Трансформатори

Трансформатори використовуються для підвищення чи пониження змінного струму і напруги.

Трансформатор винайшов П. Н. Яблочков в 1867р. В 1882р. Російський винахідник И. Ф. Усагін запропонував більш сучасну конструкцію трансформатора.

Найпростіший трансформатор складається з двох обмоток, які знаходяться на загальному стальному замкнутому сердечнику. На рис.4, а схематично зображено устройство трансформатора, а на рис. 4, б – умовне позначення його на схемах. Обмотка, підключена до джерела змінного струму, називається первинна обмотка трансформатора, а обмотка, до якої підключена нагрузка, - вторинна обмотка.

Робота трансформатора базується на явищі взаємоіндукції.

Змінний струм, який тече по первинній обмотці, спричиняє в сердечнику змінне магнітне поле, яке перетинає витки вторинної обмотки та індукує в ній ЕРС взаємоіндукції. Ця ЕРС спричиняє на вторинній обмотці напругу, яка і прикладається до нагрузки.

Рис.4 Трансформатор:

а – спрощення зображення; б – умовне зображення на схемах

 

Співвідношення напруг в первинній та вторинній обмотках.

Напруга, прикладена до первинної обмотки трансформатора, розподіляється порівну між всіма її витками. Напруга, падаюча на кожному витку первинної обмотки, зрівноважується електрорушійною силою самоіндукції, яка в ньому виникає під дією змінного магнітного потоку сердечника. Тому ЕРС одного витка первинної обмотки дорівнює прикладеній напрузі, розділеному на кількість витків в первинній обмотці:

В цій формулі - ЕРС одного витка; - напруга, прикладена до первинної обмотки; - число витків в первинній обмотці.

Кожний виток як первинної, так і вторинної обмоток пронизується одним і тим же магнітним потоком. Тому в кожному витку вторинної обмотки індукується така ж ЕРС, як і в кожному виткі первинної обмотки. Загальна ЕДС вторинної обмотки дорівнює сумі електрорушійних сил всіх витків. Тому, щоб найти напругу на вторинній обмотці трансформатора, потрібно помножить ЕРС одного витка на кількість витків вторинної обмотки

.

Тут - напруга на вторинній обмотці; - ЕРС одного витка; - число витків вторинної обмотки.

Із сказаного можна зробити висновок: напруга на вторинній обмотці в скільки раз більша напруги на первинній обмотці, в скільки раз число витків вторинної обмотки більше числа витків первинної обмотки:

Співвідношення струмів в первинній та вторинній обмотці

Трансформатор не являється джерелом електричної енергії. Спираючись на закон збереження енергії, можна стверджувати, що потужність, яку отримує первинна обмотка від джерела, завжди дорівнює сумі потужності, використаної на нагрузці, і потужності, витраченої на нагрів трансформатора. Однак потужність, витрачена на нагрів трансформатора, звичайно мала і нею можна знехтувати. Тому можна написати

.

Тут - потужність, одержана трансформатором від джерела, - потужність, що виділяється на нагрузці. Яку потужність ми беремо від трансформатора, таку потужність трансформатор забирає від джерела.

Потужність, яку віддає трансформатор нагрузці, залежить від напруги на вторинній обмотці та від величини опору нагрузки. Якщо, наприклад, зменшити опір нагрузки, то збільшиться струм в вторинній обмотці та потужність, яку віддає трансформатор нагрузці. Але із попереднього слідує, що при цьому повинна збільшитися і потужність, яку забирає трансформатор від джерела, а звідси, і величина струму в первинній обмотці. Таким чином, при будь яком збільшенні струму в вторинній обмотці зараз же відповідно збільшиться і струм в первинній обмотці.

Із рівності потужностей в первинному та вторинному колах трансформаторах, крім того, слідує, що струми в них не однакові. Дійсно, потужність дорівнює добутку струму на напругу. Якщо трансформатор підсилюючий і напруга на вторинній обмотці більша, ніж на первинній, то для рівності потужності необхідно, щоб струм в вторинній обмотці був менше, ніж в первинній. В понижуючому трансформаторі, навпаки, струм в вторинній обмотці більше, ніж в первинній. Отже, трансформатор перетворює не тільки напругу, але і струм. В скільки раз трансформатор збільшує напругу, в стільки раз він зменшує величину струму.

Математично записується наступною формулою:

Трансформація опорів

Як вже було сказано, величина струму в первинній обмотці трансформатора залежить від опору нагрузки , підключеної до вторинної обмотки. Якщо опір нагрузки зменшити, то струм збільшиться, а якщо опір збільшити, - струм зменшиться. Виникає таке явище, якщо б при зміні опору нагрузки змінився б опір первинної обмотки. На основі цього говорять, що опір нагрузки передається або трансформується з вторинної обмотки в коло первинної обмотки. Отриманий при цьому в колі первинної обмотки опір називається приведеним опором первинної обмотки і позначується .

Величина приведеного опору залежить від опру нагрузки та від коефіцієнта трансформації . Приведений опір первинної обмотки дорівнює опору нагрузки, яке ділиться на квадрат коефіцієнта трансформації

.

Таким чином, трансформатор дозволяє змінювати не тільки напругу або струму, але і опір.

Склад трансформатора.

По конструкції сердечників трансформатори розділяються на П-подібні та Ш-подібні (рис.5). якщо сердечник має П-подібну форму, то кожна обмотка ділиться на дві частини і одна половина кожної обмотки поміщається на одному стержні сердечника, а інша – на другом. Такі трансформатори називаються стержневими (рис.5, а). На Ш-подібном сердечнику всі обмотки поміщаються на центральному стержні. Такі трансформатори називаються броньовими (рис.5, б).

Розміри сердечника залежать від потужності, на яку розрахований. Чім більше потужність трансформатора, тим більше повинен бути об’єм сердечника.

В сердечнику трансформатора, як і в сердечнику електричних машин, можуть виникати вихрові струми.

Для зменшення втрат на вихрові струми сердечники трансформаторів набираються з тонких сталевих пластин, ізольованих одна від одної листами тонкого паперу або лаковим покриттям. При такій конструкції сердечника вихрові струми можуть протікати тільки в межах однієї пластини і їх величина сильно зменшиться, внаслідок чого зменшаться і втрати енергії.

Рис.5. Склад трансформаторів:

а – стержневий трансформатор; б – броньовий трансформатор

 

Обмотки трансформаторів намотуються мідною ізольованою проволокою. Переріз проволоки вибирається в залежності від струму, що тече по обмотці: чим більше струм в обмотці, тим більше повинен бути переріз проволоки. Так як в трансформаторі при підвищенні напруги в стільки же раз зменшиться струм, то підвищуючі обмотки трансформатора завжди намотуються із більш тонкої проволоки, а понижуючі – із більш товстої. Обмотки ретельно ізолюються одна від одної. Кожна обмотка намотується в декілька шарів. Окремі шари часто також ізолюють один від одного тонкими паперовими прокладками. Для захисту від проникнення до обмоток трансформатора вологи та покращення ізоляції високовольтні трансформатори заливається спеціальною смолою (бітумом) або опускаються в бак, заповнений трансформаторним маслом. Масло, крім того, полегшує охолодження трансформатора.

Первинні: 220, 127, 110 в.

Автотрансформатор

Автотрансформатором називають трансформатор, який має всього одну обмотку, частина яких являється загальною і для первинного і для вторинного кіл.

Рис.6. Схематичне зображення автотрансформаторів:

а – підсилюючий автотрансформатор; б – понижуючий автотрансформатор

 

Підсилюючий автотрансформатор можна отримати, якщо джерело підключити до частини витків обмотки, а нагрузку – до всієї обмотки. Принцип дії автотрансформатора не відрізняється від принципу дії трансформатора.

В автотрансформаторі витрачається менше енергії на нагрів обмотки, ніж в трансформаторі з роздільними первинною та вторинною обмотками. Він має меншу вагу та менші розміри. Його переваги особливо сильно відображаються, якщо вторинна напруга близька до первинної. Тому, якщо потрібно змінити напругу в невеликих межах, майже завжди застосовуються автотрансформатори. Недолік автотрансформатора в тому, що його вторинне коло не ізольована електрично від первинної, як в звичайному трансформаторі. Якщо використовувати автотрансформатор для значної пониження напруги, то не виключена можливість враження високою напругою на стороні низької напруги.

Рис.7. схема регулювання напруги за допомогою автотрансформатора:

а – плавне регулювання; б – ступінчате регулювання

 

Лекція № 8.

Тема 5. Напівпровідникові матеріали

План лекції:

5. Класифікація напівпровідникових матеріалів та їх властивості.

6. Власні і домішкові напівпровідники. Елементарні напівпровідники – кремній, германій.

7. Основні та неосновні носії зарядів, їх конденсація, механізм розсіяння та рухливості. Не рівноважні носії заряду та механізм рекомбінації.

8. Оптичні, фотоелектричні, термоелектричні явища у напівпровідниках

Література до вивчення лекції:

3. Пасинков В.В., Сорокин В.С. Материалы електронной техники. – М.: Высш. Школа, 1986, с. 90-98, 133-156

4. Толю па С. В., Латипов І. М., Еремеєв Ю.І., Електричні матеріали. Пасивні електронні елементи інфокомунікаційних систем та мереж. навч. посібник, 2010р.

 

1.Класифікація напівпровідникових матеріалів та їх властивості.

 

До напівпровідників відносяться речовини, які за електричними властивостями займають проміжне місце між провідниками і діелектриками. Питома електропровідність напівпровідників σ = 10²...10^-8 См/м (у діелектриків σ < 10^-12 См/м, у металів σ = 10³...10⁴ См/м).

Другою характерною прикметою напівпровідників є сильна залежність їх електропровідності від температури, концентрації домішок, від впливу світлового та іонізуючого випромінювання, а також від інших енергетичних впливів. Відзначні ознаки напівпровідників порівняно з провідниками і діелектриками зумовлені відмінністю в механізмі їх електричної провідності.

 

Рис.1. Класифікація напівпровідникових матеріалів

 

Відомо, що електропровідність металів, які є добрими провідниками електричного струму, зумовлена валентними електронами, які обертаються навколо ядер на зовнішніх оболонках. Внаслідок значного перекриття зовнішніх оболонок сусідніх атомів метала ці атоми можуть вільно обмінюватися валентними електронами. Іншими словами, в металах валентні електрони можуть вільно переміщуватись між атомами. Такі електрони називають вільними.

В створенні електричного струму можуть приймати участь лише рухомі носії електричних зарядів. Тому електропровідність речовини тим більша, чим більше в одиниці об’єму цієї речовини знаходиться рухомих носіїв електричних зарядів. В металах практично всі валентні електрони (які є носіями елементарного негативного заряду) являються вільними, що і забезпечує високу електропровідність металів.

Більшість напівпровідників, які широко використовуються в радіоелектроніці, відносяться до кристалічних тіл, атоми яких утворюють просторову решітку. Взаємне притягання атомів, утворюючих кристалічну решітку, здійснюється за рахунок ковалентного зв’язку, тобто загальної пари валентних електронів, які обертаються на одній орбіті навколо цих атомів. Згідно принципу Паулі загальну орбіту можуть мати лише два електрони з різними спинами і тому число ковалентних зв’язків атома визначається його валентністю.

Така кристалічна структура, де всі електрони пов’язані з атомами не повинна проводити електричний струм. Однак під дією зовнішніх сил в напівпровіднику виникає електропровідність.

 

2. Власні і домішкові напівпровідники. Елементарні кремній, германій.

При деяких зовнішніх впливах (температури, напруги, світла та ін.) з’являються електрони, енергія яких стає достатньою для виходи із валентної зони і переходу в зону провідності. Ці електрони звільняються від з’язків та стають вільними, створюючи струм електронів.

Вихід електрону з валентної зони приводить до появи в ній незаповненого енергетичного рівня. Вакантний енергетичний стан називається діркою. Воно має некомпенсований позитивний заряд, який дорівнює заряду електрона. В результаті виникає пара електрон – дірка. Цей процес називається генерацією зарядів.

Валентні електрони сусідніх атомів можуть переходити на вільні (незаповнені) енергетичні рівні, утворюючи дірки в іншому місці. Це приводить до того, що дірка в одному місці заповнюється (зникає), а в іншому – виникає, тобто вона буде хаотично переміщуватись по кристалічних гратах, створюючи дірковий струм.

Таким чином, струм в напівпровіднику може бути обумовлений рухом як вільних електронів, так і дірок.

Дірки та електрони при зустрічі можуть з’єднуватись та зникати. Цей процес називається рекомбінацією зарядів.

Вільні електрони та дірки є носіями електричних зарядів: електрони – негативних n, дірки – позитивних p.

В бездомішковому напівпровіднику кількість вільних електронів дорівнює кількості дірок, тобто концентрації електронів n_i та дірок p_i однакові

n_i = p_i

n_i*p_{i =} n_i² = p_i²

Для кремнію p_i = n_i = 1.4*10¹⁰ см ^-3, для германію p_i = n_i = 2.5*10¹⁰ см ^-3, тобто в кремнію кількість вільних електронів менша ніж в германію завдяки більшої енергії іонізації.

У власному напівпровіднику концентрація електронів та дірок установлюється як результат динамічної рівноваги двох безперервних процесів: генерації та рекомбінації рухомих носіїв.

В електронних приладах частіше застосовують домішкові напівпровідники, які дозволяють змінювати властивості напівпровідників.

 

 

Рис. 2. Кристалічні грати домішкових напівпровідників
а - n -типу; б - p -типу

 

В електроніці застосовують напівпровідники, частину атомів яких заміщують атомами іншої речовини. Такі напівпровідники називаються домішковими напівпровідниками.

 

3.Основні та неосновні носії зарядів, їх концентрація,механізм розсіянія та рухливості. Не равновісні носії заряду та механізм рекомбінації.

Напівпровідник з електронною електропровідністю

При введенні в чотирьохвалентний напівпровідник домішкових п'ятивалентних атомів (фосфору Р, сурми 8Ь). Чотири електрони атома домішки вступають в зв'язок

з чотирма валентними електронами сусідніх атомів основного напівпровідника. П'ятий валентний електрон виявляється майже не зв'язаним з своїм атомом і при одержанні додаткової незначної енергії, яка зветься енергією активації,відривається від атома і стає вільним. Домішки, які збільшують число вільних електронів, називають донорними або просто донорами,

Атоми п'ятивалентних домішок, які "загубили" по одному електрону, перетворюються в позитивні іони. На відміну від дірок позитивні іони міцно зв'язані з кристалічною решіткою основного напівпровідника, є нерухомими позитивними зарядами і тому не можуть приймати безпосередньої участі в створенні електричного струму в напівпровіднику.

Незначна енергія активації домішок ∆W, яка дорівнює 0,16 еВ для кремнію і 0,01...0,13 еВ для германію, вже при кімнатній температурі приводить до повної іонізації п'ятивалентних атомів домішок і появи в зоні провідності вільних електронів.

Оскільки в цьому випадку поява вільних електронів не супроводжується одночасним збільшенням дірок в валентній зоні, то в такому напівпровіднику концентрація електронів виявляється значно вищою концентрації дірок. Дірки в такому напівпровіднику утворюються лише в результаті розриву ковалентних зв'язків між атомами основної речовини.

Напівпровідники, в яких концентрація вільних електронів в зоні провідності перевищує концентрацію дірок в валентній зоні, називаються напівпровідниками з електронною електропровідністю або напівпровідниками n-типу.

Рухомі носії заряду, яких в напівпровіднику більшість, називають основними. Відповідно ті носії, яких в напівпровіднику менше, називають неосновними для даного типу напівпровідника. В напівпровіднику nтипу основними носіями заряду є електрони, а неосновними-дірки.

 

Напівпровідники з дірковою електропровідністю.

Якщо в кристалі чотирьохвалентного елемента частина атомів заміщена атомами трьохвалентного елемента (галія Gа, Індія Іп), то для створення чотирьох ковалентних зв'язків у домішкового атома не вистачає одного електрона (рйет-43?а). Цей електрон можна одержати від атома основного елемента напівпровідника за рахунок розриву ковалентного зв'язку. Розрив зв'язку веде до появи дірки, тому що супроводжується створенням вільного рівня в валентній зоні. Домішки, які захоплюють електрони з валентної зони, називають акцепторними або акцепторами. Енергія активації акцепторів ДИ/д складає для германія 0,01...0,012 еВ і для кремнію 0,04...0, 16 еВ, що значно менше ширини забороненої зони бездомішкового напівпровідника.•

Завдяки малому значенню енергії активації акцепторів вже при кімнатній температурі електрони з валентної зони переходять на рівні акцепторів. Ці електрони, перетворюючи домішкові атоми в негативні іони, втрачають свою здатність переміщуватися по кристалічній решітці і не можуть брати участь у створенні електричного струму.

За рахунок іонізації атомів початкового матеріалу з валентної зони частина електронів потрапляє в зону провідності. Проте електронів в зоні провідності значно менше, ніж дірок у валентній зоні.

Тому дірки в таких напівпровідниках є основними,а електрони - неосновними рухомими носіями заряду. Такі напівпровідники носять назву напівпровідників із дірковою електропровідністю або напіпровідники p – типу.

 

Висновки:

1. 5- ти валентний атом донорної домішки перетворюється в позитивний іон донору, оскільки чотири 1-но валентні електрони ідуть на ковалентні зв’язки, а п’ятий електрон залишає атом, утворюючи електронну провідність напівпровідника;

2. 3-х валентний атом акцепторної домішки перетворюється в негативний іон акцептора, оскільки для ковалентного зв’язку необхідні чотири електрони, один з яких захоплюється атомом акцептора з атома напівпровідника де залишається дірка, що утворює діркову провідність напівпровідника;

3. Домішки, утворюючи донорно-акцепторні зв’язки, зміщують зону заборони, що приводить до виникнення напівпровідності германію Ge та кремнію Si.

 

4. Оптичні, фотоелектричні, термоелектричні явища у напівпровідниках

 

Струми в напівпровідника.

У власному напівпровіднику електрон та дірка знаходиться в стані хаотичного теплового руху.

Як відомо, струм – це направлене переміщення носіїв заряду. Він виникає в напівпровіднику при наявності електричного поля або області з різною концентрацією носіїв заряду.

Струм напівпровідника має дві складові – електронну I_n та діркову I_p

I=I_n+I_p

Далі будемо розглядати не струм, а щільність струму

J=I / S

де S – площа перерізу напівпровідника, крізь яку проходить струм I.