2.3. Методы и устройства получения высокого напряжения постоянного тока

Области применения высокого напряжения постоянного тока разнообразны. Это различные отрасли электроэнергетики, электротехнологии и системы питания импульсных устройств. Основным методом получения высокого напряжения постоянного тока является выпрямление переменного тока высокого напряжения промышленной частоты. При создании источников высокого постоянного напряжения одной из основных задач является выбор вентиля и схемы выпрямления. Выбор вентиля базируется на сравнении технических, экономических и эксплуатационных характеристик. С технической точки зрения высоковольтные вентили характеризуются основными параметрами: максимально допустимым и длительно протекающим током через вентиль; обратным напряжением на вентиле в закрытом состоянии; падением напряжения на вентиле в открытом состоянии.

С экономической и эксплуатационной точек зрения вентили характеризуются: стоимостью основного и вспомогательного оборудования, эксплуатационных расходов, стабильностью параметров, надежностью и сроком службы, временем подготовки его к работе, безопасностью, простотой и удобством обслуживания.

В высоковольтной испытательной технике широко применялись электронные и ионные выпрямители, а в последние десятилетия – полупроводниковые.

Электронный вентиль – это электровакуумный прибор, содержащий анод и накаливаемый катод, помещенные в керамический или стеклянный корпус с давлением 10^–5…10^–6 мм рт. ст. Работа электронного вентиля основана на термоэлектронной эмиссии с накаливаемого катода. Анодный ток в проводящем состоянии, когда потенциал анода выше, чем у катода, зависит от величины приложенного напряжения, температуры, материала и размеров катода, а также от энергии выхода электронов с катода.

Увеличение рабочей температуры катода ограничивается его возможным разрушением под действием пондеромоторных сил и испарением его материала. Снижение работы выхода электронов, с целью увеличения тока, достигается использованием оксидных и торированных катодов. С увеличением номинального напряжения и тока вентиля слабым звеном становится анод. Электроны, бомбардируя анод, приводят к его разогреву. Поэтому анод выполняется массивным из тугоплавкого материала с высокой энергией выхода электронов.

При смене полярности, когда потенциал анода становится меньше, чем катода, эмиссия электронов прекращается и прибор приходит в закрытое, непроводящее, состояние.

Корпус вентиля конструируется в соответствии с законом Пашена так, чтобы пробой, если он возникнет, проходил по внешней поверхности корпуса. Это приводит к росту габаритов при изготовлении их на высокие напряжения.

Ионные вентили или газотроны представляют из себя двухэлектродный стеклянный или керамический баллон. Внутри баллона находятся пары ртути или инертный газ под давлением 10^–2…10^–3 мм рт. ст. В высоковольтной технике получили распространение газотроны с накаливаемым катодом в режиме тлеющего разряда.

При отрицательной полярности катода электроны, получаемые за счет термоэмиссии с катода, двигаясь к аноду, вызывают ионизацию молекул газа и образуют газоразрядную плазму. Поэтому плотность тока в газотронах значительно выше, чем в электронных вентилях, и средний ток может достигать десятков ампер. Напряжение зажигания (U_з) зависит от рода газа, конструкции лампы и мощности накала и обычно не превышает (5…20) % от U_обр.

При изменении полярности эмиссия электронов прекращается, усиливается процесс рекомбинации и плазма разваливается.

Газотроны по размеру значительно больше электронных вентилей при одинаковых U_обр и создавать их на U_обр  50 кВ становится нецелесообразно. Кроме этого, газотроны устойчиво работают только в узком температурном интервале 10…40 ºС.

Достижения физики твердого тела и технологии получения сверхчистых материалов в последние десятилетия позволили полупроводниковым вентилям занять доминирующее положение. В высоковольтной технике полупроводниковые выпрямители в ряде случаев полностью заменяют электронные, ионные и ртутные вентили.

Полупроводниковый вентиль представляет собой электронный прибор, состоящий из кристалла полупроводника с р–n-переходом, двух омических контактов, двух выводов и корпуса.

Не анализируя процессы образования и работы р–n-перехода, достаточно освещенные в научной и учебной литературе, рассмотрим зависимость тока диода от приложенного к нему напряжения. Вольт-амперная характеристика диода (рис. 2.6) определяется свойствами полупроводниковых материалов, состоянием поверхности, конструкцией диода и температурой перехода.

П

Рис.2.6. Вольт-амперная

характеристика

полупроводникового диода

равая ветвь вольтамперной характеристики соответствует вентилю в открытом состоянии, определяя протекание прямого тока (I_ср) при малом падении напряжения на вентиле (U_ср). Левая ветвь вольт-амперной характеристики (2) для удобства построена в другом масштабе. Для оценки масштаба отметим, что у современных полупроводниковых диодов отношение прямого тока к обратному лежит в пределах 10³…10⁶, а отношение обратного напряжения к падению напряжения при протекании прямого тока лежит в пределах 10²…10⁴. Эта ветвь характеризует вентиль в закрытом состоянии, когда напряжение на вентиле большое при малом обратном токе. Высоковольтные вентили выполняются на базе кремния и селена.

Полупроводниковые вентили при номинальных режимах стабильны, достаточно надежны, срок службы 10⁴–10⁸ часов, просты и безопасны в работе, однако при незначительных отклонениях от номинальных режимов (особенно кремниевые вентили) часто выходят из строя.

В силу того, что единичные р–n-переходы имеют относительно небольшие прямые токи и обратные напряжения, в высоковольтной технике используют последовательное или параллельное включение нескольких вентилей. Последовательное включение вентилей больше 5–10 р–n-переходов требует выравнивания напряжения вдоль столбов емкостными или омическими делителями напряжения.