смещение нейтрали
читать далее…
Построение векторной диаграммы |
Этот пункт данной главы предназначен тем, кто уже ознакомился с разделом «Решение задач», а точнее с задачей №8. Здесь для особо любопытных покажем, как по графику складывать токи(действительные значения)в фазах и считать суммарный ток в нейтральном проводе(его действительную величину). А также расскажем о построении векторной диаграммы токов и напряжений, как это было обещано в задаче №8.
Глядя на рис.6, можно ток в нейтрали и сразу найти, так так он показан коричневой линией. Например, для t = 0,01с он равен 1,47А, а при t = 0,016с составит 5,2А. Однако, надо уметь проверять и вручную.
Поэтому возьмем для примера два разных промежутка времени t = 0,01с и t = 0,016с и найдем для каждого из них значение тока в нейтральном проводе. Имеем при t = 0,01с следующие токи в фазах(см. на график): IA = 1.96A; IB = 0.49A; IC = -0.98A. Складываем токи всех фаз и получаем ток в нейтрали: IN= 1.96+0.48-0.98=1.47A.
Теперь о векторной диаграмме. Берем произвольную точку N. Рисуем вертикальную ось действительных значений и горизонтальную ось мнимых значений, обозначенную как j. Откладываем по вертикальной оси в выбранном масштабе значение фазного напряжения фазы А. Если масштаб 1Вольт/мм, значит длиною 127мм. Далее с разносом в 120градусов в обе стороны откладываем два других фазных напряжения той же длины. Соединяем все вершины и получаем треугольник, идентичный на рис.4. Его стороны будут являться междуфазными, т.е. линейными напряжениями. Токи в каждой из фаз также строятся с учетом масштаба. Угол между напряжением и током откладывается согласно полученного значения. Например, мы получили
Откладываем по транспортиру угол величиною в -53градуса вправо от отрезка UфА. А величина IфА при масштабе 1А/см будет 2,5см. Для фазы В мы получили
Здесь, чтобы правильно отложить угол между напряжением и током, надо учесть, что напряжение UфВ уже имеет угол -120градусов. Поэтому откладываем от отрезка UфВ недостающие 53градуса(173-120)вправо и обозначаем на диаграмме как угол фВ. Для фазы С мы получили
Здесь, чтобы правильно отложить угол между напряжением и током, надо учесть, что напряжение UфС уже имеет угол 120градусов. Поэтому откладываем от отрезка UфС недостающие 36градусов(156-120)влево и обозначаем на диаграмме как угол фС. В заключение необходимо правильно построить ток нейтрали. Для этого необходимо сложить все токи по правилу сложения векторов. Для этого переносим параллельно вправо длину отрезка, изображающего ток IфВ (он красный) и «присоединяем» его к концу отрезка, изображающего ток IфА. Затем также переносим вниз отрезок тока IфС(тоже сделаем его красным)и «присоединяем» его к концу красного отрезка, изображающего ток IфВ. Соединяем точку N и конец последнего отрезка. Полученный синий отрезок будет током нейтрали, а его длина будет равна действительному значению тока нейтрали с учетом выбранного масштаба. Все, как говорится, просто и элементарно.
Способ компенсации естественной несимметрии сети с нейтралью, заземлённой через регулируемый дугогасящий реактор
Изобретение относится к защите электрических линий от аварий, а именно к автоматической компенсации емкостных токов замыкания на землю в сетях 6-10 кВ с нейтралью, заземленной через регулируемый дугогасящий реактор, а также в сетях с комбинированным заземлением нейтрали с аналогичным дугогасящим реактором, при этом изобретение может быть использовано для автоматической настройки индуктивности дугогасящего реактора фазовым методом в резонанс с емкостью распределительной сети и для компенсации естественной несимметрии сети в штатном режиме работы сети.
В устройствах защиты высоковольтных линий электропередач от однофазных замыканий на землю для компенсации емкостных токов замыкания на землю используют подключенный последовательно к нейтрали сети дугогасящий реактор, который настраивают в резонанс с контуром нулевой последовательности сети в отсутствии однофазного замыкания на землю. Наиболее точным и универсальным является фазовый метод настройки, который требует создания искусственного смещения нейтрали. Однако в штатном режиме работы сети всегда присутствует смещение нейтрали, обусловленное естественной несимметрией сети из-за различного расположения проводов на опорах, неравномерного распределения по фазам конденсаторов для защиты вращающихся машин, конденсаторов связи и прочей работы технологического оборудования. В результате, при резонансной настройке реактора может возникнуть ситуация, когда суммарное напряжение смещения нейтрали превышает допустимые значения, что приводит к сбою работы автоматики устройства компенсации емкостных токов замыкания на землю.
Кроме того, в соответствии с «Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации…», распределительные электрические сети имеют такие параметры, как
допустимый для данной сети максимальный кратковременный уровень смещения нейтрали (до двух часов)
и допустимый длительный максимальный уровень смещения нейтрали, который меньше в два раза допустимого кратковременного максимального уровня (Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации / Министерство топлива и энергетики РФ, РАО «ЕЭС России», М.: СПО ОГРЭС, 1996, с.с. 280-287, далее ПТЭ).
Превышение напряжения смещения нейтрали допустимого значения и смещение нейтрали сверх допустимого времени приводит к повышению напряжения на отдельных фазах, что неблагоприятно сказывается на изоляции и кроме того создает большие помехи в работе линий связи, расположенных вблизи линий электропередачи (Ф.Л. Коган «Пособие для изучения правил эксплуатации электрических станций и сетей», с. 282).
Возникает задача снижения напряжения естественной несимметрии сети 3U0ecт для обеспечения надежной работы автоматики устройства компенсации.
Наиболее близким к предлагаемому является способ компенсации естественной несимметрии сети с нейтралью, заземленной через регулируемый дугогасящий реактор, который реализован в компенсационно-симметрирующем устройстве (СССР, авторское свидетельство №905939, H02J 3/18, 15.02.82). В известном способе реализован фазовый способ симметрирования сети, в соответствии с которым снижают фазное напряжение на величину естественной несимметрии сети. В соответствии со способом регулируемый дугогасящий реактор подключают к нейтрали сети через трехфазный трансформатор, который выполняют с несимметричным числом витков фазных обмоток. При этом выбирают несимметрию фаз трансформатора в соответствии со средним вектором напряжения естественной несимметрии данной сети, который предварительно определяют исходя из величин и углов сдвига векторов естественной несимметрии данной электрической сети при различных практических режимах.
Прежде всего, недостатком данного способа является неизменность его параметров. Это не позволяет регулировать напряжение смещения нейтрали при вероятностном характере естественной несимметрии токов в электрической сети, что, в свою очередь, снижает надежность работы автоматики компенсирующих устройств, использующих фазовый или амплитудный принцип настройки дугогасящего реактора. Кроме того, в случае необходимости коррекции требуется отключение от сети дугогасящего реактора для замены трансформатора, что усложняет известный способ.
При этом, поскольку несимметрию фаз трансформатора выбирают предварительно в соответствии со средним вектором напряжения несимметрии данной сети, т.е. для каждого конкретного случая, то это требует в каждом конкретном случае нового оборудования. Кроме того изготовление самого трансформатора представляет собой сложный процесс, так как несимметрию фаз трансформатора выбирают в соответствии со средним вектором напряжения несимметрии сети, который определяют исходя из величин и углов сдвига векторов несимметрии данной электрической сети при различных практических режимах. Все это также усложняет известный способ и лишает его универсальности. Кроме того, неизменность параметров симметрирующего трансформатора, обусловливающая неизменность параметров реализуемого способа, использование усредненных параметров различных сетей, отсутствие визуального контроля результатов при выполнении операции компенсации естественной несимметрии сети не позволяют оценить реальную величину компенсации естественной несимметрии сети в реальном масштабе времени, что снижает точность и достоверность результатов компенсации.
Кроме того, при фазовом способе симметрирования сети величина смещения нейтрали находится в линейной зависимости от величины изменения фазного напряжения. Поскольку несимметрию фаз трансформатора выбирают в соответствии со средним вектором напряжения естественной несимметрии данной сети, это не исключает возможность увеличения напряжения смещения на нейтрали до недопустимых значений, снижает стабильность напряжения смещения нейтрали, приводит к сбою работу автоматики устройства компенсации емкостных токов замыкания на землю, снижает надежность работы автоматики компенсирующего устройства.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания способа компенсации естественной несимметрии сети с нейтралью, заземленной через регулируемый дугогасящий реактор, осуществление которого обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании универсального способа, позволяющего выполнять компенсацию токов естественной несимметрии сети в широком диапазоне их изменения; в возможности текущего регулирования токов естественной несимметрии сети без отключения от сети дугогасящего реактора; в повышении точности и достоверности результатов компенсации; в повышения стабильности напряжения смещения нейтрали и обеспечения устойчивого характера работы автоматики в устройствах для автоматической компенсации емкостного тока замыкания на землю, использующих фазовый или амплитудный принцип настройки дугогасящего реактора.
Сущность заявленного изобретения состоит в том, что в способе компенсации естественной несимметрии сети с нейтралью, заземленной через регулируемый дугогасящий реактор, включающем снижение напряжения естественной несимметрии сети 3U0ecт, новым является то, что управляемый дугогасящий реактор выполняют с вторичными обмотками управляющей и сигнальной, при этом снижение напряжения естественной несимметрии сети 3U0ecT выполняют путем снижения напряжения смещения нейтрали 3Uo при отключенном источнике искусственного смещения нейтрали, в отсутствии однофазного замыкания на землю, при этом убеждаются, что дугогасящий реактор подключен к нейтрали сети, затем вручную управляя приводом реактора, добиваются на его сигнальной обмотке максимального значения напряжения 3U
Заявленный технический результат достигается следующим образом. Существенные признаки формулы изобретения: «Способ компенсации естественной несимметрии сети с нейтралью, заземленной через регулируемый дугогасящий реактор, включающий снижение напряжения естественной несимметрии сети 3U0ecт,…» являются неотъемлемой частью заявленного способа и обеспечивают возможность его осуществления, а, следовательно, обеспечивают достижение заявленного технического результата.
В заявленном способе снижение напряжения естественной несимметрии сети 3U0ecт выполняют путем снижения напряжения смещения нейтрали 3Uo при отключенном источнике искусственного смещения нейтрали в отсутствии однофазного замыкания на землю. Последнее обеспечивает штатный режим работы реактора. При отключенном источнике искусственного смещения нейтрали через реактор протекает ток, обусловленный естественной несимметрией сети. При этом, поскольку дугогасящий реактор подключен к нейтрали сети, то это позволяет вручную настроить дугогасящий реактор в резонанс с контуром нулевой последовательности сети. Возможность воздействия на электрический режим контура нулевой последовательности обеспечивается выполнением управляемого дугогасящего реактора с управляющей обмоткой. Выполнение реактора с сигнальной обмоткой обеспечивает возможность визуального контроля напряжения смещения нейтрали в зависимости от настройки дугогасящего реактора.
Наличие на сигнальной обмотке дугогасящего реактора максимального значения напряжения смещения нейтрали 3U0 свидетельствует о настройке дугогасящего реактора в резонанс с емкостью сети. Поскольку настройку дугогасящего реактора в резонанс выполняют при отключенном источнике искусственного смещения нейтрали, то полученное значение 3U01 обусловлено наличием естественной несимметрии сети.
Изменение напряжения смещения нейтрали достигают путем введения через управляющую обмотку дугогасящего реактора в контур нулевой последовательности электрического тока — тока компенсации естественной несимметрии сети, обеспечивающего снижение естественной несимметрии сети на величину, при которой значение напряжение смещения нейтрали, обусловленное естественной несимметрией сети, находится в диапазоне значений, допустимых при отключенном источнике искусственного смещения нейтрали.
Для формирования тока компенсации естественной несимметрии сети используют трехфазную сеть переменного тока напряжением 380 В 50 Гц, используемую для собственных нужд, что упрощает способ. Подключение напряжения той или иной фазы сети к управляющей обмотке реактора через регулятор тока обеспечивает возможность формирования в управляющей обмотке реактора электрического тока, управляемого по амплитуде. Поскольку фаза напряжения сети изменяется дискретно (А, В или С), то в совокупности, в управляющей обмотке реактора формируется ток с регулируемыми амплитудой и фазой, что позволяет изменять величину напряжения смещения нейтрали, обусловленную наличием естественной несимметрии сети, до значений, допустимых при отключенном источнике искусственного смещения нейтрали. При этом изменение напряжения смещения нейтрали, обусловленного естественной несимметрией сети, не до нуля, а до значений, допустимых при отключенном источнике искусственного смещения нейтрали, позволяет в устройствах для автоматической компенсации емкостного тока замыкания на землю, использующих фазовый или амплитудный принцип настройки дугогасящего реактора, отслеживать количественные изменения естественной несимметрии сети по амплитуде и фазе в реальном масштабе времени, фиксировать ее увеличение по отношению к выбранному допустимому диапазону значений и формировать сигнал для ручной подстройки реактора. При этом диапазон значений напряжения смещения нейтрали, допустимых при отключенном источнике искусственного смещения нейтрали, определяется чувствительностью устройства автоматики.
В заявленном способе на первом этапе определяют характер влияния фаз сети, используемой для собственных нужд, на изменение напряжения смещения нейтрали при отключенном источнике искусственного смещения нейтрали. Для этого после получения на сигнальной обмотке дугогасящего реактора максимального значения напряжения 3U0 (3U01) к обмотке управления реактора через регулятор тока подключают одну из фаз трехфазной сети переменного тока напряжением 380 В 50 Гц, используемой для собственных нужд. Изменяя ток фазы, добиваются изменения значения напряжения 3U01 на сигнальной обмотке реактора на 10% в ту или иную сторону, фиксируют значение полученного напряжения 3U02. В результате на сигнальной обмотке реактора формируют напряжение 3U02, отличающееся по величине от 3U01. Как показал опыт это отличие достаточно заметно для того, чтобы идентифицировать значения напряжений смещения нейтрали 3U02, 3U03 и 3U04, формируемые токами соответствующих фаз (А, В, С) сети.
Для каждой фазы сети значения 3U02, 3U03 и 3U04 получают, не изменяя настройки регулятора тока, поочередно подключая фазы к управляющей обмотке реактора через регулятор тока. Полученные на сигнальной обмотке реактора значения 3U02, 3U03 и 3U04 фиксируют и сравнивают между собой.
Поскольку оставшиеся фазы сети подключают к управляющей обмотке реактора поочередно, не изменяя настройки регулятора тока, то формируют одинаковую нагрузку для каждой из трех фаз сети при формировании тока через управляющую обмотку дугогасящего реактора, т.е. формируют одинаковые для трех фаз условия для формирования тока через управляющую обмотку реактора. Это обеспечивает возможность корректного сравнения полученных для каждой фазы значений напряжений смещения нейтрали 3U02, 3U03 и 3U04, что, в свою очередь, позволяет по результатам сравнения достоверно выявить характер влияния каждой из фаз сети на величину напряжения смещения нейтрали.
Как показано выше, поскольку в заявленном способе настройку дугогасящего реактора в резонанс выполняют при отключенном источнике искусственного смещения нейтрали, то полученное максимальное значение напряжения смещения нейтрали 3U01 обусловлено наличием естественной несимметрии сети. Из этого следует, что в заявленном способе критерием достижения компенсации естественной несимметрии сети является снижение естественной несимметрии сети до величины, при которой напряжение смещения нейтрали находится в пределах значений, допустимых при отключенном источнике искусственного смещения нейтрали.
Исходя из этого, если в результате сравнения какая-либо из величин 3U02, 3U03 и 3U04 находится в диапазоне значений напряжения 3U0, допустимых при отключенном источнике искусственного смещения нейтрали, то естественную несимметрию сети считают компенсированной. При этом настройку регулятора тока фиксируют, а управляющую обмотку реактора подключают к этой фазе.
В противном случае из трех значений 3U02, 3U03 и 3U04 определяют две фазы, наиболее эффективно минимизирующих 3U01. Затем к обмотке управления реактора через регулятор тока подключают фазу с большим эффектом минимизации и, изменяя ток фазы, стремятся добиться значения напряжения 3Uo на сигнальной обмотке, которое попадает в диапазон значений 3U0, допустимых при отключенном источнике искусственного смещения нейтрали. Если этого значения достигают, то настройку регулятора тока фиксируют, а управляющую обмотку реактора оставляют подключенной к этой фазе через регулятор тока, при этом естественную несимметрию сети считают компенсированной.
Если требуемое значение 3Uo не достигнуто, то через второй регулятор тока подключают вторую выбранную фазу и формируют суммарный ток двух выбранных фаз. Затем, посредством соответствующего регулятора тока, варьируя значениями протекающего тока через каждую фазу, добиваются того, чтобы суммарный ток фаз, протекающий через управляющую обмотку реактора, обеспечивал формирование на сигнальной обмотке реактора значение 3Uo в диапазоне допустимых значений при отключенном источнике искусственного смещения нейтрали. После чего настройку каждого регулятора тока фиксируют, подключение управляющей обмотки реактора через регулятор тока сохраняют, естественную несимметрию сети считают компенсированной.
Из вышеизложенного следует, что заявленный способ, охарактеризованный заявленной формулой изобретения, обеспечивает возможность компенсации естественной несимметрии сети путем контролируемого снижения ее до величины, при которой напряжение смещения нейтрали, обусловленное естественной несимметрией сети, находится в пределах значений, допустимых при отключенном источнике искусственного смещения нейтрали. При этом для компенсации естественной несимметрии сети используют регулируемый ток фазы (или суммарных ток двух фаз) трехфазной сети переменного тока напряжением 380 В 50 Гц, используемой для собственных нужд, что упрощает способ, вручную изменяя напряжение смещения нейтрали при отключенном источнике искусственного смещения нейтрали, путем введения через управляющую обмотку реактора в контур нулевой последовательности тока фазы, регулируемого по фазе и амплитуде. При этом компенсируют естественную несимметрию сети путем изменения напряжения смещения нейтрали до значений, допустимых при отключенном источнике искусственного смещения нейтрали. Это позволяет в устройствах автоматической компенсации емкостного тока замыкания на землю, использующих фазовый или амплитудный принцип настройки дугогасящего реактора, контролировать в реальном масштабе времени наличие изменения естественной несимметрии сети по отношению к выбранному диапазону допустимых значений и при наличии отклонений формировать сигнал на соответствующую подстройку реактора в ручном режиме. Возможность компенсации естественной несимметрии сети в ручном режиме при подключенном к сети дугогасящем реакторе в совокупности с возможностью визуального контроля результатов симметрирования на сигнальной обмотке реактора позволяют заявленным способом выполнять периодический контроль и корректировку напряжения естественной несимметрии сети, причем, не отключая реактор от нейтрали сети, и поддерживать напряжение смещения нейтрали в значениях, допустимых при отключенном источнике искусственного смещения нейтрали. При этом возможность визуального контроля значения 3U0 обеспечивает возможность настройки дугогасящего реактора с учетом конкретных допустимых значений напряжения смещения нейтрали при отключенном источнике искусственного смещения нейтрали, не прибегая к их усреднению. В совокупности это позволяет выполнять компенсацию токов естественной несимметрии сети в широком диапазоне их изменения, повышает точность и достоверность результатов компенсации естественной несимметрии сети и придает заявленному способу универсальность. Одновременно это повышает стабильность напряжения смещения нейтрали в устройствах с автоматической компенсацией емкостного тока замыкания на землю, использующих фазовый или амплитудный принцип настройки дугогасящего реактора, обеспечивает устойчивый характер работы автоматики, повышает надежность работы компенсирующего устройства в целом.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что предлагаемый способ компенсации естественной несимметрии сети с нейтралью, заземленной через регулируемый дугогасящий реактор при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании универсального способа, позволяющего выполнять компенсацию токов естественной несимметрии сети в широком диапазоне их изменения; в возможности текущего регулирования токов естественной несимметрии сети без отключения от сети дугогасящего реактора; в повышении точности и достоверности результатов компенсации; в повышения стабильности напряжения смещения нейтрали и обеспечения устойчивого характера работы автоматики в устройствах для автоматической компенсации емкостного тока замыкания на землю, использующих фазовый или амплитудный принцип настройки дугогасящего реактора.
На фигуре изображено компенсационно-симметрирующее устройство, реализующее заявленный способ компенсации естественной несимметрии сети с нейтралью, заземленной через регулируемый дугогасящий реактор.
Компенсационно-симметрирующее устройство, реализующее заявленный способ, содержит регулируемый дугогасящий реактор 1, подключенный к нейтрали трехфазной сети (не показано), и устройство 2 компенсации естественной несимметрии сети. Дугогасящий реактор 1 выполнен с вторичными обмотками: управляющей 3 и сигнальной 4. При этом выход устройства компенсации 2 подключен к управляющей обмотке 3 дугогасящего реактора 1, а вход подключен к нулевому проводу и к фазам «А», «В», «С» сети 5 380 В 50 Гц, используемой для собственных нужд.
Устройство 2 компенсации естественной несимметрии сети, содержит узел выбора фаз 6, первый 7 и второй 8 трансформаторы гальванической развязки, первый 9 и второй 10 регуляторы тока. Входы фаз «А», «В», «С» узла 6 выбора фаз подключены соответственно к входу устройства, первый 11 и второй 12 выходы узла 6 выбора фаз подключены соответственно к первичной обмотке первого 7 трансформатора гальванической развязки и к первичной обмотке второго 8 трансформатора гальванической развязки, вторичные обмотки которых подключены соответственно к входам 13, 14 первого 9 и второго 10 регуляторов тока, выходы 15, 16 которых соединены и подключены к выходу 17 устройства 2.
Первый 9 и второй 10 регуляторы тока выполнены идентичными и содержат n параллельных RC — цепей 18n и тумблеры 19n, по числу RC — цепей, первые выводы которых соединены между собой и подключены к выходу 15 (16) регулятора, а вторые выводы подключены к соответствующим тумблерам 19n, которые разомкнутыми контактами соединены между собой и подключены к входу 13 (14) регулятора 9(10).
Сеть 380 В 50 Гц к управляющей обмотке дугогасящего реактора 1 подключают коммутаторами 20 и 21 через устройство 2 компенсации естественной несимметрии сети.
Заявленный способ компенсации естественной несимметрии сети с нейтралью, заземленной через регулируемый дугогасящий реактор, реализуют следующим образом. Управляемый дугогасящий реактор выполняют с вторичными обмотками управляющей и сигнальной. Снижение напряжения естественной несимметрии сети 3U0ecт выполняют путем снижения напряжения смещения нейтрали 3Uo при отключенном источнике искусственного смещения нейтрали, в отсутствии однофазного замыкания на землю. При этом убеждаются, что дугогасящий реактор подключен к нейтрали сети, затем вручную управляя приводом реактора, добиваются на его сигнальной обмотке максимального значения напряжения 3U0 (3U01). После чего к обмотке управления реактора через регулятор тока подключают одну из фаз трехфазной сети переменного тока напряжением 380 В 50 Гц, используемой для собственных нужд, и, изменяя ток через фазу, добиваются изменения значения напряжения 3U01 на сигнальной обмотке реактора на 10% в ту или иную сторону. Значение полученного напряжения 3U02 фиксируют. Затем, не изменяя настройки регулятора тока, к обмотке управления реактора через регулятор тока подключают поочередно оставшиеся фазы сети, фиксируют полученные на сигнальной обмотке реактора значения 3U03 и 3U04, после чего полученные для каждой фазы значения 3U02, 3U03 и 3U04 сравнивают между собой.
Если какая-либо из величин находится в диапазоне значений напряжения 3U0, допустимых при отключенном источнике искусственного смещения нейтрали, то настройку регулятора тока фиксируют, а управляющую обмотку реактора подключают через регулятор тока к этой фазе, при этом естественную несимметрию сети считают компенсированной.
В противном случае из трех значений 3U02, 3U03 и 3U04 определяют две фазы, наиболее эффективно минимизирующих 3U01. После чего к управляющей обмотке реактора через регулятор тока подключают фазу с большим эффектом минимизации и, изменяя ток фазы, стремятся добиться значения напряжения 3Uo на сигнальной обмотке, которое попадает в диапазон значений напряжения 3U0, допустимых при отключенном источнике искусственного смещения нейтрали.
Если этого значения достигают, то настройку регулятора тока фиксируют, а управляющую обмотку реактора оставляют подключенной к этой фазе через регулятор тока. При этом естественную несимметрию сети считают компенсированной.
Если требуемое значение 3Uo не достигнуто, то через второй регулятор тока подключают вторую выбранную фазу и формируют суммарный ток двух выбранных фаз. Затем, посредством соответствующего регулятора тока, варьируя значениями протекающего тока через каждую фазу, добиваются того, чтобы суммарный ток фаз, протекающий через управляющую обмотку реактора, обеспечивал формирование на сигнальной обмотке реактора значение 3Uo в диапазоне значений, допустимых при отключенном источнике искусственного смещения нейтрали. После чего настройку каждого регулятора тока фиксируют, подключение управляющей обмотки реактора через регуляторы тока сохраняют, естественную несимметрию сети считают компенсированной.
Заявленный способ реализуют в отсутствии однофазного замыкания на землю с помощью компенсационно-симметрирующего устройства в следующей последовательности.
Убедиться, что дугогасящий реактор 1 подключен к нейтрали сети.
Установить все тумблеры 19n в выключенное положение (разомкнутое). Подключить коммутаторами 20 и 21 сеть 380 В 50 Гц и управляющую обмотку 3 дугогасящего реактора 1.
Убедиться, что не включен источник искусственного смещения нейтрали (не показан).
При использовании присоединительного трансформатора, например, типа ТМПС, его переключатель должен быть установлен в нейтральное положение.
Зафиксировать исходное значение напряжения 3Uo на сигнальной обмотке 3 дугогасящего реактора 1, например, измерить устройством автоматики компенсирующего устройства или любым измерителем напряжения.
Вручную управляя приводом дугогасящего реактора 1 добиться максимального значения напряжения 3Uo (3Uo1) (точка резонанса). Подключить узлом 6 выбора фаз к первому 9 регулятору тока фазу «А» сети 5.
Включить тумблер 191. Через управляющую обмотку начинает протекать ток фазы «А». Отметить наличие изменения величины напряжения 3Uo на сигнальной обмотке дугогасящего реактора 1. Если изменение незначительное, менее 10% от 3Uol, то добавить величину тока включением дополнительных тумблеров 19n канала 9. В результате на сигнальной обмотке реактора формируют напряжение 3U02, отличающееся по величине от 3U01. Как показал опыт отличие от 3Uo1 на 10% в ту или иную сторону достаточно заметно для того, чтобы идентифицировать значения напряжений смещения нейтрали 3U02, 3U03 и 3U04, формируемые токами фаз сети.
Зафиксировать, полученную на сигнальной обмотке 4 дугогасящего реактора 1 величину напряжения 3Uo (3Uo2).
Зафиксировать настройку регулятора тока 9 (тумблер 191 включен).
Отключить питание 380 В 50 Гц коммутатором 20. Узлом 6 выбора фаз подключить к первому 9 регулятору тока фазу «В». Подключить сеть 380 В 50 Гц. Зафиксировать величину 3Uo (3Uo3) на сигнальной обмотке 4 дугогасящего реактора 1.
Отключить питание 380 В 50 Гц коммутатором 20. Узлом 6 выбора фаз подключить к первому 9 регулятору тока фазу «С». Подключить сеть 380 В 50 Гц. Зафиксировать величину 3Uo (3Uo4) на сигнальной обмотке 4 дугогасящего реактора 1.
Сравнить между собой полученные значения 3Uo2, 3Uo3, 3Uo4. Если какая-либо из величин находится в диапазоне значений напряжения 3U0, допустимых при отключенном источнике искусственного смещения нейтрали, то управляющую обмотку 3 реактора 1 подключают к этой фазе, а настройку регулятора тока 9 фиксируют (тумблер 191 включен), при этом естественную несимметрию сети считают компенсированной.
В противном случае из трех значений 3U02, 3U03 и 3U04 определить две фазы, наиболее эффективно минимизирующие 3U01 (например, «В» и «С»). Сравнить их между собой и выбрать фазу с большим эффектом минимизации (например, фаза «В»).
При отключенной сети 380 В 50 Гц узлом 6 выбора фаз подключить фазу «В» к первому 9 регулятору тока. Включить коммутатором 20 сеть 380 В 50 Гц. Изменяя ток фазы (тубмлеры 191-19п), добиться значения напряжения 3Uo на сигнальной 4 обмотке, которое попадает в допустимый диапазон значений 3U0 при выключенном источнике искусственного смещения нейтрали. Если этого значения достигают, то настройку регулятора 9 тока фиксируют, а управляющую обмотку 3 реактора 1 оставляют подключенной к фазе «В» через регулятор 9 тока (например, тумблер 192 включен), при этом естественную несимметрию сети считают компенсированной.
Если требуемое значение 3Uo не достигнуто, то при отключенной сети 380 В 50 Гц узлом 6 выбора фаз подключить фазу «В» к первому 9 регулятору тока, а фазу «С» — ко второму 10 регулятору тока. В этом случае при подключенных регуляторах тока через управляющую обмотку 3 реактора 1 протекает суммарный ток фаз «В» и «С».
Посредством соответствующего регулятора 9 (10) тока, варьируя значениями протекающего тока через каждую фазу путем подключения тумблеров 191-19п), добиться того, чтобы суммарный ток фаз, протекающий через управляющую 3 обмотку реактора 1, обеспечивал формирование на сигнальной 4 обмотке реактора 1 значение 3Uo в допустимом диапазоне. После чего настройку каждого регулятора тока фиксируют (например, тумблеры 193 и 192 соответственно), подключение управляющей обмотки 3 реактора 1 через регуляторы 9, 10 тока сохраняют, естественную несимметрию сети считают компенсированной.
После этого, подключают источник искусственного смещения нейтрали, сигнальную обмотку подключают к устройству для автоматической компенсации емкостного тока замыкания на землю, использующему фазовый или амплитудный принцип настройки дугогасящего реактора (например, УАРК-105, МИРК, ПАРК и т.п.), и переходят в автоматический режим работы.
Компенсационно-симметрирующее устройство может быть реализовано с дугогасящим реактором, например, РДМР, РЗДПОМ и др., выполненными с сигнальной обмоткой и с обмоткой управления.
В качестве узла выбора фаз 6 может быть использован галетный переключатель.
26.Защиты от замыкания на землю в сетях с изолированными или заземленными через дугогасящие реакторы нейтралями. Устройство общей неселективной сигнализации от замыкания на землю.
В сетях с изолированной нейтралью однофазные замыкания на землю сопровождаются небольшими токами (несколько десятков ампер).
Ток однофазного КЗ определяется емкостью линий относительно земли.
Если нейтраль трансформатора заземлить через дугогасящий реактор эти токи можно значительно уменьшить. В связи с этим при выполнении токовой защиты возникают трудности. Поэтому используют защиты, действующие от токов переходных процессов при замыканиях на землю, а также, реагирующие на высшие гармоники токов замыкания на землю.
Распределенные емкости фаз относительно земли в схеме замещения заменяют конденсаторами. Место их присоединения не влияет на емкостный ток, так как сопротивление линии много меньше емкостного сопротивления фаз относительно земли.
При анализе однофазного КЗ не учитывают токи нагрузки в линии. При этом фазные напряжения равны ЭДС фаз источника.
Система векторов полностью симметрична.
Напряжение нейтрали системы относительно земли равно 0. Емкостные токи опережают фазные напряжения на .
При замыкании фазы на землю в сетях с изолированными нейтралями напряжения фаз относительно земли изменяются, а относительно нейтрали остаются неизменными.
Например, при металлическом замыкании на землю фазы А она получает потенциал земли (= 0). Напряжения двух других фаз и нейтрали N относительно земли становятся напряжениями относительно фазы А
Так как междуфазные напряжения остаются при этом неизменными, то напряжения неповрежденных фаз В и С относительно земли повышаются раз.
Систему двух векторов и можно разложить на составляющие прямой и нулевой последовательностей.
Замыкания на землю обычно происходят через переходные активные сопротивления. При этом напряжение:
— поврежденной фазы относительно земли не снижается до нуля;
— неповрежденных фаз относительно земли становятся больше фазного, но меньше междуфазного.
— напряжение смещения нейтрали и напряжение нулевой последовательности меньше фазного.
Это уменьшение характеризуется коэффициентом полноты замыкания на землю: β = ·
Одновременно с изменением фазных напряжений изменяются и полные фазные токи. Токи неповрежденных фаз замыкаются через точку и поврежденную фазу. Возникает ток .
При металлическом замыкании на землю ток в емкости поврежденной фазы САотсутствует, так как напряжение поврежденной фазы относительно земли равно нулю. Токи , определяются напряжениями фаз В и С относительно земли.
Для практических расчетов тока воздушных и кабельных линий пользуются упрощенными формулами
,
где U — линейное напряжение, кВ; l — длина электрически связанной сети, км.
Токи , и проходят на участке между источником питания и местом присоединения конденсаторов эквивалентной схемы.. Они не содержаn токов нулевой.
На участке между точкой повреждения и местом присоединения конденсаторов проходит только ток . Поэтому здесь проходит ток нулевой последовательности
.
Устройство общей неселективной сигнализации
от замыкания на землю.
Замыкание на землю одной фазы в сетях с изолированной или заземленной через дугогасящий реактор нейтралью не является аварией. Потребители, включенные на междуфазные напряжения, продолжают нормально работать. Поэтому защита от замыкания на землю в большинстве случаев действует на сигнал.
В сетях простой конфигурации применяются устройства, контролирующие состояние изоляции.
Применяются две схемы.
Первая схема состоит из трех реле минимального напряжения, включенных на напряжения фаз относительно земли
Вторая — из одного максимального реле напряжения, включенного на напряжение нулевой последовательности. Устройство сигнализации обычно подключается к трансформаторам напряжения, установленным на шинах.
Перекос фаз: причины и защита
Защита и устранение
Для того чтобы предотвратить возникновение перекоса и обеспечить нормальную эксплуатацию трехфазной сети, необходимо привести напряжение на каждой фазе в соответствие с номиналом. Это можно сделать с помощью специальных приборов и устройств, например, используя стабилизатор напряжения. Как правило, это трехфазное устройство, состоящее из трех однофазных приборов, используемое в условиях промышленного производства. Тем не менее, стабилизаторы не способны устранять перекосы, они лишь выравнивают напряжение в каждой фазе.
Иногда они сами становятся причиной неравномерного распределения электроэнергии. Поэтому для борьбы с перекосами разработаны специальные технологии, способные выровнять напряжение между фазами. Среди них наибольшее распространение получили:
- Использование автоматических устройств, выравнивающих нагрузки.
- Проектирование электроснабжения на объекте с учетом предполагаемых нагрузок. Эффективное устранение перекоса фаз в трехфазной сети возможно путем тщательного планирования мощностей и расчетов возможных нагрузок с учетом их правильного распределения по фазам.
- Возможность изменения электрических схем с учетом добавленных мощностей потребителей.
- Подключение специальных устройств, контролирующих фазное напряжение и отключающих питание в случае перекоса.
В процессе эксплуатации нередко приходится измерять перекос фаз в трехфазной сети. Для этого используются специальные тестеры и по итогам измерений однофазные нагрузки перебрасываются с перегруженных фаз на менее загруженные. Ток на каждой фазе должен тщательно измеряться, чтобы при перераспределении токи каждой фазы были примерно одинаковые.
Существуют нормативы, определяющие допустимый перекос и нормы несимметрии. Так, разница нагрузок в вводно-распределительных устройствах между фазами не должна превышать 15%, а в распределительных щитах – 30%.
Что делать?
Чтобы уменьшить смещение нейтрали перед подстанциями рекомендуется устанавливать специальные симметрирующие автотрансформаторы. Схемы включения таких трансформаторов приведены ниже на изображениях.
Приведенные выше схемы применимы также с глухо заземлённой нейтралью нагрузки при отсутствии технической возможности встраивания компенсационной автотрансформаторной обмотки в нулевой провод, соединяя через эту обмотку нагрузку с сетью.
Поскольку увеличение нагрузки например в фазе А вызовет увеличение тока в этой фазе, напряжение на соответствующей последовательно включённой обмотке автотрансформатора тоже увеличится и произойдёт компенсация падения напряжения пропорциональная силе тока нагрузки. Установка автотрансформаторов вблизи распределительной подстанции обеспечивает наилучший эффект. Когда с этой подстанции электроэнергия по разделённым фазам подаётся потребителям, становится возможным симметрирование напряжения.
Это уменьшает потери и позволяет отфильтровать гармонические составляющие тока, возникающие от работы полупроводниковых ключей электронных балластов газоразрядных ламп, мощных инверторов, сварочных аппаратов. Работа этих устройств вносит искажения в синусоидальную форму напряжения питающей электросети. Следствием подобных искажений являются тепловые потери во всех работающих электрических машинах, подключенных к этой электросети.
Компенсация смещения нейтрали с использованием специального автотрансформатора весьма недешёвый способ борьбы с потерями электроэнергии при смещении нейтрали при несимметричной фазной нагрузке. Однако положительный эффект от этого способа получается непрерывно и быстро окупает все расходы.
0 Измерение тока и напряжения мультиметром Необходимость измерения напряжения в электрической системе у пользователя может
2 Промежуточное реле РПУ И снова здравствуйте. Я решил дать вам немного более узкого материала и открываю цикл
0 Проверка напряжения сети: индикация и измерение Для чего надо знать величину напряжения Известно, что в сети централизованного
Чтобы в процессе эксплуатации жилища не возникало проблем с использованием и обслуживанием электросети, нужно знать, что такое фаза. ноль и земля в электропроводке квартиры.
Александр, чем конкретно данную статью дополнить? Постараюсь учесть Ваше пожелание!
Перекос фаз. Что это такое и с чем он связан? Как исправить?
Одним из выдающихся благ цивилизации является электричество. Благодаря тому, что это открытие в наше время так распространено, жизнь общества в целом, и каждого человека в отдельности, значительно упростилась и стала более комфортной.
Вместе с тем, время от времени, в электросети могут возникать трудности, требующие решения. С ростом средней мощности бытовых приборов и техники, установленной в одном месте, например, в квартире, нередко возникает явление, называемое перекосом фаз.
В таких случаях, очень многие задаются вопросом, какие причины вызывают перекос фаз? И так, давайте разбираться.
Что же собой представляет перекос фаз
Трехфазную электрическую сеть в идеале можно представить равносторонним треугольником с нейтральной точкой в его середине.
Перекос фаз
Он отражает работу силового трансформатора на подстанции, которая установлена в каждом микрорайоне города и предназначена для равномерного распределения электричества по всем потребителям. Стороны этого треугольника – это векторные линии, соединяющие его вершины. Обозначив вершины точками A, B, C и нейтралью N, можно составить таблицу напряжений и зависимость между ними:
- AB=BC=CA=380 В
- AN=BN=CN=220 В
При этом напряжения AB, BC, CA в 1,73 раза больше напряжений AN, BN, CN. Идеальный трехфазный генератор, который обычно используется для питания всех бытовых приборов и промышленных сетей, должен обеспечивать эти уровни напряжений в широком диапазоне нагрузок.
Причины перекоса фаз
Причин перекоса может быть несколько, однако, наиболее распространенной является причина, связанная с неправильной и неравномерно распределенной нагрузкой в фазах внутренних сетей. В случае возникновения перекоса на объекте с трехфазным питанием, это означает, что одна или две фазы работают с перегрузкой, тогда как другие фазы имеют гораздо меньшую нагрузку.
Однофазные потребители нередко попадают на одну фазу, и в этом случае перекос фаз образуется при одновременном включении большого количества бытовой техники. Первыми признаками перекоса могут быть бытовые приборы, мощность которых заметно упала, или они вообще перестали работать. Освещение становится тусклым, а лампы дневного света начинают мерцать.
Важно
Основная опасность ситуации состоит в том, что бытовые приборы начинают работать некорректно, и появляется реальная возможность поломок вплоть до полного выхода их из строя. Наибольшая часть негативных последствий приходится на различные виды электродвигателей, которые установлены почти во всех приборах.
После того, как выяснился вопрос, что такое перекос фаз и с чем он связан, необходимо рассмотреть основные способы борьбы с этим явлением. Следует сразу отметить, что данные способы не являются универсальными, а подходят только для конкретных ситуаций.
Устранение перекоса фаз
Для того, чтобы избежать перекос фаз, необходимо осуществить тщательное планирование всех мощностей и рассчитать все возможные нагрузки с их правильным распределением по фазам. Как правило, составляется подробный электропроект на квартиру или дом.
При эксплуатации необходимо выполнять проверку тока с помощью специальных тестеров. Если возникнет необходимость, должна быть выполнена переброска однофазных нагрузок с более загруженных фаз на менее загруженные.
Ток на каждой фазе трёхфазного автомата должен быть тщательно измерен, после чего нужно перераспределить однофазные нагрузки так, чтобы токи на каждой фазе были приблизительно равными.
Эта работа должна выполняться только профессионалом, имеющим специальное оборудование.
Защита от внешнего перекоса фаз может быть исполнена с помощью стабилизаторов напряжения. На каждую фазу устанавливают определённый стабилизатор. Это будет более эффективно, чем установка одного трёхфазного стабилизатора.
В заключение необходимо подчеркнуть, что перекос фаз может стать причиной повреждения или полного выхода из строя электроприборов. Следовательно, для её устранения необходимо установить стабилизаторы или привлечь профессионалов, которые квалифицированно спроектируют электросеть.
Защита от перенапряжения. Что поможет защитить сеть?
Источник бесперебойного питания для частного дома.
Способы устранения перекоса фаз
Централизованное решение, позволяющее устранить перекос фаз, отсутствует, так как невозможно обязать всех потребителей подключать одновременно нагрузки, равные по величине и характеру.
Традиционно для обеспечения заданного напряжения на каждой из фаз традиционно используются стабилизаторы напряжения. В бытовых условиях применяют однофазные стабилизаторы напряжения, которые обеспечивают защиты отдельных электроприемников или небольшой их группы. В промышленных условиях используются трехфазные стабилизаторы напряжения различной мощности, которые конструктивно состоят из трех однофазных стабилизаторов напряжения. Принцип их действия таков, что они реагируют на отклонения на каждой отдельно взятой фазе и поднимают или опускают напряжение до необходимого уровня на своей фазе, провоцируя изменения напряжений на двух других фазах и являясь, таким образом, вторичной причиной возникновения перекоса фаз. Из изложенного выше ясно, что трехфазные стабилизаторы напряжения фактически не решают поставленную перед ними задачу, так как сами провоцируют несимметрию трехфазной системы. Помимо своего основного недостатка трехфазные стабилизаторы напряжения потребляют значительное количество электроэнергии и требуют значительных сервисных расходов, так как обладают низкой надежностью – и электромеханические, и электронные стабилизаторы напряжения имеют быстроизнашивающиеся и часто отказывающие детали.
Что же собой представляет перекос фаз с точки зрения электротехники?
Очень коротко об очень важном, или моя азбука электропитания.
- Статьи
- Источники питания
- Очень коротко об очень важном, или моя азбука электропитания.
Часть 1
Попов Александр
В своем стремительном развитии рынок ТСБ все больше и больше «рвется в облака» в переносном, а теперь уже и в прямом смысле. Мы говорим об инновационных технологиях сжатия потока видеоданных, о волшебных функциях видеоаналитики, преимуществах IP и о других сложных вещах. И все больше и больше мы отрываемся от нашей грешной земли, то есть перестаем обращать первостепенное внимание на фундаментальные вещи, без учета которых любые уникальные технологии могут быть обречены на полный провал. Это показывает и наш опыт постоянного общения с клиентами, и анализ причин отказов нашего оборудования в уже работающих системах. Да и просто беседы с молодыми коллегами по рынку заставляют сделать вывод, что ситуация с базовыми знаниями становится все хуже и хуже. На то они и базовые, оттого и входят в курс обязательного пока еще среднего образования, что актуальны в очень многих сферах нашей жизни, не ограничиваясь рамками технической системы безопасности.
Какой бы умный дом мы ни рассматривали, перед тем, как этот дом станет умным, его нужно сначала построить. А перед возведением стен необходимо в полном объеме построить так называемый нулевой цикл. Потому что любые просчеты и недоделки в нулевом цикле неизбежно скажутся на процессе эксплуатации этого самого дома во всем временном периоде, а то и приведут к досрочному окончанию такой эксплуатации. А до «ума» дело может и вовсе не дойти. И занимает такой нулевой цикл в строительстве не менее 40% общей сметы, о чем очень хорошо знает любой строитель.
В системах безопасности такой нулевой цикл тоже есть и требует к себе не меньшего уважения и необходимого вложения средств. И в своих информационных материалах мы очень много внимания уделяли и уделяем именно вопросам «нулевого цикла» систем. Это и вопросы грамотного заземления, и вопросы наводок на длинные линии, и вопросы возникновения опасных наведенных напряжений в линиях. Но, оказывается, мы нигде не говорили о, пожалуй, самом «приземленном» вопросе -вопросе нашего обычного внешнего питания 220 В. Для всех для нас, вероятно, он стал чем-то само собой разумеющимся. Есть розетка, в которую воткнул вилку, и все работает.
Между тем, наша практика как фирмы производителя показывает, что основная причина отказов аппаратуры в системах состоит именно в проблемах с линиями внешнего питания. А теперь признайтесь, много ли кто из вас, уважаемые инсталляторы, перед работой над проектом поинтересовался состоянием электроснабжения оснащаемого вами объекта? Конечно, самый простой путь -решить вопрос формально. Мы же -«слаботочники», высокое напряжение -это дело главного энергетика объекта. И мы с чистой совестью пишем в техническом задании:«Заказчик обеспечивает подключение аппаратуры в сеть ~220 В +10/-15%, 50 Гц». Лично сам эту фразу писал десятки раз. И если случится выход из строя аппаратуры, а то и всей системы, по причине того, что внешнее электропитание не укладывается в «го-стовские» рамки, лично вашей вины тут нет. Ну и конечно, ремонт не будет признан гарантийным.
Тем не менее, представлять, какие угрозы для системы могут исходить от системы внешнего электропитания и каковы причины их возникновения, всегда крайне полезно. Ну, и будет совсем здорово, если в рамках системы безопасности мы сможем принять необходимые меры для защиты от этих угроз или хотя бы для минимизации возможных потерь. Поэтому знания лишними не будут, пригодятся они и просто в повседневной жизни.
Вот и давайте вспоминать, чему нас учили в школе, применительно к нашим задачам. В электротехнические дебри не полезем. Только необходимый минимум.
Если мы рассматриваем более-менее серьезный объект, а не отдельную квартиру в многоэтажном доме, мы имеем дело, как правило, с трехфазной системой электропитания. Даже у меня на садовом участке организована такая система электропитания для распределения мощностей и экономии на толщине силового магистрального кабеля, а проще — чтобы не сгореть.
Простейшая схема соединения трехфазной цепи представлена на рисунке 1.
Где-то установлен генератор, на обмотках которого наводится ЭДС. Концы обмоток соединены в общую точку. Такое соединение называется звездой. С такой схемой соединения мы и имеем дело и на наших объектах, и у себя дома. Генератор наш носит условный характер. В действительности мы получаем электропитание не напрямую с генератора какой-нибудь АЭС или ГЭС, а через отдельные высоковольтные системы передачи, через трансформаторные подстанции. Но для понимания вопроса на уровне потребителя — это не важно. Провод, соединяющий другой конец обмотки с потребителем, называется линейным (или линией). Обозначается L — L1, L2, L3. Провод, соединяющий общую точку обмоток с потребителем, называется нейтралью — N. При четырехпроводной схеме подключения, с которой нам и приходится иметь дело, имеем три линейных провода (L1, L2, L3) и один провод нейтрали N.
Напряжение между линейным проводом (линией) и нейтралью называется фазным (Uф1, Uф2, Uф3). В силу природы своего происхождения фазные напряжения по всем трем фазам смещены друг относительно друга на фазовый сдвиг 120 градусов. Если нагрузки, подключаемые между каждой линией и нейтралью одинаковые, то векторная сумма одинаковых в этом случае по величине напряжений равна нулю, то есть разница потенциалов между нейтралью и землей равна нулю. Поэтому нейтраль еще называют нулевым проводом. Вот и говорим, что в сетевой розетке имеем ноль и фазу. Фазное напряжение у нас по ГОСТу должно составлять 220 В +10/-15%, 50 Гц. Кстати, в розетке «фаза» должна располагаться справа все по тому же ГОСТу. Так должно быть! Но если б так было всегда, надобности бы в этой статье не было.
Линейным напряжение называется напряжение между проводами линий — U1-2, U1-3, U2-3.
При соединении звездой при симметричной нагрузке:
Вот эту формулу стоит запомнить. То есть, если при симметричной нагрузке имеем фазное напряжение 220 В, то напряжение между двумя линиями фаз составит 380 В.
Теоретические воспоминания на этом будем считать законченными. А теперь рассмотрим, с чем можно в реальности столкнуться в системах электроснабжения, и как это может повлиять на работу нашего оборудования.
ОБРЫВ ЛИНЕЙНОГО ПРОВОДА
Самые частые и рядовые безобразия — обрыв линейного провода. Имеется в виду не обрыв в самом бытовом понимании, который бывает достаточно редко, а разрыв линии автоматическими выключателями. Дело в том, что мы далеко не единственные потребители, питающиеся от какой-то конкретной линии. И наше оборудование потребляет совершенно определенный ток, и другое, подключенное к этой же линии оборудование, о котором мы можем даже не догадываться. Может случиться какое-то дополнительное нештатное подключение. Как только сумма потребляемых токов некоего участка линии превысит допустимую величину, в грамотно построенной линии происходит отключение участка автоматическим выключателем. В неграмотно построенной линии может произойти физическое разрушение провода линии, его перегорание, а то и возникновение пожара. В любом случае линия питания обрывается. Для нашей системы последствия самые легко переносимые — просто отключается вся аппаратура, подключенная к данной линии питания. При восстановлении линии восстанавливается и питание — все снова включается. Для подобных случаев первостепенное внимание следует уделить аппаратуре, работающей в условиях активной климатической защиты, -работоспособность которой обеспечивается специальной аппаратурой обогрева и термостабилизации, и включение питания в условиях низких температур способно вывести технику из строя. Необходимо обеспечить функцию так называемого холодного запуска, смысл которой состоит в том, что питание на собственно теплолюбивую аппаратуру подается только по достижении допустимой рабочей температуры. Функция эта сегодня идет как обязательная опция в абсолютном большинстве оборудования климатической защиты. Другое дело, как такие перебои с питанием повлияют на конечную пользовательскую задачу -собственно безопасность. Объект может остаться на период отключения без систем сигнализации, без видеоконтроля, могут быть потеряны какие-то данные как на период отключения, так и в следствие его, и т.д., и т.п. В каждом конкретном случае это будут свои риски, требующие, принятия и конкретных организационных мер. Но это уже не входит в круг технических задач, и рассматривать мы их не будем в рамках этой статьи. А к техническим мерам относится, конечно, устройство резервной схемы питания, о чем поговорим позже. Но, в общем-то, повторюсь, что ничего особо страшного при обрыве линии питания для системы не происходит. Как в нашей повседневной жизни — посидели при фонарике и без телевизора. Возобновилось питание — ну, пришлось снова настроить телевизор на нужную программу. Тем дело и заканчивается. Хуже, когда обрывается линия питания систем жизнеобеспечения. Но страшного тоже ничего не произойдет, если изначально предусмотрена такая возможность и есть системы резервирования. Главное — не забывать, что такое когда-нибудь может случиться, тем более, что случается, и довольно часто.
ОБРЫВ НЕЙТРАЛИ
А вот обрыв нейтрали, в отличие от обрыва линии, заслуживает отдельного рассмотрения. Случается, к счастью, значительно реже, поскольку причинами такого безобразия выступает в основном человеческая безграмотность. Зато и последствия могут быть намного серьезней.
Рассмотрим самую простую схему — рисунок 2.
В общем случае на объекте линий фаз три. Каждая линия однофазного питания образуется из одной линии фаз и линии нейтрали. То есть, для каждой линии однофазного питания есть своя линия фазы, а вот линия нейтрали одна единственная на все. Естественно, линия эта имеет многочисленные разветвления на всевозможных нулевых шинах, но все «нули» розеток электрически соединены между собой. Пусть для подключения нашего потребителя (Рпотр.) мы взяли линию L1 и линию нейтрали. Абсолютно любое устройство, подключаемое к другим линиям, в качестве линии нейтрали будет иметь ту же, что и наш потребитель. Ток пойдет через наш потребитель по маршруту А-В-С и по линии наименьшего сопротивления по линии нейтрали к точке D. К какой-то другой линии L2 подключена другая нагрузка (о которой мы ничего не знаем) — Рнагр. Через нее ток пойдет по маршруту G-F-E-D. Через наш потребитель Рпотр. ток не пойдет, так как он всегда пойдет по линии наименьшего сопротивления. Теперь представим, что линия нейтрали оборвана где-нибудь по линии m. Цепь питания замкнется по маршруту A-B-C-E-F-G, то есть наш потребитель окажется включенным не между фазой и нейтралью, а между двумя линиями фаз. Напряжение на нем резко возрастет и в зависимости от нагрузки в другой линии может достигнуть максимального значения линейного напряжения, т.е. 380 В.
Мы рассмотрели ситуацию с двумя линиями фаз и нейтралью. Когда на объекте присутствуют все три фазы, напряжение в третьей линии также через своих потребителей попадает на нашу линию. И результирующее напряжение может оказаться еще больше. Результат будет еще опасней.
В большинстве случаев, в зависимости от чувствительности самого потребителя к подобным броскам напряжения и длительности такого высоковольтного воздействия, это приводит к выходу аппаратуры из строя, а то и является причиной возгорания в линиях питания со всеми возможными вытекающими последствиями.
Если у вас дома вдруг лампочки засияли солнечным светом, немедленно отключайте все линии на силовом щитке, а потом уже разбирайтесь с причиной этой аномалии. Скорее всего, вместо фазного у вас в розетках появилось линейное напряжение. После восстановления нормального питающего напряжения будете подсчитывать убытки. В первую очередь пострадает, скорее всего, всякая аппаратура автоматики, блоки питания электроники, а то и сами телевизоры, домашние кинотеатры, музыкальные центры. В последнюю очередь — всевозможная нагревательная техника — бойлеры, электрокотлы, а также холодильники. Хотя автоматика управления теми же котлами может выйти из строя в числе первых. Все это из личного опыта.
Приходилось слышать мнение, что от подобных бросков напряжения спасает автоматический выключатель в линии. Не спасает! Во-первых, он не для этого предназначен. Прежде всего, он спасает линию от превышения допустимого для линии (а не для аппаратуры, в ней установленной) тока, поскольку такое превышение грозит опасным нагревом провода, разрушением изоляции, возгоранием. Во-вторых, опасное напряжение на отдельном устройстве, способное даже полностью вывести аппаратуру из строя, вовсе не означает, что в линии произойдет увеличение величины тока до значения срабатывания автоматического выключателя. Можно задаться целью, посчитать, какой ток возникнет в цепи подключения каждого устройства при нижней границе опасного напряжения, для абсолютно каждого устройства ставить на входе отдельный автоматический выключатель со своим отдельно просчитанным током срабатывания. Грубо говоря, каждая розетка будет предназначена исключительно для какого-то одного конкретного устройства, и каждая такая розетка будет иметь автомат защиты на свой определенный ток. Совершенно не реализуемый на практике вариант. И в-третьих, для защиты от подобной ситуации существуют специально для этого предназначенные устройства, о чем поговорим ниже.
Не спасет и защита от импульсных наводимых перенапряжений в линии первичного питания. Главная причина все та же — устройство защиты от импульсных перенапряжений не для этого предназначено. Природа возникновения опасного напряжения разная. При наводимых опасных напряжениях имеем очень большое по амплитуде, но крайне малое по времени воздействие. В данном случае имеем дело хоть и не с такими большими амплитудами, зато время воздействия в сравнение с наводимым импульсным напряжением можно считать просто гигантским. Даже если ситуация сразу обнаружена, и мы со всех ног помчались выключать автоматы на входе, сравнивать время нашей реакции придется с микросекундами. На такое гигантское время аппаратура защиты от импульсных перенапряжений просто не рассчитана. Сработает защита варисто-ра от перегрева, которая отключит саму аппаратуру от линии. Причем восстановление аппаратуры в рабочее состояние потребует фактически его ремонта. Но самое главное, что защита от импульсных перенапряжений включается в линию питания параллельно, отводя на землю опасный потенциал с линии. При ее отключении, которое неминуемо произойдет во время длительного воздействия, линия питания не разорвется — все опасное высокое напряжение окажется поданым на все потребители. То есть, одни потери -ничего не защитили, а аппаратуру защиты от импульсных перенапряжений неминуемо вывели из строя.
Каковы могут быть причины обрыва нейтрали? Может быть обрыв в самом буквальном смысле. Хотя и с наименьшей вероятностью. Если имеем дело с воздушными линиями, провод нейтрали в силу своей безопасности с точки зрения поражения электрическим током располагается самым нижним на подвесах столбов. Соответственно, этот провод рвется первым, если, например, под линией электропередач пытается проехать какая-нибудь крупногабаритная техника. Гораздо чаще происходят более банальные вещи. А именно, отгорание нейтрали (или нулевого провода). Горят провода не от напряжения, а от тока, по ним проходящего. Напряжение сварочного агрегата составляет 12 V. Зато сварочный ток составляет 120-150 А. Мощность, выделяемая на проводнике в виде тепла, пропорциональна его сопротивлению и квадрату силы тока. С увеличением силы тока, например в 2 раза, мощность, выделяемая в виде тепла, увеличивается в 4 раза. И линейно увеличивается с увеличением сопротивления.
Количество теплоты, выделяемое проводником, определяется законом Джоу-ля-Ленца:
Q = I2 х R х t, где t — время, в течение которого по проводнику протекал ток.
Еще одна фундаментальная формула из школьного курса:
р — удельное сопротивление проводника (зависит исключительно от материала, из которого проводник изготовлен).
L — длина проводника.
S — площадь сечения.
Таким образом, с увеличением диаметра проводника, например в 2 раза, сопротивление его уменьшится в 4 раза. И наоборот.
Как показал мой опыт общения с представителями нашего рынка, далеко не пустое множество тех, кто считает, что чем толще проводник, тем сопротивление его больше. Это очень опасное (в том числе для жизни и здоровья) заблуждение.
В общем, не случайно в электроплитке можем наблюдать в качестве нагревательного элемента очень тонкую спираль. Спираль — чтобы максимально увеличить сопротивление за счет длины проводника, а за счет выбора материала (нихром), который способен держать очень высокие температуры, не разрушаясь, максимально уменьшена его толщина. Таким образом, обеспечивается максимально возможный нагрев. В наших линиях нагрев — это прямая угроза возгорания.
В действительности монтажная схема электропитания на объекте очень далека от представленной на рисунке 2. Четыре провода только заходят от общей магистрали. Далее устанавливаются контактные шины и на провод нейтрали (нулевая шина), и на линии фаз, и уже по однофазным потребителям линии разводятся двужильными кабелями, один провод которых подключается к фазовой шине, а другой к нулевой. И замыкается цепь между фазами при обрыве нейтрали через потребители на нулевой шине. Если обрыв происходит после нулевой шины, естественно, межфазная цепь не замкнется. Максимально все упростив, представим схему разводки однофазного питания на рисунке 3. Рассмотрим только две линии фаз -для понимания этого достаточно.
В первой однофазной цепи (между первой фазой и нейтралью) включена нагрузка R1, через которую проходит ток I1. Во второй цепи через нагрузку R2 проходит соответственно ток I2. И пусть это совершенно рабочие, безопасные для своих цепей токи, не вызывающие срабатывание защитных автоматических выключателей в линиях фаз. Однако на участке общего нулевого провода А-В (общей нейтрали) проходящий по ней ток представляет собой уже сумму токов первой и второй однофазных цепей. А в действительности, при подводящем трехфазном питании это будет уже сумма токов всех трех однофазных цепей. И нередко об этом забывают. Количество потребителей, подключаемых в сети питания, со временем может увеличиваться. Потребляемая мощность их может расти. Соответственно, увеличиваются токи, проходящие в однофазных линиях. Вполне возможно, что со временем меняются защитные автоматы на входе линий, поскольку сечение кабелей линий это допускают. Срабатывание защиты не происходит. Однако забывают, что нулевой провод общего участка нейтрали должен быть рассчитан на общий суммарный ток по всем трем фазам. В результате, этот провод может не выдержать нагрузки и отгореть. Чаще всего это происходит в местах клеммных соединений, поскольку площадь контакта в таких соединениях часто бывает меньше площади поверхности всего проводника, соответственно сопротивление проводника в этом месте будет еще больше, больше выделяемое тепло, значит, самое слабое звено для теплового разрушения.
Бывают, что о заведомо больших токах в общей нейтрали не задумываются изначально. А именно, посчитали суммарную мощность всех потребителей по каждой фазе, определили, исходя из этого, максимальные токи и, исходя из этого, выбрали четырехжильный кабель подключения с сечением проводов, соответствующим этим токам. Один из проводов этого че-тырехжильного кабеля задействовали в качестве провода нейтрали. И получили, что по этому проводу течет ток, намного превышающий допустимую величину для данного сечения. В лучшем случае этот провод начинает ощутимо греться, тратя электроэнергию на бесплатный обогрев атмосферы. А в худшем — отгорание проводника с подачей разрушающего для подключенной аппаратуры напряжения, с выходом из-за этого самой аппаратуры из строя, а то и причина пожара на объекте.
Вывод — при выборе нулевого провода подключения (до нулевой шины от источника трехфазного напряжения) необходимо выбирать провод, сечение которого безопасно обеспечивает прохождение по нему тока, равного суммарному максимальному току по всем однофазным линиям. Ну, а поскольку нулевой провод подключения, как правило, используется, как один из проводов многожильного кабеля, под максимальный суммарный ток выбирается весь кабель. Так, если у меня в доме по линиям установлены на входе автоматические выключатели на 25 А (то есть, более 25 А ток в каждой линии быть не может), то подводящий к дому кабель взят 4хб мм2. А далее однофазные линии выполнены двужильными кабелями в основном 2х2,5 мм2.
Часть 2
Сегодня вы можете ознакомиться со второй частью статьи, посвященной угрозам для систем безопасности, которые исходят от системы внешнего электропитания. В первой части мы начали знакомство с причинами их возникновения и мерами, которые необходимо принять для защиты или минимизации потерь. Как обычно, статья построена на том, чему нас учили в школе, применительно к нашим задачам. В электротехнические дебри не полезем. Только необходимый минимум.
В предыдущей статье мы рассматривали такие угрозы как обрыв линейного провода и обрыв нейтрали.Еще одна, достаточно типовая причина обрыва нейтрали полностью соответствует пословице — «Хотели, как лучше, а получили хуже!» Да, на входе не только линий трехфазного напряжения, но и на ответственных однофазных ответвлениях всегда надо устанавливать автоматические выключатели после шин разветвления, которые отключат линию при превышении величины тока выше допустимого. Как мы уже объясняли — именно от тока случаются пожары, и именно ток убивает. Все вы, наверное, сталкивались с коротким замыканием в цепи, когда величина тока стремится к бесконечности (сопротивление стремится к нулю). Источник возможного возгорания более чем очевиден. Простая чрезмерная перегрузка линии потребителями ведет к увеличению тока, что в свою очередь может привести к опасному перегреву провода. Автоматические выключатели не позволят нагружать линии более дозволенного, отключив ее при максимально допустимой величине тока, а также мгновенно отключат линию в случае короткого замыкания, не дав тепловому воздействию длиться в течение опасного для возгорания времени.
Проникшись важностью установки автоматических выключателей на входе линий трехфазного питания, отдельные горе-монтажники-электрики устанавливают автоматические выключатели и на линию нейтрали (см. рис. 1: на этом моменте акцентировано внимание зачеркиванием жирными красными полосами такого решения). И главная беда подобных типовых ошибок — на нейтраль устанавливают точно такой же автоматический выключатель, что и на линии фаз. И, обратившись к рассуждениям, изложенным выше, нетрудно получить, что срабатывание такого автомата и отключение линии нейтрали может произойти даже тогда, когда нагрузка по линиям не превысит и половины от максимально допустимой. То есть, все линии находятся в рабочих и безопасных режимах, тем не менее, происходит срабатывание автомата в линии нейтрали со всеми вытекающими последствиями, изложенными выше. Все отказы и беды, которые могут возникнуть — результат исключительно неграмотного построения системы электропитания. А главное, установка автоматического выключателя даже на общий суммарный ток, если таковой все же удастся найти, абсолютно не имеет смысла. Если в какой-то линии нагрузка превысит допустимую, то сработает автомат в линии фазы. Если же он по какой-то причине не сработает, то рассматривать автомат в нейтрали, как дублирующий, все равно нельзя. Поскольку превышение допустимого тока только в одной из них к его отключению не приведет. Зато постоянно останется угроза, что линия нуля может быть легко разорвана путем принудительного отключения этого автоматического выключателя. Например, при необходимости обесточить какую-то линию, автоматические выключатели можно перепутать. Или, при необходимости отключить все питание, автоматический выключатель нейтрали окажется не самым последним в последовательности отключений (можно с него начать и благополучно обеспечить тем самым подачу межфазного напряжения в линию до момента отключения автомата фазной линии).
Рис. 1
Но, повторюсь, такие «шедевры монтажа», хотя и случаются не так уж и редко, но до систем нашего рынка обычно не доходят. Это объясняется тем, что отказы, связанные с этими причинами, проявляются буквально сразу с подключением системы электропитания, и к моменту установки на объекте ТСБ люди успевают «схватиться за голову» и навести порядок. Но знать об этом стоит, хотя бы для того, чтобы самим не делать таких «ляпов», например, на своих дачных участках.
Гораздо чаще встречается более банальная, но от этого не менее опасная ситуация — электрик при выполнении каких-то своих плановых или внеплановых работ «просто» путает при коммутации провода нейтрали и одной из фаз. Лично неоднократно сталкивался с подобными явлениями. Как-то поехал на объект выяснять причину отказа видеокамеры. Причина оказалась очевидной в буквальном смысле — в снегу догорал пламенем электрощиток с установленным в нем блоком питания этой самой камеры. Оказалось, что сварщики, подключая свое трехфазное оборудование, в конце концов поменяли на шинах фазный и нулевой провода местами. А еще приходилось слышать от электриков оправдание, что, прокладывая воздушную трехфазную сеть по столбам, они в листве деревьев не заметили, провода перехлестнулись. Провода, конечно, перехлестнуться могут. Но перед подачей напряжения все ж необходимо проверить правильность своего монтажа при помощи хотя бы простейшего тестера. А вот это, к сожалению, делается все реже. Соответственно, мы должны быть всегда готовы к возможным последствиям. А последствия будут все те же. На однофазных линиях, в которых задействованы две другие фазы, вместо напряжения 220 В появится межфазное напряжение 380 В, поскольку таким это напряжение и окажется — линейным.
На все эти причины мы с вами повлиять никак не можем. Не мы строили всю систему электропитания объекта. Часто становится проблемой даже найти автомат отключения выделенной на систему линии. Ну, а уж что творится в дебрях «человеческого фактора», и вовсе никому не ведомо. Но мы можем и должны бороться с нежелательными для системы безопасности последствиями. И для всех вышеописанных случаев возникновения опасного постоянно действующего напряжения на линии, единственное эффективное действие -своевременное отключение всей линии питания нашего оборудования. Технически это решается довольно просто -в начале нашей однофазной линии питания (до первого прибора системы) устанавливается автоматический ограничитель напряжений. Стандартное устройство, рассчитанное на определенное напряжение (при превышении допустимого тока линию отключит автоматический выключатель), включаемое в линию питания. На самом устройстве устанавливается максимально допустимое напряжение, а также минимально допустимое. Если входящее питающее напряжение выходит за эти установленные границы, ограничитель напряжений отключает линию от общей системы электропитания. При восстановлении напряжения в допустимых пределах вновь происходит автоматическое подключение линии. Как правило, устанавливается еще временной интервал, через который должно происходить включение после восстановления допустимой величины входного напряжения. Ничего страшного произойти не должно, если предусмотрены индивидуальные особенности подобных ситуаций. Например, наличие функции «холодного запуска» для «теплолюбивой» аппаратуры. Но без резервирования питания на время всевозможных таких безобразий в любом случае остаемся без системы безопасности.
ПЕРЕКОС ФАЗ
И последнее, не просто типовое, а массовое безобразие, с которым приходится сталкиваться в системах электроснабжения, — это явление носит название перекоса фаз. Более того, если говорить о каких-то загородных объектах, то пока с этим безобразием приходится сталкиваться намного чаще, чем с его отсутствием. Возникать оно может в абсолютно любой момент и не поддается никаким прогнозам.
Рис. 2
На рисунке 2 синим цветом представлена идеальная ситуация, когда нагрузки во всех трех фазах равны. Соответственно, равны и напряжения в фазах — U1 = U2 = U3. А поскольку напряжения смещены относительно друг друга на угол 120 градусов, их векторная сумма в точке О равна нулю. То есть, на нейтрали никакого потенциала относительно земли нет. В действительности так практически никогда не бывает. Просто физически невозможно нагрузить все фазы одинаково. Да и момент включения всех нагрузок не совпадает. Таким образом, при неравенстве нагрузок по линиям напряжения в этих линиях нагрузки также не равны по величине (представлены красным цветом на рисунке 2), и их векторная сумма не равна нулю, а равна некоему вектору, называемому напряжением смещения Uсмещ.На нейтрали появляется потенциал относительно земли. Вот в этом и состоит суть перекоса фаз.
Поскольку добиться одинаковой нагрузки по всем фазам в любой момент времени невозможно физически, и установлен ГОСТ на допустимый разброс напряжений в линиях однофазной цепи — 220 В +/- 10-15%.
В действительности этот разброс может значительно превышать установленные ГОСТом границы. Особенно «ярко» можно наблюдать это явление в трехфазных сетях, проложенных по воздушным линиям электропередач. В основном это, конечно, относится к загородным объектам. Объяснение тут более чем простое — подключая тот или иной объект к однофазной линии, местному электрику всегда проще залезать на столб до первого линейного провода. И нулевой провод рядом. Можно даже, соблюдая профессиональную осторожность, выполнить подключение, не отключая всю магистраль. При необходимости подключиться к другим линиям это будет связано с очень большим риском. В чем, в общем, легко убедиться, проезжая по территории практически любого садоводства.
Но на промышленных объектах значительные перекосы фаз также имеют место. Например, из-за подключения мощного однофазного оборудования и разницы таких подключений во времени по разным фазам.
В результате перекоса фаз напряжение в однофазных сетях может иметь очень большой разброс по величине. Вместо расчетных 220 В — и 140 В, и 260 В. Важно это осознавать и учитывать, чем такие колебания могут грозить системам безопасности. На сегодняшний день очень большой перечень аппаратуры имеет на входе импульсный блок питания, а непосредственно сама аппаратура питается уже вторичным напряжением с него. Выпускаемые отдельными изделиями блоки питания для нашего рынка (например, для питания видеокамер) тоже сегодня в основной своей массе импульсные. Главное преимущество импульсного блока питания — его очень широкий допустимый разброс входных напряжений. При этом на выходе в линию вторичного питания он выдает номинальное свое напряжение.
Лирическое отступление. Еще лет двадцать назад покупка цветного телевизора для загородного дома автоматически требовала покупки стабилизатора напряжений. Именно из-за очень большого разброса питающего напряжения в сети, поскольку блок питания в тех уже ретро-телевизорах стоял трансформаторный (любые колебания входного напряжения автоматически влекли колебания напряжения со вторичной обмотки, и при большой амплитуде таких входных напряжений телевизор переставал устойчиво работать, а то и выходил из строя по причине недопустимо высоких первичных из сети, а следом и вторичных напряжений). Сегодня телевизор в загородном доме, пожалуй, один из самых невосприимчивых к колебаниям напряжений приборов. В отличие от насосов, электрокотлов отопления, холодильников. Как раз по причине наличия в нем импульсного блока питания. Если посмотреть в паспорт, в нем вы увидите этот допустимый разброс, который существенно больше допускаемого ГОСТом.
Тем не менее, и этот допускаемый разброс для импульсного блока питания отнюдь не бесконечен. Возможно, что реально происходящий разброс и превосходит допустимый.
А вот для нагревательных элементов аппаратуры климатической защиты (в том числе и для гермобоксов видеокамер, обогрев которых организован напрямую от сети 220 В) такой разброс может оказаться очень ощутимым. Особенно при существенном уменьшении внешнего питающего напряжения.
Кроме того, система безопасности может иметь в своем составе и всевозможные исполнительные механизмы -например, приводы ворот и шлагбаумов, для которых чрезмерное понижение или повышение входного напряжения может оказаться критическим.
Есть стандартный метод «борьбы» с перекосом фаз. Точнее, не с перекосом фаз, а с чрезмерными колебаниями напряжений питающей сети, возникающими вследствие этого. Выход — включение на входе в цепь питания стабилизатора напряжений. Схему работы стабилизатора здесь разбирать не будем, хотя ничего особо сложного в ней нет. Вот стабилизатор уже выдаст нам в сеть напряжение в соответствии с ГО-СТом. Даже несколько сузит «гостовский диапазон» — примерно 220 В +/- 8% (в зависимости от конкретной модели). При этом необходимо подсчитать максимальную суммарную мощность потребления всей нашей сети и в соответствии с этим параметром выбрать стабилизатор. Далее, подключить входную линию питания (ноль и фазу), а с выхода уже строить систему питания нашей системы. Однако при выборе стабилизатора по мощности следует учесть, что на нижнем пределе допустимых входных напряжений выдаваемая на выходе мощность будет составлять не максимальную, написанную, как правило, не только в паспорте, но и на лицевой стенке корпуса прибора, а процентов 60-70 от нее. То есть, если максимальная потребляемая системой мощность составляет, например, 5 кВт, минимально возможное напряжение в сети составляет 130 В и такое же минимальное допустимое входное напряжение указано в паспорте стабилизатора, приобретать стабилизатор надо не на 5 кВт, а на 8 кВт.
Хочу вас огорчить, но за пределами допустимого разброса входных напряжений и стабилизатор не будет нормально работать. А при превышении максимально допустимого входного напряжения он может просто сгореть. Мы с вами, как отметили выше, никогда не знаем наперед этот самый фактически возможный разброс. Значит, надо его создать в соответствии с допустимым разбросом, с которым справится стабилизатор. А с этим с успехом справится упомянутый выше ограничитель напряжений. Тем более, он все равно актуален в схеме, поскольку описанные угрозы возникновения в цепи межфазного напряжения 380 В никуда не делись. Вот на нем выставляем верхнее и нижнее допустимые входные напряжения. Если подаваемое на вход ограничителя напряжение укладывается в этот диапазон, со стабилизатора гарантированно получим 220 В в границах даже меньших, чем требуется по ГОСТу. Если не укладывается, произойдет отключение линии до момента подачи в цепь допустимого ограничителем напряжения.
Есть еще важный момент касательно именно наших слаботочных систем, связанный с перекосом фаз, о котором не следует забывать. А именно, напряжение смещения на проводе нейтрали в связи с вопросами заземления. Согласно отечественным нормам, допускается в целях безопасности от поражения человека электрическим током производить так называемое «зануле-ние» в силовых розетках, то есть соединение нейтрали с земляной клеммой. От поражения электрическим током в случае контакта линии с корпусом прибора и человека с этим же корпусом это действительно спасет — ток пойдет через нейтраль по линии наименьшего сопротивления. Однако, на проводе нейтрали при перекосе фаз, как мы выяснили выше, возникает напряжение смещения, которое, кстати сказать, тоже может достигать десятков вольт. Что в свою очередь представляет если не опасность для здоровья и жизни, то может быть весьма ощутимым, если замкнется цепь нейтраль-человек-земля. Были случаи, что монтажники со стремянок даже падали.
Но гораздо очевидней другая опасность. Очень многие приборы наших систем имеют вилку с земляной клеммой, которая в свою очередь электрически соединена в самом приборе с сигнальным заземлением. И если в розетке, к которой подключен такой прибор, выполнено зануление, а в первичной сети питания имеется перекос фаз, очень велика вероятность помехи на полезный сигнал в силу наличия на сигнальной земле переменного потенциала. Практическая рекомендация — поиск возможной причины возникшей в системе помехи имеет смысл начинать с силовых розеток. Если имеется зануление, уберите его. Возможно, помеха и исчезнет.
ОРГАНИЗАЦИЯ ПИТАНИЯ СЛАБОТОЧНЫХ СИСТЕМ
И теперь в свете всего вышеизложенного можно делать выводы об организации первичного питания наших слаботочных систем.
Сюда же, не вдаваясь в физику процесса, добавим общую рекомендацию теории сигнальных цепей — все потребители одной цепи следует запитывать от одной и той же фазы трехфазной сети питания. Конечно, не всегда это удается. Но стремиться к этому следует всегда.
Итак, оптимальным получается вариант, когда мы в одном месте подключаемся к одной фазе общей трехфазной сети и далее по всем потребителям нашей системы разводим свою собственную однофазную сеть питания.
В этом случае мы ставим в этой точке подключения автоматический выключатель на линии фазы, который отключит линию при перегрузке (в том числе, при коротком замыкании). Далее мы ставим ограничитель входных напряжений, который отключит линию питания, если входное напряжение находится за пределами допустимого диапазона для стабилизатора, устанавливаемого следом. И далее устанавливаем однофазный стабилизатор напряжения.
Все. Мы полностью защитили все оборудование нашей системы от всевозможных «чудес», которые могут происходить в сети питания, независимо от причин, по которым они возникают.
В который раз и на всякий случай остановим «горячие головы», предлагающие разводить по удаленным потребителям сразу вторичное питание. Например, с выхода некоего мощного импульсного общего источника питания. Даже не касаясь вопросов земельных петель. И даже представив гипотетический блок питания любой требуемой мощности. В основном, с целью напомнить о необходимости всегда учитывать падение напряжения в линии.
Провод питания и потребитель, включенный в линию питания, представляют собой последовательную схему соединения: провод-потребитель-провод. Ток при последовательном соединении постоянный во всей цепи, общее напряжение на концах равно сумме напряжений на потребителях. В данном случае есть собственно потребитель, и в качестве потребителей выступают сопротивления провода в один конец (к собственно потребителю) и обратно от собственно потребителя. Ток в цепи определяется током потребления нашего собственно потребителя (паспортная величина). Тогда
Uобщ. = Uпотр. + ДельтаU, где Uобщ. — напряжение во всей цепи (на концах цепи),
Uпотр — напряжение на клеммах потребителя, Дельта U — падение напряжения на обоих проводниках (к потребителю и обратно).
В свою очередь Дельта U = Iпотр х R, где Iпотр — ток потребления, R — общее сопротивление провода (в оба конца).
Собственно потребитель потребляет не напряжение и ток, а мощность P = U х I. Соответственно, чем меньше напряжение в цепи, тем больший ток потребления. И наоборот. И в свою очередь, чем больший ток, тем большее падение напряжение AU. Таким образом, передавая вторичное напряжение, мы заведомо идем на большие потери в линии. Бесплатный обогрев атмосферы в линии увеличивается, как мы уже отмечали ранее, пропорционально квадрату силы тока. А для того, чтобы оставшегося Uпотр. = Uобщ.- Дельта U нам хватило для работы нашего оборудования, придется идти на уменьшение сопротивления, которое определяется по формуле: R = р х L/S, где р — удельное сопротивление проводника, которое зависит исключительно от материала, из которого он изготовлен, и на эту величину мы никак повлиять не можем. L -в данном случае длина проводника в оба конца (туда и обратно) — тоже величина от нас совершенно не зависящая. Остается только возможность влиять на уменьшение сопротивления за счет увеличения сечения.
Вот я и предлагаю — всегда, прежде чем принимать решение об организации централизованного для всей системы вторичного питания, сначала, исходя из тока потребления и допустимого падения напряжения, сосчитать необходимое сечение кабеля. Потом оценить стоимость всего такого необходимого кабеля, его толщину с точки зрения технологичности монтажа, вес. Уверен, что желание продолжать идти в этом направлении отпадет, если дальность трасс измеряется хотя бы несколькими сотнями метров, не говоря уже о километрах.
Просто обратите внимание — почему магистральные высоковольтные линии имеют напряжение, измеряемое в десятках киловольт, а предназначены в конце концов в основной своей массе для питания обычных рядовых потребителей. Почему перед передачей на дальние расстояния специально и за очень большие деньги устанавливаются повышающие трансформаторы, а уже в местах разводки по конечным потребителям за такие же большие деньги устанавливаются трансформаторы понижающие. Исключительно с одной единственной целью — уменьшить потери при передаче, которые равны, как мы отмечали выше, Q = I2 х R х t. Поскольку необходимо передать огромную мощность, для уменьшения потерь необходимо максимально снизить ток. Значит, максимально поднять напряжение. Ну, и снизить максимально возможно сопротивление, для чего остается все тот же единственный путь -увеличение сечения проводника. Вот оттого магистральные высоковольтные линии такие толстые.
Вывод — оптимальный путь организации питания — единая для всей системы однофазная линия 220 В. А к ней на местах уже подключается вся аппаратура систем безопасности.
Однако в реальности так бывает далеко не всегда. Бывает и вполне оправ-даное использование первичного питания, как говорят, на местах.
В этом случае все вышесказанное относительно защиты линии питания от типовых безобразий актуально для каждой точки подключения. Количество необходимого защитного оборудования будет иметь кратность количеству таких точек локального подключения.
Во всех вышеизложенных решениях защиты оборудования по сети 220 В реализация выражается в отключении линии питания. Оборудование мы спасли, но система на время отключения, естественно, не работает. А может, и на более длительный период времени.
Например, пока оборудование климатической защиты не обеспечит условия, при которых защищаемое оборудование может работать (проще, до срабатывания функции холодного запуска). Такое положение дел далеко не всегда устраивает заказчика. И встает вопрос об организации бесперебойного питания.
ОРГАНИЗАЦИЯ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ
На нашем рынке источники бесперебойного питания уже представлены отдельной самостоятельной нишей. Но так сложилось, что все они представляют собой источники вторичного напряжения. В то же время для полноценного функционирования всей системы необходимо обеспечить питанием в случае отключения централизованного абсолютно все активные элементы. И потребуется нам этих источников бесперебойного питания если и не по количеству всех активных элементов, то уж по количеству системных узлов, содержащих активные элементы, это точно. При этом дальняя передача вторичного питания — вещь совершено не оправданная, а то и невозможная. Однозначно это потребует увеличения габаритов неких монтажных модулей и системы климатической защиты. Увеличение количества дополнительного оборудования и его территориальная разнесенность неизбежно усложняют обслуживание подобной техники во времени. А аккумуляторы требуют обслуживания и своевременной замены.
Самой оптимальной схемой централизованного питания 220 В из одной точки всей системы лично я считаю установку собственного генератора на 220 В необходимой мощности. Это может быть и автоматический переход на аварийное питание, и ручной. Главное -вся аппаратура резервного питания находится в одной единственной точке системы. Мы непременно выиграем в стоимости и оборудования, и монтажных работ, и обслуживания. При этом ничего не потеряем в надежности, ибо большое количество ИБП вторичного питания никоим образом не дублируют друг друга, а, напротив, выход хотя бы одного из них может привести к неработоспособности всей системы, в зависимости от того, на какого потребителя он работает.
В случае организации питания «на местах» такая система, конечно, не выгодна. Резервное питание также организуется локально уже на ИБП вторичного напряжения.
В принципе, весь изложенный материал абсолютно ничего сложного не представляет. В наших системах электропитания существует немало и объективных проблем, и всевозможных сюрпризов от «человеческого фактора». Однако подобные случаи носят достаточно типовой характер. И типовыми же являются меры защиты. Не мы отвечаем за энергоснабжение объекта. Но мы в состоянии противостоять если не самим проблемам, то их последствиям. И грех такой возможностью не воспользоваться. Лично у меня в доме на каждой из трех фаз установлены и ограничители напряжения, и стабилизаторы напряжения, и автоматические выключатели. А электроснабжение в случае отключения подачи электроэнергии обеспечивается трехфазным дизель-генератором. И все изложенное выше — это не теоретические изыскания, а исключительно практический опыт и оснащения наших объектов, и повседневной борьбы за живучесть, продиктованной чудесами наших электросетей. Вот чего не стоит делать с питанием 220 В, это учиться сугубо на своих ошибках — цена может быть не оправданно высокой.
Источник: algoritm
Смещение PN-переходов | PVEducation
Обзор
- Прямое смещение возникает, когда к солнечному элементу прикладывается напряжение таким образом, что электрическое поле, формируемое переходом P-N, уменьшается. Это облегчает диффузию носителей заряда через обедненную область и приводит к увеличению диффузионного тока.
- При наличии внешней цепи, которая постоянно обеспечивает основные носители, рекомбинация увеличивается, что постоянно снижает приток носителей в солнечную батарею.Это увеличивает диффузию и, в конечном итоге, увеличивает ток через область истощения.
- Обратное смещение возникает, когда к солнечному элементу прикладывается напряжение таким образом, что электрическое поле, формируемое переходом P-N, увеличивается. Ток диффузии уменьшается.
Полупроводниковые приборы имеют три режима работы:
1. Тепловое равновесие
При тепловом равновесии нет внешних входов, таких как свет или приложенное напряжение. Токи уравновешивают друг друга, поэтому внутри устройства нет тока net .
2. Устойчивое состояние
В установившемся режиме есть внешние входы, такие как свет или приложенное напряжение, но условия не меняются со временем. Устройства обычно работают в установившемся режиме и имеют прямое или обратное смещение.
3. Переходный процесс
Если приложенное напряжение изменяется быстро, перед срабатыванием солнечного элемента произойдет небольшая задержка. Поскольку солнечные элементы не используются для работы на высоких скоростях, необходимо учитывать несколько дополнительных переходных эффектов.
Диоды при прямом смещении
Прямое смещение относится к приложению напряжения к устройству, так что электрическое поле в переходе уменьшается. Путем приложения положительного напряжения к материалу типа p и отрицательного напряжения к материалу типа n к устройству прикладывается электрическое поле с направлением, противоположным направлению в области обеднения. Поскольку удельное сопротивление обедненной области намного выше, чем у остальной части устройства (из-за ограниченного количества носителей в обедненной области), почти все приложенное электрическое поле падает на обедненную область.Чистое электрическое поле — это разница между существующим полем в области истощения и приложенным полем (для реальных устройств встроенное поле всегда больше, чем приложенное поле), тем самым уменьшая результирующее электрическое поле в области истощения. Уменьшение электрического поля нарушает равновесие, существующее в переходе, уменьшая барьер для диффузии носителей от одной стороны перехода к другой и увеличивая ток диффузии. В то время как диффузионный ток увеличивается, дрейфовый ток остается практически неизменным, поскольку он зависит от количества носителей, генерируемых в пределах диффузионной длины обедненной области или в самой обедненной области.Поскольку ширина обедненной области уменьшается лишь на незначительную величину, количество неосновных носителей заряда, проходящих через переход, по существу не изменяется.
Подача тока несущей и прямой ток смещения
Увеличенная диффузия от одной стороны перехода к другой вызывает инжекцию неосновных носителей заряда на краю обедненной области. Эти носители удаляются от перехода из-за диффузии и в конечном итоге рекомбинируют с основным носителем. Основная несущая питается от внешней цепи, и, следовательно, чистый ток протекает под прямым смещением.В отсутствие рекомбинации концентрация неосновных носителей будет достигать новой, более высокой равновесной концентрации, и диффузия носителей с одной стороны перехода в другую прекратится, почти так же, как при введении двух разных газов. Первоначально молекулы газа совершают чистое движение от области высокой концентрации носителя к области низкой концентрации носителя, но когда достигается однородная концентрация, чистое движение молекулы газа прекращается. Однако в полупроводнике инжектированные неосновные носители рекомбинируют, и, таким образом, большее количество носителей может диффундировать через переход.Следовательно, диффузионный ток, протекающий при прямом смещении, является током рекомбинации. Чем выше частота событий рекомбинации, тем больше ток, протекающий через переход.
«Ток темнового насыщения» (I 0 ) — чрезвычайно важный параметр, который отличает один диод от другого. I 0 — это мера рекомбинации в устройстве. Диод с большей рекомбинацией будет иметь большее значение I 0 .
Обратное смещение
При обратном смещении на устройство подается напряжение, так что электрическое поле в переходе увеличивается.Более высокое электрическое поле в обедненной области снижает вероятность того, что носители могут диффундировать с одной стороны перехода в другую, следовательно, диффузионный ток уменьшается. Как и при прямом смещении, дрейфовый ток ограничен количеством неосновных носителей заряда по обе стороны от p-n-перехода и относительно не изменяется из-за повышенного электрического поля. Небольшое увеличение дрейфового тока происходит из-за небольшого увеличения ширины обедненной области, но это, по сути, эффект второго порядка в кремниевых солнечных элементах.Во многих тонкопленочных солнечных элементах, где область истощения составляет примерно половину толщины солнечного элемента, изменение ширины области истощения с изменением напряжения оказывает большое влияние на работу элемента.
Диод Шоттки — определение, символы, работа и применение
Шоттки определение диода
Шоттки
Диод — это диод на переходе металл-полупроводник, который имеет меньше
прямое падение напряжения, чем на диоде P-N перехода, и может быть
используется в приложениях с высокоскоростной коммутацией.
Что такое диод шоттки?
В
нормальный п-п
переходной диод p-типа
полупроводник и n-тип
полупроводники используются для формирования p-n
соединение. Когда полупроводник p-типа соединяется с
полупроводник n-типа, между ними образуется переход
и полупроводник N-типа.Этот переход известен как P-N.
соединение.
В диод Шоттки, металлы, такие как алюминий или платина, заменяют полупроводник P-типа. Диод Шоттки назван в честь Немецкий физик Вальтер Х. Шоттки.
Шоттки диод также известен как диод с барьером Шоттки, поверхностный барьер диод, основной носитель, диод горячих электронов или горячие несущий диод.Диоды Шоттки широко используются в радиотехнике. частотные (RF) приложения.
Когда алюминий или металлическая платина соединяется с полупроводником N-типа, Между металлом и полупроводником N-типа образуется переход. Этот переход известен как переход металл-полупроводник или М-Ю развязка. Переход металл-полупроводник, образованный между металл и полупроводник n-типа создают барьер или истощение слой, известный как барьер Шоттки.
Шоттки
диод
может включаться и выключаться намного быстрее, чем диод с p-n переходом.
Кроме того, диод Шоттки производит меньше нежелательных шумов, чем p-n.
переходной диод. Эти две характеристики шоттки
диод делает его очень полезным в высокоскоростной коммутации мощности
схемы.
Когда достаточный на диод Шоттки подается напряжение, ток начинает течь в прямом направлении.Из-за этого при протекании тока на клеммах возникает небольшая потеря напряжения диода Шоттки. Эта потеря напряжения известна как напряжение уронить.
А кремниевый диод имеет падение напряжения от 0,6 до 0,7 вольт, в то время как Диод Шоттки имеет падение напряжения от 0,2 до 0,3 вольт. Напряжение потеря или падение напряжения — это количество напряжения, потраченного впустую на включение на диоде.
В
кремниевый диод, от 0,6 до 0,7 В тратится на включение
диод, тогда как в диоде Шоттки от 0,2 до 0,3 В тратится впустую.
включить диод. Следовательно, диод Шоттки потребляет
меньшее напряжение для включения.
г. напряжение, необходимое для включения диода Шоттки, такое же, как и германиевого диода.Но германиевые диоды используются редко. потому что скорость переключения германиевых диодов очень мала, поскольку по сравнению с диодами Шоттки.
Символ диода Шоттки
г. Символ диода Шоттки показан на рисунке ниже. В диод Шоттки, металл действует как анод и n-тип полупроводник действует как катод.
Металл-полупроводник (M-S) развязка
Металл-полупроводник
(M-S) соединение — это тип соединения, образованного между металлическими
и полупроводник n-типа, когда металл соединен с
Полупроводник n-типа.Переход металл-полупроводник также
иногда его называют соединением M-S.
г.
переход металл-полупроводник может быть либо непрямым, либо
исправление. Не выпрямляющий переход металл-полупроводник
называется омическим контактом. Выпрямительный металл-полупроводник
переход называется неомическим контактом.
Что такое барьер шоттки?
Барьер Шоттки истощение слой, образованный на стыке металла и n-типа полупроводник.Проще говоря, барьер Шоттки — это потенциал энергетический барьер, сформированный на металл-полупроводник соединение. Электроны имеют преодолеть этот потенциальный энергетический барьер, чтобы течь через диод.
г. исправление переход металл-полупроводник образует выпрямляющий шоттки барьер. Этот выпрямляющий барьер Шоттки используется для создания устройство, известное как диод Шоттки.Неправильный переход металл-полупроводник образует не выпрямляющий шоттки барьер.
Один одной из важнейших характеристик барьера Шоттки является высота барьера Шоттки. Величина этой высоты барьера зависит от сочетания полупроводника и металла.
г. барьер Шоттки высота омического контакта (не выпрямляющий барьер) очень низкий, тогда как высота барьера Шоттки составляет неомический контакт (выпрямительный барьер) высокий.
В
не исправляющий
барьер Шоттки, высота барьера недостаточно высока для
образовывать истощение
область. Таким образом, область истощения незначительна или отсутствует в
омический контактный диод.
Вкл. с другой стороны, при устранении барьера Шоттки барьер высота достаточно высока, чтобы образовалась область истощения. Так что В неомическом контактном диоде присутствует обедненная область.
г. не выпрямляющий переход металл-полупроводник (омический контакт) предлагает очень низкое сопротивление электрическому току, тогда как выпрямление перехода металл-полупроводник обеспечивает высокое сопротивление электрическому току по сравнению с омическим контактом.
г. исправление барьер Шоттки образуется, когда металл находится в контакте с слаболегированный полупроводник, а не выпрямляющий барьер образуется, когда металл находится в контакте с сильно легированный полупроводник.
г. омический контакт имеет линейную вольт-амперную кривую (I-V), тогда как неомический контакт имеет нелинейный ток-напряжение (I-V) изгиб.
Энергия Зонная диаграмма диода Шоттки
г. Зонная диаграмма полупроводника N-типа и металла показано на рисунке ниже.
г. уровень вакуума определяется как уровень энергии электронов, которые находятся вне материала.В работа выхода определяется как энергия требуется для перемещения электрона с уровня Ферми (E F ) на уровень вакуума (E 0 ).
г.
работа выхода различна для металла и полупроводника. В
работа выхода металла больше, чем работа выхода
полупроводник. Следовательно, электроны n-типа
полупроводник имеют более высокую потенциальную энергию, чем электроны в
металл.
г.
энергетические уровни металла и полупроводника различны.
Уровень Ферми на стороне полупроводника N-типа лежит выше
металлическая сторона.
ср знать, что электроны на более высоком уровне энергии имеют больше потенциальная энергия, чем электроны на более низком энергетическом уровне. Таким образом, электроны в полупроводнике N-типа имеют больше потенциальная энергия, чем электроны в металле.
г. зонная диаграмма металла и полупроводника n-типа после контакта показано на рисунке ниже.
Когда металл соединен с полупроводником n-типа, устройство создан известный как диод Шоттки. Встроенное напряжение ( В, В) для диода Шоттки дается разница в работе функции металла и полупроводника n-типа.
Как диод шоттки работает?
Беспристрастный диод шоттки
Когда в металл соединен с полупроводником n-типа, проводимость зонные электроны (свободные электроны) в полупроводнике n-типа перейдет от полупроводника n-типа к металлу, чтобы установить состояние равновесия.
ср знаю, что когда нейтральный атом теряет электрон, он становится положительным ионом аналогично когда нейтральный атом получает дополнительный электрон, он становится отрицательный ион.
г.
проводимость
зонные электроны или свободные
электроны, которые пересекают переход, обеспечат
лишние электроны к атомам в металле. В результате
атомы в металлическом переходе получают дополнительные электроны, и
атомы на n-стороннем переходе теряют электроны.
г. атомы, теряющие электроны на n-стороннем переходе, станут положительные ионы, тогда как атомы, которые получают дополнительные электроны при металлический переход станет отрицательными ионами.Таким образом, положительный ионы создаются n-сторонним переходом, а отрицательные ионы создается на стыке металла. Эти положительные и отрицательные ионы — это не что иное, как область истощения.
С в металле есть море свободных электронов, ширина которого эти электроны движутся в металл, пренебрежимо тонкий, поскольку по сравнению с шириной внутри полупроводника n-типа.Так что в первую очередь присутствует встроенный потенциал или встроенное напряжение внутри полупроводника n-типа. Встроенное напряжение — это барьер, видимый электронами зоны проводимости n-типа полупроводник при попытке продвинуться в металл.
Кому преодолевая этот барьер, свободным электронам нужна энергия большей чем встроенное напряжение. В несмещенном диоде Шоттки только небольшое количество электронов будет вытекать из полупроводника n-типа к металлу.Встроенное напряжение предотвращает дальнейший поток электронов. из зоны проводимости полупроводника в металл.
г. перенос свободных электронов из полупроводника n-типа в металл приводит к изгибу энергетических зон вблизи контакта.
Нападающий смещенный диод Шоттки
Если положительный полюс батареи соединен с металлом а отрицательная клемма аккумулятора подключена к полупроводник n-типа, диод Шоттки называется прямым пристрастный.
Когда
к диоду Шоттки приложено напряжение прямого смещения,
большое количество свободных электронов генерируется в n-типе
полупроводник и металл. Однако свободные электроны n-типа
полупроводник и металл не могут пересекать переход, если
приложенное напряжение больше 0,2 вольт.
Если приложенное напряжение больше 0.2 вольта, бесплатно электроны получают достаточно энергии и преодолевают встроенное напряжение области истощения. Как результат, электрический ток начинает течь через диод Шоттки.
Если приложенное напряжение постоянно увеличивается, истощение область становится очень тонкой и окончательно исчезает.
Реверс диод шоттки смещения
Если отрицательная клемма АКБ соединена с металлом а положительный полюс батареи подключен к полупроводник n-типа, диод Шоттки называется обратным пристрастный.
Когда к диоду Шоттки приложено напряжение обратного смещения, ширина истощения увеличивается. В результате электрический ток перестает течь. Однако протекает небольшой ток утечки из-за термически возбужденные электроны в металле.
Если напряжение обратного смещения постоянно увеличивается, электрический ток постепенно увеличивается из-за слабого барьера.
Если напряжение обратного смещения значительно увеличивается, внезапное повышение в электрическом токе имеет место. Этот внезапный рост электрического ток вызывает разрушение области истощения, что может безвозвратно повредить устройство.
V-I характеристики диода Шоттки
г. V-I (вольт-амперная) характеристика диода Шоттки составляет показано на рисунке ниже.Вертикальная линия внизу на рисунке показан ток в диоде Шоттки и горизонтальная линия представляет напряжение, приложенное к диод шоттки.
г. Вольт-амперные характеристики диода Шоттки практически аналогичны характеристикам диода Шоттки. P-N переходной диод. Однако прямое падение напряжения диод Шоттки очень низкий по сравнению с P-N переходом диод.
г. прямое падение напряжения на диоде Шоттки от 0,2 до 0,3 вольт тогда как прямое падение напряжения кремниевого диода P-N перехода составляет от 0,6 до 0,7 вольт.
Если
напряжение прямого смещения больше 0,2 или 0,3 вольт,
электрический ток начинает течь через диод Шоттки.
В диод Шоттки, обратный ток насыщения возникает при очень низкое напряжение по сравнению с кремниевым диодом.
Разница между диодом Шоттки и диодом P-N перехода
г. основное различие между диодом Шоттки и диодом с p-n переходом выглядит следующим образом:
В диод Шоттки, свободные электроны несут большую часть электрического Текущий. Через отверстия проходит незначительный электрический ток. Так шоттки диод — устройство униполярное.В диоде P-N перехода оба свободны электроны и дырки переносят электрический ток. Итак, диод с P-N переходом — это биполярный аппарат.
г. обратное напряжение пробоя диода Шоттки очень мало, так как по сравнению с диодом с p-n переходом.
В диод Шоттки, обедненная область отсутствует или незначительна, тогда как в диоде с p-n переходом присутствует обедненная область.
г. напряжение включения диода Шоттки очень низкое по сравнению с к диоду p-n перехода.
В диод Шоттки, электроны являются основными носителями в обоих металл и полупроводник. В диоде с P-N переходом электроны большинство носителей в n-области и дырки составляют большинство носители в p-области.
Преимущества диода Шоттки
ср знаю, что емкость это способность хранить электрический заряд.В P-N переходный диод, обедненная область состоит из сохраненных обвинения. Значит, существует емкость. Эта емкость равна присутствует на стыке диода. Так он известен как емкость перехода.
В диод Шоттки, накопленные заряды или область истощения незначительный. Таким образом, диод Шоттки имеет очень низкую емкость.
- Быстрая перемотка назад время восстановления
The время, необходимое диоду, чтобы переключиться из включенного состояния в Состояние ВЫКЛ называется временем обратного восстановления.
В для переключения из состояния ВКЛ (проводимость) в состояние ВЫКЛ (непроводящее) состояние, накопленные заряды в истощении область должна быть сначала разряжена или удалена перед диодом переключить в состояние ВЫКЛ. (непроводящее).
г. Диод P-N перехода не сразу переключается из включенного состояния в Состояние ВЫКЛ, потому что для разрядки или удаления требуется некоторое время. хранимые заряды в области истощения.Однако в шоттки диод, обедненная область незначительна. Итак, шоттки диод немедленно переключится из состояния ВКЛ в состояние ВЫКЛ.
ср знайте, что область истощения незначительна в Шоттки диод. Таким образом, приложения небольшого напряжения достаточно для получения большого напряжения. Текущий.
- Низкий вперед падение напряжения или низкое напряжение включения
The напряжение включения для диода Шоттки очень мало по сравнению к диоду P-N перехода.Напряжение включения для шоттки диод составляет от 0,2 до 0,3 вольт, тогда как для диода с P-N переходом От 0,6 до 0,7 вольт. Таким образом, достаточно приложить небольшое напряжение, чтобы производят электрический ток в диоде Шоттки.
- Высокая эффективность
- Шоттки диоды работают на высоких частотах.
- Шоттки диод производит меньше нежелательных шумов, чем диод с прямым переходом.
Недостатки из диод шоттки
- Большой обратный ток насыщения
Шоттки
диод
производит больший обратный ток насыщения, чем p-n
переходной диод.
Приложения диодов Шоттки
- Шоттки диоды используются как выпрямители общего назначения.
- Шоттки диоды используются в радиочастотных (RF) приложениях.
- Шоттки диоды широко используются в источниках питания.
- Шоттки диоды используются для обнаружения сигналов.
- Шоттки диоды используются в логических схемах.
Типы диодов
г. различные типы диодов следующие:
- стабилитрон диод
- Лавинный диод
- Фотодиод
- Свет Излучающий диод
- Лазер диод
- Туннель диод
- Шоттки диод
- Варактор диод
- П-Н переходной диод
Прямо смещенный диод p-n-перехода
В прямой смещенный диод p-n перехода, положительный вывод аккумулятор подключен к р-типу полупроводниковый материал и отрицательный вывод аккумулятор подключен к n-типу полупроводниковый материал.
Беспристрастный диод и диод с прямым смещением
Менее отсутствие напряжения или несмещенное состояние, диод p-n перехода не пропускает электрический ток. Если внешний форвард напряжение, подаваемое на диод p-n-перехода, увеличивается от от нуля до 0,1 вольт, истощение область немного уменьшается. Следовательно, очень маленький электрический в диоде с p-n переходом протекает ток.Однако этот небольшой электрический ток в диоде p-n-перехода рассматривается как незначительный. Следовательно, они не используются ни для каких практических Приложения.
Если напряжение нанесенный на p-n переходный диод дополнительно увеличилось, то еще больше количество бесплатных электроны и дырки генерируются в диоде с p-n переходом.Этот большой количество свободных электронов и дырок еще больше снижает область обеднения (положительные и отрицательные ионы). Следовательно электрический ток в диоде p-n-перехода увеличивается. Таким образом, обедненная область диода с p-n-переходом уменьшается с увеличением повышение напряжения. Другими словами, электрический ток в диод p-n-перехода увеличивается с увеличением Напряжение.
Электрон и дырочный ток
Если диод p-n-перехода смещен в прямом направлении с примерно 0,7 В для кремниевого диода или 0,3 В для германиевый диод, диод p-n-перехода начинает позволять электрический ток. При этом условии отрицательная клемма аккумуляторной батареи питает большое количество свободные электроны к полупроводнику n-типа и притягивает или принимает большое количество дырок от полупроводника p-типа.Другими словами, начинается большое количество свободных электронов. свой путь к отрицательному полюсу, тогда как большой количество отверстий заканчивает свой путь на отрицательном Терминал.
г. свободные электроны, которые начинают свой путь с отрицательного терминал, производят большой отрицательный электрический поле.Направление этого отрицательного электрического поля противоположно направлению положительного электрического поля область обеднения (положительные ионы) около p-n перехода.
Должен
к большому количеству свободных электронов у n-типа
полупроводник, они отталкиваются друг от друга и пытаются
перейти из области более высокой концентрации (полупроводник n-типа)
в область более низких концентраций (полупроводник p-типа).Однако перед пересечением области истощения бесплатно
электроны находят положительные ионы и заполняют дырки. В
свободные электроны, заполняющие дырки в положительных ионах
становится валентными электронами. Таким образом, свободные электроны
исчез.
г.
положительные ионы, которые набирают электроны, становятся нейтральными
атомы.Таким образом, область обеднения (положительное электрическое поле)
на полупроводнике n-типа вблизи p-n перехода уменьшается
пока он не исчезнет.
г. оставшиеся свободные электроны пересекут обедненную область и затем входит в p-полупроводник. Свободные электроны, которые пересекают область истощения, обнаруживает большое количество дырки или вакансии в полупроводнике p-типа и заполняет их с электронами.Свободные электроны, занимающие дырки или вакансии станут валентными электронами, а затем эти электроны притягиваются к положительному выводу батареи или оканчивается на положительной клемме аккумулятор. Таким образом, отрицательные носители заряда (свободные электроны), которые пересекая область истощения, переносят электрический ток от одной точки до другой точки в диоде с p-n переходом.
г. положительный полюс батареи подает большое количество дырки в полупроводник p-типа и притягивает или принимает большое количество свободных электронов n-типа полупроводник. Другими словами, большое количество отверстий начинает свое путешествие с положительного терминала, тогда как большое количество свободных электронов завершает свой путь на положительный вывод.
г.
дыры, которые начинают свой путь от положительной клеммы,
создают большое положительное электрическое поле на р-типе
полупроводник. Направление этого положительного электрического поля
против направления отрицательного электрического поля
область обеднения (отрицательные ионы) около p-n
соединение.
Должен
к большому количеству положительных носителей заряда (дырок) при
Полупроводники p-типа, они отталкиваются друг от друга и
попытаться перейти из области более высокой концентрации (p-тип
полупроводник) в область более низкой концентрации (n-тип
полупроводник).Однако перед пересечением истощения
области, некоторые из дырок находят отрицательные ионы и
заменяет положение электронов дырками. Таким образом, отверстия
исчезли.
г.
отрицательные ионы, которые теряют электроны, становятся нейтральными
атомы. Таким образом, область обеднения или отрицательные ионы (отрицательные
электрическое поле) на полупроводнике p-типа вблизи p-n
соединение уменьшается, пока не исчезнет.
г. оставшиеся дыры пересекут область истощения и притягивается к отрицательной клемме аккумулятора или прекращается на отрицательной клемме аккумуляторной батареи. Таким образом, положительные носители заряда (дырки), пересекающие область истощения переносит электрический ток от одного укажите на другую точку диода p-n перехода.
Заключение
Помните,
дырки — это не что иное, как вакансии, созданные, когда электроны
оставил атом. В полупроводниках p-типа валентность
электроны переходят от одного атома к другому, а дырки
двигаться в противоположном направлении. Однако дыры в большинстве своем
в полупроводнике p-типа. Следовательно, дыры считаются
носители заряда в полупроводнике p-типа, которые несут
электрический ток из одной точки в другую.
г.
Фактическое направление тока — это направление свободного
электроны (с n-стороны на p-сторону). Однако обычные
направление электрического тока — направление отверстий
(от стороны p к стороне n).
Типы диодов
г. различные типы диодов следующие:
- стабилитрон диод
- Лавинный диод
- Фотодиод
- Свет Излучающий диод
- Лазер диод
- Туннель диод
- Шоттки диод
- Варактор диод
- П-Н переходной диод
Ширина области истощения — обзор
11.4 Переход
pnУчитывая фундаментальную важность перехода pn во всех электронных устройствах, стоит кратко рассмотреть то, с чем читатель, возможно, уже знаком. Мы не будем вдаваться в подробности физики полупроводников, а просто коснемся поведения перехода pn , особенно в том, что касается зависимости емкости перехода от напряжения, которая широко используется в микроволновых схемах.
Рассмотрим кусок полупроводникового материала, такого как Si, у которого одна сторона легирована как тип n , а другая сторона легирована как тип p .Электроны в области n и дырки в области p называются основными носителями , потому что их большинство находится в соответствующей области. Остальные носители заряда в каждой соответствующей области называются неосновными носителями .
В качестве мысленного эксперимента мы можем рассматривать это как два отдельных полупроводника типа n и другого типа p , которые соприкасаются, так что непрерывность кристаллической решетки сохраняется на стыке.Это полезная абстракция, хотя переходы pn на практике, конечно, не создаются таким образом.
Когда два материала соприкасаются, уровни Ферми должны выровняться, чтобы быть одинаковыми по всему кристаллу. Избыточные электроны из области n будут диффундировать в область p , оставляя область чистого положительного заряда в области n , рядом с переходом. Точно так же избыточные дырки из области p будут диффундировать в область n , оставляя область чистого отрицательного заряда в области p , рядом с переходом.Поскольку электроны диффундируют из области n в область p , а дырки диффундируют из области p в область n , ионизированные доноры и акцепторы, создавшие электроны и дырки, остаются доноры и акцепторы связаны своими связями с атомами в кристалле полупроводника. Область, расположенная непосредственно по обе стороны от перехода, теперь будет исчерпана основными носителями, и поэтому называется областью истощения , также называемой областью пространственного заряда , как показано на рисунке 11.4. Физическая ширина обедненной области в типичном Si-диоде составляет от долей микрометра до десятков микрометров в зависимости от геометрии устройства, профиля легирования и внешнего смещения.
Рисунок 11.4. Упрощенное изображение перехода pn . (а) pn — переход с обедненной областью. (б) Профиль плотности заряда pn -переход.
Разность потенциалов, которая сейчас существует в области истощения, будет препятствовать дальнейшему потоку основных носителей, поэтому соединение будет в равновесии с равными количествами заряда, существующими с обеих сторон.Поскольку уровни допинга не одинаковы с обеих сторон; однако ширина двух сторон не будет одинаковой, а будет проходить глубже в сторону с более легким легированием, как показано на Рисунке 11.4 (b).
При отсутствии внешнего приложенного напряжения на переходе pn будет существовать потенциал из-за скопления носителей на каждой стороне. Он известен как встроенный потенциал и приводится в работах [10,11]. [28, 29]:
(11.4.1) Vo = VTlnNANDni2
, где N D и N A — концентрации доноров и акцепторов (на сторонах n и p ) соответственно, а n i — концентрация электронов или дырок в собственном полупроводниковом материале.Например, n i для некоторых важных полупроводников перечислены в таблице 11.3.
Таблица 11.3. Собственные концентрации носителей для обычных полупроводников
| Материалы | n i (см −3 ) | |||
|---|---|---|---|---|
| Германий | 2,4 × 10 5| 9048 9048 9048 | Кремний × 10 10 | | |
| Арсенид галлия | 1.79 × 10 6 | |||
| Фосфид индия | 3,3 × 10 7 | |||
| Нитрид галлия | 10 10 |
Для кремниевого диода при комнатной температуре уравнение (11.4.1) дает значение В o в диапазоне 0,6-0,8 В. Однако следует отметить, что это напряжение не измеряется на внешних клеммах. устройства, поскольку напряжения на контакте металл-полупроводник в точках, где выполняется внешнее соединение с полупроводниковым кристаллом, точно компенсируют pn -переход, встроенный в потенциал [29].
Если обозначить ширину области истощения на стороне p W p и на стороне n W n , как показано на рисунке 11.4 (b) , мы можем сформулировать условие равенства зарядов как [28]:
(11.4.2) qWpANA = qWnAND
, где A — площадь поперечного сечения перехода. Уравнение (11.4.2) можно изменить так, чтобы получить:
(11.4.3) WnWp = NAND
Другими словами, отношение ширины области истощения на сторонах p и n является обратным соотношению соответствующих уровней допинга.Стандартные учебники по физике полупроводников [28, 30] дают полную ширину области истощения как 1 :
(11.4.4) W = Wn + Wp = 2εrεoVoq⋅1NA + 1ND
При внешнем прямом смещении область обеднения сжимается, поскольку отрицательные носители заряда отталкиваются от отрицательного вывода к переходу, а дырки отталкиваются от положительного вывода к переходу. Это снижает энергию, необходимую носителям заряда для пересечения обедненной области. Когда приложенное напряжение увеличивается, ток начинает течь через переход, как только приложенное напряжение достигает барьерного потенциала [1].В этом режиме прямого смещения ток через диод, I , как функция приложенного напряжения, В, , определяется уравнением для диода Шокли [28]:
(11.4.5) I = ISeqVkT −1
, где I o — обратный ток насыщения pn -перехода. Когда прикладывается любое напряжение прямого смещения, значительно превышающее В T , экспоненциальный член в уравнении (11.4.5) становится намного больше единицы, и ток увеличивается экспоненциально с приложенным напряжением, как показано на рисунке 11.5.
Рисунок 11.5. Диод Шоттки в сравнении с характеристикой прямого смещения pn -переход (Si).
Когда V отрицательное (то есть при обратном смещении ) область истощения расширяется, тем самым предотвращая поток основных носителей. В этих условиях будет течь только небольшой ток насыщения , I o . Это отражено в уравнении (11.4.5), поскольку экспоненциальный член будет приближаться к нулю с отрицательным значением В , а полный ток, I , уменьшится до — I o .
Ток насыщения, I o , состоит из электронно-дырочных пар, образующихся в обедненной области. Ток насыщения остается более или менее постоянным при увеличении напряжения (при заданной температуре). Однако при достаточно высоком значении приложенного напряжения ток внезапно возрастет. Затем диод работает в так называемом режиме обратного пробоя . В обратном пробое нет ничего разрушительного при условии, что ток ограничен внешним резистором.При условии, что мы не превысим определенный максимальный ток, диод вернется в нормальный режим работы, как только напряжение обратного смещения снизится до уровня ниже напряжения пробоя.
Хотя смещенный в обратном направлении переход pn проявляет очень высокое сопротивление для любой внешней цепи, он будет иметь заметную емкость из-за структуры перехода с обратным смещением, где непроводящая обедненная область аналогична диэлектрическому изолятору между две параллельные пластины (соответствующие области n и p ).Тот факт, что ширина обедненной области является функцией приложенного напряжения, находит хорошее применение в виде Varactor , который мы подробно рассмотрим в разделе 11.6.
Смещение затвора— обзор
3.2.1 Идеальный МОП-конденсатор
Диаграмма энергетических зон идеального МОП-конденсатора с подложкой p-типа при нулевом смещении показана на рисунке 3.2. В идеальном МОП-конденсаторе работа выхода металла ϕ m равна работе выхода полупроводника ϕ s .Следовательно, когда уровень Ферми полупроводника, E FS , совмещен с уровнем Ферми затвора, E Fm , искривления зон в какой-либо области МОП-конденсатора не происходит. Кроме того, предполагается, что диэлектрик затвора не имеет зарядов, а полупроводник однородно легирован.
РИСУНОК 3.2.
На рис. 3.3 показана диаграмма энергетических зон и распределение заряда в идеальной МОП-структуре для различных напряжений затвор-тело ( В, GB ).
РИСУНОК 3.3.
При отрицательном смещении затвора (рис. 3.3 (A)) заряд затвора, Q G , отрицательный. Источником этого отрицательного заряда являются электроны, питаемые источником напряжения. В МОП-конденсаторе всегда сохраняется нейтральность заряда. Для этого требуется:
(3.1) QG + QC = 0,
, где Q C — заряд, индуцированный в полупроводнике. Следовательно, чистый положительный заряд, Q C , должен генерироваться в кремниевой подложке, чтобы уравновесить отрицательный заряд на затворе.Это достигается скоплением положительно заряженных дырок под затвором. Это состояние, когда концентрация основных носителей больше вблизи границы Si – SiO 2 по сравнению с объемом, называется накоплением .
При приложенном отрицательном смещении затвора уровень Ферми затвора повышается по сравнению с уровнем Ферми подложки на величину, равную qV GB . Энергетические зоны в полупроводнике изгибаются вверх, приближая валентную зону к уровню Ферми, что указывает на более высокую концентрацию дырок под диэлектриком.Важно отметить, что уровень Ферми в подложке остается неизменным даже при приложенном смещении, поскольку ток не может протекать через устройство из-за наличия изолятора.
Приложенное напряжение затвора распределяется между диэлектриком затвора и полупроводником таким образом, что:
(3.2) VG = Vox + Vc,
, где В ox и В c — это напряжения, которые падают. через оксид и полупроводник соответственно. Изгиб ленты в оксиде равен qV ox .Электрическое поле в оксиде можно выразить как:
(3.3) Eox = Voxtox,
, где t ox — толщина оксида. Величина изгиба полосы в полупроводнике равна q Ψ s , где Ψ s — поверхностный потенциал и отрицательный, когда изгиб полосы направлен вверх.
Рисунок 3.3 (B) показывает диаграмму энергетических зон и распределение заряда для положительного смещения затвора. Чтобы уравновесить положительный заряд затвора, отверстия под затвором отталкиваются, оставляя после себя ионизированные отрицательно заряженные акцепторные атомы, что создает область истощения . Заряд в области истощения в точности равен заряду на затворе для сохранения нейтральности заряда. При положительном смещении затвора уровень Ферми затвора понижается по сравнению с уровнем Ферми подложки. Полосы изгибаются вниз, что приводит к положительному поверхностному потенциалу. Под затвором валентная зона удаляется от уровня Ферми, что свидетельствует об истощении дырок. Когда изгиб зон на поверхности таков, что собственный уровень совпадает с уровнем Ферми, поверхность напоминает собственный материал.Поверхностный потенциал, необходимый для выполнения этого условия, определяется выражением:
(3.4) ψs = ϕF = 1q (Ei − EF),
, где
(3.5) ϕF = kTqlnNAni
При большем положительном смещении затвора положительное заряд на затворе увеличивается дальше, и оксидное поле начинает собирать термически генерируемые электроны под затвором. С электронами собственная поверхность начинает превращаться в инверсионный слой типа n . Отрицательный заряд в полупроводнике состоит из ионизированных акцепторных атомов в обедненной области и свободных электронов в инверсионном слое.Как отмечалось выше, в этот момент концентрация электронов на поверхности все еще меньше, чем концентрация дырок в нейтральном объеме. Таким образом, это состояние называется слабой инверсией и Ψ s = ϕ F определяется как начало слабой инверсии и показано на рисунке 3.3 (B).
По мере дальнейшего увеличения смещения затвора изгиб полосы увеличивается. Область обеднения становится шире, а концентрация электронов в инверсионном слое увеличивается.Когда концентрация электронов равна концентрации дырок в объеме, говорят, что образуется слой с сильной инверсией . Поверхностный потенциал, необходимый для достижения сильной инверсии, равен: 1
(3.6) ψs = 2ϕF = 2q (Ei − EF).
Изменение заряда инверсии и истощения с Ψ с показано на рисунке 3.4. Концентрация электронов в инверсионном слое является экспоненциальной функцией поверхностного потенциала и определяется по формуле:
РИСУНОК 3.4.
(3.7) ninv≈NAeq (ψs − 2ϕF) / kT
С другой стороны, плотность заряда в обедненной области записывается как:
(3.8) QD = −qNAWD,
где WD — ширина обедненной области определяется как:
(3.9) WD = 2ɛsqNAψs.
Следовательно, плотность заряда в обедненной области является слабой функцией поверхностного потенциала. Следовательно, когда смещение затвора дополнительно увеличивается сверх значения, необходимого для достижения сильной инверсии, дополнительный положительный заряд на затворе может быть легко компенсирован новыми электронами в инверсионном слое.Это избавляет от необходимости открывать дополнительные акцепторные атомы в обедненной области. После этого ширина обедненной области и, следовательно, изгиб зон могут увеличиваться незначительно. Поверхностный потенциал зафиксирован до максимального значения, которое составляет несколько кТл / q на 2ϕ F . Для простоты 2ϕ F обычно принимается как максимальное значение поверхностного потенциала ψ s . 2 Максимальная ширина обедненного слоя, Вт D , макс , достигнутая в начале сильной инверсии, определяется как:
(3.10) WD, max = 2ɛsqNA2ϕF.
Наблюдение и теоретические расчеты индуцированной напряжением большой магнитоемкости, превышающей 330% в магнитных туннельных переходах на основе MgO
Структура устройства и измерение TMC и TMR
Мы подготовили многослойные пакетные структуры MTJ, используя систему магнетронного распыления в высоком вакууме с базовое давление 2 × 10 –8 Торр, со следующей последовательностью слоев: SiO 2 / Ta (5) / Co 50 Fe 50 (2) / IrMn (15) / Co 50 Fe 50 (2) / Ru (0.8) / Co 40 Fe 40 B 20 (3) / MgO (2) / Co 40 Fe 40 B 20 (3) / Контактный слой (числа относятся к толщине в нм) . Подробности процедуры изготовления устройства описаны в экспериментальной части. Используя стандартную фотолитографию, мы сформировали многослойные пакеты MTJ в области соединения 1800 мкм 2 с эллиптической формой с физическим измельчением с использованием ионов Ar и изоляционным слоем SiO 2 . Частотные характеристики и зависимость TMC и TMR от напряжения смещения для MTJ были измерены четырехзондовым методом переменного тока при комнатной температуре.Напряжение переменного тока было установлено на 2,6 мВ rms . Магнитное поле прикладывалось в направлении легкой оси магнитного поля до 1,4 кЭ.
Моделирование ТМС
На рисунке 1а представлена схема процедуры расчета для анализа частотных характеристик и зависимости ТМС от смещения. Расчет выполняется на основе недавно предложенной модели DF с использованием модели Zhang-sigmoid в дополнение к традиционным моделям PBA и SDD. Здесь мы подробно описываем каждую модель. Модель DF описывает диэлектрическую дисперсию электрических диполей и может применяться к различным системам, таким как изоляторы, полупроводники, металлы или органические молекулярные жидкости.{{\ beta _ {{{\ rm P (AP})}}}}}}} \ right], $$
(1)
, где C ∞, P (AP) и C 0, P (AP) — высокочастотная емкость и емкость постоянного тока, τ P (AP) — время релаксации, а β P (AP) — показатель степени, показывающий распределение времени релаксации, соответственно, для конфигурации P (AP). Эквивалентная схема показана на рис. 1б. Вычисляя уравнение.{{{\ rm DF}}} (f) = C _ {{\ infty, \ text {P (AP)}}} + \ frac {{C _ {{0, \ text {P (AP)}}}} — C _ {{\ infty, \ text {P (AP)}}}}} {2} \ left [{1 — \ frac {{\ sinh [\ beta _ {{{\ rm P (AP)}}}} \ ln (2 \ pi {\ kern 1pt} f \ tau _ {{{\ rm P (AP)}}})]}} {{\ ch [\ beta _ {{{\ rm P (AP)}}}} \ ln (2 \ pi {\ kern 1pt} f \ tau _ {{{\ rm P (AP)}}})] + \ cos (\ beta _ {{{\ rm P (AP)}}} \ pi / 2)}}} \ right]. $$
(2)
Рисунок 1Моделирование TMC. ( a ) Модель Дебая-Фрёлиха (DF), включающая модель сигмоида Чжанга, приближение параболического барьера (PBA) и спин-зависимую модель дрейфа-диффузии (SDD).{{{\ rm DF}}} (f)}}. $$
(4)
Затем мы включаем модель Чжана для расчета TMC под напряжением смещения. Согласно модели Zhang 19 , проводимость может быть выражена как G P (AP) , V = G P (AP), 0 (1 + K P (AP) В ), где G P (AP), 0 — проводимость при нулевом смещении в конфигурации P (AP), а K P (AP) — параметр, определяемый температурами Кюри FM слоев. , плотность состояний коллективизированных электронов в FM-слоях , , а также прямые и спин-зависимые переходы и спиновое квантовое число в рамках гамильтониана переноса в системе FM / изолятор / FM.Кроме того, мы вводим сигмовидную функцию в модель Чжана, чтобы выразить вес приложенного напряжения. Сигмоидальная функция выражается как
$$ g _ {{{\ rm P (AP)}}} (V) = \ frac {1} {{1 + \ exp [- \ alpha _ {{{\ rm P ( AP)}}} (V — V _ {{0, \ text {P (AP})}})]}}, $$
(5)
, где В 0, P (AP) указывает напряжение, при котором значение сигмовидной функции становится равным 0,5 в конфигурации P (AP), как показано на рис. 1c. α P (AP) — постоянный параметр, указывающий на расширение сигмовидной функции в конфигурации P (AP).Здесь мы описываем физическую картину сигмовидной функции. При приложении напряжения и приближении к В 0, P (AP) , поскольку электроны набирают энергию, ускоряется переворот спина. В конфигурации AP накопление спина происходит на FM / изоляторе. Следовательно, напряжение, вносимое в динамическую емкость, смоделированную DF, в конфигурации AP меньше, чем в конфигурации P. По этой причине переворот спина более вероятен в конфигурации P, чем в конфигурации AP при низких напряжениях.Это соответствует соотношению V 0, P < V 0, AP в сигмовидной функции. Это означает, что сигмовидная функция может выражать напряжение переворота спина. Большая разница между В 0, P и В 0, AP может способствовать повышению TMC в отношении напряжения. Комбинация с моделью Чжана и сигмоидной функцией обеспечивает время релаксации τ P (AP), V с приложенным напряжением, которое может быть записано как
$$ \ tau _ {{{\ rm P (AP) }, \; V}} = \ frac {1} {{1 + K _ {{{\ rm P (AP)}}} (1 — \ kappa) (V — V _ {{0, \ text {P (AP )}}}) g (V) _ {{{\ rm P (AP)}}}}} \ tau _ {{{\ rm P (AP)}, \; 0}}, $$
(6)
, где τ P (AP), 0 — время релаксации при нулевом напряжении смещения в конфигурации P (AP), а κ — регулируемый положительный параметр, намного меньший, чем 1.0. Уравнение (6) называется сигмоидной моделью Чжана. Время релаксации τ P (AP), V в уравнении. (6) следует использовать как замену τ P (AP) в уравнении. (2) под действием напряжения смещения. Модель
PBA учитывается для описания зависимости эффективной толщины барьера от напряжения смещения. Профиль потенциала в барьере основан на параболической функции, которая часто используется в качестве приближения для процесса туннелирования, такого как немагнитный переменный ток и магнитный туннельный транспорт 37,38 .В этой PBA потенциальная функция \ (\ phi \ left (u \ right) = 4 \ phi _ {0} (1 — u) u + eVu, \), где \ (u = x / d \) — приведенная пространственная переменная, \ (x \) — расстояние от поверхности одностороннего электрода, \ (d \) — толщина барьера, \ (\ phi _ {0} \) — высота барьера при отсутствии смещения напряжение и e — заряд электрона. Решение \ (\ phi (u) = eV \) равно \ (u_ {1} = eV / 4 \ phi _ {0} \) и \ (u_ {2} = 1 \) (для \ (u_ { 1}
$$ d _ {{eff}} = (1 — \ frac {{e (1 — \ каппа) V}} {{4 \ phi _ {0}}}) d, $$
(7)
Расчет \ (C _ {{\ rm AP}} (f, V) \) выполняется с использованием модели SDD в дополнение к модели DF в сочетании с PBA и сигмоидной моделью Zhang. {{{\ rm DF} — \ text {ZSP}}} (f, V) = \ frac {1} {{1 — e (1 — \ kappa) V / 4 \ varphi _ {0}}} \ left [{C _ {{\ infty, \; \ text {AP}}} + \ frac {{C _ {{0 , \; \ text {AP}}} — C _ {{\ infty, \; \ text {AP}}}}} {2} \ left ({1 — \ frac {{\ sinh [\ beta _ {{\ текст {AP}}} \ ln (2 \ pi {\ kern 1pt} f \ tau _ {{\ text {AP}, \, V}})]}} {{\ cosh [\ beta _ {{\ text {AP}}} \ ln (2 \ pi {\ kern 1pt} f \ tau _ {{\ text {AP}, \, V}})] + \ cos (\ beta _ {{\ text {AP}} } \ pi / 2)}}} \ right)} \ right].$
(10)
TMC и TMR без напряжения смещения
На рис. 2a, b показаны кривые TMC и TMR при 160 Гц. Приложенное постоянное напряжение равно 0 В. Наблюдаются четкие TMC и TMR, т.е. C P > C AP и R P < R AP.
Рисунок 2TMC и TMR при нулевом напряжении смещения. ( a ) TMC и ( b ) кривые передачи TMR образца MTJ на основе MgO на частоте 160 Гц.( c ) Частотная зависимость TMC и TMR, экспериментальные данные и модельные расчеты. Обратите внимание на сильную частотную зависимость TMC и независимость от TMR. ( d ) Зависимость емкости C P (AP) от частоты в конфигурации P (AP). Сплошные точки — экспериментальные данные, а сплошные линии — результаты расчетов, основанных на модели Дебая-Фрелиха, как описано уравнением. (2).
Отношения TMC и TMR составляют 172% и 100%, соответственно, при комнатной температуре.На рис. 2в, г показаны частотные характеристики TMC, TMR и C P (AP) . Мы рассчитали частотные характеристики TMC и C P (AP) по формулам. (2) — (4). Результаты расчета TMC и C P (AP) без напряжения смещения хорошо согласуются с экспериментальными данными. Расчет проводился с использованием следующих параметров: C ∞, P (AP) = 0,80 (0,90) нФ, C 0, P (AP) = 1037 (1221) нФ, β P (AP) = 0.986 (0,999), τ P = 0,0118 с и P TMC = 0,477. Согласно результату подгонки, P TMC составляет 0,477, а P TMR составляет 0,577. Здесь P TMR — спиновая поляризация FM-слоя, вносящая вклад в TMR. Отличное согласие между теорией и экспериментом показывает, что TMC показывает максимальное значение 172% при 160 Гц.
TMC и TMR, индуцированные напряжением
На рисунке 3 показаны кривые TMC и TMR, индуцированные напряжением при 160 Гц.Коэффициент TMC при приложенном напряжении смещения \ (V \) на частоте f определяется как \ (\ text {TMC} (f, V) = (C _ {{\ rm P}} (f, V) — C _ {{\ rm AP}} (f, V {))} / C _ {{\ rm AP}} (f, V) \). При примерно 0 мВ отношение TMC уменьшается с увеличением напряжения смещения. После этого коэффициент TMC увеличивается и достигает 332% при 92 мВ. TMC, равный 332%, является самым большим значением MTJ, когда-либо сообщавшимся. При увеличении напряжения выше 92 мВ коэффициент TMC уменьшается. С другой стороны, TMR быстро снижается со 100% до 40%.{{\ rm TMC}} \) не так важен в TMC. Вместо этого важно установить соответствующее напряжение, при котором TMC является пиковым. Еще один интересный момент заключается в том, что шум TMC в области высокого смещения меньше, чем шум TMC в области низкого смещения. Снижение шума при высоком напряжении смещения связано с уменьшением эффективной толщины барьера. Эффективная толщина MgO уменьшается с увеличением напряжения из-за параболической формы потенциального барьера. Поскольку емкость обратно пропорциональна толщине, емкость увеличивается с увеличением напряжения.Такое поведение легко понять из рис. 3а. Импеданс конденсатора выражается как Z = 1/ jωC , где ω — угловая частота. Следовательно, приложенное напряжение снижает импеданс, что приводит к низкому уровню шума. Этот факт согласуется с предыдущими работами по MTJ, где шум может быть уменьшен в области высоких частот за счет низкого импеданса 29,39 . Исходя из этих результатов, мы можем реализовать большую TMC и низкий уровень шума, то есть высокое отношение сигнал / шум (SN), установив соответствующее напряжение.
Рисунок 3Кривые TMC и TMR, индуцированные напряжением. Кривые TMC ( a ) и ( b ) TMR при 160 Гц в MTJ на основе MgO для положительных напряжений смещения постоянного тока 0, 23, 92 и 161 мВ. Напряжение переменного тока составляет 2,6 мВ rms . Обратите внимание на максимальное значение TMC, равное 332%, что намного превышает максимальное значение TMR, равное 100%, и значительное улучшение TMC, но уменьшение TMR при смещении.
Мы также обсуждаем масштабируемость устройств TMC. Площадь соединения изготовленных MTJ в этом исследовании составляет 1800 мкм 2 .Типичная емкость составляет около 20 нФ (см. Рис. 3а). Так как емкость пропорциональна площади перехода, например, емкость составляет 0,1 пФ в области перехода 100 нм × 100 нм. Емкость составляет 1 фФ в области перехода 10 нм × 10 нм. Эти значения могут быть обнаружены с помощью технологии цепей тока (возможно обнаружение 1 мкФ). Поскольку TMR MTJ, используемых в магнитных считывающих головках или MRAM, составляет около 100%, TMC 100% считается необходимым в устройствах TMC. Например, в случае C = 0.1 пФ и TMC = 100%, емкость C P в конфигурации P составляет 0,2 пФ и C AP в конфигурации AP составляет 0,1 пФ. Кроме того, в C = 1 fF и TMC = 100%, C P составляет 2 fF и C AP составляет 1 fF. Как упоминалось выше, эти значения могут быть обнаружены с помощью технологии текущих цепей. Следовательно, головки TMC или память могут работать в MTJ нанометрового размера для считывания.
Зависимость от напряжения смещения TMC
На рисунке 4 показаны экспериментальные и расчетные результаты зависимости от напряжения смещения для R P (AP) , C P (AP) , отношения TMR и TMC.Коэффициент TMR рассчитывается с использованием теории Чжана 19 . Как показано на рис. 4а, экспериментальные данные \ (R _ {{\ text {P (AP)}}} (V) \) хорошо согласуются с расчетом с использованием модели Чжана, где \ ({K} _ { \ text {P} \ left (\ text {AP} \ right)} \) установлено в 0 (2.48). Это означает, что модель Чжана эффективна для объяснения зависимости TMR от смещения как в модели переменного, так и постоянного тока. Расчет \ ({C} _ {{\ rm P (AP)}} (f, V) \) выполняется с использованием формул. (1) — (10). Как показано на рис. 4b, измеренная емкость \ (C _ {{\ rm P (AP)}} (f, V) \), демонстрирующая чашеобразное поведение, очень хорошо описывается теоретическими расчетами.Здесь мы использовали те же параметры: C ∞, P (AP) , C 0, P (AP) , β P (AP) , τ P (AP) и P TMC как те, которые использовались при исследовании частотных характеристик TMC без напряжения смещения. Остальные параметры показаны в дополнительной таблице S1 при 160 Гц. Отличное согласие между теорией и экспериментом показывает, что PBA является хорошим приближением для выражения профиля потенциального барьера в MTJ на основе Co 40 Fe 40 B 20 / MgO / Co 40 Fe 40 B 20 при расчете зависимости смещения C P (AP) в поле переменного тока.Этот факт соответствует постепенному увеличению емкости с приложением напряжения из-за уменьшения эффективной толщины MgO под ПБА. Комбинация модели DF и теории сигмоида Чжана также доказывает справедливость спиновой динамики электронно-дырочных диполей внутри изолятора MgO. Модель Zhang-sigmoid описывает, что переворот спина происходит при приложенном напряжении больше, чем примерно В 0 в сигмоидной функции. В конфигурации AP спиновая емкость появляется в интерфейсе MgO / Co 40 Fe 40 B 20 , как показано на рис.4c. Наличие спиновой емкости приводит к уменьшению приложенного напряжения внутри барьера MgO, где доминирует динамическая емкость, моделируемая DF. С другой стороны, в P-конфигурации внутри барьера MgO прикладывается достаточно большое напряжение из-за отсутствия спиновой емкости на границе раздела MgO / Co 40 Fe 40 B 20 . Следовательно, емкость в P-конфигурации быстро увеличивается примерно при В 0, P , что меньше, чем В 0, AP .Разница между В 0, P и В 0, AP вызывает большую индуцированную напряжением TMC, достигающую 332%. Это означает, что напряжение, вызывающее переворот спина, сильно различается в конфигурациях P и AP, соответственно, то есть энергия, которую электроны приобретают для переворота спина, отличается друг от друга в P или AP соответственно. Пороговое напряжение В, 0, P (AP) можно описать с помощью сигмоидной модели Чжан.
Рисунок 4Зависимость TMC и TMR от смещения.( a ) Зависимость сопротивления от постоянного напряжения R P (AP) в конфигурации P (AP). Расчет R P (AP) выполняется с использованием теории Чжана, представленной сплошными линиями. ( b ) Зависимость емкости от постоянного напряжения C P (AP) в конфигурации P (AP) при 30, 160 и 400 Гц. Модель C P (AP) , представленная сплошными линиями, рассчитана с использованием модели DF, включающей PBA и сигмоидальную модель Чжана, как описано уравнениями.(1) — (10). ( c ) Схема модели Чжан-сигмоида, объясняющая C P (AP) . ( d ) Сравнение зависимых от смещения TMR и TMC при 160 Гц. ( e ) Зависимость TMC от смещения при 30, 160 и 400 Гц.
На рисунке 4d показана зависимость TMC и TMR от смещения при 160 Гц. Как уже показано на рис. 3a, TMC уменьшается примерно при нулевом смещении, а затем имеет максимальное значение 332% при 92 мВ. Эту тенденцию можно наблюдать в области прямого и обратного смещения.Также следует отметить, что отношение TMC больше, чем отношение TMR во всей области смещения. Это означает, что TMC превосходит TMR, устанавливая частоту, подходящую для практического использования. На рисунке 4e показана зависимость отношения TMC от смещения на частотах 30, 160 и 400 Гц. В диапазоне частот от 30 до 400 Гц ту же тенденцию можно увидеть на кривых
TMC- V , и TMC больше TMR при любом напряжении смещения. Как видно на этом рисунке, максимальное значение TMC составляет 332% при 160 Гц с приложением 92 мВ.Мы подчеркиваем, что значение TMC, равное 332%, является самым высоким значением MTJ, когда-либо сообщавшимся. Сплошные линии на рис. 4д представляют результаты расчетов. Подгоночные параметры перечислены в дополнительной таблице S1. Здесь C ∞, P (AP) , C 0, P (AP) , β P (AP) и τ P (AP) — те же параметры в подгонке частотной зависимости TMC без напряжения смещения, показанной на рис. 2c. Остальные параметры, представленные в моделях сигмоида Чжан, PBA и SDD, были недавно адаптированы к экспериментальным данным.Как видим, между теорией и экспериментом отличное согласие. Подробные результаты по частотной зависимости TMC под напряжением смещения показаны на дополнительном рисунке S1.
Прогнозирование чрезвычайно большого TMC, индуцированного напряжением
Наконец, мы показываем прогноз чрезвычайно большого TMC. На рис. 5а показана рассчитанная частотная зависимость ТМС при нулевом напряжении смещения с изменяющейся спиновой поляризацией P . Предполагаемое максимальное значение P равно 0.83, что оценивается экспериментально для высокопроизводительных MTJ на основе MgO при комнатной температуре 40 . Параметры, используемые при расчете TMC без напряжения смещения: C ∞, P (AP) = 0,80 (0,90) нФ, C 0, P (AP) = 1037 (1221) нФ, β P (AP) = 0,986 (0,999) и τ P = 0,0118 с. Как видно из рис. 5а, максимальная ТМС увеличивается с 363% до 1906% при увеличении P от 0.63 до 0,83. Пик f , при котором отношение TMC достигает максимума, составляет 33, 55 и 74 Гц соответственно. На рис. 5б показана рассчитанная частотная зависимость ТМК без напряжения смещения при изменении τ P . Максимальный пик TMC смещен в высокочастотную область порядка МГц для короткого τ P в масштабе субмикс. Модель DF предполагает, что время релаксации определяется скоростью колебаний электрических диполей, образующихся вблизи границ раздела FM / изолятор.Время релаксации короткое при высокой скорости колебаний. Для короткого времени релаксации толщина изолятора должна быть меньше. Следовательно, формирование более тонкого слоя MgO необходимо для высокочастотной работы. Фактически, недавняя статья демонстрирует высокочастотную работу ~ 100 МГц, соответствующую времени релаксации менее нс, в наногранулированной системе FeCo-MgF 41 . На рис. 5c, d показаны расчетные значения TMC, индуцированные напряжением, при изменении значений P при 160 Гц и f пика соответственно.Параметры, использованные при расчете зависимости смещения индуцированного напряжением TMC, следующие: κ = 0,1, S = 1800 мкм 2 , λ = 0,1 нм. \ (\ phi \) 0, P (AP) составляет 2,0 (0,046) эВ, n 0, AP составляет 0,354 × 10 23 см −3 , K 0, P ( AP) = 26,7 (22,4) В −1 , В 0, P (AP) = 0,047 (0,085) В и β P (AP) = 64,7 (29,8). Максимальное индуцированное напряжением TMC увеличивается с 788% до 3114% при увеличении P с 0.63 до 0,83. Перспектива достижения TMC более 3000% привлекательна для развития спинтроники. Это окажет глубокое влияние на конструкции спиновых схем, энергонезависимую память, магнитное зондирование, устройства спиновой логики и электронные компоненты, управляемые напряжением. Традиционно переменные конденсаторы бывают громоздкими, механическими или узкодиапазонными. Для сравнения, MTJ как конденсаторы имеют небольшой размер, широкий диапазон регулирования напряжения, полностью электронные и немеханические.
Рисунок 5Прогнозирование чрезвычайно большого TMC, индуцированного напряжением.( a ) Расчетная частотная зависимость TMC без напряжения смещения с изменяющейся спиновой поляризацией P . ( b ) Расчетная частотная зависимость ТМС при изменении τ P . Положение пика TMC смещено в высокочастотную область на короткое время τ P . Расчетная индуцированная напряжением TMC с изменяющимся ( c ) P при 160 Гц и ( d ) при f пик . Обратите внимание, что максимальная TMC составляет около 3000%.
Таким образом, мы успешно наблюдали большой эффект TMC в MTJ на основе MgO при комнатной температуре. TMC, индуцированное напряжением, увеличивается до 332%, что является самым большим значением, когда-либо сообщавшимся для любых MTJ. Мы поняли полный механизм этого драматического эффекта, как качественно, так и количественно, благодаря нашей недавно предложенной модели DF, включающей PBA, SDD и сигмовидную модель Чжана. Этот расчет предсказывает, что индуцированная напряжением TMC потенциально может достигать 3114% в MTJ со спиновой поляризацией 83%.Наши теоретические и экспериментальные результаты позволяют по-новому взглянуть на точный механизм индуцированного напряжением переноса спина переменного тока в MTJ. На заводе будет создана новая платформа для разработки приложений спинтроники и электротехники.
Влияние приложения различных напряжений смещения и разности фаз на характеристики асимметричного поверхностного диэлектрического барьерного разряда; экспериментальное исследование
Приложение постоянного и постоянного напряжения смещения к нижнему электроду
Чтобы изучить влияние приложения различных форм напряжения на электроды на характеристики силы ЭГД, были использованы три типа напряжений.Напряжение постоянного тока и новый тип формы волны напряжения, называемый смещением постоянного тока, подавались на нижний электрод, в то время как верхний электрод питался синусоидальным напряжением переменного тока. Амплитуда и частота переменного напряжения были зафиксированы на уровне 19 кВ, pp, и 5,5 кГц, соответственно. Сигнал смещения постоянного тока \ (+ / — \) состоит из наложения сигнала переменного тока на сигнал постоянного тока \ (+ / — \). Среднее значение сигналов постоянного и смещения постоянного тока изменялось от \ (0 \) до \ (\ pm \; 9 \) кВ, где в случае формы сигнала смещения постоянного тока также использовался синусоидальный переменный ток. напряжение от 0 до 2.5 кВ п.п. на частоте 5,5 кГц. Типичные характеристики напряжения этих форм сигналов показаны на рис. 3.
Рис. 3Характеристики напряжения синусоидального ( a ) и постоянного смещения ( b ) напряжений
Исследования проводились путем измерения скорость электрического ветра, диэлектрический поверхностный потенциал и электрическое поле. Результаты этих экспериментов обсуждаются ниже.
Профиль скорости электрического ветра
На рисунке 4 показаны результаты измерения подачи постоянного и смещенного напряжения постоянного тока на нижний электрод.Чтобы исследовать влияние этих напряжений смещения, также были показаны результаты подключения нижнего электрода к земле (типичный случай). Мы заметили, что скорость электрического ветра уменьшилась за счет увеличения постоянного и постоянного напряжения смещения как положительной, так и отрицательной полярности. Это уменьшение для положительной полярности постоянного напряжения было более значительным, чем для отрицательной полярности. Напротив, в случае напряжений смещения постоянного тока флуктуации скорости были значительными при отрицательной полярности и относительно небольшими при положительной полярности.Отрицательная полярность напряжения смещения постоянного тока также вызвала более высокие скорости электрического ветра с большей протяженностью, чем положительная, на всех расстояниях после верхнего электрода. Среднее значение скорости электрического ветра и максимальная скорость для каждого напряжения смещения доступны в таблицах 1 и 2.
Рис. 4Профиль скорости электрического ветра для случая применения (а) постоянного тока / земля и (б) Напряжения постоянного / отрицательного смещения на нижнем электроде и синусоидальное напряжение переменного тока на верхнем максимальные скорости положительного / отрицательного напряжения смещения постоянного тока на выходе из открытого края электрода
Анализ результатов измерений показывает, что приложение постоянного напряжения к нижнему электроду создает более высокие скорости электрического ветра, чем напряжения постоянного тока с переменной составляющей.Однако заземление нижнего электрода привело к лучшей эффективности генерации силы ЭГД по сравнению с другими напряжениями смещения.
Следует отметить, что с теоретической точки зрения ожидается, что смещение нулевого постоянного / постоянного смещения и корпуса заземленных электродов должны быть одинаковыми и давать одинаковые профили скорости, но заметна большая разница между полученные результаты. Это может быть связано с возможностью того, что нулевое напряжение постоянного / постоянного смещения не было точно нулевым, и наблюдалась небольшая пульсация в этих формах сигнала напряжения.
Измерения поверхностного потенциала и электрического поля
На рис. 5 и 6 показаны измерения среднего поверхностного потенциала. Ясно видно, что увеличение постоянного и постоянного напряжения смещения увеличивает величину поверхностного потенциала как для положительной, так и для отрицательной полярности.
Рис. 5Поверхностный потенциал и электрическое поле в случае подачи переменного синусоидального напряжения на верхний электрод и отрицательного ( a ) / положительного ( b ) постоянного напряжения и заземления на нижний электрод
Инжир.6Поверхностный потенциал и электрическое поле в случае подачи синусоидального напряжения переменного тока на верхний электрод и отрицательного ( a ) / положительного ( b ) напряжения смещения постоянного тока на нижний электрод
Сравнение Поверхностный потенциал и профили скорости электрического ветра, показанные на рис. 4, показывают, что накопление заряда на поверхности диэлектрика ослабляет генерацию ЭГД-силы [11]. Это согласуется с предыдущими исследованиями, в которых утверждалось, что увеличение силы ЭГД требует уменьшения накопления заряда на диэлектрической поверхности [28,29,30,31].В последние годы авторы исследовали различные процедуры для уменьшения зарядов на поверхности диэлектрика, например, использование материалов с высокой диэлектрической проницаемостью (т. Е. С большим значением ε ) [28], что стало первым доказательством того, что уменьшение зарядов на диэлектрической поверхности. Поверхность — это способ улучшить передачу импульса актуатора. Рассмотрение новой структуры DBD, в которой только часть нижнего электрода была покрыта диэлектрическим материалом [29, 30], или использование специальных покрытий для увеличения подвижности заряда, были другими идеями для уменьшения поверхностных зарядов [31].
Приложение постоянного или смещенного напряжения смещения к нижнему электроду увеличивает значения поверхностного потенциала до четырех раз по сравнению со значениями заземления и приводит к снижению скорости электрического ветра. Как видно из рис. 4, максимальная скорость, составляющая около 6 м / с, создается, когда нижний электрод заземлен.
Знак поверхностного потенциала, когда мы приложили синусоидальное напряжение к оголенному электроду и подключили другой к напряжениям постоянного тока, стал положительным для отрицательной полярности и наоборот отрицательным для напряжений противоположной полярности выше 3 кВ.Интересно, что такие же результаты были получены в случае подачи напряжения смещения постоянного тока даже для значения напряжения, выше которого потенциал становится отрицательным. В случае подключения нижнего электрода к земле потенциал был положительным и ниже значений для постоянного и постоянного напряжения смещения.
Измерения электрического поля проводились тем же датчиком в области ниже по потоку от ширины герметизированного электрода. Поскольку ширина обнаженного и закрытого электродов составляла 10 мм и 30 мм соответственно, электрическое поле измеряли на 30–60 мм ниже по потоку от нижнего края обнаженного электрода.Примечательно, что, хотя плазма распространяется всего на несколько миллиметров (максимальное расширение до 10 мм), измеренная напряженность электрического поля даже на расстоянии 30 мм от нее была ненулевой.
Знак и величина электрического поля были аналогичны поведению поверхностного потенциала во всех случаях приложения постоянного напряжения, напряжения смещения постоянного тока и напряжения заземления.
Обмен приложенными напряжениями нижнего и верхнего электродов
Дальнейшие эксперименты были проведены путем обмена напряжениями верхнего и нижнего электродов в предыдущем разделе и исследования его влияния на создание силы ЭГД, поверхностный потенциал и электрическое поле.Таким образом, мы приложили синусоидальное переменное напряжение к нижнему электроду, а постоянное напряжение, напряжение смещения постоянного тока и заземление — к верхнему. Результаты измерений обсуждаются в следующих разделах.
Профиль скорости электрического ветра
Результаты измерений скорости электрического ветра в случае приложения постоянного напряжения, напряжения смещения постоянного тока и заземления на верхний электрод и подключения нижнего к синусоидальному напряжению переменного тока показаны на рис. 7 и 8.
Рис. 7Профили скорости электрического ветра в случае подачи синусоидального напряжения переменного тока на нижний электрод и положительного / отрицательного напряжения постоянного тока и заземления на верхний электрод
Рис.8Профиль скорости электрического ветра в случае подачи синусоидального напряжения переменного тока на нижний электрод и положительного напряжения постоянного смещения и заземления на верхний.
Из рисунков следует, что путем увеличения постоянного и постоянного напряжения смещения как положительной, так и отрицательной полярности скорости электрического ветра уменьшаются. Это уменьшение было слишком значительным для напряжений смещения постоянного тока как по величине, так и по расширению индуцированных скоростей, и особенно для отрицательных, так что максимальная скорость составляла около 2 м / с.В случае положительных напряжений постоянного тока скорости электрического ветра быстро уменьшались вдали от верхнего края электрода, тогда как отрицательная полярность постоянного тока создавала в этих точках более высокие скорости ветра, чем положительная. Рассмотрение профилей скорости также показало, что в области вблизи открытого края электрода (зона разряда) приложенные напряжения постоянного и постоянного смещения мало влияли на скорость ветра, поскольку разные значения постоянного и постоянного напряжения смещения почти не влияли на скорость ветра. те же профили скорости.Фактически, в этой области из-за хорошей электропроводности плазмы приложенные смещения постоянного и постоянного тока вызывают небольшое падение напряжения, которое оказывает меньшее влияние на силу ЭГД [27]. Однако за разрядной областью очевидно влияние этих напряжений. Из измерений скорости также следует, что дрейф заряженных частиц под действием электрических полей постоянного тока в областях ниже по потоку был сильнее, чем дрейф смещения постоянного тока, независимо от того, приложены ли они к верхнему или нижнему электроду.
В 2015 году подобное исследование было опубликовано Яном и др., В котором исследовалось влияние смещения постоянного тока на силу ЭГД, индуцированную приводом AC SDBD [27]. Они приложили постоянное напряжение \ (+ / — \) к верхнему электроду и подключили нижний к источнику переменного тока. Согласно [27], за пределами области плазмы разряда переменного тока отрицательное смещение постоянного тока приводит к увеличению скорости индуцированного ионного ветра, в то время как положительное смещение постоянного тока вызывает значительное уменьшение. Существует хорошее согласие между результатами измерений в нашей статье и [27] для положительных полярностей постоянного тока, тогда как для отрицательного смещения постоянного тока наблюдается расхождение результатов.Это может быть связано с различиями в конструкции электрических схем и характеристическими параметрами двух ASDBD.
Измерения поверхностного потенциала и электрического поля
Измерения поверхностного потенциала, которые показаны на рис. 9 и 10, показали, что приложение напряжения смещения к верхнему электроду также увеличивает поверхностный потенциал с точки зрения увеличения напряжения. Рассмотрение результатов измерения поверхностного потенциала показало, что случай приложения напряжения земли к верхнему электроду имел наименьшее значение потенциала и электрического поля по сравнению с напряжениями смещения.
Рис.9Поверхностный потенциал и электрическое поле для случая подачи синусоидального напряжения переменного тока на нижний электрод и отрицательного ( a ) / положительного ( b ) постоянного напряжения и напряжения земли на верхний электрод
Рис. 10Поверхностный потенциал и электрическое поле для случая подачи синусоидального напряжения переменного тока на нижний электрод и положительного напряжения смещения постоянного тока и заземления на верхний электрод
Знак поверхностного потенциала может указывать на Тип заряда, нанесенный на поверхность диэлектрика, способствует возникновению силы ЭГД за счет эффектов памяти разряда.Знак потенциала и электрического поля в экспериментах этого раздела практически зависел от полярности приложенных напряжений постоянного и постоянного смещения и был положительным для заземления. Для положительных напряжений постоянного / постоянного смещения оно всегда было положительным, а для отрицательных напряжений постоянного тока выше — 1 кВ оно было отрицательным.
Влияние разности фаз между приложенными напряжениями
Экспериментальная установка
Третий случай приложения напряжений, который мы рассмотрели, заключался в приложении синусоидального переменного напряжения к нижнему электроду с той же частотой, что и верхний.В этом случае важным параметром была разность фаз между напряжениями. Для получения и управления этим параметром мы разработали новую схему переключения, которая включает микроконтроллер модели PIC16F887 для создания двух независимых синусоидальных напряжений с регулируемой разностью фаз для широкого диапазона частот (1–40 кГц, см. Рисунок A1 в приложение). Поскольку наличие шумов является ключевым параметром при проектировании высоковольтных цепей, мы использовали микроконтроллеры серии PIC, которые обладают большим сопротивлением помехам.\ circ} \) на электроды подавались два синхронизированных синусоидальных напряжения с одинаковыми частотами и амплитудами. Как и ожидалось, при увеличении напряжений между электродами не образовывался плазменный слой. Поскольку верхний и нижний электроды имеют одинаковый потенциал, разность потенциалов между двумя электродами всегда равна нулю, а электрическое поле недостаточно сильное, чтобы вызвать электрический пробой. Следовательно, измерения скорости электрического ветра указали на отсутствие ветра.\ circ} \) были исследованы при равных входных коммутационных мощностях с напряжениями \ (V _ {{1 {\ text {s}}}} = V _ {{2 {\ text {s}}}} = 8 \) В и токи \ (I _ {{1 {\ text {s}}}} = I _ {{2 {\ text {s}}}} = 0,16 \) A. Соответствующие значения выходных высоких напряжений, \ (V _ {{ 1 {\ text {pp}}}} \) и \ (V_ {2 {\ rm {pp}}} \) 8,2 кВ и 6,8 кВ подавались на нижний и верхний электроды соответственно.
Результаты измерений скорости электрического ветра показаны на рис. 12. Для исследования влияния рассматриваемых разностей фаз приведены результаты измерений типовой конструкции ASDBD, где нижний электрод был заземлен, а верхний. питался от синусоидального напряжения (с \ (V _ {\ text {pp}} = 6.\ circ} \) разность фаз составляла около 3,8 м / с, тогда как для наземного случая она составляла 2,6 м / с. Это улучшение скорости ветра на \ (46 \% \) очень захватывающее, что может быть полезно для приложений управления потоком. Использование той же входной мощности, что и корпуса с разностью фаз для типичной структуры, привело к более высокому напряжению. Очевидно, это изменит режим разряда и может нарушить работу привода.
Кроме того, мы подали синусоидальные напряжения переменного тока с одинаковыми значениями размаха амплитуды на верхний и нижний электроды.\ circ} \) между напряжениями двух электродов большие скорости ветра и удлинения могут быть получены за счет более низких значений входной мощности и высоких напряжений, чем в типичном случае.
Этот результат важен для приложений управления потоком, поскольку приложение больших значений высокого напряжения может нарушить работу электрических систем.