Полупроводниковые вентили

Как уже было отмечено, наибольшее применение на электроподвижном составе нашли тяговые двигатели постоянного тока.

Для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, пульсирующий) на электровозах переменного тока устанавливают выпрямители. В качестве выпрямителей используют электрические вентили. Электрическим вентилем называют электротехническое устройство, проводимость которого резко зависит от направления электрического тока. Вентильный эффект можно получить на границе металла и электролита, металла и газа (ионные вентили), металла и полупроводника, двух полупроводников с различными примесями (полупроводниковые вентили). Вентили могут быть управляемыми и неуправляемыми. Проводимость управляемых вентилей можно изменять, подавая управляющий сигнал.

Еще сравнительно недавно на электровозах переменного тока для преобразования тока использовали ртутные выпрямители. Ртутным выпрямителям свойственны серьезные недостатки: для того чтобы подготовить их к работе, требуется время для разогрева; сложна система управления вентилями, не исключена возможность обратного зажигания, т. е. потеря вентильных свойств.

В настоящее время на всех электровозах переменного тока применяют только полупроводниковые выпрямители. В электровозах серии ВЛ60 ртутные вентили на полупроводниковые заменяли при капитальном ремонте.

На электроподвижном составе используют вентили (рис. 59, а), рассчитанные на большую мощность. Основу вентиля составляет выпрямительный элемент с кремниевой пластиной (рис. 59, б) толщиной 0,4-0,5 мм. Чтобы защитить хрупкую пластину от механических воздействий, к ней припаивают с обеих сторон две вольфрамовые пластины, имеющие примерно такой же коэффициент линейного расширения, что и кремниевая. Герметический корпус предотвращает проникновение к выпрямительному элементу влаги, пыли и грязи.

Рис. 59. Общий вид (а) и разрез (б) кремниевого вентиля

Основной для полупроводниковых вентилей является вольт-амперная характеристика, показывающая зависимость силы тока, проходящего через вентиль в прямом и обратном направлении, от напряжения (рис. 60).

Рис. 60. Вольт-амперная характеристика кремниевого вентиля

При прямом (проводящем) включении вентиля с увеличением приложенного напряжения U_пр ток I_пр резко возрастает. Если вентиль включить в непроводящем направлении (левая часть рис. 60), ток I_oбp через него с увеличением обратного напряжения U_обр возрастает медленно. Это продолжается до определенного предельного значения напряжения, при котором ток составляет сотые доли процента от предельного прямого тока. При достижении предельного напряжения U_max обратный ток резко возрастает и наступает пробой вентиля. Поэтому напряжение, подводимое к вентилю, не должно превышать значения U_max, при котором происходит пробой.

Вентили рассчитывают на определенное номинальное напряжение, при котором заводом-изготовителем гарантируется их длительная работа без опасности возникновения пробоя.

В зависимости от номинального напряжения U_ном вентили подразделяют на классы. Величина U_ном/100 обозначает класс вентиля. Например, кремниевый вентиль 8-го класса будет иметь повторяющееся напряжение 8·100 = 800 В. Вполне понятно, что чем выше класс вентиля, тем больше его стоимость. На электровозах устанавливают вентили не ниже 8-го класса.

На электрическое оборудование электровозов, в том числе и вентили, могут воздействовать перенапряжения, превосходящие иногда повторяющиеся напряжения в несколько раз. Для того чтобы напряжение, приложенное к вентилю, не могло превысить напряжения лавинообразования, вентили выбирают с соответствующим запасом.

Полупроводниковые вентили, устанавливаемые на современных отечественных электровозах, могут кратковременно пропускать в прямом направлении ток более 1000 А не выходя из строя, но не выдерживают обратного тока даже величиной в 1 А. Это объясняется тем, что прямой ток, как и выделяемое при прохождении его тепло, распределяется равномерно по всей площади структуры полупроводника. Обратный же ток проходит не по всей поверхности, а по отдельным небольшим каналам. Поэтому в отдельных точках выделяется значительное количество тепла, что способствует пробою вентиля.

Учитывая это, кремниевые пластины вентилей стали изготовлять по особой технологии. Это позволило обеспечить прохождение обратного тока более равномерно по всей поверхности пластины, что снизило вероятность ее перегрева и пробоя. Такие вентили получили название лавинных. Их широко применяют на электровозах.

При прохождении прямого тока через вентиль в нем вследствие наличия электрического сопротивления происходит падение напряжения и возникают потери энергии. Эта энергия выделяется в виде тепла; чем больше ток, тем сильнее нагревается вентиль. Поэтому предельный ток вентиля определяется максимально допустимой температурой электронно-дырочного перехода вентиля и стабильностью его характеристик. Для охлаждения вентилей их снабжают охладителями (см. рис. 59, а), которые обдувают воздухом.

Предельный ток указан в обозначении вентиля. Например, кремниевые вентили, устанавливаемые на электровозах, имеют обозначение ВЛ-200-8. Здесь В обозначает вентиль, Л - лавинный, 200 - предельный ток в амперах при оговоренной заводом-изготовителем интенсивности охлаждения 12 м³/с, 8 - класс вентиля.