Провода и кабели, выбор сечения проводов по допустимому нагреву и допустимой потере напряжения

Расчёт сечения проводов и кабелей осуществляется обычно тремя способами:

- по допустимому нагреву

- по допустимой потере напряжения

- по механической прочности

После выполнения этих расчётов выбирают стандартное сечения жилы проводника, равное максимальному из расчётных значений (или ближайшее большее).

При относительно небольшой длине линий (~ до 30м) расчёт на нагревание является определяющим. При прохождении по проводнику электрического тока выделяется тепло и проводник нагревается. Количество выделенного тепла в проводнике: Q = I²rt дж, где I - сила тока, а; r - сопротивление проводника, ом; t - время прохождения тока, сек.

Нагрев изолированных проводов не должен быть выше определённого предела, т.к. изоляция при сильном нагреве может обуглиться и даже загореться. Для безаварийной работы проводов и кабелей нормами установлена предельно допустимая температура нагрева (60-80^о С) в зависимости от типа изоляции, условий монтажа и температуры окружающей среды. Применяя эти установки. а также зная максимальную силу тока в проводе по таблицам выбирают сечение проводника. Сечение проводника всегда выбирают равным или большим (но ни вкоем случае ни меньшим), чем расчётное значение тока нагрузки.

По нормам международных стандартов в быту и на производстве в основном требуется применение проводников из меди, поэтому данные на алюминевые проводники здесь опускаются.

Для упрощённого пересчета медь-алюминий можно применить следующее: нижнее стандартное значение сечения(согласно линейки стандарных сечений) медного проводника равно следующему большему стандартному значению сечения для алюминиевого провода (напр. 1.5 мм² медного провода = 2.5 мм² алюминиевого провода).

Сечение проводов и кабелей по допустимой потере напряжения определяют главным образом для осветительных сетей. Для силовых сетей этот метод применяют лишь при сравнительно большой их протяжённости.

Допустимую потерю напряжения от источника тока до наиболее отдаленной по значению нагрузки (в процентах от номинального напряжения) можно применять: ∆U% = 5,0% - для силовых сетей напряжением до 1000в; ∆U% = 2,5% - для осветительных сетей

Сечение проводов и кабелей с одинаковым сечением по всей длине рассчитывают по следующим формулам:

1.Для трёхфазной сети с сосредоточенной нагрузкой в конце линии

где: S - сечение фазных проводов, жил кабелей, шин мм²

Рк -мощность приемника, присоединенного к сети длиной L на участке длиной lk (l₁+l₂+...ln),), kW; lk - длина участка сети между точками присоединения приемника и источника, м; √ - удельная проводимость, (для меди 58...55,5 mΩ\m); U - линейное номинальное напряжение V; ∆U% - заданное значение потери напряжения.

Защитное заземление

Защитное заземление – преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другимпричинам (индуктивное влияние соседних токоведущих частей, вынос потенциала, разряд молнии и т. п.).

Эквивалентом земли может быть вода реки или моря, каменный уголь в карьерном залегании и т. п.

Назначение защитного заземления — устранение опасности поражения током в случае прикосновения к корпусу электроустановки и другим нетоковедущим металлическим частям, оказавшимся под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам.

Защитное заземление следует отличать от других видов заземления, например, рабочего заземления и заземления молниезащиты.

Рабочее заземление — преднамеренное соединение с землей отдельных точек электрической цепи, например нейтральных точек обмоток генераторов, силовых и измерительных трансформаторов, дугогасящих аппаратов, реакторов поперечной компенсации в дальних линиях электропередачи, а также фазы при использовании земли в качестве фазного или обратного провода. Рабочее заземление предназначено для обеспечения надлежащей работы электроустановки в нормальных или аварийных условиях и осуществляется непосредственно (т. е. путем соединения проводником заземляемых частей с заземлителем) или через специальные аппараты — пробивные предохранители, разрядники, резисторы и т. п.

Заземление молниезащиты — преднамеренное соединение с землей молниеприемников и разрядников в целях отвода от них токов молнии в землю.

Принцип действия защитного заземления — снижение до безопасных значений напряжений прикосновения и шага, обусловленных замыканием на корпус и другими причинами. Это достигается путем уменьшения потенциала заземленного оборудования (уменьшением сопротивления заземлителя), а также путем выравнивания потенциалов основания, на котором стоит человек, и заземленного оборудования (подъемом потенциала основания, на котором стоит человек, до значения, близкого к значению потенциала заземленного оборудования).

Тема 7. Электроника

1. Электронно-дырочный переход: образование, физические процессы, тепловой и электрический пробои

p-n-Переход (n — negative — отрицательный, электронный, p — positive — положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход — область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. p-n-Переход является основой для полупроводниковых диодов, триодов и других электронных элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой.

Ввиду неравномерной концентрации на границе раздела полупроводников р- и n-типа возникает диффузионный ток, за счет него электроны из n-области переходят в p- область, а на их месте остаются некомпенсированные заряды положительных ионов донорной примеси. Электроны, приходящие в р-область, рекомбинируют с дырами, и возникают некомпенсированные заряды отрицательных ионов акцепторной примеси. Ширина р n перехода составляет десятые доли микрона. На границе раздела возникает внутреннее электрическое поле р-n перехода, которое будет тормозящим для основных носителей заряда и будет их отбрасывать от границы раздела. Для неосновных носителей заряда поле будет ускоряющим, и перенесет их в область, где они станут основными. Максимум напряженности электрического поля будет наблюдаться на границе раздела. Распределение потенциала по ширине полупроводника называется потенциальной диаграммой. Разность потенциалов на р-n переходе называется контактной разностью потенциалов, или потенциальным барьером. Для того чтобы основной носитель заряда смог преодолеть р-n переход, его энергия должна быть достаточной для преодоления потенциального барьера.

Физические процессы: Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным, или р-n-переходом.

Электронно-дырочный переход обладает свойством несимметричной проводимости, т. е. имеет нелинейное сопротивление. Работа большинства полупроводниковых приборов, применяемых в радиоэлектронике, основана на использовании свойств одного или нескольких р-n-переходов. Рассмотрим физические процессы в таком переходе.

Пусть внешнее напряжение на переходе отсутствует. Так как носители заряда в каждом полупроводнике совершают беспорядочное тепловое движение, т. е. имеются собственные скорости, то происходит их диффузия (проникновение) из одного полупроводника в другой. Носители перемещаются оттуда, где их концентрация велика, туда, где концентрация мала. Таким образом, из полупроводника п-типа в полупроводник р-типа диффундируют электроны, а в обратном направлении из полупроводника р-типа в полупроводник n-типа диффундируют дырки.

В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух полупроводников с различным типом электропроводности создаются объемные заряды различных знаков. В области n возникает положительный объемный заряд. Он образован главным образом положительно заряженными атомами донорной примеси и в небольшой степени пришедшими в эту область дырками. Подобно этому в области р возникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси и отчасти пришедшими сюда электронами.

Между образовавшимися объемными зарядами возникает так называемая контактная разность потенциалов и электрическое поле.

В р-n-переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей.

Чем больше концентрация примесей, тем выше концентрация основных носителей и тем большее количество их диффундирует через границу. Плотность объемных зарядов возрастает и увеличивается контактная разность потенциалов, т. е. высота потенциального барьера. При этом толщина р-n-перехода уменьшается.

Одновременно с диффузным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов. Это поле перемещает дырки из n-области обратно в р-область и электроны из р-области обратно в n-область. При определенной температуре р-n-переход находится в состоянии динамического равновесия. Каждую секунду через границу в противоположных направлениях диффундирует определенное количество электронов и дырок, а под действием поля такое же их количество дрейфует в обратном направлении.

Перемещение носителей за счет диффузии является диффузионным током, а движение носителей под действием поля представляет собой ток проводимости. При динамическом равновесии перехода эти токи равны и противоположны по направлению. Поэтому полный ток через переход равен нулю, что и должно быть при отсутствии внешнего напряжения. Каждый из токов имеет электронную и дырочную составляющие. Величины этих составляющих различны, так как они зависят от концентрации и подвижности носителей. Высота потенциального барьера всегда автоматически устанавливается именно такой, при которой наступает равновесие, т. е. диффузионный ток и ток проводимости взаимно компенсируют друг друга.

Тепловой пробой.

Тепловой пробой диода возникает вследствие перегрева перехода проходящим через него током при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода.

В режиме постоянного тока мощность, подводимая к переходу, определяется обратным напряжением и обратным током:P_подв=U_оббI_обр.

Эта мощность идет на разогрев перехода, в результате чего температура перехода возрастает. При этом увеличиваются концентрации носителей заряда в p-n-структуре и обратный ток перехода, что в свою очередь приводит к увеличению подводимой мощности, новому повышению температуры перехода и т. д.

Выделяющееся тепло в переходе рассеивается преимущественно за счет теплопроводности, поэтому отводимая от перехода мощность пропорциональна разности температур перехода и окружающей среды:

P_отв= , где R_T – общее тепловое сопротивление диода.

Возможны обратимые и необратимые пробои. Обратимый пробой – это пробой, после которого p-n-переход сохраняет работоспособность. Необратимый пробой ведет к разрушению структуры полупроводника.

Существуют четыре типа пробоя: лавинный, туннельный, тепловой и поверхностный. Лавинный и туннельный пробои объединятся под названием – электрический пробой, который является обратимым. К необратимым относят тепловой и поверхностный.

Электрический пробой.

Обычно длина свободного пробег электрона в полупроводнике значительно меньше толщины электронно-дырочного перехода. Если за время свободного пробега электроны успевают набрать достаточную энергию, то возникает ударная ионизация атомов электронами. В результате ударной ионизации наступает лавинное размножение носителей заряда.

Величина напряжения пробоя зависит от рода материала. Когда приложенное напряжение приближается к напряжению пробоя, коэффициент размножения носителей резко возрастает, растет число носителей заряда в переходе, сильно увеличивается ток через переход, наступает лавинный пробой.

При значительных напряженностях электрического поля (порядка 200 кВ/см), возможен туннельный пробой, обусловленный прямым переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости смежной области, происходящим без изменения энергии электрона.

Практически при электрическом пробое могут иметь место в той или иной степени одновременно оба вида пробоя – туннельный и лавинный.

Величина напряжения пробоя существенно зависит от состояния поверхности перехода, где могут образовываться заряды того или иного знака, которые уменьшают или увеличивают результирующую напряженность поля у поверхности по сравнению ее значением в объеме. В неблагоприятном напряжении пробоя по поверхности может быть в несколько раз ниже, чем по объему. Это еще раз подчеркивает важность стабилизации свойств поверхности полупроводника, защиты ее от воздействий окружающей среды.