Частота индуцированной эдс (напряжения, тока) синхронного генератора:

(2.54)

где р – число пар полюсов ротора генератора.

2.4.5 Синхронный двигатель

Устройство статора синхронного двигателя анало­гично устройству статора асинхронного двигателя. Ротор синхронного двигателя представляет собой электромагнит или постоянный магнит (рисунок 2.22). Принцип работы синхронного двигателя поясняется рисунком. Внутри магнита N₁S₁ помещен магнит NS. Если магнит N₁S₁ вращать, то он потянет за собой магнит NS. В стационарном режиме частоты вращения обоих магнитов одинаковы.

К валу магнита NS можно приложить механическую нагрузку. Чем больше эта нагрузка, тем больше угол отставания оси магнита NS от оси магнита N₁S₁.

Рисунок 2.22 – Синхронный двигатель

В реальном двигателе поле магнита заменено вращающимся магнитным полем статора; при этом ротор либо вращается синхронно с магнитным полем статора, отставая на угол a, либо останавливается (выпадает из синхронизма) при перегрузке. Таким образом, независимо от нагрузки ротор всегда враща­ется с постоянной частотой, равной частоте вращения магнитного поля статора: n₂ = n₁ = 60f/р.

Постоянство частоты вращения – важное достоин­ство синхронного двигателя. Строгое постоянство частоты вращения требуется во многих областях техники, например при записи и воспроизведении звука. Недостаток синхронного двигателя – трудность пуска: для пуска нужно раскрутить ротор в сторону вращения поля статора. Для этого чаще всего применяют специальную короткозамкнутую обмотку, вделанную в ротор. В момент пуска двигатель работает как асинхронный. Когда частота вращения ротора приближается к частоте вращения поля статора, ротор входит в синхронизм и двигатель работает как синхронный.

Синхронные двигатели особенно удобны для привода роторов гироскопов. В тех случаях, когда гироскоп используют для особо точных измерений (например, в баллистических ракетах), приводом ротора гироскопа служит синхронный двигатель. При этом частота вращения ротора зависит только от конструкции двигателя и частоты питающего тока, которую можно стабилизировать с очень высокой степенью точности.

Вопросы для самотестирования

1 Как изменяется эквивалентная индуктивность двух последовательно соединённых индуктивно связанных катушек при согласном включении?

2 Из каких двух составляющих состоит эквивалентное сопротивление отдельных индуктивно связанных ветвей при их параллельном включении?

3 Какие законы и методы используют при расчёте индуктивно связанных цепей?

4 Размагничивает или намагничивает вторичная обмотка трансформатора первичную обмотку?

5 Какие виды соединений могут быть в трёхфазных цепях?

3 Электронные компоненты

3.1 Электропроводность полупроводников

Полупроводники – материалы, занимающие промежуточное место по электропроводности между металлами (проводниками) и диэлектриками (изоляторами). Особенности проводимости материалов иллюстрируют энергетическими диаграммами – распределением по энергиям электронов атомов [4], рисунок 3.1. Согласно квантовой механике, электроны атома могут обладать определенными значениями энергий, т. е. находиться на определенных энергетических уровнях. На одном уровне может быть не более двух электронов, отличающихся направлением спиновых моментов. Связь электронов с атомом ослабевает по мере удаления от него.

Рисунок 3.1 – Энергетическая диаграмма изолированного атома

При внешних воздействиях электроны атомов приобретают энергию и переходят на более высокие энергетические уровни или становятся свободными. Наличие запрещенной зоны, ее ширина определяет классы кристаллических тел: проводники, диэлектрики, полупроводники. Металлы: электрического поля достаточно для создания тока, так как зоны проводимости и валентные практически не разделимы. Пример энергетической диаграммы полупроводников представлен на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Энергетическая диаграмма полупроводника

Способность преодоления ширины запрещённой зоны DW_з зависит от температуры материала. Энергетические диаграммы диэлектриков имеют очень широкую запрещённую зону. Они проводят лишь при высоких температурах (400–800 ⁰С) и сильных электрических полях (пробой).

При изготовлении электронных полупроводниковых приборов наиболее широко распространены такие материалы, как германий, кремний и арсенид галлия (Ge, Si, GaAs). У германия и кремния на внешней оболочке атома по четыре электрона. Между атомами есть ковалентная связь, когда каждые два из четырех валентных электронов принадлежат двум соседним атомам, а все четыре электрона связаны с четырьмя соседними атомами, рисунок 3.3.

Рисунок 3.3 – Ковалентные связи и образование свободных носителей заряда

При внешних воздействиях валентный электрон увеличивает свою энергию и освобождается от связи с атомом – становится свободным. Это переход из валентной зоны в зону проводимости. Так образуются свободные электроны – отрицательно заряженные частицы и дырки – положительно заряженные частицы. Появившийся валентный уровень энергии в валентной зоне заполняется другими валентными электронами, что эквивалентно движению дырки – в противоположном направлении движению электрона. Скорости перемещений электронов и дырок разные. При постоянной температуре концентрации электронов n_i и дырок p_i постоянны: идет как термогенерация носителей, так и их рекомбинация.

, (3.1)

где А – коэффициент, определяемый материалом; k = 1,37×10^-23 – постоянная Больцмана.

В производстве в чистые полупроводники вводят смеси для создания существенной проводимости n-типа или p-типа. Это доноры – пятивалентные материалы (четыре электрона на связь, один свободный) для создания электронной проводимости. При уходе свободных электронов в другие слои кристалла оставшиеся положительные ионы донорной примеси образуют нескомпенсированный объемный заряд. На рисунке 3.4 это показано для полупроводника n-типа.

Рисунок 3.4 – Примесная проводимость

С вводом примеси появились локальные валентные уровни. Ширина зоны DW_Д очень мала (примерно 0,01–0,07 эВ). Концентрация электронов в зоне проводимости определяется коцентрацией донорной примеси, а не собственными электронами валентной зоны. Концентрация электронов n_n >> p_n. Электроны – основные носители заряда, дырки – не основные носители заряда.

Механизм получения p-проводимости схож с указанным. Примесь – трехвалентная добавка, называемая акцептором. Примесные полупроводники характеризуются выражением:

, (3.2)

где n_np_n – концентрация электронов и дырок в полупроводнике n-типа; n_pp_p – концентрация электронов и дырок в полупроводнике p-типа.

Зависимость концентрации носителей заряда от температуры ограничивает температурный диапазон применения полупроводников. Нижняя граница температурного диапазона полупроводников минус (40–80) ⁰С.

В примесных полупроводниках большее значение имеет процесс рекомбинации: после какого-либо возмущающего воздействия, приведшего к появлению неравновесных (лишних) носителей заряда, идет спад концентрации неравновесных носителей, характеризуемый выражением:

Dp(t) = [Dp(q)]exp(-t/t_{n (p)}) , (3.3)

где t_n(p) – время жизни электронов (дырок) – это время, за которое концентрация неравновесных носителей уменьшается в e раз; Dp(q) – начальная концентрация.

Специальные добавки, создающие рекомбинации (ловушки), изменяют значение t_n(p)­ – от примерно 1 мкс до примерно 1 нс и менее. Это ведет к увеличению быстродействия полупроводниковых приборов.

При отсутствии электрического поля в кристалле электроны и дырки находятся в хаотическом движении – равновесный ток в кристалле равен нулю. Ток же в полупроводниках определяется двумя факторами: электрическим полем и неравномерностью распределения концентрации зарядов. Электрическое поле создает дрейфовый ток. Диффузионное движение (ток) существует, когда есть различие в концентрации электронов (дырок) в соседних областях полупроводника. Плотность этого тока характеризует диффузии D – число носителей заряда, проходящих за одну секунду через площадь 1 см²:

D = j_Т × m; j_T = kT/q , (3.4)

где j_T – тепловой потенциал.

При Т = 300 К, j_T = 25 мВ. И j_T, и m зависят от температуры.

3.1.1 р-n–переход и его свойства

р-n–переход – это двухслойная полупроводниковая структура, упрощённо показанная на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 – Структура р-n–перехода

Концентрации дырок и электронов различные, и из-за этого начинается движение носителей заряда через границу раздела. У границы раздела с каждой стороны образуется повышенная концентрация не основных носителей заряда – нескомпенсированные объемные заряды. Из-за этого в p-n–переходе создается электрическое поле j₀ и разность потенциалов. Это внутреннее электрическое поле объемных зарядов препятствует дальнейшему движению дырок и электронов, т. е. суммарный ток равен нулю (без внешнего электрического поля). Образовавшаяся разность потенциалов называется контактной j₀. Она зависит от температуры.

Приложим внешнее воздействие к p-n–переходу.

1) Внешнее напряжение подключено к p-n–переходу в прямом направлении, рисунок 3.6. Создается внешнее электрическое поле, направленное против внутреннего поля – результирующее электрическое поле уменьшается по величине, то есть контактная разность потенциалов будет равна j₀–U_a, сузилась ширина p-n–перехода.

Рисунок 3.6 – Прямосмещённый p-n–переход

При этом увеличилась диффузия основных зарядов через границу раздела. Увеличение U_a приводит к увеличению прямого тока через переход. Вид прямой вольт-амперной характеристики (ВАХ) показан на рисунке 3.7. Если в полупроводнике неодинаковые концентрации дырок в p-области и электронов в n-области, то p-слой осуществляет эмиссию дырок через p-n–переход и называется эмиттером. Другой слой, на котором лежит p-область называется базой.

Рисунок 3.7 – Прямая ветвь ВАХ p-n–перехода

Если концентрация электронов много больше концентрации дырок, то наоборот, р-слой будет называться базой, а n-слой – эмиттером. Дырки из p-области, пройдя переход, рекомбинируют с электронами, пришедшими из U_a. Избыток электронов, прошедших через переход, уходит к U_a.

2) Внешнее напряжение подключено к p-n–переходу в обратном направлении, рисунок 3.8.

Рисунок 3.8 – Обратносмещённый p-n–переход

Поля внешнего источника и внутреннее совпадают, контактная разность потенциалов возрастает (j₀ + U_a), увеличивается объемный заряд и ширина перехода. Затрудняется прохождение основных носителей через переход. А процесс рекомбинации с обеих сторон перехода не основных носителей остается неизменным – этим обуславливается обратный ток. Обратная ветвь ВАХ показана на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 – Обратная ветвь ВАХ p-n–перехода

Концентрация не основных носителей, то есть ток I_0б зависит от температуры, его называют тепловым.

3) Концентрация основных носителей много больше концентрации не основных носителей, поэтому для прямого тока обеспечено I_ПР >> I_0БР, что обуславливает вентильные свойства p-n–перехода, рисунок 3.10, а ток определяется выражением (3.5).

Рисунок 3.10 – Вентильная ВАХ p-n–перехода

, (3.5)

где I₀ - обратный ток через переход при напряжении на нём, равном нулю.

4) При увеличении напряжения U_a в обратном направлении появляется участок резкого возрастания I_0БР вследствие пробоя p-n-перехода, рисунок 3.11.

Рисунок 3.11 – Пробой p-n–перехода

Зона электрического пробоя обратима, p-n–переход из строя не выходит; при тепловом пробое происходит разогрев перехода и выход его из строя. К параметрам p-n–перехода также относится: ёмкость, состоящая из барьерной (зарядной) и диффузионной. Барьерная ёмкость появляется из-за сосредоточения на границе раздела объемных зарядов (C_Б = dQ/dU). Она зависит от величины U_ОБР и используется в варикапах. Диффузионная емкость C_ДИФ определяется зарядами неравновесных носителей слева и справа от перехода – она играет роль при прямом смещении (при образовании неравновесных носителей). Зависит от прямого тока, причём C_ДИФ >> С_Б.