2.3. Методи і пристрої одержання високої напруги постійного струму

Області застосування високої напруги постійного струму різноманітні. Це різні галузі електроенергетики, електротехнології і системи живлення імпульсних пристроїв. Основним методом одержання високої напруги постійного струму є випрямлення змінного струму високої напруги промислової частоти. При створенні джерел високої постійної напруги одним з основних завдань є вибір вентиля і схеми випрямлення. Вибір вентиля базується на порівнянні технічних, економічних і експлуатаційних характеристик. З технічної точки зору високовольтні вентилі характеризуються основними параметрами: максимально припустимим і довгостроковим струмом, що протікає через вентиль; зворотною напругою на вентилі в закритому стані; спаданням напруги на вентилі у відкритому стані.

З економічної і експлуатаційної точок зору вентилі характеризуються: вартістю основного і допоміжного устаткування, експлуатаційних витрат, стабільністю параметрів, надійністю і терміном служби, часом підготовки його до роботи, безпекою, простотою і зручністю обслуговування.

У високовольтній випробувальній техніці широко застосовується електронні й іонні випрямлячі, а в останні десятиліття - напівпровідникові.

Електронний вентиль – це електровакуумний прилад, що містить анод і розжарювальний катод, поміщені в керамічний або скляний корпус із тиском 10^–5…10^–6 мм рт. ст. Робота електронного вентиля заснована на термоелектронній емісії з розжарюваного катода. Анодний струм у провідному стані, коли потенціал анода вище, ніж у катода, залежить від величини прикладеної напруги, температури, матеріалу і розмірів катода, а також від енергії виходу електронів з катода.

Збільшення робочої температури катода обмежується його можливим руйнуванням під дією пондеромоторних сил і випаром його матеріалу. Зниження роботи виходу електронів, з метою збільшення струму, досягається використанням оксидних і торійованих катодів. Зі збільшенням номінальної напруги і струму вентиля слабкою ланкою стає анод. Електрони, бомбардуючи анод, приводять до його розігріву. Тому анод виконується масивним з тугоплавкого матеріалу з високою енергією виходу електронів.

При зміні полярності, коли потенціал анода стає меншим, ніж катода, емісія електронів припиняється і прилад приходить у закритий, непровідний стан.

Корпус вентиля конструюється відповідно до закону Пашена так, щоб пробій, якщо він виникне, проходив по зовнішній поверхні корпуса. Це приводить до росту габаритів при виготовленні їх на високі напруги.

Іонні вентилі або газотрони представляють із себе двоелектродний скляний або керамічний балон. Усередині балона знаходяться пари ртуті або інертний газ під тиском 10^–2…10^–3мм рт. ст. У високовольтній техніці одержали поширення газотрони з розжарюваним катодом у режимі тліючого розряду.

При негативній полярності катода електрони, одержувані за рахунок термоемісії з катода, рухаючись до анода, викликають іонізацію молекул газу і утворюють газорозрядну плазму. Тому щільність струму в газотронах значно вище, ніж в електронних вентилях, і середній струм може досягати десятків ампер. Напруга запалювання (U_з) залежить від роду газу, конструкції лампи і потужності розжарення і звичайно не перевищує (5...20…20)%від U_обр.

При зміні полярності емісія електронів припиняється, підсилюється процес рекомбінації і плазма розвалюється.

Газотрони по розмірі значно більші електронних вентилів при однакових U_обр і створювати їх на U_обр ³ 50 кВ стає недоцільно. Крім цього, газотрони стійко працюють тільки у вузькому температурному інтервалі 10...40°С.

Досягнення фізики твердого тіла і технології одержання надчистих матеріалів в останні десятиліття дозволили напівпровідниковим вентилям зайняти домінуюче положення. У високовольтній техніці напівпровідникові випрямлячі в ряді випадків повністю заміняють електронні, іонні і ртутні вентилі.

Напівпровідниковий вентиль являє собою електронний прилад, що складається із кристала напівпровідника з р–n-переходом, двох омічних контактів, двох виводів і корпуса.

Не аналізуючи процеси утворення і роботи р–n-перехода, досить освітлені в науковій і навчальній літературі, розглянемо залежність струму діода від прикладеної до нього напруги. Вольт-амперна характеристика діода (рис.2.6) визначається властивостями напівпровідникових матеріалів, станом поверхні, конструкцією діода і температурою переходу.

Права вітка вольт-амперної характеристики відповідає вентилю у відкритому стані, визначаючи протікання прямого струму (I_ср) при малому спаді напруги на вентилі (U_ср). Ліва вітка вольт-амперної характеристики (2) для зручності побудована в іншому масштабі. Для оцінки масштабу відзначимо, що в сучасних напівпровідникових діодах відношення прямого струму до зворотного лежить у межах 10³…10⁶,а відношення зворотної напруги до спаду напруги при протіканні прямого струму лежить у межах 10²…10⁴. Ця вітка характеризує вентиль у закритому стані, коли напруга на вентилі велика при малому зворотному струмі. Високовольтні вентилі виконуються на базі кремнію і селену.

Напівпровідникові вентилі при номінальних режимах стабільні, досить надійні, термін служби 10⁴–10⁸ годин, прості й безпечні в роботі, однак при незначних відхиленнях від номінальних режимів (особливо кремнієві вентилі) часто виходять із ладу.

У силу того, що одиничні р–n-переходи мають відносно невеликі прямі струми і зворотні напруги, у високовольтній техніці використовують послідовне або паралельне включення декількох вентилів. Послідовне включення вентилів більше 5–10 р–n-переходів вимагає вирівнювання напруги уздовж стовпів ємнісними або омічними дільниками напруги.