Электротехника — база электроники (стр. 2 из 3)

Исследования свойств селена, приведшие к созданию фотоэлемента с внутренним фотоэффектом, начались еще в прошлом веке. В 1873 г. англичанином В. Смитом было описано явление уменьшения сопротивления селена под воздействием света, а в 1876 г. был создан (В. Адамсом и Р. Е. Деем) селеновый фотоэлемент с запирающим слоем. Исследованием ЭДС, возникающей при освещении селена, занимался профессор Казанского университета В. А. Ульянин (1888 г.).

Явление внешнего фотоэффекта лежит в основе разнообразных фотоэлектрических приборов, например, фотоэлементов t внешним фотоэффектом. Внутренний фотоэффект используется в фоторезисторах, фотодиодах, фототранзисторах.

Ионные приборы развивались по двум направлениям, соответствующим типу их катодов: с жидким (ртутным) катодом (ртутные вентили) и с накаливаемым катодом (газотроны и тиратроны) .

В довоенный период развитие ионной техники в основном было связано с преобразованием переменного тока в постоянный (обратное преобразование — инвертирование — зародилось позднее и применялось реже).

В нашей стране первыми появились стеклянные ртутные вентили, изготовленные в 1921 г. Нижегородской радиолабораторией для выпрямительной высоковольтной (на 4 кВ) установки Свердловской, радиостанции. К концу 20-х годов было налажено производство высоковольтных (до 15 кВ) и низковольтных вентилей (250 В, 100 А).

Потребность в более мощных выпрямителях привела к созданию металлических вентилей, первый из них, 16-анодный, был построен в 1926 г. на заводе «Электросила» <ток 500 А, напряжение 600 В). Расширение производства отечественных вентилей позволило уже в начале 30-х годов резко сократить импорт ртутно-преобразовательных установок. .

В связи с индустриализацией страны потребовалось создать более мощные преобразователи, в первую очередь для электротранспорта, металлургических и металлообрабатывающих предприятий. Конструкции вентилей совершенствуются, создаются: анодный узел, препятствующий обратному зажиганию, а затем управляющие сетки. В середине 30-х годов выпускаются мощные вентили на токи до 5000 А (в частности, для Московского метрополитена) и первые инверторы, а в 1940 г. —- вентили с цилиндрическим корпусом мощностью более 4000 кВт.,

В 30-х годах были разработаны в США ртутные вентили нового типа (игнитроны), более простые по конструкции, с полупроводниковым зажигателем, обеспечивающим кратковременную дугу зажигания в каждый период переменного напряжения. В нашей стране первые стеклянные игнитроны с карборундовым зажигателем были разработаны в 1934 г., а их серийное производство началось в 1936 г. (ток до 50 А, напряжение — 120 В).

Первые отечественные высоковольтный вентиль и стеклянный игнитрон изображены на рис. 7.4. В связи с применением игнитронов на тяговых подстанциях потребовалось увеличить мощность этих вентилей. Так, были разработаны стеклянно-металлические и цельнометаллические игнитроны с водяным охлаждением (1938— 1939 гг.). К этому времени относятся первые разработки мощных дуговых вентилей для дальних линий электропередач. Проводятся исследования в области преобразовательных схем, в частности создаются преобразователи частоты для регулирования скорости асинхронных двигателей.

В 1943—1945 гг. начинается новый этап в развитии ионных приборов — выпуск одноанодных металлических вентилей, первых вентильных комплектов. В конце 40-х годов разрабатываются серии более совершенных ртутных выпрямителей с сетками управления и с автономной системой охлаждения, а в 50-х годах — многоанодные отпаянные ртутные вентили и одноанодные металлические игнитроны, а также ртутные вентили высокого напряжения для дальних линий передач постоянного тока. В эти же годы был создан другой тип вентиля — экзитрон, в котором в отличие от игнитрона дуга зажигания создается лишь перед включением вентиля, а поддержание вспомогательного катодного пятна осуществляется непрерывно существующей (дежурной) дугой возбуждения.

Еще недавно мощные ртутные вентили использовались в преобразовательных установках, общая мощность которых достигала десятков миллионов киловатт, в частности, в дальних линиях электропередач постоянного тока. Такие ртутные вентили выдерживали рабочее напряжение до 100 кВ при максимальных токах до 900 А (рис. 7.5). Но успехи современной Полупроводниковой техники позволили создать мощные полупроводниковые тиристоры, которые имеют преимущества перед ртутными вентилями.

Ионные приборы с накаленным катодом (газотроны и тиратроны) начали изготовляться в конце 20-х годов и в основном использовались в качестве преобразователей на меньшие то.си и напряжения (по сравнению с ртутными вентилями). Первый патент на газотрон был заявлен в 1905 г. в США, но более двух десятилетий не удалось его реализовать из-за отсутствия теоретических разработок в области газоразрядных приборов. Посте освоения газотронов одна из американских фирм тщательно скрывала секрет их изготовления даже внутри страны.

Впервые газотроны были применены в системах питания радио-устройств. В начале 30-х годов разрабатываются конструкции низковольтных газотронов, а в конце первой пятилетки создаются опытные экземпляры тиратронов (например, опытный образец тиратрона ТГ-162 выдерживал ток 40 А при обратном напряжении 15 кВ). В 1935—1937 гг. выпускаются серии тиратронов с ртутным и газовым (аргон, неон) наполнением. Однако срок службы этих приборов был невелик, и поэтому велись интенсивные исследования с целью усовершенствования их конструкций.

Застуживает внимания тот факт, что для первых опытных передач электроэнергии постоянным током в 1937 г. был построен (на заводе «Светлана») тиратрон на ток 450 А и напряжение 20 кВ.

Дальнейшая электрификация страны потребовала создания газотронов и тиратронов со стабильными характеристиками, большим сроком службы, способностью работать при повышенных частотах. Создаются новые типы экранированных тиратронов, имевших более стабильные характеристики и меньшие габариты.

Осваиваются новые серии тиратронов с ртутным и газовым наполнением с предельным обратным напряжением до 3 кВ, а также маломощных тиратронов для системы регулирования и управления. Позднее стали применяться тиратроны с водородным наполнением, отличающиеся значительно меньшим временем деионизации.

Были разработаны ртутные тиратроны на токи до 85 А и напряжением анода до 20 кВ, применявшиеся в основном в низкочастотных мощных высоковольтных выпрямителях и инвенторах. Тиратроны, наполненные инертными газами, использовались в схемах автоматического управления и регулирования в неуправляемых выпрямителях.

По мере возрастания мощности электронных устройств все более начинали проявляться недостатки электронных ламп: большое потребление энергии, значительные габариты и масса, небольшой срок службы.

Эти недостатки электронных ламп вынуждали ученых и инженеров разрабатывать электронные приборы с другими принципами действия. Успешному решению этой проблемы способствовали исследования в области полупроводников.,

В нашей стране начало созданию полупроводниковых приборов было положено О. В. Лосевым, исследовавшим кристаллические детекторы и создавшему на их основе усилитель, известный под названием «кристадин».

Последние десятилетия ознаменовались широчайшим развитием исследований и практических применений полупроводниковых элементов. Как известно, полупроводники по своей удельной электрической проводимости занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами и отличаются тем, что их электропроводностью можно управлять посредством внешних энергетических воздействий.

Свойства полупроводниковых элементов позволяют использовать их в качестве вентилей, усилителей, генераторов и преобразователей различных видов энергии в электрическую. Так, на основе фотоэлектрических свойств полупроводников созданы фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. Использование их термоэлектрических свойств дало возможность сконструировать терморезистсры, термоэлементы, термоэлектрические генераторы, термохолодильники и термостабилизаторы. Способность полупроводников реагировать на механическое воздействие явилась основой для создания тензометров.

Первые исследования свойств полупроводников относятся еще к прошлому веку. В конце второй половины XIX столетия были построены первые термобатареи, фоторезисторы и кристаллические детекторы, но недостаточное понимание свойств полупроводников не способствовало расширению области их применения.

Толчком к техническому применению полупроводников, в частности, полупроводниковых вентилей, явилось создание в 1926—1929 гг. (Л. Грондаль) меднозакисного вентиля. Основополагающая роль в разработке теории полупроводников и их техническом применении принадлежит отечественной шкале физиков под руководством академика А. Ф. Иоффе. Эти исследования начали проводиться в конце 20-х начале 30-х годов. Так, было введено понятие дырочной проводимости, указано влияние поимесей и температуры на механизм проводимости, было установлено повышение электропроводности в сильных электрических полях, разработана теория выпрямления. Важное практическое значение имсти исследования фотоэлектрических свойств полупроводников.

Первые меднозакисные выпрямители начали изготовляться в 1928—1930 гг. на электровакуумном заводе «Светлана», они применялись в схемах автоблокировки на железнодорожном транс порте. Разработка селеновых выпрямителей началась в 1938 г. Существенные успеха в довоенные годы были достигнуты в области изготовления фотоэлементов с запирающим сдоем.