Интегральной микроэлектроники

При микропроцессорной элементной базе все необходимые слагающие (например, полные аварийные) и симметричные составляющие всех последовательностей могут получаться расчетным путем при известных полных токах и напряжениях фаз. При электромеханической и полупроводниковой (интегральной микроэлектронике) элементных базах симметричные составляющие нулевой последовательности обычно получаются непосредственно путем: сортветствующего соединения вторичных обмоток ТА и TV, а симметричные составляющие прямой, обратной последовательностей и полные аварийные слагающие — в специальных вторичных устройствах.

Характеристики, примененные отечественной промышленностью для новых исполнений дистанционной защиты линий ПО—380 кВ от многофазных КЗ. В новых отечественных защитах, выполненных на интегральной микроэлектронике с использованием операционных усилителей [15], для I ступени применен орган сопротивления с характеристикой, имеющей форму, близкую к окружности, проходящей через начало координат ( 6.6, и). Она составлена из трех дуг, опирающихся соответственно на отрезки, образованные особыми точками Z\, Z2 и Z3. Такое выполнение, как утверждают авторы разработки, обеспечивает по сравнению с обычной окружностью сокращение времени срабатывания органа и уменьшение искажения формы характеристики при наличии в подводимых величинах апериодических и колебательных затухающих слагающих. Характеристика срабатывания II ступени ( 6.6, к) имеет четырехугольную форму с вершинами Zb Z2, Z?, и Z4, охватывающую начало координат.. Предусмотре-

Для проверки состояния защит всегда осуществляются те или иные мероприятия: регулярный профилактический контроль, ручные или автоматические тестирования, а в последние годы — и более глубокое функциональное диагностирование. Осуществление диагностирования при появлении защит на новых элементных базах (например, на интегральной микроэлектронике) с малой потребляемой мощностью облегчается по сравнению с применявшимися электромеханическими защитами. Для контроля функционирования защиты оказываются также полезными устройства, регистрирующие действие защит и выключателей; при этом следует учитывать (см. гл. 1), что, например, КЗ также осуществляют своеобразную проверку функционирова-

Современная микроэлектроника базируется на интеграции дискретных элементов электронной техники, при которой каждый элемент схемы формируется отдельно в полупроводниковом кристалле. При этом в основе создания ИМС лежит принцип элементной (технологической) интеграции, сопровождающейся микроминиатюризацией элементов (активных и пассивных) микросхемы. В ИМС можно выделить области, представляющие собой активные (диоды, транзисторы) и пассивные (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) элементы. В интегральной микроэлектронике сохраняется главный принцип дискретной электроники, основанной на разработке электрической схемы по законам теории цепей. Этот принцип неизбежно связан с ростом числа элементов микросхемы и межэлементных соединений по мере усложнения выполняемых ею функций.

Развитие способов молекулярной и локальной эпитаксии, гетероэпитаксии на изолирующих подложках (например, на сапфире), разработка методов получения многослойных эпи-таксиальных структур с управляемой геометрией и свойствами обусловили широкое применение эпитаксиальной кристаллизации в интегральной микроэлектронике и оптике, в акусто-электронике, оптоэлектронике и других развивающихся отраслях современной техники.

влияют и на сложность ИМС как факторы, характеризующие целесообразность постоянного повышения степени интеграции для всех типов ИМС. Поэтому в интегральной микроэлектронике существует еще один технико-экономический показатель — экономически оптимальная степень сложности ИМС.

В основе создания ИМС лежит принцип элементной (технологической) интеграции, сопровождающейся микроминиатюризацией элементов (активных и пассивных) микросхемы. В ИМС можно выделить области, представляющие собой активные (диоды, транзисторы) и пассивные (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) элементы. В интегральной микроэлектронике сохраняется основной принцип дискретной электроники, основанной на разработке электрической схемы по законам теории цепей. Этот принцип неизбежно связан с ростом числа элементов микросхемы и межэлементных соединений по мере усложнения выполняемых ею функций.

В основе создания ИМС лежит принцип элементной (технологической) интеграции, сопровождающейся микроминиатюризацией элементов (активных и пассивных) микросхемы. В ИМС можно выделить области, представляющие собой активные (диоды, транзисторы) и пассивные (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) элементы, В интегральной микроэлектронике сохраняется основной принцип дискретной электроники, основанной на разработке электрической схемы по законам теории цепей. Этот принцип неизбежно связан с ростом числа элементов микросхемы и межэлементных соединений по мере усложнения выполняемых ею функций.

2.1. Явления и процессы, используемые в интегральной микроэлектронике

Все физические явления и процессы, которые используются в интегральной микроэлектронике, можно разделить на две группы. Первую группу составляют физические явления и процессы, которые возникают и протекают в полупроводниковых и -пленочных структурах и положены в основу принципов работы различных приборов, интегральных микросхем и их элементов. К ним относятся: явления перенос'а носителей заряда в полупроводниках (кинетические) ; контактные явления в структурах полупроводник—металл, полупроводник—полупроводник и др.; электронные процессы на поверхности полупроводников; оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках; размерные эффекты и различные механизмы токопрохождения в пленочных структурах; физические явления в ферромагнитных пленках. К этой же группе относятся и эффекты, используемые при создании отдельных элементов интегральных микросхем: туннельный, эффект сильного поля, эффект Ганна, эффект Холла и др.

2.1. Явления и процессы, используемые в интегральной микроэлектронике 35

В основе интегральной микроэлектроники лежит использование ИС и больших интегральных микросхем (БИС), применение групповых методов изготовления, машинных методов проектирования ТП изготовления и контроля.

Функциональное назначение, конструкции, технология изготовления интегральных микросхем, как и принципы построения аппаратуры на микросхемах, непрерывно изменяются. Возможности интегральной микроэлектроники в настоящее время далеко не исчерпаны, поэтому в ближайшем будущем следует ожидать дальнейшего бурного ее развития и на этой основе дальнейшего прогресса в области конструирования РЭА. Внедрение микросхем не только изменяет элементную базу, но и в большинстве случаев требует радикального изменения принципов построения аппаратуры.

Однако возможности интегральной микроэлектроники все же ограничены. Дальнейшее увеличение степени интеграции затруднено по ряду технических и экономических показателей. Кроме того, усложнение БИС приводит к потере универсальности. Вновь возникает проблема надежности в связи с резким ростом числа внутренних соединений БИС.

Первые интегральные схемы были созданы в 1958 г. в США независимо друг от друга Д. Килби и Р. Нойсом, а в 1962 г. был начат их промышленный выпуск. С каждым годом роль и значение интегральной микроэлектроники все больше возрастают.

Полупроводниковые ИМС являются наиболее массовыми изделиями интегральной микроэлектроники. Поэтому контроль их качества в процессе ироизводства является решающим фактором, обеспечивающим высокую надеж-нюсть ИМС.

Положение с применением для защиты полупроводниковой элементной базы существенно изменилось в 60-е годы после разработки и начавшегося внедрения в разные области интегральной микроэлектроники со все возрастающей степенью интеграции, когда в одном кристалле удается «упаковывать» очень большое число микроэлементов (резисторов, конденсаторов, триодов и т.д.). Поэтому в настоящее время как у нас, так и за рубежом разработаны и начинают широко внедряться защиты, использующие микроэлектронную элемент-

ния. Большое значение при применении полупроводниковых схем придается реализации логической части, так как измерительные органы в современных исполнениях не имеют контактов, которые могли бы осуществлять логические операции. Первыми начали использоваться для защит диодные схемы сравнения. За ними появились диодно-транзи-сторные и транзисторные защиты, но они не полностью оправдали возлагавшиеся на них надежды в части потребляемых мощностей от первичных измерительных преобразователей и надежности. Положение существенно изменилось при внедрении в релестроении интегральной микроэлектроники, совершенствование которой относится к 60-м годам.

Аналоговые микросхемы предназначены для преобразования и обработки непрерывных сигналов. Примером аналоговой схемы являются операционные усилители, в настоящее время широко используемые в измерительных органах релейной защиты. Цифровые микросхемы, предназначены для преобразования и обработки сигналов, выраженных в двоичном или другом цифровом коде. Операции с двоичным кодом описываются рассмотренными выше соотношениями алгебры логики. Поэтому иногда цифровые микросхемы для выполнения простейших логических операций именуются логическими микросхемами. Цифровые схемы используются, в частности, для осуществления логической части современных устройств релейной защиты, выполненных на базе интегральной микроэлектроники. Принятые условные изображения различных типов логических элементов приведены в табл. 2.1.

В Советском Союзе практическая надобность в фильтрах обратной последовательности выявилась в начале 30-х годов и была начата в лаборатории им. А. А. Смуро-ва. В дальнейшем эта работа была развернута и в других организациях. Она завершилась созданием научных основ для их построения и расчета [5], а также целесообразных форм их выполнения на электромеханической элементной базе. В последние годы в связи с использованием интегральной микроэлектроники, операционных усилителей некоторые общие положения и формы выполнения фильтров претерпевают существенные изменения. В этом направлении должны быть отмечены работы ЛПИ (В. К. Ванин, Г. М. Павлов [14]), МЭИ (Р. В. Темкина [46]), ВНИИР (Л. А. Надель и др.) и других организаций.

Достоинством рассмотренной схемы с дешунтировани-ем является ее относительная простота. Выпускаемые промышленностью специальные реле тока и промежуточные реле имеют контакт, способный переключать ток до 150 А при условии, что сопротивление управляемой цепи не превышает 4,5 Ома при токе 3,5 А. С учетом мощностей, которые могут отдавать ТА, и приведенных выше данных схемы могут применяться в сетях с UHOM до 35 кВ при пружинных приводах у выключателей, а также на подстанциях НО—220 кВ с короткозамыкателями и отделителями. Однако со все более широким внедрением интегральной микроэлектроники, в том числе и на электроустановках с f/HOM<35 кВ, применение рассмотренной схемы сокращается.

трансформаторов собственных нужд, выпрямляющие ток, напряжение и обеспечивающие напряжение, используемое для питания оперативных цепей. Блоки делятся на токовые (БПТ), напряжения (БПН) и комбинированные, состоящие из БПТ и БПН, работающих параллельно на стороне выпрямленного напряжения. Блоки питания должны выполняться так, чтобы напряжение на их выходе поддерживалось во всех расчетных режимах достаточно стабильным. Подводимые к блокам питания токи и напряжения могут при КЗ, как известно, изменяться в широких пределах. Поэтому для выполнения указанного требования должна осуществляться стабилизация напряжения. Она может выполняться по-разному. Исследования и разработки, проводившиеся в течение ряда лет во ВНИИЭ (Я. С. Гельфанд и др.) по проблеме создания оптимальных устройств питания защит переменным оперативным током [48, 49], установили целесообразные схемы выполнения стабилизации. Для БПТ рекомендуется использование параллельного феррорезонансного контура, для БПН — часто дросселей насыщения. Однако при осуществлении защит с использованием элементов интегральной микроэлектроники необходимо еще дополнительное сглаживание выпрямленного напряжения. Возможная достаточно универсальная и экономичная структурная схема комбинированного блока питания приведена на 4.4. В ней БПТ включается на разность токов двух фаз и БПН — на напряжение между этими фазами. В этой схеме БПН обеспечивает, в частности, необходимое выпрямленное напряжение при замыканиях между двумя фазами за силовым трансформатором с соединением обмоток У/Д или Д/У, а также при однофазном КЗ за трансформаторами с соединением обмоток У/У с нулевым проводом (Ки = 380/220), когда (см. гл. 1) разность токов с питающей стороны может быть равна нулю, но междуфазное напряжение, им соответствующее, близко к рабочему. Иногда схема дополняется вторым БПТ в третьей фазе. Принципиальными преимуществами рассматриваемых блоков питания являются возможность осуществления индивидуального питания оперативным током одного защищаемого присоединения и отсутствие широко разветвленной (как при общей аккумуляторной батарее) сети оперативного тока. Однако при значительном числе присоединений экономически целесообразным оказывается групповое питание (например, элементов секции шин).