами измерения за счет изме­ нения коэффициента трансформации, а также примене­ ния нескольких приборов с разными шкалами, что и сде­ лано в рассматриваемой схеме. Прибор ИП3 имеет шка­ лу 0—200 А, а прибор ЯЯ4 имеет шкалу 0—50 А, что позволяет контролировать ток испарителя в пределах 10—200 А включением соответствующего прибора с по­ мощью симметричного тиристора.

Здесь уместно сделать замечание о пределах регули­ рования и измерения параметров или показателей любо­ го технического устройства: всякий параметр имеет верх­ ний и нижний пределы, отношение первого ко второму (диапазон измерения или регулирования) не может быть бесконечным, так как это технически невыполни­ мо. Это равносильно требованию, чтобы верхний предел был меньше бесконечности, а нижний больше нуля. На­ пример, часто применяемое выражение «от нуля до мак­ симума» применительно к техническому устройству не­ верно: на выходе автотрансформатора с максимальным напряжением 250 В невозможно получить 0,1 В, так как э. д. с. одного витка гораздо больше и измерить такое напряжение вольтметром на 250 В также нельзя. Регу­ лировать и измерять любой параметр можно только в конечном диапазоне, и чем он больше, тем сложнее будет устройство как для регулирования, так и для из­ мерения.

Работа схемы питания испарителей происходит сле­ дующим образом: замыканием одного из контактов Р ]8_1 — Р21-1 включается нагрев одного из испарителей, автотрансформатором Тр& устанавливается требуемое

198

значение тока, которое контролируется по амперметрам ИПз и # # 4, один из которых всегда включен открытым симистором. Схема питания испарителей в целом вклю­ чается пусковым контактом Р\ь~\.

В установке вакуумного напыления перед нанесением покрытия подложка тщательно очищается от органиче­ ских загрязнений в тлеющем разряде в разреженном га­ зе. Ионная бомбардировка очищает поверхность подлож-

Дг5...Дзг R31...RU6 Дзз...Дло

Рис. 2-55. Схема питания электродов рабочей камеры.

ки до очень малых остаточных загрязнений, недоступных для других методов очистки. На рис. 2-55 показана элек­ трическая схема включения электродов рабочей камеры установки.

От сети 220 В напряжение подается в схему пакетным выключателем В2. В качестве защитных устройств использованы блокировочный выключатель дверцы В3 и плавкий предохранитель Пр\3. При включении пусковых контактов Р\2 это напряжение поступает через элементы защиты на автотрансформатор Трю, с помощью которого осуществляется регулирование режима газового разря­ да. Регулируемое напряжение с движка автотрансфор­ матора Грю поступает в первичную обмотку повышаю­ щего трансформатора Гри. Высокое напряжение (до 3000 В) с вторичной обмотки выпрямляется мостовой схемой, выполненной на диодах Д 2ъ— Диз- Выпрямлен­ ное напряжение поступает на электроды газоразрядного

199

промежутка 5 i — Э3 или Эъ — корпус. Выбор соответст­ вующих электродов осуществляется с помощью пере­ ключателя # 4- Газовый разряд возникает и поддержи­ вается в зависимости от положения переключателя В4 между электродами Э[ и Э3 или между электродом Эл и стенкой рабочей камеры установки. Последовательно с выпрямительными диодами Д %5— Дш включены резис­ торы Р31— Р46, выполняющие две функции: выравнива­ ние тока двух параллельно включенных диодов и огра­ ничение тока газового разряда. Так как в каждом плече мостовой схемы выпрямления установлено по два парал­ лельно включенных диода, то для равномерного распре­ деления тока по обоим диодам включаются выравнива­ ющие резисторы последовательно с каждым диодом. Для выполнения функции выравнивания достаточно примене­ ния низкоомных резисторов, сопротивление которых вы­ бирается таким, чтобы падение напряжения на выравни­ вающем резисторе было не больше двух-трехкратного значения падения напряжения на диоде, так как увели­ чение сопротивления выравнивающего резистора приво­ дит к уменьшению к. п. д., не улучшая влияния на пере­ распределение токов между диодами. В связи с тем, что выпрямитель работает на газоразрядный промежуток, в котором создается и поддерживается режим нормаль­ ного тлеющего разряда, для создания условий устойчи­ вого разряда необходима схема ограничения тока разря­ да. Наиболее часто используется схема, в которой между источником напряжения и газоразрядным промежутком включается ограничительный резистор. Такая схема (см. рис. 1-37,я), не обладая высоким к. п. д., позволяет про­ стыми техническими средствами стабилизировать режим тлеющего разряда. На рис. 1-37,я газоразрядный проме­ жуток используется для целей стабилизации напряже­ ния. Типичная вольт-амперная кривая нормально тлею­ щего разряда показана на рис. 1-36. Очевидно, что изме­ нение состава газа и разрежения не меняет качественной картины, а приводит лишь к количественным измене­ ниям, т. е. к изменению масштаба изображенной кривой. Для того чтобы выйти на пологий участок характеристи­ ки и сохранить на нем рабочую точку при работе каме­ ры в режиме тлеющего разряда, в рассматриваемой схеме вместо ограничительного резистора применен источник питания с повышенным внутренним сопротив­ лением. Источник напряжения, т. е. источник, обладаю-

200