Сложно представить себе жизнь без электричества. Природа его до конца не изучена, но это не мешает везде применять электрические приборы и устройства. Поток заряженных частиц в проводнике - сила, способная приносить не только пользу, но и вред, особенно при несоблюдении правил защиты от поражения электрическим током.
Общие меры безопасности
Наиболее эффективное средство защиты от поражения электрическим током - понижение рабочего напряжения оборудования. Роговой слой кожи, в отличие от остальных тканей организма, имеет высокое сопротивление. Пробой кожи человека постоянным током происходит при напряжении выше 50 вольт. Величина может варьироваться в зависимости от толщины эпидермиса и прочих факторов.
Считается, что приборы с рабочим напряжением ниже 42 В вполне безопасны. Напряжение до 12 В, как в карманном фонарике, гарантирует максимальную степень безопасности. Бытовой электроинструмент, например, шуруповёрт, может работать с током в 36 В. Пониженное напряжение применяется в помещениях с повышенной опасностью. В быту такая мера защиты встречается нечасто. При работе с током применяются такие меры предосторожности:
Основные средства защиты от электрического тока описаны в ГОСТе. Рассмотрим детально каждый из методов.
Сетевые решения
Эффективный способ снизить риск поражения - разнести одну крупную электрическую сеть, сделав несколько меньших. Рабочее напряжение остаётся одинаковым, но понижается ёмкость сети, а общее сопротивление изоляции возрастает. Для этого устанавливают делительные трансформаторы, к которым уже подключается оборудование. Такое решение актуально для сетей с напряжением до 1000 вольт.
Токопроводящие части обязательно изолируются, то есть покрываются слоем диэлектрика, если предусмотрен контакт человека с ними. Защитным покрытием может выступать пластик, лак, краска, резина или эбонит. Двойная изоляция - это второй слой полимера , который выполняет защитную функцию, если основная изоляция будет повреждена. Обязательным является проведение контрольных замеров сопротивления. Также существуют бронированные коммуникационные кабели и усиленная изоляция.
Оборудование с высоким напряжением (>1000 вольт) представляет особую опасность. Поражение возможно не только в результате соприкосновения с фазой, но даже при близком нахождении рядом с токопроводящими элементами, поэтому такие установки должны быть огорожены, а доступ к ним ограничен. Подъём проводов на высоту, недоступную постороннему человеку, либо прокладка кабеля под землёй - типичные приёмы.
Заземление и УЗО
Те части механизмов, которые не должны находиться под напряжением, заземляют. Проводник, обычно стальная проволока или арматура, подводится к частям корпуса, которые могут оказаться под напряжением. Другой конец заземляющего проводника замыкается на землю.
Один из вариантов - вкапывание в почву металлической болванки, которая называется заземлителем, и приваривание к ней арматуры либо проволоки. Количество заземлителей должно быть выше, если сеть является высоковольтной. В таком случае проводники вкапывают по периметру рабочей площадки или иным способом разносят их. Это нужно, чтобы заряд эффективно стекал в почву, при этом через тело человека пройдёт ток меньшей силы либо не пройдёт вовсе.
Лучше выбирать глинистый или сырой грунт, поскольку он имеет более низкое сопротивление. В качестве заземлителя используют также подземные трубопроводы, коммуникационные каналы, арматуру зданий.
Отключающая автоматика - устройство, быстро разрывающее цепь при возникновении опасной ситуации, например, при замыкании фазы на кожух устройства. Отключение питания должно происходить как минимум через 0,2 секунды.
Индивидуальная защита
Защитные средства от поражения электрическим током делятся на несколько типов: основные изолирующие, дополнительные, ограждающие, предохранительные. Основные средства предупреждают пробой напряжения заявленной величины в течение длительного времени. К токопроводящим частям можно прикасаться:
- измерителями напряжения;
- резиновой изолирующей одеждой;
- диэлектрическими штангами и клещами, не проводящими ток;
- инструментом с покрытыми диэлектриком ручками.
Дополнительная защита самостоятельно не предохраняет от удара электрическим током. Работает она в совокупности с другими способами защиты. К этому классу относятся изолирующие коврики, ботинки, калоши и подставки.
Ограждающие средства ограничивают доступ к электрифицированным элементам оборудования. К ним относятся предупреждающие плакаты и знаки, временное зануление, барьеры и переносные щиты. Предохранительная индивидуальная защита включает:
- страховочные системы и пояса;
- защитные очки, каски, перчатки;
- противогазы и респираторы;
- когти монтажника;
- экранирующие устройства;
- рабочие костюмы.
Эти средства обеспечивают защиту от прочих воздействий и факторов, например, предохраняют от падения с высоты, ожогов, механических повреждений.
Защитная изолирующая одежда
Диэлектрические перчатки бывают дву- и пятипалые, а также шовные и бесшовные. Они должны быть не короче 30 см. Надеваются поверх рабочей одежды и обычных тканевых рукавиц. Наличие повреждений, трещин и проколов обязательно определяют перед использованием такой экипировки. Для этого перчатку скатывают в трубочку от горловины к пальцам, при этом тщательно осматривая. Края изолирующих перчаток нельзя заворачивать.
Ковры для изоляции применяют только в помещениях. Допустимо использовать их в сухую погоду в открытых установках. Резина применяется как обычная, так и устойчивая к маслу и бензину. Верхняя сторона рифлёная, глубина рисок - до 3 мм.
Диэлектрическая обувь (боты и галоши) на сырой земле и в дождь не применяется. Ботинки имеют отворот для стока заряда. Они выше галош и считаются лучшим вариантом защиты. Галоши применяют только при работе с низковольтным оборудованием. Изолирующая одежда проходит испытания раз в год.
Правила работы
Перед любыми действиями с электрической установкой нужно проверить отсутствие напряжения на ней. Также нужно установить предупредительные плакаты, свидетельствующие о проводимых работах. Все действия осуществляют с применением измеряющих клещей и указателей.
Если отключить питание не представляется возможным, тогда работают без снятия напряжения, что сопряжено с дополнительной опасностью. Такие работы ведутся с особыми требованиями к безопасности. При напряжении до 1000 вольт:
При напряжении свыше 1000 вольт работать можно только со снятым напряжением. Запрещено дотрагиваться к изоляторам вышек и установок со включенным питанием.
Поражение человека электрическим током происходит в случаях:
Прикосновения к токоведущим частям электроустановок, находящихся под напряжением.
Приближения человека на опасное расстояние к токоведущим незащищенным изоляцией частям электроустановок.
Прикосновения человека к нетоковедущим частям электроустановок, оказавшимся под напряжением (из-за замыкания на их корпус).
Ошибочного принятия находящегося под напряжением оборудования как отключенного.
Повреждения изоляции.
Удара молнии.
Действия электрической дуги.
Освобождения другого человека, находящегося под напряжением.
В результате возникновения токового напряжения на поверхности земли из-за замыкания фазного провода на землю, что привело к растеканию тока по земле. Оказавшийся в зоне поражения человек попадает под шаговое напряжение, которое по мере приближения к проводу принимает опасные значения. Шаговое напряжение зависит от расстояния между точками соприкосновения человека с землей. Уходить от упавшего провода следует мелкими шажками. На расстоянии более 20 м от провода напряжение уменьшается до нуля.
К основным мерам защиты относятся:
Средства коллективной защиты.
Защитное заземление, зануление, отключение.
Использование малых напряжений.
Применение изоляции.
Средства коллективной защиты, заключающиеся в обеспечении недоступности токоведущих частей, находящихся под напряжением. Это применение оградительных, блокировочных, сигнализирующих устройств, знаков безопасности. Для исключения опасности прикосновения к токоведущим частям электрооборудования необходимо обеспечить их недоступность. Это достигается посредством ограждения и расположения токоведущих частей на недоступной высоте или в недоступном месте.
Защитное заземление – это преднамеренное соединение металлических нетоковедущих частей электроустановки с землей. Электрическое сопротивление такого соединения должно быть минимальным (не более 4 Ом для сетей с напряжением до 1000 В. и не более 10 Ом для остальных сетей). Различают 2 типа заземления: выносное и контурное . Выносное заземление характеризуется тем, что его заземлитель (элемент заземляющего устройства, непосредственно контактирующий с землей) вынесен за пределы площадки, на которой установлено оборудование. Контурное заземление состоит из нескольких соединенных заземлителей, размещенных по контуру площадки с защищаемым оборудованием. Такой тип заземления применяют в установках выше 1000 В. В электроустановках до 1000 В сечение заземляющего проводника должно быть не менее 4 мм². Заземлять электрические приборы строго запрещено на батареи отопления и водопроводные трубы, поскольку при контакте с ними ничего не подозревающий человек получит травму. На рис. 1 приведена принципиальная схема защитного заземления:
Рис. 1. Принципиальная схема защитного заземления:
1 - заземляемое оборудование, 2 - заземлитель защитного заземления, 3 - заземлитель рабочего заземления, R 3 - сопротивление защитного заземления, R O - сопротивление рабочего заземления.
Зануление - это преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением. Оно считается основным средством обеспечения электробезопасности в трехфазных сетях. Смысл зануления состоит в том, что оно превращает замыкание фазы на корпус в однофазное короткое замыкание, в результате которого срабатывает защита (перегорает предохранитель), отключая поврежденный участок сети. Принципиальная схема зануления приведена на рис. 2:
Рис. 2. Принципиальная схема зануления:
1 - корпус однофазного приемника тока; 2 - корпус трехфазного приемника тока; 3 - предохранители; 4 - заземлители; I к - ток однофазного короткого замыкания; Ф - фазный провод; U ф - фазное напряжение; HР - нулевой рабочий проводник; HЗ - нулевой защитный проводник; КЗ - короткое замыкание
К устройствам защитного отключения относятся приборы, обеспечивающие автоматическое отключение электроустановок при возникновении опасности поражения током. Они состоят из датчиков, преобразователей и исполнительных органов.
Малое напряжение - это напряжение не более 42 В., применяемое в цепях уменьшения опасности поражения электрическим током. Наибольшая степень безопасности достигается при напряжениях до 10 В. В производстве чаще используют сети напряжением 12 В. и 36 В. Для создания таких напряжений используют понижающие трансформаторы.
Изоляция – это слой диэлектрика, которым покрывают поверхность токоведущих элементов, или конструкция из непроводящего материала, с помощью которых токоведущие части отделяются от остальных частей электрооборудования. Выделяют следующие виды изоляции:
- рабочая . Это электрическая изоляция токоведущих частей электроустановки, обеспечивающая ее нормальную работу и защиту от поражения электрическим током.
- дополнительная. Это электрическая изоляция, предусмотренная дополнительно к рабочей изоляции для защиты от поражения электрическим током в случае повреждения рабочей изоляции.
- двойная. Это изоляция, состоящая из рабочей и дополнительной изоляции.
- усиленная. Это улучшенная рабочая изоляция, которая обеспечивает такую же защиту от поражения электрическим током, как и двойная изоляция.
Основными изолирующими средствами защиты служат: изолирующие штанги, изолирующие измерительные клещи, указатели напряжения, диэлектрические перчатки, диэлектрические галоши, коврики и т.д. К общим мерам защиты от статического электричества можно отнести общее и местное увлажнение воздуха.
Существуют следующие способы защиты, применяемые отдельно или в сочетании друг с другом: защитное заземление, зануление, защитное отключение, электрическое разделение сетей разного напряжения, применение малого напряжения, изоляция токоведущих частей, выравнивание потенциалов.
Рабочее заземление (преднамеренное соединение с землей какой-либо точки электроустановки) предназначено для обеспечения работы ее в нормальном и аварийном режимах. Оно обеспечивает соединение с заземлителем нейтральных точек силовых трансформаторов или генераторов (с помощью заземляющих проводников), т.е. при непосредственном соединении их с заземлителем или через малое активное сопротивление (в несколько Ом) нейтрали либо соединение нейтралей через трансформатор тока. Проводники и заземлители обычно изготавливаются из низкоуглеродистой стали.
Заземлители в виде штырей, вбиваемых в землю, называют электродами, которые могут быть одиночными или групповыми. Заземлитель имеет характеристики, обусловленные стеканием по нему тока в землю: напряжение на заземлителе; изменение потенциалов точек в земле вокруг заземлителя в зависимости от их расстояния от заземлителя в зоне растекания тока – вид потенциальной кривой; вид линий равного потенциала – эквипотенциальных линий на поверхности земли; сопротивление заземляющего устройства; напряжения прикосновения и шага.
В электроустановках с рабочим напряжением до 1000 В широко распространена трехфазная четырехпроводная сеть с глухозаземленной нейтралью ; стандартными напряжениями в этих сетях являются напряжения 220/127 , 380/220 , и 660/380 В .
Защитное заземление применяется для защиты обслуживающего персонала от опасного напряжения при прикосновении к электроустановке (напряжения прикосновения ), оно начинает действовать с момента повреждения её изоляции.
Подобное заземление необходимо для электроустановок при напряжениях 500 В и выше переменного и постоянного токов, при напряжениях 36 В и выше переменного и 110 В постоянного токов в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных электроустановках, при всех напряжениях переменного и постоянного токов во взрывоопасных помещениях.
Части электроустановок (корпуса электрических машин, трансформаторов, электрических аппаратов, вторичные обмотки измерительных трансформаторов и т.д.) во время аварийных режимов могут оказаться под напряжением и в случаях прикосновения к ним вызывать поражение электрическим током, поэтому они подлежат заземлению. Заземление электроустановок не требуется при номинальных напряжениях 36 В и ниже переменного и 110 В и ниже постоянного тока во всех случаях, за исключением взрывоопасных установок.
Шаговое напряжение (напряжение шага) возникает между ногами человека, стоящего на земле, из-за разности потенциалов на поверхности земли при растекании в земле тока замыкания на землю. Напряжение шага отсутствует, если человек стоит на линии равного потенциала или вне зоны растекания тока, т.е. на расстоянии более 20 м от заземлителя.
Для заземления могут быть использованы детали уже существующих сооружений, которые называются естественными заземлителями:
Металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящихся в соприкосновении с землей;
Металлические трубопроводы, проложенные в земле, за исключением трубопроводов горючих жидкостей и газов;
Свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле;
Обсадные трубы скважин и т.д.
Наименьшие размеры электродов искусственных заземлителей:
В качестве заземляющих и нулевых проводников, соединяющих корпуса оборудования с заземлителями, могут применяться:
Специальные проводники;
Металлические конструкции оборудования и зданий;
Стальные трубы электропроводок, алюминиевые оболочки кабелей;
Металлические открыто расположенные трубопроводы всех назначений, за исключением трубопроводов для горючих жидкостей и газов, канализации и центрального отопления.
Проводники присоединяют к корпусам оборудования сваркой или болтовым соединением с обеспечением доступности для контроля или переделки при ухудшении контакта. Последовательное включение в цепь заземления или зануления отдельных корпусов оборудования запрещается.
Зануление предусматривает глухое заземление нейтрали источника или трансформатора трехфазного тока, одного вывода источника однофазного тока, наличие нулевого провода и его повторного заземления.
Заземление нейтрали источника имеет целью понизить напряжение на корпусах оборудования и на нулевом проводе, с которым эти корпуса соединены, до безопасного значения при замыкании фазного проводника на землю.
Повторное заземление нулевого провода предназначено для снижения напряжения на корпусах оборудования при замыкании фазы на корпус как при исправном, так и при оборванном нулевом проводе.
Зануление в электроустановках до 1000 В применяется в четырехпроводных сетях с глухозаземленной нейтралью трансформатора или генератора, в сетях с заземленным выводом источника однофазного тока, в сетях с заземленной средней точкой источника постоянного тока, зануление выполняется в тех же случаях, что и защитное заземление.
Защитное отключение – защита от поражения электрическим током путем отключения электроустановки при появлении опасности замыкания на корпус оборудования или непосредственно при касании токоведущих частей человеком. Устройство защитного отключения (УЗО) состоит из чувствительного элемента, реагирующего на изменение контролируемой величины, и исполнительного органа, отключающего соответствующий участок цепи.
УЗО применяется в электроустановках напряжением до 1000 В с изолированной или глухозаземленной нейтралью в качестве основного или дополнительного технического способа защиты, если безопасность не может быть обеспечена путем применения заземления или зануления или если заземление или зануление не могут быть выполнены по некоторым причинам.
Малое напряжение (не более 42 В между фазами и по отношению к земле) применяется для ручного инструмента, переносного или местного освещения в любых помещениях и вне их. Оно применяется также в помещениях с повышенной опасностью и особо опасных для питания светильников местного стационарного освещения, если они расположены на высоте менее 2,5м.
Распространено в применении напряжение 36В, а в замкнутых металлических емкостях должно применяться напряжение не более 12 В.
Электрозащитные средства и предохранительные приспособления Согласно ПТУ, защитными средствами называются приборы, аппараты и устройства, переносные и перевозимые приспособления и устройства, а также отдельные части устройств, приспособлений и аппаратов, служащие для защиты персонала, работающего на электроустановках, от поражения электрическим током.
Все защитные средства делятся на основные и дополнительные.
Основными защитными средствами называются такие, которые надежно выдерживают рабочее напряжение электроустановки и при помощи которых допускается касаться токоведущих частей, находящихся под напряжением. К ним относятся (в электроустановках до 1000 В): диэлектрические перчатки, инструмент с изолированными рукоятками, указатели напряжения, изолирующие клещи.
Дополнительными защитными средствами являются такие, которые сами не могут обеспечить безопасность при касании токоведущих частей - это диэлектрические галоши, диэлектрические резиновые коврики, изолирующие подставки.
К предохранительным приспособлениям относят предохранительные пояса (для удержания работающего на высоте), монтерские когти, лазы.
Раздел III Электроника
Промышленная электроника является одним из направлений технической электроники, которая связана с применением электронных приборов и устройств в различных отраслях промышленности и обслуживанием этих отраслей электронными устройствами измерения, контроля управления, преобразования электрической энергии, а также электронными технологическими установками.
В промышленной электронике можно выделить три области:
1. Информационная электроника составляет основу электронно-вычислительной и информационно-измерительной техники, а также устройств автоматики. К ней относятся электронные устройства получения, обработки, передачи, хранения и использования информации, устройства управления различными объектами и технологическими процессами.
2. Энергетическая электроника связана с устройствами преобразования электрической энергии средней и большой мощностей. Сюда относятся выпрямители, инверторы, мощные преобразователи частоты и другие устройства.
3. Электронная технология включает в себя методы и устройства, используемые в технологических процессах, основанных на действии электромагнитных волн различной длины (высокочастотные нагрев и плавка, ультразвуковая резка и сварка и т. д.), электронных и ионных пучков (электронная плавка и сварка и т. д.).
Главными свойствами, обусловливающими широкое применение электронных устройств, являются высокая чувствительность, большое быстродействие и универсальность.
Зарождение электроники было подготовлено всем ходом развития промышленного производства в конце ХIХ – начале ХХ веков.
Краткая хронология изобретений:
1904 г. – создание двухэлектродного электровакуумного прибора – диода и применение его в качестве детектора в радиоприемных устройствах (Я. Флеминг, Англия);
1907 г. – создание трехэлектродной электронной лампы – триода, позволяющей усиливать и генерировать электрические колебания (Ли де Форест, США);
1948 г. – изобретены полупроводниковые транзисторы на основе германия (Д. Бардин, У. Браттейн, У. Шокли, США);
1958 г. – созданы первые интегральные схемы (Д. Килби, Р. Нойс, США);
1962 г. – начат промышленный выпуск интегральных микросхем.
Одним из главных направлений развития полупроводниковой электроники в последнее время явилась интегральная микроэлектроника . Начало микроэлектроники было положено в Англии во второй половине 40-х годов созданием тонкопленочных деталей на основе технологии внесения микропримесей. Важной особенностью микроэлектроники является разработка и внедрение методов предельного уменьшения физических размеров элементов микросхемы: микрорезисторов, диодов, транзисторов. Это приводит к увеличению функциональных возможностей микросхем, повышению их надежности и быстродействия, снижению потребления энергии.
Полупроводниковые приборы
Полупроводники занимают промежуточное место между металлами (проводниками) и диэлектриками (изоляторами). Для изготовления полупроводниковых приборов применяются германий, кремний, селен, арсенид галлия, фосфид галлия и др.
В чистых полупроводниках концентрация носителей заряда – свободных электронов и дырок – составляет лишь 10 16 – 10 18 на 1 см 3 вещества. Для снижения удельного сопротивления полупроводника и придания ему определенного типа электропроводности – электронной при преобладании свободных электронов и дырочной при преобладании дырок – в чистые полупроводники вносят определенные примеси. Такой процесс называют легированием , а соответствующие полупроводниковые материалы – легированными .
В качестве легирующих примесей применяют элементы третьей и пятой групп Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Легирующие элементы третьей группы создают дырочную электропроводность полупроводниковых материалов и называются акцепторными примесями, элементы пятой группы – электронную электропроводность и называются донорными примесями.
Основное значение для работы полупроводниковых приборов имеет электронно-дырочный переход, который для краткости называют p-n- переходом.
Электронно-дырочным переходом называют область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную электропроводность.
При соприкосновении двух полупроводников с различными типами электропроводности в пограничном слое происходит рекомбинация (воссоединение) электронов и дырок. Свободные электроны из зоны полупроводника п -типа занимают свободные уровни в валентной зоне полупроводников р -типа. В результате вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий высоким электрическим сопротивлением – запирающий слой . Толщина запирающего слоя обычно не превышает нескольких микрометров.
Если подключить внешнее (открывающее ) напряжение к p-n- переходу так, что по нему будет протекать сравнительно большой прямой ток (сопротивление p-n- перехода резко снижается, запирающий слой исчезает), то переход будет открыт . Сопротивление открытого p-n- перехода будет определяться только сопротивлением полупроводника.
При изменении знаков приложенного напряжения, то есть при подаче обратного (запирающего или закрывающего ) напряжения, сопротивление запирающего слоя резко возрастает и возникает при этом небольшой обратный ток. Обратный ток значительно меньше прямого и слабо зависит от величины обратного напряжения. Вольтамперная характеристика (ВАХ) p-n перехода представлена на рис.1. Из анализа ВАХ следует основное свойство p-n- перехода – односторонняя проводимость.
Рис. 6.1. Вольтамперная характеристика p-n- переход
При большом обратном напряжении возникает резкий рост обратного тока через p-n- переход. Это явление называют пробоем . Различают лавинный, тепловой и туннельный пробои.
Лавинный пробой возникает при большом обратном напряжении, создающем в p-n- переходе увеличенную напряженность электрического поля.
Тепловой пробой возникает вследствие разогрева p-n- перехода, при этом резко возрастает число неосновных носителей, что увеличивает обратный ток и вызывает дополнительное увеличение температуры перехода.
Туннельный пробой обуславливается туннельным эффектом, возникающим в сильнолегированных, тонких p-n- переходах, внутри которых велика напряженность электрического поля и высока вероятность туннельного перехода. Как правило, только тепловой пробой вызывает необратимые изменения параметров диода. Лавинный и туннельный пробои не разрушают p-n- переход, если они не сопровождаются тепловым пробоем.
Свойства чистых и легированных полупроводников и характеристики p-n- перехода широко используют в двухэлектродных полупроводниковых приборах - полупроводниковых резисторах и диодах .
Полупроводниковыми называют приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводников.
Полупроводниковые резисторы
Полупроводниковым резистором называют полупроводниковый прибор с двумя выводами, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от напряжения, температуры, освещенности и других управляющих параметров.
В полупроводниковых резисторах применяется полупроводник, равномерно легированный примесями. У линейных резисторов (рис. 6.2, а), выполненных на основе слаболегированного кремния или арсенида галлия, сопротивление практически постоянно
а б в г
в широком диапазоне изменения напряжений и слабо зависит от условии внешней среды. В варисторах используется, наоборот, нелинейная симметричная вольт-амперная зависимость (рис. 6.2, б). Такую характеристику удается получить у резисторов, изготовленных, например, из кристаллического карбида кремния, смешанного с глиной. Варисторы применяют для защиты от перенапряжений, искрогашения, стабилизации напряжения и т. д.
Полупроводниковые приборы, которых при изменении температуры можно получить значительное изменение сопротивления, называют терморезисторами (рис. 6.2, в). Относительное изменение сопротивления полупроводниковых элементов при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом сопротивления ТК R:
ТК R
= 
, (1.1)
где R иΔR - сопротивление и приращение сопротивления, Ом; ΔT - приращение температуры, ° С.
Терморезисторы, которые имеют отрицательные значения TKR в широком диапазоне изменения температуры, называют термисторами. Терморезисторы, имеющие большие положительны значения ТК R в узком диапазоне изменения температуры, называют позисторами .
Терморезисторы применяют для измерения, контроля и регулирования температуры, тепловой защиты электродвигателей, противопожарной сигнализации, контроля различных свойств окружающей среды, влияющих на теплоотдачу (уровень жидкости и сыпучих материалов, стен и газов), и т.д.
В полупроводниковых приборах называемых тензорезисторами , используется зависимость сопротивления полупроводниковой пластины от деформации (рис. 6.2, г). Тензорезисторы позволяют измерять и контролировать деформации различных строительных деталей и конструкций.
Полупроводниковые диоды
Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода.
Электрод, подключенный к р -области, часто называют анодом , а электрод, соединенный с п -областью – катодом . На рис. 6.3 показана структура, условное обозначение полупроводниковых диодов и полярность прямого напряжения.
Все полупроводниковые диоды подразделяют на два класса: точечные и плоскостные . Точечные диоды используют в основном для выпрямления.
Выпрямительные диоды (рис. 6.3, а) предназначены для выпрямления переменного тока. Данные приборы обеспечивают большую величину прямого тока и выдерживают повышенные обратные напряжения. Диоды малой и средней мощности используются в источниках питания компьютеров и другой радиоэлектронной аппаратуре. Диоды большой мощности используют в силовых установках для питания тяговых электродвигателей, привода станков и механизмов, обеспечения технологических процессов в химическом и металлургическом производствах. Для характеристики выпрямительных свойств диодов вводится коэффициент выпрямления , равный отношению прямого и обратного токов при одном и том же напряжении. Чем выше коэффициент выпрямления, тем меньше потери и выше КПД выпрямителя.
Стабилитрон (рис. 6.3, б) - полупроводниковый диод, вольтамперная характеристика которого имеет участок лавинного пробоя. Стабилитроны широко используются в источниках питания для получения стабильных выходных напряжений.
Туннельный диод – это полупроводниковый прибор, вольтамперная характеристика которого при прямом напряжении имеет участок с отрицательным сопротивлением. Наличие такого участка объясняется возникновением туннельного эффекта, что позволяет использовать данные диоды в схемах генерации и усиления электрических колебаний.
Варикап (рис. 6.3, в) – полупроводниковый диод, в котором используется зависимость барьерной емкости р-п -перехода от обратного напряжения. Варикап в электрических схемах, приемниках и передатчиках используется как конденсатор с изменяемой емкостью, причем эти диоды имеют гарантированный и увеличенный диапазон изменения частоты. Для уменьшения потерь варикапы имеют малые объемные сопротивления р- и п- областей полупроводника и увеличенное сопротивление при обратном постоянном напряжении.
Высокочастотные диоды – это диоды, предназначенные для работы в устройствах высокой и сверхвысокой частоты (ультракоротковолновая и космическая радиосвязь, радиолокация, телеизмерительная техника и т.д.). Данные диоды имеют малые емкости р-п -перехода. СВЧ-диоды используются для модуляции и детектирования сверхвысокочастотных колебаний в диапазоне сотен мегагерц, а также в каскадах преобразования частоты радиоприемных устройств.
Импульсные диоды предназначены для работы с быстроизменяющимися импульсными сигналами. Эти диоды должны иметь малые емкости, а также выдерживать большие прямые импульсные токи и увеличенные обратные импульсные напряжения. Применяются такие диоды в компьютерах, мониторах и телевизорах, в радиолокационных передатчиках и приемниках.
Магнитодиод – полупроводниковый диод, в котором используется изменение вольтамперной характеристики под действием магнитного поля. В качестве магнитодиодов используют выпрямительные диоды.
Тензодиод - полупроводниковый диод, в котором используется изменение вольтамперной характеристики под действием механических деформаций. В качестве тензодиодов обычно применяют туннельные диоды, у которых отдельные участки вольтамперной характеристики существенно зависят от деформации рабочего тела диода.
Фотодиоды, полупроводниковые фотоэлементы и светодиоды полупроводниковые диоды, в которых используется эффект взаимодействия оптического излучения (видимого, инфракрасного или ультрафиолетового) с носителями заряда (электронами и дырками) в запирающем слое р-п -перехода.
В фотодиоде в результате освещения р-п -перехода повышается обратный ток. В полупроводниковом фотоэлементе при освещении р-п -перехода возникает обратное напряжение. В светодиоде в режиме прямого тока в зоне р-п -перехода возникает видимое или инфракрасное излучение.
Биполярные транзисторы
Биполярный транзистор – это электропреобразовательный прибор с двумя взаимодействующими р-п-переходами и с тремя выводами.
Особенностью этих приборов является возможность управления с помощью небольшой мощности во входной цепи значительно большей мощностью в выходной цепи.
Подобные приборы могут иметь два режима работы: непрерывный и ключевой. При непрерывном режиме ток в выходной цепи может принимать различные, сколь угодно близкие значения. Ключевой режим работы характеризуется тем, что ток в выходной цепи может иметь только два резко отличающихся значения; такой элемент работает по принципу «включено - выключено».
В зависимости от чередования легированных областей различают транзисторы п-р-п -типа и р-п-р -типа . На рис. 6.4. показаны условные обозначения транзисторов и их выводы: Э – эмиттер (со стрелкой); Б – база; К – коллектор. Нужно помнить, что стрелка всегда направлена из р -области в п -область.
Рис. 6.4. Условные обозначения биполярных транзисторов
В связи с тем, что эмиттерный переход включается прямо, он имеет малое сопротивление. Коллекторный переход включается обратно и имеет очень большое сопротивление. К эмиттеру прикладывается небольшое напряжение, а к коллектору очень большое (десятки вольт). Изменяя в небольших пределах ток эмиттерного перехода можно управлять большими изменениями тока в цепи коллектора, т.е. нагрузки. Таким образом транзистор усиливает мощность.
Транзистор р-п-р -типа подчиняется общим правилам:
1) эмиттер имеет более высокий потенциал, чем потенциал коллектора;
2) цепи база-эмиттер и база-коллектор работают как диоды (первый всегда открыт, второй закрыт);
3) каждый транзистор характеризуется максимальными значениями токов коллектора, базы (I к, I б ) и напряжением между коллектором и эмиттером (U кэ );
4) ток коллектора пропорционален току базы, т.е. 
, где β
- коэффициент усиления по току.
Для транзистора п-р-п -типа эти правила остаются в силе, но полярность изменяется на противоположную.
Различают три схемы включения транзисторов: с общей базой, с общим эмиттером и общим коллектором. Название схемы показывает, какой электрод является общим, но принцип включения подчиняется общим правилам транзистора (эмиттерный переход открыт, а коллекторный – закрыт).
Схема с общей базой . Данная схема (рис. 6.5, а) в усилителях используется очень редко, так как коэффициент усиления тока в ней равен единице.
Схема с общим коллектором. Данная схема (рис. 6.5, б) имеет коэффициент усиления напряжения близкий к единице и очень большое сопротивление входной цепи. Выходная цепь обладает малым сопротивлением. Поэтому схема с общим коллектором используется для согласования сопротивления высокоомного преобразователя с низкоомной нагрузкой. Эта схема имеет специальное название – эмиттерный повторитель . Входное сопротивление эмиттерного повторителя может достигать 500 кОм, а выходное 50…100 Ом.
Схема с общим эмиттером . Данная схема получила наибольшее распространение (рис. 6.5, в). Коэффициент усиления по току достигает 10…200. Небольшой ток базы (входного сигнала) управляет большим током выходной цепи (выходной сигнал на сопротивлении нагрузки). На рис. 6.6, а приведены входные статические характеристики транзистора p-n-p -типа, который включен по схеме с общим эмиттером. Входная характеристика (вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода) представляет собой обычную правую ветвь вольт-амперной характеристики диода. Полупроводниковый транзистор нельзя представлять чисто механически в виде двух диодов, так как процессы в одном переходе влияют на процессы в другом. Вид входной характеристики зависит от напряжения между эмиттером и коллектором.
Выходная характеристика напоминает вольт-амперную характеристику диода, который включен обратно (рис. 6.6, б). На ток коллектора в значительной мере влияет ток базы. В рабочей области ток коллектора незначительно зависит от напряжения между коллектором и эмиттером.
Характеристики и параметры транзисторов. Статической называется характеристика транзистора, описывающая взаимосвязь между входными и выходными токами и напряжениями, когда в выходной цепи нет нагрузки. Применяются такие статические характеристики биполярных транзисторов: входные, выходные и переходные.
Входная характеристика
– это зависимость 
).
Выходная характеристика
– это зависимость 
при постоянном входном токе (
).
Переходная характеристика
(характеристика усиления) – это зависимость 
при постоянном напряжении на выходе (
).
Входные и выходные характеристики строят экспериментально, а переходные можно построить с помощью семейства выходных характеристик. На рис. 5, а приведены входные статические характеристики транзистора p-n-p-типа , который включен по схеме с общим эмиттером.
При расчетах схем с биполярными транзисторами применяются h-параметры транзистора. Эти параметры характеризуют свойства транзистора при малых изменениях токов и напряжений, h -параметры транзистора разные для каждой схемы включения транзистора, но в справочниках есть формулы перерасчета параметров одной схемы в другие.
Для схемы с общим эмиттеромh -параметры, выраженные с помощью входных и выходных токов и напряжений имеют вид.
Параметр представляет собой входное сопротивление транзистора
при 
.
Параметр - это коэффициент обратной связи по напряжению
при 
. (Обратной связью
называют действие выходного сигнала на входной сигнал усилителя).
Параметр - коэффициент усиления по току
при 
.
Параметр характеризует исходную проводимость транзистора 
при 
.
Существенными являются три ограничения использования транзистора. Ограничение по мощности , которая выделяется на коллекторном переходе и препятствует перегреву перехода. Ограничение по напряжению между коллектором и эмиттером обеспечивает отсутствие пробоя коллекторного перехода. Ограничение по коллекторному току сохраняет также работоспособность перехода.
Полевые транзисторы
В полевых (униполярных) транзисторах электрический ток создается движением носителей заряда только одного знака . Управление током осуществляется электрическим полем, которое создается входным сигналом, а не током базы. Поэтому в управляющем электроде (затворе) ток практически не протекает. Следовательно, полевой транзистор имеет очень большое входное сопротивление.
Полевые транзисторы используют в усилителях мощности и преобразователях электрических колебаний. Принцип действия полевых транзисторов основан либо на зависимости толщины канала проводимости (проводящего слоя полупроводникового кристалла, заключенного между двумя р-n -переходами) от приложенного к переходам обратного напряжения, либо на влиянии поперечного электрического поля на концентрацию подвижных носителей заряда у поверхности полупроводника. Полевые транзисторы первого рода называют транзисторами p-n затвором , транзисторы второго рода - транзисторами с изолированным затвором или МДП - и МОП-транзисторами (металл - диэлектрик- полупроводник и металл - окисел - полупроводник). В обоих случаях в полевых транзисторах с помощью изменения напряжения на электроде, называемом затвором, имеется возможность управления проводимостью канала между истоком - стоком и тем самым значением тока между этими электродами. Преимуществом полевых транзисторов является то, что управление током в выходной цепи производится практически при отсутствии тока во входной цепи.
Транзистор с р-n -затвором (рис. 6.7, а) представляет собой полупроводниковую пластину. На гранях этой пластины создан полупроводниковый слой другого типа. Транзистор имеет три электрода: сток С , исток И и затвор З . Электрод, от которого двигаются основные заряды, называется истоком . Электрод, к которому движутся заряды, называется стоком .
На рис. 6.7, а видно, что при снижении потенциала на затворе уменьшается сечение n -канала, то есть увеличивается его сопротивление (уменьшается ток стока). Затвор всегда включается обратно к истоку. На рис. 6.7, б, в приведены условные обозначения транзистора с р-n -затвором (с управляющим р-n -переходом) с n -каналом и с p -каналом соответственно.
Полевые транзисторы, как и биполярные, имеют три схемы включения: с общим стоком, с общим истоком и с общим затвором. Основной усилительной схемой является схема с общим истоком (рис. 6.8, а).
Выходные характеристики схемы с общим истоком называют стоковыми характеристиками (рис. 6.8, б). Они напоминают выходные характеристики биполярного транзистора. В транзисторе с управляющим р-n -переходом есть диодное соединение. При положительном заряде на затворе наблюдается обычная диодная проводимость.
В транзисторах с изолированным затвором между материалами с различными проводимостями находится пленка изолятора. Затвор действительно изолирован от истока и стока и действует на ток только своим электрическим полем. Конструктивно транзистор выполняется на полупроводниковой подложке, которая имеет проводимость, противоположную проводимости канала. Основной является схема включения с общим истоком (рис. 6.9, а).
Стоковые характеристики полевого транзистора с изолированным затвором, включенного по схеме с общим истоком, напоминают выходные характеристики биполярного транзистора (рис. 6.9, б).
Режим обеднения I характеризуется отрицательным потенциалом на затворе, режим обогащения II – положительным. Положительный потенциал на затворе способствует расширению канала, уменьшает его сопротивление и повышает стоковый ток.
Тиристоры
Тиристор – это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями. В простейшем случае тиристор имеет три р-n -перехода (рис. 6.10). Тиристор переключается с закрытого состояния в открытое (тиро – открыто).
Первые промышленные образцы тиристоров появились в конце пятидесятых годов ХХ в. В настоящее время эти приборы получили широкое распространение. Преимущества тиристоров следующие: малые масса и габариты, большой срок службы, высокий КПД (0,9 и более), малая чувствительность к вибрации и механическим перегрузкам, способность работать при низких (прямых) и высоких (обратных) напряжениях, а также при очень больших токах (до 5000 А). номинальные значения напряжения в закрытом состоянии достигают 5000 В.
Различают управляемые и неуправляемые тиристоры. Неуправляемые тиристоры – это динисторы или диодные тиристоры (рис. 6.10, а) – это тиристоры с двумя электродами (выводами). Переход из одного состояния в другое в динисторах осуществляется изменением значения или полярности напряжения на выводах.
Управляемые тиристоры (рис. 6.10, б) – тринисторы – имеют три электрода (анод, катод, управляющий электрод). Вольт-амперная характеристика тиристора (рис. 6.10, в) имеет три участка: I участок – тиристор закрыт; II участок – неустойчивый режим работы; III участок – тиристор открыт. Используются также симметричные тиристоры, тиристоры с пятислойной структурой (p-n-p-n-p ). На рис. 6.11 показаны стандартные обозначения тиристоров.
Причины поражения электрическим током. Способы защиты от электрического тока.
Причины поражения электрическим током:
Случайное прикосновение к токоведущим частям;
Появление напряжения на отключенных токоведущих частях (при ремонте оборудования);
Появление напряжения на корпусе электрооборудования;
Напряжение шага (при растекании тока в случае падения провода на землю).
Защита человека от поражения электрическим током
Электрический ток является распространенным поражающим фактором на производстве и в быту из-за широкого распространения электрических установок, приборов и агрегатов. При работе с ними необходимо соблюдать требования электробезопасности.
Электробезопасность – это система организационных и технических мероприятий, а также средств, обеспечивающих защиту людей от вредного и опасного воздействия:
- электрического тока,
- электрической дуги,
- электромагнитного поля и статического электричества.
Безопасность при работе с электроустановками обеспечивается применением различных технических и организационных мер. Они регламентированы следующими нормативными документами:
- Правила устройства электроустановок (ПУЭ);
- Правила эксплуатации электроустановок потребителей (ПЭ);
- Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей (ПТБ);
- ГОСТ 12.1.ХХХ - ХХ - Электробезопасность.
Технические средства защиты от поражения электрическим током делятся на коллективные средства и индивидуальные средства.
К средствам коллективной защиты от электрического тока относят:
1. Защитное заземление.
2. Зануление.
3. Защитное отключение.
4. Применение малых напряжений.
5. Изоляция токопроводящих частей.
6. Оградительные устройства.
7. Сигнализация, блокировка, знаки безопасности, плакаты.
Защитное заземление – это преднамеренное соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей электрооборудования, которые в обычном состоянии не находятся под напряжением, но которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции. Принцип действия защитного заземления – снижение до безопасных значений напряжений прикосновения и шага, обусловленных «замыканием на корпус».
Занулением называется присоединение к неоднократно заземленному нулевому проводу питающей сети корпусов и других конструктивных металлических частей электрооборудования, которые нормально не находятся под напряжением, но вследствие повреждения изоляции могут оказаться под напряжением. Принцип действия зануления - превращение пробоя на корпус в однофазное короткое замыкание (т.е. замыкание между фазным и нулевым проводами) с целью создания большого тока, способного обеспечить срабатывание защиты и тем самым отключить автоматически поврежденную установку из сети.
Кроме перечисленных СКЗ, применяются СИЗ (инструменты с изолированными рукоятками, коврики, токоизмерительные клещи, обувь и т.п.).
Опасность поражения электрическим током характерна тем, что человек не может посредством своих органов чувств обнаружить на расстоянии наличие напряжения, и обнаруживает его в момент поражения. Действие электрического тока на человека может привести к двум видам поражений: электротравма и электроудар.
Электрические травмы - это местные поражения тканей организма, которые делятся на электрические ожоги, электрические знаки, металлизация кожи и механические повреждения.
Электрические ожоги возникают при прохождении через тело человека значительных (более 1А) токов. При этом выделяется тепло достаточное для нагрева тканей тела человека до температуры 60-70 град. , при которой свертывается белок и возникает ожог. Ожоги проникают глубоко в ткани тела и требуют длительного лечения, а иногда приводят к инвалидности. При напряжении выше 1000В ожоги могут возникать без контакта человека с токоведущими частями при возникновении искрового заряда переходящего в электрическую дугу. Температура дуги достигает 4000 град.
Механические повреждения - это повреждения, полученные в результате непосредственного действия электрического тока и последующего падения или удара (потеря сознания, равновесия). Следствием падения с высоты на землю могут быть переломы костей, вывихи, ушибы тела и повреждения внутренних органов, при падении в воду пострадавший может утонуть. Иногда случается вывих и переломы костей из-за судорожного сокращения мышц в момент электротравмы.
Электрический удар - общее поражение, представляет наибольшую опасность. Электрическим ударом называется такое действие тока на организм человека, в результате которого мышцы тела (рук, ног) начинают судорожно сокращаться. В тяжелых случаях теряется сознание и нарушается работа сердечно-сосудистой системы, что ведет к смертельному исходу.
Безопасность при работе с электроустановками обеспечивается применением различных технических и организационных мер. Они регламентированы действующими правилами устройства электроустановок (ПУЭ). Технические средства защиты от поражения электрическим током делятся на коллективные и индивидуальные, на средства, предупреждающие прикосновение людей к элементам сети, находящимся под напряжением, и средства, которые обеспечивают безопасность, если прикосновение все-таки произошло.
Основные способы и средства электрозащиты:
ь изоляция токопроводящих частей и ее непрерывный контроль;
ь установка оградительных устройств;
ь предупредительная сигнализация и блокировки;
ь использование знаков безопасности и предупреждающих плакатов;
ь использование малых напряжений;
ь электрическое разделение сетей;
ь защитное заземление;
ь выравнивание потенциалов;
ь зануление;
ь защитное отключение;
ь средства индивидуальной электрозащиты.
Защитными средствами называют приборы, аппараты, устройства, предназначенные для защиты того, кто работает на электроустановках, от поражения электрическим током, от воздействия электрической дуги и продуктов горения.
Все защитные средства делятся на основные и дополнительные.
К основным относятся средства, изоляция которых надежно выдерживает рабочее напряжение электроустановок; с помощью них можно прикасаться к токоведущим частям, находящихся под напряжением. Основными защитными средствами в электроустановках до 1000 В являются диэлектрические перчатки, инструмент с изолирующими ручками, указатели напряжения.
Дополнительными защитными средствами называют такие, что сами по себе не могут при данном напряжении гарантировать безопасность и является дополнительным средством защиты к основным средствам, а также предназначенные для защиты от напряжения во время касания. К ним относятся диэлектрические резиновые коврики, диэлектрические калоши и изолирующие подставки.
Все защитные средства во время хранения должны быть защищены от механических повреждений, загрязнения и увлажнения.
Перед использованием защитных средств необходимо проверить срок действия, исправность и отсутствие внешних повреждений, очистить от пыли.
Защитные средства, которые эксплуатируются, должны проходить испытания на предприятии или ближайшей подстанции.
Периодические испытания проводят: для диэлектрических перчаток один раз в 6 месяцев, для указателей напряжения, инструментов с изолирующими ручками один раз в год; для резиновых диэлектрических ковриков один раз в 2 года.
