Экзаменационный билет № 13.

1. Измерительные трансформаторы тока и напряжения, принцип работы, области применения, режимы работы, точность.

2. Полупроводники, р-n переход его свойства.

1. Измерительные трансформаторы тока и напряжения используют как преобразователи больших переменных токов и напряжений в относительно малые токи и напряжения, допустимые для измерения стандартными пределами измерений. Применением измерительных трансформаторов в цепях высокого напряжения достигается безопасность для персонала, обслуживающего приборы, так как приборы при этом включаются в заземляемую цепь низкого напряжения.

Измерительные трансформаторы тока и напряжения по устройству сходны между собой, однако отличаются режимом работы и способом включения в измерительную цепь. На неферромагнитном сердечнике изолированно друг от друга намотаны первичная и вторичная обмотки. Соотношение между числами витков и зависит от значения номинального коэффициента трансформации (К_Т), который для трансформатора тока определяется как: , а для трансформаторов напряжения: .

Действительный КТ из-за наличия погрешностей будет отличаться от номинального. При этом вектор вторичного тока (напряжения) смещён по отношению к первичному не точно на 180°, что является причиной угловой погрешности, и действительный К_Т будет комплексным числом:

Где и - модули действительного КТ тока и напряжения; и - токовая погрешность и погрешность напряжения; и - угловые погрешности трансформатора тока и напряжения.

Поскольку ко вторичной обмотке измерительного трансформатора тока подключаются амперметры, токовые обмотки ваттметров, счётчиков электроэнергии и фазометров, сопротивление которых очень мало, трансформаторы тока работают в режиме, близком к КЗ. Характер нагрузки - индуктивно-активный. Погрешность трансформатора тока обусловлена различием между номинальным и действительным коэффициентами трансформации. Она зависит от свойств сердечника, сопротивления вторичной цепи. Размыкание вторичной цепи является аварийным режимом, так как при этом намагничивание сердечника осуществляется полностью всем первичным током, сердечник входит в насыщение, значение, значение его магнитного сопротивления велико, что приводит к перегреву сердечника, порче изоляции, намотки, напряжение на вторичной обмотки может достигать сотен вольт, что опасно для обслуживающего персонала. В связи с этим у трансформаторов тока предусмотрено устройство закорачивания вторичной обмотки при необходимости осуществления нужных переключений. В зависимости от назначения измерительные трансформаторы тока разделяются на стационарные и переносные. Переносные лабораторные трансформаторы преимущественно многопредельные. Для расширения пределов измерения частот в корпусах переносных трансформаторов тока с тороидальным сердечником предусматривается отверстие, через которое можно намотать внешнюю первичную обмотку проводом соответствующего диаметра. Особой формой трансформаторов тока являются токоизмерительные клещи, позволяющие измерять ток в линии, не разрывая цепи для включения амперметра или обычного измерительного трансформатора. Лабораторные трансформаторы могут быть класса точности от 0,01 до 0,2 а стационарные – от 0,2 до10. Предельное значение погрешностей лабораторных трансформаторов нормируется двухчленной формулой , а стационарных – не должны превышать значений, приведённых в стандарте. Номинальные значения первичных токов трансформаторов бывают от 0,2 до 3000А, а вторичного - 5А, номинальное сопротивление цепей нагрузки лабораторных трансформаторов – 0,2; 0,4 и 0,6 Ом; номинальная частота обычно 50 либо 400 Гц или область частот – 50…1000 Гц.

Режим работы измерительного трансформатора напряжения приближается к режиму ХХ, так как к вторичной его обмотке подключаются приборы с относительно большим сопротивлением. Характер нагрузки предполагается активно – индуктивный. Погрешность трансформатора напряжения обусловлена различием между номинальным и действительным коэффициентами трансформации. Она пропорциональна сопротивлениям обмоток трансформатора, магнитному сопротивлению сердечника и обратно пропорциональна сопротивлению нагрузки и частоте измеряемого напряжения. При изменении первичного напряжения и постоянной нагрузке изменяется магнитное сопротивление, а значит, и погрешность. Измерительные трансформаторы напряжения также разделяются на лабораторные и стационарные, лабораторные – чаще всего переносные, многопредельные. Наиболее распространены трансформаторы напряжения классов 0,1; 0,2 и 0,5.

2. Полупроводниковый кристалл характеризуется закономерным расположением атомов образующих, так называемую кристаллическую решётку вещества. Межатомные связи осуществляются валентными электронами, находящимися на внешней оболочке атомов. У Ge и Si 4 валентных электрона. При образовании кристаллов атомы настолько сближаются, что их внешние электронные оболочки перекрываются. При этом у валентных электронов соседних атомов появляются общие орбиты, на каждой из которых может находиться не более 2-х электронов. Эти общие орбиты связывают между собой атомы Ge или Si, образуя ковалентные или парно электронные связи. Причем электронные связи принадлежат обоим связанным между собой атомам. Для наглядности атомную решетку можно изобразить в виде плоской сетки, в которой каждый атом соединяется парной электронной связью с 4 ближайшими атомами.

p/n-переход – основной элемент современных диодов и транзисторов. Он возникает на границе между дырочной и электронной областью одного кристалла. p/n-переход обладает вентильными свойствами, что позволяет создать полупроводниковый диод. Изобразим условно кристалл, одна часть которого имеет дырочную проводимость, другая – электронную. В этом случае электроны и дырки могут переходить через границу. Слева от границы раздела электронов значительно меньше, поэтому они стремятся диффундировать в р-область. Однако, как только электроны попадают в р-область, они начинают рекомбинировать с дырками, с основными носителями в р-области и их концентрация быстро убывает по мере их углубления. Аналогично дырки диффундируют из р-области в n-область. Уходя в другую область, свободные носители оставляют некомпенсированный заряд ионизированных атомом примесей, связанных с кристаллической решёткой. В n-области положительный заряд ионизированных доноров, в р-области – отрицательный заряд ионизированных акцепторов. На границе области образуются 2 слоя противоположных по знаку зарядов, то есть электронное поле. Так как оно препятствует диффузии основных носителей, то его называют потенциальным барьером. Диффундировать через p/n-переход могут только те носители, тепловая энергия которых достаточна, чтобы преодолеть потенциальный барьер. Однако этот барьер способствует переходу не основных носителей. Под действием поля появляется дрейфовый ток, состоящий из не основных носителей и направленный навстречу диффузионному току основных носителей. Если p/n-переход изолирован, то эти два тока равны и общий ток равен нулю. Обратное включение p/n-перехода. При обратном включении p/n-перехода батарея подключается так, чтобы ее поле имело тоже направление, что и поле в p/n-переходе. Поскольку сопротивление области пространственного заряда много выше материала, то все напряжение батареи окажется приложенным к p/n-переходу. Потенциальный барьер возрастает и равен U_k + U_б, где U_k - потенциальный барьер, U_б – напряжение батареи. По мере роста U_б все меньше остается способных преодолеть возрастающее электронное поле, поэтому ток диффузии стремится к нулю. Эта зависимость имеет экспоненциальный характер. Прямое включение p/n-перехода. При прямом включении p/n-перехода батарея включается так, что ее поле направлено навстречу контактному, практически все напряжение приложено к p/n-переходу. С увеличением U_б потенциальный барьер падает и ток диффузии возрастает.