Заявка на патент США для PIN/NIP-диода с передней подсветкой и непрерывным анодом/катодом (заявка № 20070111356, выданная 17 мая 2007 г.) № 60/731,171, поданная 28 октября 2005 г., озаглавленная «PIN/NIP-диод с передней подсветкой, имеющий непрерывный анод/катод».
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к фотодетектору и, более конкретно, к матрице фотодетекторов с использованием положительно-внутренне-отрицательных (PIN)/отрицательно-внутренне-положительных (NIP) диодов, имеющих непрерывную анод/катод от передней стороны к задней стороне.
Детектор фотонов или фотодетектор преобразует мощность излучения непосредственно в электрический ток; также называется фотодиодом. Диоды PIN/NIP или фотодиоды PIN/NIP широко известны в данной области техники. Диод PIN/NIP представляет собой форму фотодетектора.
PIN-диод представляет собой тип фотодиода с большой внутренней областью с нейтральным легированием, расположенной между полупроводниковыми областями с p- и n-легированием.
Название PIN-диода происходит от наслоения этих материалов: положительный, внутренний, отрицательный (PIN). Вообще говоря, фотодиод — это полупроводниковое устройство, которое преобразует свет в электрический ток. PIN-диод обычно демонстрирует увеличение своей электропроводности в зависимости от интенсивности, длины волны и скорости модуляции падающего излучения.
PIN-диод также является полупроводниковым устройством, которое работает как переменный резистор на радиочастотах (RF) и микроволновых частотах. Значение сопротивления PIN-диода определяется только смещенным в прямом направлении постоянным током (DC). На высоких радиочастотах, когда PIN-диод имеет нулевое или обратное смещение, он выглядит как конденсатор с плоскими пластинами, практически не зависящий от обратного напряжения.
Массивы фотопроводников представляют собой группы множества фотодетекторов, таких как диоды PIN/NIP, размещенные вместе на подложке или пластине.
Желательно обеспечить матрицу фотодетекторов с использованием диодов PIN/NIP, имеющих непрерывный анод/катод от передней стороны к задней стороне.
КРАТКАЯ СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Вкратце, варианты осуществления настоящего изобретения содержат фотодетектор, который включает в себя полупроводниковую подложку, имеющую первую и вторую основные поверхности, противоположные друг другу. Фотодетектор включает по меньшей мере одну канавку, образованную на первой основной поверхности, и первую область анода/катода, имеющую первую проводимость, образованную вблизи первой основной поверхности и боковых стенок по меньшей мере одной канавки. Фотодетектор включает в себя вторую анодно-катодную область вблизи второй основной поверхности. Вторая анодно-катодная область имеет вторую проводимость, противоположную первой проводимости. По меньшей мере, одна канавка проходит до второй основной поверхности полупроводниковой подложки.
Варианты осуществления настоящего изобретения дополнительно включают способ изготовления фотодетектора, включающий обеспечение полупроводниковой подложки, имеющей первую и вторую основные поверхности, расположенные напротив друг друга.
По меньшей мере, одна канавка образована от первой основной поверхности до второй основной поверхности. Первая основная поверхность и боковые стенки канавки легированы легирующей примесью первой проводимости. По меньшей мере, одна канавка проходит через полупроводниковый слой и до первого положения глубины в полупроводниковой подложке. Вторая основная поверхность легирована легирующей примесью второй проводимости, противоположной первой проводимости.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ НЕСКОЛЬКИХ ВИДОВ ЧЕРТЕЖЕЙ
Предшествующее краткое изложение, а также последующее подробное описание изобретения будут лучше поняты при чтении вместе с приложенными чертежами. В целях иллюстрации изобретения на чертежах показаны варианты осуществления, которые в настоящее время являются предпочтительными. Однако следует понимать, что изобретение не ограничивается показанными точными схемами и инструментами. На рисунках:
РИС. 1 представляет собой частичный вид поперечного сечения матрицы фотодетекторов, использующей положительно-внутренне-отрицательные (PIN)/отрицательно-внутренне-положительные (NIP) диоды, имеющие непрерывный анод/катод от передней стороны к задней стороне, с первым предпочтительным вариантом осуществления настоящее изобретение; и
РИС.
2 представляет собой вид сверху матрицы фотодетекторов по фиг. 1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Определенная терминология используется в последующем описании только для удобства и не является ограничивающей. Слова «правый», «левый», «нижний» и «верхний» обозначают направления на чертежах, на которые делается ссылка. Слова «внутрь» и «наружу» относятся к направлению соответственно к геометрическому центру описываемого объекта и его обозначенным частям и от него. Терминология включает слова, упомянутые выше, их производные и слова аналогичного значения. Кроме того, слово «а», используемое в формуле изобретения и в соответствующей части описания, означает «по меньшей мере один».
Используемая здесь ссылка на проводимость будет ограничена описанным вариантом осуществления. Однако специалистам в данной области техники известно, что проводимость p-типа может быть заменена проводимостью n-типа, и устройство по-прежнему будет функционально правильным (т.
е. будет иметь первый или второй тип проводимости). Следовательно, при использовании здесь ссылка на n или p может также означать, что их можно заменить либо n, либо p, либо p и n.
Кроме того, n + и p + относятся к сильно легированным n- и p-областям соответственно; п ++ и p++ относятся к очень сильно легированным n- и p-областям соответственно, n— и p— относятся к слаболегированным n- и p-областям соответственно; и n — и p — относятся к очень слабо легированным n- и p-областям соответственно. Однако такие относительные термины легирования не следует рассматривать как ограничивающие.
Ссылаясь на чертежи в деталях, на которых одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаковые элементы, на фиг. 1 матрица фотодетекторов, обычно обозначаемая 10 в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
Матрица фотодетекторов 10 включает в себя множество ячеек фотодетекторов или фотодетекторов 11 .
Матрица 10 фотодетекторов включает в себя полупроводниковую подложку 20 , имеющую первую и вторую основные поверхности 20 a и 20 b , противоположные друг другу. На первой основной поверхности 9 сформировано множество канавок , 22, .0003 20 а. Канавки 22 доходят до второй основной поверхности 20 b полупроводниковой подложки 20 . Фотография 11 включает в себя первую область анода/катода 24 , имеющая первую проводимость, сформированную непосредственную близость. одна канавка 22 и вторая анодно-катодная область 26 вблизи второй основной поверхности 20 b, и второй анодно-катодной области 26 имеет вторую проводимость, противоположную первой проводимости. Полупроводниковая подложка 20 имеет первый слой 28 с первой концентрацией легирующей примеси вблизи первой основной поверхности 20 a и второй слой 30 со второй концентрацией легирующей примеси вблизи второй основной поверхности 20 4 б.
Фотодетектор 11 также включает легированную изолирующую область 32 , образованную на первой основной поверхности 20 a и проходящую через первый слой 28 полупроводниковой подложки 20 по меньшей мере до 0 внутренней области 30 36 полупроводниковой подложки 20 . Легированная изолированная область 32 имеет третью концентрацию легирования, отличную от первой концентрации легирования. Первая анодно-катодная область 24 является непрерывным с первой основной поверхности 20 A, вдоль боковых стен 22 A, 22 B Тренчи 22 ко второй основной поверхности 20 B. Таким образом, первая анодно-катодная область 24 представляет собой сквозную структуру, обеспечивающую непрерывность задней поверхности 20 b.
Канавки 22 могут быть заполнены проводящим материалом, таким как легированный или нелегированный поликремний, металл или силицид металла, но это не обязательно.
Может быть желательно частично заполнить траншеи 22 вблизи второй основной поверхности 20 b для обработки.
РИС. 2 представляет собой вид сверху матрицы 10 фотодетекторов, показывающий, что по меньшей мере одна канавка 22 представляет собой относительно небольшую область в первой области 24 анода/катода. Без заполнения траншей 22 , боковых стен 22 а, 22 б канавок 22 также может функционировать как часть первой анодно-катодной области 24 , тем самым увеличивая площадь, потерянную самой канавкой 22 .
Матрица фотодетекторов 10 также включает задние контакты 34 , 35 , сформированные на втором анодно-катодном слое 26 вблизи второй основной поверхности 20 b.
Следует отметить, что первая проводимость может быть одной из p-типа и n-типа, а вторая проводимость может быть другой p-типа или n-типа без отклонения от изобретения. Фотодетекторы в матрице могут быть, например, положительно-внутренне-отрицательными (PIN) диодами или отрицательно-внутренне-положительными (NIP) диодами без отклонения от изобретения.
Предпочтительно полупроводниковая подложка 20 изготовлена из кремния (Si). Но полупроводниковая подложка 20 может быть изготовлена из других материалов, таких как арсенид галлия (GaAs), германий (Ge) и т.п.
Как правило, если полупроводниковый кристалл не содержит примесей, единственными присутствующими носителями заряда являются те, которые образуются в результате термического разрушения ковалентных связей, а проводящие свойства характерны для чистого полупроводникового материала. Такой кристалл называют «собственным» полупроводником.
При использовании со ссылкой на PIN- или NIP-диод обычное использование в данной области техники включает слегка легированные внутренние области 36 . Несмотря на то, что используется здесь для обозначения полупроводниковой подложки 20 или подложки/эпитаксиального слоя как «внутреннего», варианты осуществления настоящего изобретения признают, что матрица фотодетекторов 10 в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения будет работать сравнимо с нелегированными подложками даже когда полупроводниковая подложка 20 легирована слабо или даже сильно легирована. Соответственно, термин «собственный» не следует рассматривать как ограничивающий, и варианты осуществления настоящего изобретения могут охватывать чистые и легированные полупроводниковые подложки, сформированные из различных материалов.
Матрица фотодетекторов 10 может также включать пассивирующий материал 40 на одной или обеих из первой и второй основных поверхностей 20 a, 20 b , такой как нитрид, аоксид, а стекло, поликремний и их комбинации.
Матрица фотодетекторов 10 предпочтительно включает в себя множество изолирующих диффузионных областей 32 , сформированных на первой основной поверхности 20 a и множество смежных анодов/катодов 24 , образованных изолирующими диффузионными областями 32 . Множество анодов/катодов , 24, могут быть связаны с пикселями, когда матрица 10 фотодетекторов используется в приложении для формирования изображений, таком как рентгеновское изображение или компьютерная томография (КТ). Обычно ячейки фотодетектора 11 имеют размер порядка 1 миллиметра (мм) на 1 мм. Канавки имеют диаметр около 15-20 микрон (мкм) или 15-20 мкм в поперечнике для некруглых канавок.
Способ изготовления фотодетектора включает обеспечение полупроводниковой подложки 20 , имеющей первую и вторую основные поверхности 20 a, 20 b , противоположные друг другу.
По крайней мере, одна канавка 22 сформирована на первой основной поверхности 20 a до второй основной поверхности 20 b. Первая основная поверхность 20 a выборочно маскируется первой маской (не показана). Первая основная поверхность 20 а и боковины 22 а, 22 б траншеи 22 легированы легирующей присадкой первой проводимости. Вторая основная поверхность 20 b выборочно маскируется второй маской (не показана) и легируется присадкой со второй проводимостью, противоположной первой проводимости. Способ также включает удаление первой маски с первой основной поверхности 20 а, выборочное маскирование первой основной поверхности 20 a с третьей маской (не показана) и легированием третьей легирующей примесью второй проводимости первой основной поверхности 20 a полупроводникового слоя 20 для формирования изолирующей области 32 .
Поверхности 20 a, b полупроводниковой подложки 20 и/или полупроводникового слоя могут быть при необходимости сглажены с использованием одного или нескольких следующих этапов процесса:
(i) изотропная плазма травление может быть использовано для удаления тонкого слоя кремния (обычно 100-1000 ангстрем (Å)) с поверхности канавки.
(ii) расходуемый слой диоксида кремния можно вырастить на поверхности канавки, а затем удалить с помощью травления, такого как травление буферным оксидом или травление разбавленной плавиковой (HF) кислотой.
Использование одного или обоих этих методов позволяет получить гладкие поверхности траншей с закругленными углами, при этом удаляя остаточное напряжение и нежелательные загрязнения. Однако там, где желательно иметь вертикальные боковые стенки и квадратные углы, будет использоваться процесс анизотропного травления вместо рассмотренного выше процесса изотропного травления.
Анизотропное травление, в отличие от изотропного травления, обычно означает разную скорость травления в разных направлениях травимого материала.
Легирование выполняется одним из способов: ионной имплантацией, диффузией в твердом теле, диффузией в жидкости, напылением, плазменным легированием, легированием в паровой фазе, лазерным легированием и т.п. Легирование бором B приводит к большему количеству области p-типа, легирование фосфором приводит к большему количеству области n-типа, а легирование мышьяком Ar приводит к большему количеству области n-типа. Можно использовать другие легирующие примеси, такие как сурьма Sb, висмут Bi, алюминий Al, индий In, галлий Ga и т.п., в зависимости от материала подложки и желаемой силы легирования.
Первую и вторую присадки предпочтительно наносят путем диффузии. Полупроводниковую подложку помещают в подходящую диффузионную камеру при температуре примерно от 700°С до примерно 1200°С вблизи твердого источника, такого как бор или фосфор.
В качестве альтернативы полупроводниковая подложка может подвергаться воздействию жидкого источника легирующей примеси при температуре от примерно 700°C до примерно 1200°C.
Альтернативно, первая легирующая примесь может быть имплантирована. Первый слой 28 имплантирован бором B, фосфором P, мышьяком As и т.п. при высоком уровне энергии в диапазоне примерно от 40 до 1000 килоэлектронвольт (КэВ). Предпочтительно уровень энергии находится в диапазоне примерно от 200 до 1000 кэВ, но следует признать, что уровень энергии следует выбирать для достаточной имплантации легирующей примеси. Второй легирующей примесью может быть бор В, фосфор Р, мышьяк Ar и т.п. Второй анодно-катодный слой имеет первую проводимость. Очередная стадия загонки при температуре до 1200°С может выполняться в течение до 12 часов, чтобы имплантированная легирующая примесь в достаточной степени проникла в подложку 20 .
Пассивирующий материал 40 может быть нанесен на первую или вторую основные поверхности с использованием одного из следующих способов: термическое выращивание, химическое осаждение из паровой фазы при низком давлении (LP), химическое осаждение из паровой фазы с плазменным усилением (PECVD), химическое осаждение из паровой фазы при атмосферном давлении.
осаждение (APCVD), центрифугирование на стекле (SOG), стеклянная фритта, осаждение, прямое нанесение и их комбинации. Пассивирующий материал 40 состоит из оксида, нитрида, стекла и поликремния. Хотя это и не требуется, пассивирующие материалы 40 улучшить производительность получившегося массива фотодетекторов 10 .
Задний контакт 34 формируется путем напыления, испарения и/или гальванического покрытия на втором аноде/катоде 26 , а периферийный контакт 38 формируется аналогичным образом на первом аноде/катоде 24 , что приводит к матрица фотодетекторов 10 , показанная на фиг. 1. Контакты 34 , 38 могут быть металлическими, такими как алюминий Al, алюминий кремний Al[%Si], медь Cu, золото Au, серебро Ag, титан Ti, вольфрам W, никель Ni или тому подобное и их комбинации. из него или может быть легированным или нелегированным поликремнием.
Контакты 34 , 38 также могут быть слоями из разных металлов.
Другие этапы обработки, известные в данной области техники, могут быть использованы без отхода от изобретения. Например, канавки 22 могут быть протравлены с помощью плазменного травления, реактивного ионного травления (RIE) или химического травления. При необходимости канавки 22 можно сгладить с помощью таких этапов обработки, как изотропное плазменное травление или глубокое ионное травление, такое как глубокое RIE. Части кремниевой подложки 20 или все устройство может иметь расходуемый слой диоксида кремния, выращенный на нем, а затем может быть протравлен с использованием буферного оксидного травления или травления разбавленной плавиковой (HF) кислотой или т.п. для получения гладких поверхностей и/или закругленных углов, тем самым уменьшая остаточное стресс и нежелательные загрязнения. Кроме того, по желанию могут быть добавлены дополнительные слои в дополнение к пассивирующему слою (слоям) 40 .
Кроме того, проводящая полупроводниковая подложка 20 может быть легирована, имплантирована и/или рассеяна для достижения определенной проводимости.
Другой способ изготовления матрицы 10 фотодетекторов в соответствии со вторым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения включает изготовление полупроводниковой подложки 20 , имеющей первую и вторую основные поверхности 20 a и 20 b b напротив друг друга. Полупроводниковая подложка 20 имеет первую проводимость. Эпитаксиальный слой (не показан) первой проводимости осаждают или выращивают на первой основной поверхности 9.0003 20 a полупроводниковая подложка 20 . Эпитаксиальный рост или осаждение могут происходить в подходящей реакционной камере при температуре примерно до 1200°C. Затем выполняются все остальные этапы обработки для формирования матрицы 10 фотодетекторов.
Из вышеизложенного видно, что настоящее изобретение направлено на фотодетекторный диод с использованием изолирующих диффузоров и способы изготовления фотодетекторного диода с использованием изолирующих диффузоров. Специалистам в данной области техники будет понятно, что в описанные выше варианты осуществления могут быть внесены изменения без отклонения от их широкой изобретательской концепции. Таким образом, следует понимать, что это изобретение не ограничено конкретными раскрытыми вариантами осуществления, но предназначено для охвата модификаций в пределах сущности и объема настоящего изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения.
Двигатели постоянного тока с улучшенной коммутацией
Одним из ограничивающих факторов обычных двигателей постоянного тока является невозможность передачи необходимого тока якоря через щеточный контакт на коллекторе без искрения. Искрение вызывает разрушительное почернение, точечную коррозию и износ как коллектора, так и щеток.
Эти условия постепенно ухудшаются и приводят к выгоранию меди и углерода. Кроме того, проблема коммутации становится более серьезной по мере увеличения скорости двигателя и увеличения крутящего момента (тока) при заданной скорости. Следовательно, это явление ограничивает скорость и мощность, которые можно безопасно получить от данного размера машины.
Несколько схем двигателей постоянного тока, использующих комбинацию коммутатора, токосъемных колец и диодов для уменьшения коммутации, были описаны в предыдущей заявке на патент (серийный № 406,677, Салихи), в настоящее время патент США № 406677. № 3
1. Настоящая заявка на патент является усовершенствованием предыдущей заявки на патент. Это усовершенствование включает в себя использование диодов для блокировки протекания циркуляционного тока при коммутации и использование управляемых выпрямителей для обеспечения плавного изменения крутящего момента двигателя. Кроме того, управляемые выпрямители блокируют протекание циркулирующего тока во время коммутации.
Плавное управление крутящим моментом достигается при работе от постоянного источника постоянного напряжения за счет включения управляемых выпрямителей. Управляемые выпрямители выключаются автоматически без принудительной коммутации.
Соответственно, целью настоящего изобретения является создание систем коллекторных двигателей постоянного тока, работающих от источника постоянного напряжения, где в дополнение к обычным компонентам двигателя, то есть возбуждению, якорю, коллектору и связанным с ними щеткам, используется комбинация управляемых диодов. выпрямители и токосъемные кольца используются для обеспечения готового пути для потока реактивной энергии, чтобы ограничить максимальное значение наведенного напряжения в обмотках двигателя при резких изменениях тока и заблокировать циркулирующий ток между сегментами коммутатора. Другой целью настоящего изобретения является создание системы коллекторного двигателя постоянного тока с использованием диода и управляемого выпрямителя для обеспечения плавно изменяемого крутящего момента двигателя.
Еще одной целью настоящего изобретения является использование гибкости конструкции двигателя, реализованной за счет комбинации коммутатора, диодов и управляемого выпрямителя, для разработки двигателей с меньшим количеством обмоток и сегментов коммутатора и с более простой конфигурацией обмоток по сравнению с обычными коммутаторами. моторы.
Еще одна цель настоящего изобретения заключается в дальнейшем использовании гибкости, предлагаемой для расширения рабочего диапазона двигателя, чтобы включить более широкий диапазон тока, крутящего момента, напряжения, скорости и, следовательно, более высокую мощность на единицу веса.
Дополнительные цели и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из следующего описания, в котором приведенные ниже фигуры иллюстрируют предпочтительный вариант осуществления.
На чертежах:
РИС. 1 представляет собой схему, иллюстрирующую один вариант этого изобретения, используемого в системе двигателя постоянного тока с независимым возбуждением для преодоления коммутации.
РИС. 2 представляет собой схему, иллюстрирующую другую версию изобретения, используемую в системе двигателя постоянного тока с независимым возбуждением для преодоления коммутации и обеспечения плавного управления мощностью и крутящим моментом.
РИС. 3 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую дополнительные детали схемы управления мощностью, используемой в системе двигателя по фиг. 2.
РИС. 4 представляет собой схему, иллюстрирующую вариант этого изобретения, используемого в системе двигателя постоянного тока с последовательным соединением для преодоления коммутации.
РИС. 5 представляет собой схему, иллюстрирующую другую версию этого изобретения, используемую в системе двигателя постоянного тока с последовательным соединением для устранения коммутации и обеспечения плавного управления мощностью и крутящим моментом.
РИС. 6 представляет собой схему, иллюстрирующую вариант этого изобретения, используемого в системе двигателя постоянного тока с постоянными магнитами для преодоления коммутации.
РИС. 7 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую другую версию этого изобретения, используемую в системе двигателя постоянного тока с постоянными магнитами для преодоления коммутации и обеспечения плавного управления крутящим моментом и мощностью.
РИС. 8 представляет собой схему, иллюстрирующую другой вариант этого изобретения, аналогичный системе двигателя постоянного тока с постоянными магнитами, показанной на фиг. 6, за исключением использования вращающегося поля постоянного магнита и стационарной обмотки якоря по сравнению со стационарным полем постоянного магнита и вращающейся обмоткой якоря, используемыми на фиг. 6.
РИС. 9 представляет собой схему, иллюстрирующую другой вариант этого изобретения, аналогичный системе двигателя постоянного тока с постоянными магнитами, показанной на фиг. 7, за исключением использования вращающегося поля постоянного магнита и стационарной обмотки якоря по сравнению со стационарным полем постоянного магнита и вращающейся обмоткой якоря, используемыми на фиг.
7.
РИС. 10 представляет собой упрощенную схематическую диаграмму, которая иллюстрирует некоторые возможные варианты расположения коллектора и щеток, используемых в системах двигателя, показанных на фиг. с 1 по 9.
Ссылки на чертежи и, в частности, на фиг. 1, на которой показана принципиальная схема двухполюсной системы двигателя постоянного тока с независимым возбуждением согласно настоящему изобретению. Более конкретно, система двигателя состоит в основном из стационарных обмоток возбуждения 51, 53, вращающихся обмоток якоря 60, вращающегося коммутатора 61 и связанных с ними неподвижных щеток, шести блокировочных диодов D 8 -D 13 , трех вращающихся токосъемных колец 62 и связанных с ними неподвижных щеток. , и двухполупериодный мостовой выпрямитель 63,
Обмотка якоря 60, состоит из трех обмоток А, В, С, соединенных треугольником. Коллектор состоит из трех вращающихся колец 37, 38, 39 и двух наборов диаметрально противоположных щеток, обозначенных цифрами 40, 41, 42 в первом наборе и 43, 44, 45 во втором наборе.
Коллекторные кольца имеют одинаковую конструкцию, каждое из которых имеет электропроводящий сегмент предпочтительно 120°, показанный заштрихованным, а остальная часть поверхности является непроводящей. Как показано на фиг. 1, токопроводящие сегменты трех колец коммутатора смещены на 120° по отношению к токопроводящим сегментам двух других колец коммутаторов, опережая одно на 120° и отставая от другого на 120°.
Три вывода обмоток якоря, обозначенные позициями 46, 47, 48, соединяются с токопроводящими сегментами соответствующих коммутаторных колец 37, 38, 39 проводниками 31, 34-32, 35-33, 36 соответственно.
Источник постоянного напряжения питает обмотку якоря через регулятор напряжения, (представлен для упрощения подвижным отводом 12), проводник 14, блокировочные диоды Д 8 , Д 9 , Д 10 , щетки 40, 41, 42, токопроводящие сегменты коммутаторных колец 37, 38, 39, обмотка якоря, токопроводящие отрезки коммутационных колец 37, 38, 39, щетки 43, 44, 45, блокировочные диоды Д 11 , Д 12 , Д 13 , проводник 15, минусовая клемма источника постоянного напряжения обозначена ссылочным номером 13.
Источник постоянного напряжения питает обмотки возбуждения через положительную клемму источника постоянного тока, обозначенного ссылочным номером 11, контроллер поля 49, проводник 50, обмотка возбуждения 51, проводник 52, обмотка возбуждения 53 , проводник 16 и отрицательный полюс источника постоянного напряжения, обозначенный ссылочной позицией 13.
Вспомогательный путь для реактивной и регенеративной энергии обеспечивается контактными кольцами и двухполупериодным мостовым выпрямителем. Три контактных кольца и связанные с ними три щетки обозначены ссылочными номерами 28, 29, 30 и 25, 26, 27 соответственно. Каждая щетка находится в электрическом контакте с соответствующим контактным кольцом по всей поверхности кольца. Контактные кольца 28, 29, 30 соединены с выводами 46, 47, 48 обмотки якоря проводниками 31, 32, 33 соответственно.
Мостовой выпрямитель состоит из шести диодов Д 1 , Д 2 , Д 3 , Д 4 , Д 5 , Д 6 .
Место соединения диодов Д 1 , Д 2 , Д 3 подключено через проводник 17 и 14 к подвижному отводу 12 источника постоянного напряжения. Место соединения диодов Д 4 , Д 5 , Д 6 соединено проводниками 18 и 15 с отрицательным выводом 13 источника постоянного напряжения. Места соединения диодов Д 3 D 6 , D 2 D 5 и D 1 D 4 соединены с контактными щетками 25, 26, 27 соответственно.
Шесть диодов D 8 , D 9 , D 10 , D 11 , D 12 , D 13 , блокируют ток между мутаторами 3, 93 . они обеспечивают готовый путь для протекания тока от источника 10 напряжения к каждому коммутатору. Мостовой выпрямитель ограничивает наведенное напряжение на обмотке двигателя.
РИС. 2 представляет собой другой вариант этого изобретения, который идентичен фиг. 1, за исключением замены трех блокировочных диодов Д 8 , Д 9 , Д 10 на три управляемых выпрямителя SCR 1 , SCR 2 , SCR 3 соответственно.
Управляемые выпрямители, как и в случае с диодами, блокируют протекание циркулирующего тока между коммутаторами. Они также обеспечивают дополнительную функцию управления потоком мощности на якорь и, таким образом, управления крутящим моментом двигателя. Это может быть достигнуто с помощью запускающих сигналов, подаваемых на управляющие выпрямители, обеспечиваемые контроллером. Существует множество схем запуска, которые можно использовать для стробирования управляемых выпрямителей. Более конкретно, схемы запуска, подобные тем, которые используются для трехфазных выпрямителей и известны специалистам в данной области техники, могут использоваться с некоторыми модификациями. Например, последовательность запуска для данного изобретения может быть синхронизирована с угловым положением вала двигателя аналогично синхронизации запуска трехфазного выпрямителя с частотой и чередованием фаз трехфазного напряжения питания 60 гц/с. Естественной коммутации может быть достаточно для выключения управляемых выпрямителей по данному изобретению.
Однако желательно обеспечить отрицательное смещение, чтобы обеспечить быстрое восстановление управляемого выпрямителя.
РИС. 3 показана схема двигателя по фиг. 2, включающий контроллер SCR, обозначенный ссылочной позицией 64, который обеспечивает необходимые триггеры для SCR. Контроллер активируется выходным сигналом датчика положения вала двигателя, обозначенного ссылочной позицией 65. Контроллер выдает три запускающих сигнала T 1 , T 2 , T 3 до SCR 1 , SCR 2 , SCR 3 соответственно. Три запускающих сигнала синхронизированы с относительным положением вала двигателя и смещены на 120 электрических градусов друг относительно друга. Угол проводимости каждого запускающего сигнала варьируется от нуля до предпочтительно 120°. Сигнал управления постоянным током V c изменяется от нуля до максимального заданного значения, применяется к контроллеру и изменяет угол проводимости всех триггерных сигналов одновременно от нуля до максимального значения.
Таким образом, изменяя управляющее напряжение от нуля до максимального значения, подачу мощности на двигатель и, следовательно, крутящий момент двигателя можно плавно изменять от нуля до максимального значения. ИНЖИР. 3 также показан пример отрицательного смещения, которое можно использовать для обеспечения быстрого восстановления SCR во время интервалов отсутствия проводимости. Отрицательное смещение подается от источника постоянного напряжения V с высоким внутренним сопротивлением R. Отрицательное смещение подается на катоды управляемых выпрямителей SCR 9.0479 1 , SCR 2 , SCR 3 через высокие сопротивления R 1 , R 2 , R 3 соответственно. Высокие значения используемых сопротивлений делают рассеяние в цепи смещения незначительным. Схема смещения на фиг. 3, показан в качестве примера. Можно использовать и другие схемы смещения. Например, источник смещения может питаться от выпрямленного выхода вторичной обмотки генератора Ройера, питаемого от основного источника 10 напряжения.
РИС. 4 представляет собой схему, иллюстрирующую вариант этого изобретения, в котором комбинация коммутатора, токосъемных колец и диодов встроена в двухполюсный двигатель постоянного тока. В этой двигательной системе якорь и возбуждение соединены последовательно и питаются от источника постоянного напряжения через регулятор напряжения (представлен для упрощения подвижным отводом 12), проводник 14, обмотка возбуждения 51, проводник 52, обмотка возбуждения 53, жила 16, диоды Д 8 , Д 9 , Д 10 , щетки коллекторные 40, 41, 42, токопроводящие отрезки колец коллектора 37, 38, 39, обмотка якоря, токопроводящие отрезки отрезков коллекторных 37, 38, 39, щетки коллекторные 43 , 44, 45, диоды Д 11 , Д 12 , Д 13 , проводник 15 и отрицательный вывод источника постоянного напряжения, обозначенный поз. поле, чтобы обеспечить путь для тока поля во время прерываний поля коммутатором. За исключением этих различий, двигательная система на фиг.
4 и фиг. 1 подобны, где одинаковые ссылочные позиции используются для обозначения аналогичных компонентов.
РИС. 5 представляет собой другой вариант этого изобретения, который идентичен фиг. 4, за исключением замены трех диодов D 8 , D 9 , D 10 на три управляемых выпрямителя SCR 1 , SCR 2 , SCR 3 соответственно и соответствующего контроллера. Управляемый выпрямитель, как и в схеме фиг. 2, обеспечивает дополнительную функцию плавного управления потоком мощности на якорь и, таким образом, крутящим моментом двигателя.
РИС. 6 представляет собой схему, иллюстрирующую вариант этого изобретения, в котором комбинация коммутатора, токосъемных колец и диодов встроена в двухполюсный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами. За исключением замены обмоток возбуждения постоянными магнитами P, двигательная система на фиг. 6, идентична моторной системе на фиг. 1, где одинаковые ссылочные позиции используются для обозначения идентичных компонентов.
Кроме того, функции коммутатора, токосъемного кольца и комбинации диодов идентичны в двух моторных системах.
РИС. 7 представляет собой другой вариант этого изобретения, который идентичен фиг. 6, за исключением замены трех диодов D 8 , D 9 , D 10 на три управляемых выпрямителя SCR 1 , SCR 2 , SCR 3 соответственно и соответствующего контроллера. Управляемые выпрямители, как и в схеме на фиг. 2, обеспечивает дополнительную функцию плавного управления потоком мощности на якорь и, таким образом, крутящим моментом двигателя.
РИС. 8 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую модификацию системы двигателя постоянного тока с постоянными магнитами по фиг. 6, описанный выше. В этой модифицированной версии используются вращающийся магнит с постоянным полем и стационарная обмотка якоря по сравнению со стационарным магнитом с постоянным полем и вращающейся обмоткой якоря, используемыми в системе двигателя на фиг.
6. Вращающийся постоянный магнит с северным и южным полюсами обозначен ссылочной цифрой 80, а стационарная обмотка якоря обозначена ссылочной цифрой 60. Обмотка якоря, как и в предыдущем случае, состоит из трех обмоток, А, В, С соединен в треугольник. Концевые выводы обмотки якоря, обозначенные позициями 46, 47, 48, электрически соединены с контактными щетками 25, 26, 27 вместо контактных колец 28, 29., 30 в предыдущей системе. За исключением этих изменений, две двигательные системы на фиг. 8 и фиг. 6 аналогичны, если одинаковые цифры и буквы обозначают одинаковые компоненты. Кроме того, электрические схемы двух моторных систем эквивалентны, и поэтому принцип работы двух моторных систем аналогичен.
РИС. 9 представляет собой другой вариант этого изобретения, который идентичен фиг. 8, кроме замены трех диодов Д 8 , Д 9 , Д 10 тремя управляемыми выпрямителями SCR 1 , SCR 2 , SCR 3 соответственно и соответствующим контроллером.
Управляемый выпрямитель, как и в схеме фиг. 2, обеспечивает дополнительную функцию плавного управления потоком мощности на якорь и, следовательно, крутящим моментом двигателя.
РИС. 10 показывает более подробно коммутатор, используемый в системе двигателя по фиг. с 1 по 9. Фиг. 10а изображен упрощенный трехмерный вид коммутатора, а на фиг. 10b изображен вид сбоку коммутатора. Как было сказано выше, коллектор состоит из трех вращающихся колец 37, 38, 39.установленные на валу двигателя, и два набора стационарных щеток, каждый из которых состоит из трех щеток, обозначенных ссылочными номерами 40, 41, 42 и 43, 44, 45 соответственно.
Три коллекторных кольца имеют одинаковую конструкцию, каждое из которых имеет заштрихованный проводящий сегмент с угловой шириной 120°, а остальная часть поверхности является непроводящей. Три проводящих сегмента коммутатора смещены на 120° ровно по отношению к двум другим сегментам, опережая один на 120° и отставая от другого на 120°.
Все щетки механически установлены и поддерживаются узлом щеткодержателя, обозначенным буквой H, таким образом, что два комплекта из трех щеток прижимаются к диаметрально противоположным сторонам коллекторных колец, как показано на РИС.
10. Узел держателя щеток включает в себя соответствующую изоляцию для отдельных щеток и включает в себя соответствующий механизм для смещения всей системы щеток на любой требуемый угол (φ) в любую сторону от расчетной рабочей оси (XX), показанной на ФИГ. 10. То есть можно получить опережающее или отстающее положение щетки относительно расчетной оси для оптимизации работы двигателя.
Хотя угловая ширина 120° была указана для токопроводящих сегментов коллекторных колец системы двигателя на ФИГ. 1-9, для улучшения работы двигателя можно использовать другую угловую ширину, немного отличающуюся от 120°.
Следует отметить, что упрощенное схематическое изображение коммутатора и связанного с ним узла держателя щеток на ФИГ. 10, предназначен только для иллюстрации принципа действия и не должен интерпретироваться каким-либо образом как указание на предпочтительную конструкцию или фактическое расположение компонентов. Можно использовать несколько типов конфигураций держателей щеток, известных специалистам в данной области техники.
Хотя принцип этого изобретения обсуждался в девяти конфигурациях ФИГ. 1-9, это никоим образом не означает ограничение применения принципа другими конфигурациями систем двигателей постоянного тока. Например, в каждой из трех описанных систем двигателя вместо определенной обмотки, соединенной треугольником, можно использовать обмотку якоря, соединенную звездой. Кроме того, каждая из систем двигателя может работать как генератор, где вспомогательный путь для реактивной энергии преодолевает проблемы коммутации аналогично работе двигателя.
Следует отметить, что это описание патента не охватывает все вторичные компоненты, очевидные для специалистов в данной области техники и необходимые для нормальной работы двигательных систем. К ним относятся, например, супрессоры для защиты диодов и управляемых выпрямителей, индуктивности для ограничения быстрого нарастания тока и другие вторичные компоненты.
Хотя раскрытые здесь варианты осуществления настоящего изобретения представляют собой предпочтительные формы, следует понимать, что могут быть приняты и другие формы.