Электрической несимметрии

4. Оптическая связь в электронных цепях позволяет осуществить практически полную электрическую развязку входа и выхода системы, согласовывать высоковольтные цепи с низковольтными, высокоомные с низко-омными, низкочастотные с высокочастотными (гальваническая развязка основана на электрической нейтральности фотонов и однонаправленности передаваемых сигналов).

Как отмечалось выше, при сообщении кристаллической решетке полупроводника дополнительной энергии отдельные электроны покидают валентные связи и превращаются в свободные носители заряда. Переход электронов в зону проводимости приводит к нарушению электрической нейтральности атома. В результате появляется нескомпенсированный положительный заряд ядра, равный по абсолютной величине заряду электрона. Такой положительный заряд называется дыркой.

Неравновесные носители заряда и их основные характеристики. Воздействие света, электрического поля и других факторов может привести к появлению дополнительных, избыточных по отношению к равновесным, концентраций свободных носителей, их называют неравновесными носителями заряда. При неизменной интенсивности внешнего фактора в полупроводнике устанавливается стационарное состояние, при котором скорости генерации и рекомбинации носителей заряда равны. В этих условиях концентрации избыточных носителей заряда равны: An = = п — п0 и Ар = р = рй, где пир — постоянные концентрации электронов и дырок при наличии внешнего фактора; п0 и р„ — то же, в отсутствие внешнего фактора, т. е. равновесные концентрации. Если в полупроводнике нет объемного заряда, то выполняется условие его электрической нейтральности:

Все энергетические уровни, разрешенные в полупроводниковом кристалле неограниченных размеров, разрешены и в ограниченном кристалле. Обрыв решетки приводит лишь к тому, что вблизи поверхности кристалла появляются разрешенные дискретные энергетические уровни или зоны в тех областях энергии, которые запрещены для неограниченного кристалла. Электроны, занимающие эти уровни, не- могут проникать внутрь кристалла и локализуются у его поверхности. Такие уровни называются поверхностными или уровнями Тамма. Поверхностные уровни могут служить донорами, акцепторами и центрами прилипания. Заполнение акцепторных уровней означает локализацию электронов, а удаление электронов с донорных уровней — локализацию дырок на этих уровнях, в результате чего происходит заряжение поверхности отрицательным или положительным зарядом. В соответствии с условием электрической нейтральности оно должно сопровождаться возникновением в приповерхностном слое объемного заряда, нейтрализующего поверхностный заряд. Это осуществляется притяжением к поверхности носителей заряда со знаком, противоположным знаку заряда на поверхности, и отталкиванием носителей заряда одного знака. В результате приповерхностный слой полупроводника оказывается обедненным носителями заряда одного знака с поверхностным зарядом и обогащенным носителями заряда противоположного знака.

У Заряды, расположенные по обе стороны от границы п- и р-областеи, численно равны друг другу вследствие электрической нейтральности полупроводника в целом, т.е. выполняется равенство Nadn - /VA dp, где dn и dp - толщина слоев пространственного заряда в полупроводнике п- и р-типа. В несимметрично легированном р-/?-переходе слой объемного пространственного заряда занимает в слабо легированном полупроводнике больший объем. Толщина слоя пространственного заряда в зависимости от уровней легирования составляет десятые доли -единицы микрометра.

По условию электрической нейтральности, число положительных зарядов равно числу отрицательных зарядов, следовательно, уравнение электронейтральности имеет вид

Воздействие света, электрического поля и других факторов может привести к появлению дополнительных, избыточных по отношению к равновесным, концентраций свободных носителей, их называют неравновесными носителями заряда. При неизменной интенсивности внешнего фактора в полупроводнике устанавливается стационарное состояние, при котором скорости генерации и рекомбинации носителей заряда равны. В этих условиях концентрации избыточных носителей заряда равны: Дл = п — пд и Др = р - ро, где пир- постоянные концентрации электронов и дырок при наличии внешнего фактора; пд и ро — то же, в отсутствие внешнего фактора, т. е. равновесные концентрации. Если в полупроводнике нет объемного заряда, то выполняется условие его электрической нейтральности:

жения в полярности минус на катод, плюс на анод происходит электролиз электролита — выделение серебра на катоде и нарушение электрической нейтральности системы в целом, т. е. происходит своеобразная зарядка ионистора. После окончания зарядки ионистор может разряжаться, отдавая электрический ток в нагрузку. При этом ионистор ведет себя как конденсатор очень большой емкости —• в несколько десятков фарад при рабочем объеме около 1 см3 — с очень малым током утечки (саморазряда), вследствие чего накопленный заряд может храниться несколько месяцев почти без изменения. Это позволяет использовать иони-сторы в качестве источников питания радиоэлектронной аппаратуры. И, конечно, элементов памяти — в запоминающих устройствах ЭВМ.

В силу закона электрической нейтральности дырки, прошедшие из области эмиттера через базу в область коллектора, будут компенсированы электронами, приходящими в коллектор из внешней цепи и создающими в ней ток коллектора. Однако не все дырки, инжектированные из эмиттера в базу, достигнут коллекторной области. Небольшая их часть успевает рекомби-нировать с электронами в базовой области. Потеря зарядов в базовой области приводит к протеканию тока в цепи базы /в. Изменением тока базы можно изменять напряжение на эмиттер-ном переходе и, таким образом, управлять током между эмиттером и коллектором. Следовательно, особенность транзистора состоит в том, что между его электронно-дырочными переходами существует взаимодействие — ток одного из переходов может управлять током другого.

Основной функцией, выполняемой ионами в столбе разряда, как уже выше говорилось, является обеспечение электрической нейтральности пространства. Ион, обеспечивая в каждый данный момент в элементе объема компенсацию одного электрона, поддерживает компенсацию большого числа проходящих Мимо него электронов, поскольку скорость перемещения электронов много больше скорости ионов. Это поясняется простейшей диаграммой, приведенной для элементарного объема на 1-27, 6. В любой момент времени в рассматриваемом элементе объема с длиной dx два электрона и два иона пространственно компенсируют друг друга. За время же продвижения ионов через рассматриваемый объем через него проходит во столько раз больше электронов, во сколько скорость последних больше скорости ионов.

электрической нейтральности должен существовать объемный заряд в полупроводнике, что соответствует существованию электрического поля и изгибу энергетических зон вблизи поверхности полупроводника.

обмотки статора. Наибольшие пределы изменения этих величин имеют место в случае электрической несимметрии ротора, например когда на роторе СМ имеется только обмотка возбуждения. Характер изменения угловой частоты вращения магнитного поля статора в пространстве определяется уравнением

Из приведенных уравнений следует, что зависимости Md =• f(s) и Mq = f(s) ничем не отличаются от механической характеристики АД с симметричным ротором. Следовательно, применяя эти уравнения при расчете, нельзя проанализировать влияние несимметрии ротора на пусковые характеристики. Даже в предельном случае электрической несимметрии, когда на роторе двигателя имеется обмотка только по одной оси, провала в кривой среднего момента не обнаруживается. Точность приближенного метода возрастает с уменьшением активного сопротивления обмотки статора и несимметрии ротора.

При проектировании СД, удовлетворяющих заданным условиям пуска, необходимо знать влияние различных параметров и несимметрии ротора на пусковые характеристики. Синхронные явно-полюсные двигатели имеют магнитную и электрическую несимметрию ротора. Поэтому целесообразно рассмотреть влияние магнитной и электрической несимметрии отдельно.

Электрическая несимметрия ротора. Примером наличия в машине только электрической несимметрии служит АД с несимметрией роторной обмотки. В двигателях с короткозамкнутым ротором электрическая несимметрия может возникнуть в результате обрыва стержней роторной обмотки, а в АД с фазным ротором — при включении в цепь ротора несимметричного сопротивления. Предельным случаем электрической несимметрии является АД с однофазным ротором.

Электрическая несимметрия приводит к тому, что электромагнитный момент вращения при работе в установившемся асинхронном режиме изменяется во времени. Его можно представить в виде суммы среднего момента Мср и переменного, пульсирующего во времени с частотой удвоенного скольжения. Из пусковых характеристик АД с однофазным ротором ( 11.6) видно, что при наличии только электрической несимметрии момент обратной последовательности при скольжении s = 1,0 -г Ч- 0,5 положителен, а при s < < 0,5 — отрицателен. В кривой момента MI прямой последова-

По (12.45) построим частотную характеристику среднего тока 1Х статора, имеющего номинальную частоту ( 12.9). Кривая среднего тока статора при скольжении в пределах s = 0,4-^-0,5 имеет петлю, вызванную наличием магнитной и электрической несимметрии ротора и влиянием активного сопротивления цепи статора. Эта петля характеризует известный одноосный эффект в машинах с несимметричным ротором. Эффективное значение среднего тока статора в зависимости от скольжения представлено на 12.10 (кривая 1). При скольжении ротора s = 0,5 ток статора имеет провал, значение которого определяется степенью несимметрии ротора.

Для уменьшения магнитной и электрической несимметрии число пар полюсов выбирают не меньше двух.

оказываются различными. Вследствие магнитной несимметрии явно-полюсного ротора различны главные сопротивления якоря по продольной и поперечной осям Xad Ф Xaq. Вследствие электрической несимметрии неодинаковыми оказываются индуктивные сопротивления рассеяния и активные сопротивления демпферной обмотки (ОД) по продольной и поперечной осям (т. е. сопротивления ОДдля токов, индуктированных изменяющимися продольными и поперечными полями) Х'ка Ф Хщ, R'Kd Ф R'Kq. В дополнение к этому электрическая несимметрия увеличивается еще из-за того, что обмотка возбуждения оказывает влияние только на продольное поле (чем меньше ее индуктивное сопротивление рассеяния X'fa и активное сопротивление R'f, тем это влияние сильнее) *. Для определения поля от токов обратной последовательности и сопротивления обмотки якоря для этих токов можно, как в симметричной асинхронной машине, заменить ротор, вращающийся со скольжением s2 = 2, эквивалентным неподвижным ротором с активными сопротивлениями, деленными на s2.

Вследствие магнитной и электрической несимметрии машины в статоре помимо тока /' основной частоты fi протекают токи I" частоты (2s—1). Значения их могут быть найдены по следующим формулам [32]:

Для уменьшения магнитной и электрической несимметрии число пар полюсов выбирают не меньше двух.

Вследствие указанной магнитной и электрической несимметрии, строго говоря, вместо единой успокоительной обмотки необходимо рассматривать каждый контур тока на 32-17, а или 32-18, а как отдельную обмотку или отдельную цепь тока. Для каждого такого контура по отдельности можно составить уравнение напряжения или второе уравнение Кирхгофа, причем эти уравнения будут независимы друг от друга, а сопротивления и индуктивности каждого контура различны. В уточненной теории переходных процессов и других особых режимов действие успокоительной обмотки учитывается именно так. Однако для большинства практических целей задачу можно упростить и рассматривать по каждой оси одну эквивалентную успокоительную обмотку, с эквивалентными токами 7уЛ /у? и эквивалентными параметрами. Можно считать, что такие эквивалентные обмотки представляют собой короткозамкнутые витки с полным шагом (рис, 32-19). Активные сопротивления rydj ryq и индуктивности Lyd, Lyq эквивалентных успокоительных обмоток по разным осям различны.

Вследствие указанной магнитной и электрической несимметрии, строго говоря, вместо единой успокоительной обмотки необходимо рассматривать каждый контур тока на 32-17, а или 32-18, а как отдельную обмотку или отдельную цепь тока. Для каждого такого контура по отдельности можно составить' уравнение напряжения или второе уравнение Кирхгофа, причем эти уравнения будут независимы друг от друга, а 32-19. Эквивалентные успокоитель-сопротивления и индуктивно- ные обмотки продольной (с) и поперечной сти каждого контура различ- <б) оси