Site Loader

Содержание

Сила тока насыщения формула

Вольт-амперная характеристика фотоэлемента – зависимость фототока I, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения U между электродами.

Вольт-амперная характеристика, соответствующая двум различным освещенностям катода( частота света в обоих случаях одинакова), приведена на рисунке выше. По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение тока – фототок насыщения – определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:

Где n – число электронов, испускаемых катодом за 1 с.

Из вольт-амперной характеристики следует, что при U = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью

v, а значит, и отличной от нуля кинетической энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля. Для того чтобы фототок стал равным пулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U. При U = U ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью vmax, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,

Т.е., измерив задерживающее напряжение U, можно определить максимальные значения скорости кинетической энергии фотоэлектронов.

Экспериментально показано, что задерживающий потенциал зависит от частоты света, которым облучают катод фотоэлемента, и не зависит от величины падающего светового потока. При увеличении частоты облучающего света задерживающий потенциал возрастает

Зависимость силы фототока от приложенной разности потенциалов при освещении катода светом различной частоты при одинаковом числе вырванных электронов (v2> v1> v)

На опыте обнаружено, что кинетическая энергия вырываемых светом электронов зависит только от частоты падающего света и не зависит от величины светового потока. Если частота света меньше определенной для данного вещества минимальной частоты v, то фотоэффекта не происходит. Частоту

v называют красной границей фотоэффекта. Задерживающий потенциал, соответствующий красной границе фотоэффекта, равен нулю.

Краткий итог: фототок насыщения зависит только от интенсивности, а запирающее напряжение U зависит от кинетической энергии вырываемых светом электронов, в свою очередь кинетическая энергия зависит только от частоты света.

47. Работа выхода при внешнем фотоэффекте, красная граница фотоэффекта.

По Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности света (I закон фотоэффекта). Безынерционность фотоэффекта объясняется тем, что передача энергии при столкновении фотона с электроном происходит почти мгновенно.

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии . По закону сохранения энергии,

(1)

Уравнение (1) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить II и III законы фотоэффекта. Из (1) непосредственно следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона линейно растет с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности (числа фотонов), так как ни A, ни v от интенсивности света не зависят (II закон фотоэффекта). Так как с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (для данного металла А=const), то при некоторой достаточно малой частоте

v = v кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю и фотоэффект прекратится (III закон фотоэффекта). Согласно изложенному, из (1) получим, что

(2)

и есть красная граница фотоэффекта для данного металла. Она зависит лишь от работы выхода электрона, т.е. от химической природы вещества и состояния его поверхности. Выражение (1) можно записать в виде

Вольт-амперная характеристика фотоэлемента – зависимость фототока I, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения U между электродами.

Вольт-амперная характеристика, соответствующая двум различным освещенностям катода( частота света в обоих случаях одинакова), приведена на рисунке выше. По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение тока – фототок насыщения – определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:

Где n – число электронов, испускаемых катодом за 1 с.

Из вольт-амперной характеристики следует, что при U = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью

v, а значит, и отличной от нуля кинетической энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля. Для того чтобы фототок стал равным пулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U. При U = U ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью vmax, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,

Т.е., измерив задерживающее напряжение U, можно определить максимальные значения скорости кинетической энергии фотоэлектронов.

Экспериментально показано, что задерживающий потенциал зависит от частоты света, которым облучают катод фотоэлемента, и не зависит от величины падающего светового потока. При увеличении частоты облучающего света задерживающий потенциал возрастает

Зависимость силы фототока от приложенной разности потенциалов при освещении катода светом различной частоты при одинаковом числе вырванных электронов (v2> v1> v)

На опыте обнаружено, что кинетическая энергия вырываемых светом электронов зависит только от частоты падающего света и не зависит от величины светового потока. Если частота света меньше определенной для данного вещества минимальной частоты v, то фотоэффекта не происходит. Частоту

v называют красной границей фотоэффекта. Задерживающий потенциал, соответствующий красной границе фотоэффекта, равен нулю.

Краткий итог: фототок насыщения зависит только от интенсивности, а запирающее напряжение U зависит от кинетической энергии вырываемых светом электронов, в свою очередь кинетическая энергия зависит только от частоты света.

47. Работа выхода при внешнем фотоэффекте, красная граница фотоэффекта.

По Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности света (I закон фотоэффекта). Безынерционность фотоэффекта объясняется тем, что передача энергии при столкновении фотона с электроном происходит почти мгновенно.

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии . По закону сохранения энергии,

(1)

Уравнение (1) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить II и III законы фотоэффекта. Из (1) непосредственно следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона линейно растет с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности (числа фотонов), так как ни A, ни v от интенсивности света не зависят (II закон фотоэффекта). Так как с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (для данного металла А=const), то при некоторой достаточно малой частоте

v = v кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю и фотоэффект прекратится (III закон фотоэффекта). Согласно изложенному, из (1) получим, что

(2)

и есть красная граница фотоэффекта для данного металла. Она зависит лишь от работы выхода электрона, т.е. от химической природы вещества и состояния его поверхности. Выражение (1) можно записать в виде

Сила – ток – насыщение

Сила тока насыщения , как видно из формулы, численно равна заряду ионов одного знака, образующемуся иод действием ионизатора между обкладками конденсатора за единицу времени. [1]

Сила тока насыщения оказалась строго пропорциональной световому потоку. [2]

Сила тока насыщения равна заряду ионов, образуемых ионизатором за секунду в объеме газоразрядной трубки. [3]

Найти силу тока насыщения между пластинами конденсатора, если под действием ионизатора в каждом кубическом сантиметре пространства между пластинами конденсатора образуется я 108 пар ионов, каждый из которых несет один элементарный заряд. [4]

Найти силу тока насыщения в ионизационной камере, площадь электродов которой 100 см2, а расстояние между ними 6 2 см. Ионизатор образует в 1 см3 камеры ежесекундно 109 одновалентных ионов каждого знака. [5]

Значит, сила тока насыщения / NSdq, где q – заряд одного иона. [6]

Как изменится сила тока насыщения , если при неизменном действии ионизатора сблизить пластины. [7]

Таким образом, сила тока насыщения очень сильно зависит от работы выхода и температуры, поскольку эти величины входят в экспоненту. Одновременно желательно, чтобы их работа выхода была как можно меньше. Например, чистый вольфрам, работа выхода которого 4 5 эВ, должен эксплуатироваться при температуре 2500 К. Затем катод активируется при пропускании через него термоионного тока при температуре катода около 1300 К. В результате образуется моноатомный слой щелочноземельных атомов, значительно понижающий работу выхода. Например, бариево-стронци-евые оксидные катоды имеют работу выхода около 1 8 эВ, благодаря чему значительные токи удается получить уже при температуре около 1100 К. Слой бариево-стронциевого окисла наносится обычно на никелевую трубку, внутри которой в качестве нагревателя используется вольфрамовая нить. Такая конструкция имеет дополнительное преимущество по сравнению с использованием нагретой вольфрамовой нити в качестве катода, поскольку в последнем случае вдоль нити возникает значительное падение потенциала и ее поверхность не будет эквипотенциальной. В оксидном катоде слой окислов является эквипотенциальной поверхностью, что улучшает весьма существенно условия работы катода в целом. [8]

При изменении интенсивности света сила тока насыщения / н также изменяется, но, как показали опыты, задерживающее напряжение U3 остается неизменным. С точки зрения волновых представлений о свете этот факт необъясним. Ведь чем больше интенсивность света, тем большие силы действуют на электроны в освещенном металле и тем большая энергия должна, казалось бы, передаваться светом электронам. [9]

С увеличением температуры катода сила тока насыщения быстро возрастает. [10]

Опыты показывают, что сила тока насыщения возрастает чрезвычайно быстро с увеличением температуры катода. [12]

Опыты показали, что п Ж и сила тока насыщения очень быстро возрастают с увеличением температуры катода. [13]

На основании сказанного можно считать, что сила тока насыщения / н численно равна заряду всех электронов, испускаемых в единицу времени данным катодом при данной температуре. [15]

Теория фотоэффекта. Фотоэффект. — Объяснение нового материала

Комментарии преподавателя

Опыты А. Столетова. Явление фотоэффекта

Макс Планк выдвинул гипотезу о дискретной природе света. Эта явление было подтверждено исследованиями, которые проводил Генрих Герц. Такое явление получило название – явление фотоэффекта.

Изучил экспериментально и сформулировал законы фотоэффекта русский физик Александр Григорьевич Столетов (Рис. 1).

Рис. 1. Александр Григорьевич Столетов

Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света.

Внутренний фотоэффект – это эффект, при котором оторванные от своих атомов электроны остаются внутри вещества и становятся свободными. Такой фотоэффект можно наблюдать в полупроводниках и некоторых диэлектриках.

Для того чтобы получить о фотоэффекте более полное представление, нужно выяснить:

1. От чего зависит число вырванных светом с поверхности вещества электронов (фотоэлектронов),

2. Чем определяется их скорость или кинетическая энергия.

Были проведены экспериментальные исследования (Рис. 2).

Рис. 2. Опыт Столетова

В стеклянный баллон, из которого был выкачан воздух, помещаются два электрода. На один из электродов поступает свет через кварцевое окошко, прозрачное не только для видимого света, но и для ультрафиолетового. На электроды подается напряжение, которое можно менять с помощью потенциометра и измерять вольтметром. К освещаемому электроду подключают отрицательный полюс батареи. Под действием света этот электрод испускает электроны, которые образуют электрический ток. При малых напряжениях не все вырванные светом электроны достигают другого электрода. Если, не меняя интенсивности излучения, увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока возрастает. При некотором значении напряжения она достигает максимального значения, после чего перестает увеличиваться.  

Ток насыщения – максимальное значение силы тока. Ток насыщения определяется числом электронов, испущенных за 1 секунду освещаемым электродом (Рис. 3).

Изменяя интенсивность излучения, удалось установить, что сила тока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения, падающего на поверхность тела. При увеличении интенсивности излучения источника света в два раза, сила тока насыщения тоже увеличивается в два раза.

Рис. 3. Ток насыщения

Первый закон Столетова:

Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 секунду, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.

 Из эксперимента видно, что величина силы фототока отлична от нуля и при нулевом значении напряжения (Рис. 4). Это значит, что часть вырванных светом фотоэлектронов достигает анода и при отсутствии напряжения.

Рис. 4. Величина силы фототока

Если изменить полярность батареи, то сила тока будет уменьшаться, и при некотором напряжении обратной полярности она станет равна нулю (Рис. 5).

Рис. 5. Опыт Столетова при обратной полярности

Это значит, что электрическое поле тормозит вырванные электроны до полной остановки, а затем возвращает их на электрод. Такое напряжение – задерживающее напряжение (Рис. 6).

Рис. 6. Задерживающее напряжение

Измеряя задерживающее напряжение и применяя теорему о кинетической энергии, можно найти значение кинетической энергии фотоэлектронов:

При изменении интенсивности света задерживающее напряжение не меняется. Это значит, что не меняется кинетическая энергия фотоэлектронов.

На опытах было обнаружено, что кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от частоты света.

Второй закон Столетова:

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности (Рис. 7).

Рис. 7. График увеличения  кинетической энергии

Если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты, то фотоэффект не наблюдается, достигается красная граница фотоэффекта.

Красная граница фотоэффекта – это минимальная частота света для данного вещества, при которой наблюдается явление фотоэффекта.

Второй закон Столетова совершенно не объясним. При увеличении интенсивности света на электроны должна действовать большая сила, а следовательно, фотоэлектроны должны получать большую энергию, но на самом деле этого не происходит.

Объяснить теоретически эти экспериментальные законы смог Альберт Эйнштейн, применив к ним гипотезу Макса Планка.

 

Использованные источники:

  • https://www.youtube.com/watch?v=lplG02G4Ceg
  • https://www.youtube.com/watch?v=rFKxtj8wnRQ
  • https://www.youtube.com/watch?v=OGT_rcpbvDI

 

Сила — ток — насыщение

Сила — ток — насыщение

Cтраница 3

Воздух между двумя пластинами конденсатора ионизируется. Сила тока насыщения между ними равна 2 10 — 10 А. Площадь каждой из пластин 100 см2, расстояние между ними 0 5 см. Определите число пар ионов, образующихся за 1 с в 1 см3 воздуха.  [31]

Из этой кривой видно, что при некотором не очень большом напряжении фототек достигает насыщения — все электроны, испущенные катодом, попадают на анод. Следовательно, сила тока насыщения / н определяется количеством электронов, испускаемых катодом в единицу времени под действием света.  [32]

Из этой кривой видно, что при некотором не очень большом напряжении фототок достигает насыщения — все электроны, испущенные катодом, попадают на анод. Следовательно, сила тока насыщения / определяется количеством электронов, испускаемых катодом в единицу времени под действием света.  [34]

Оно непосредственно определяет силу тока насыщения накаленного катода.  [35]

Тщательно выполненные измерения показывают, что сила тока насыщения строго пропорциональна световому потоку, поглощенному металлом. Так как интенсивность поглощенного в металлах света пропорциональна интенсивности падающего, то основной закон фотоэффекта можно сформулировать так: сила фототока насыщения прямо пропорциональна падающему световому потоку.  [36]

Когда потенциал анода становится настолько большим, что все электроны, испускаемые катодом за каждую единицу времени, попадают на анод, ток достигает своего максимального значения и перестает зависеть от анодного напряжения. Плотность тока насыщения js, т.е. сила тока насыщения на каждую единицу поверхности катода, характеризует эмиссионную способность катода, которая зависит от природы катода и его температуры.  [37]

Тщательно выполненные измерения показывают, что сила тока насыщения строго пропорциональна световому потоку, поглощенному металлом. Так как интенсивность поглощенного в металлах света пропорциональна интенсивности падающего, то основной закон фотоэффекта можно сформулировать так: сила фототока насыщения прямо пропорциональна падающему световому потоку.  [38]

Биполярный транзистор описан в ППП в соответствии с моделью Эберса — Молла. Модель описывается 15 параметрами: IS — сила тока насыщения эмиттерного перехода; VT — тепловой потенциал перехода; N1 — сила тока насыщения коллекторного перехода; NV — постоянная эмиссии перехода база — коллектор; TF и TR — среднее время пролета носителей через базу при нормальном и инверсном включениях; СЕ и СС — барьерная емкость эмиттерного и коллекторного переходов; FI — контактная разность потенциалов; GA — показатель степени в выражении для барьерной емкости; GZ — выходная проводимость при нулевом смещении; NQ — коэффициент пропорциональности в выражении для выходной проводимости; AF и AR — коэффициенты усиления силы тока в нормальном и инверсном включениях; GS — максимальная проводимость перехода.  [39]

Явление флуоресценции мы подробнее рассмотрим в § 15.8.) Для измерения интенсивности рентгеновских лучей используются главным образом их фотохимическое и ионизирующее действия. В специальных ионизационных камерах интенсивность рентгеновского излучения измеряется по величине силы тока насыщения, возникшего в результате ионизации газа, заключенного в камере. Сила этого тока пропорциональна интенсивности рентгеновского излучения.  [40]

Такого рода весьма сильные несамостоятельные разряды обладают следующей особенностью: при данном напряжении сила электрического тока, проходящего через газ, пропорциональна числу первичных ионов, создаваемых внешним ионизатором в единицу времени. Отношение силы такого, как говорят, газоусиленного тока к силе тока насыщения, создаваемого первичной ионизацией, может достигать сотен и тысяч. Это свойство разряда используется при создании измерителей ионизации — пропорциональных усилителей ( см. стр.  [41]

Поскольку батарея и резистор подают постоянный ток, сила которого гораздо меньше, чем сила тока насыщения эмиссии, диод сам автоматически настраивается на режим замедляющего потенциала. Кроме того, при последующей адсорбции, когда возникает поверхностный потенциал, внешнее напряжение на диоде должно само изменяться таким образом, чтобы электрическое поле между лентами оставалось постоянным. Таким образом, показания наружной системы измерения автоматически следуют за изменениями поверхностного потенциала.  [43]

Биполярный транзистор описан в ППП в соответствии с моделью Эберса — Молла. Модель описывается 15 параметрами: IS — сила тока насыщения эмиттерного перехода; VT — тепловой потенциал перехода; N1 — сила тока насыщения коллекторного перехода; NV — постоянная эмиссии перехода база — коллектор; TF и TR — среднее время пролета носителей через базу при нормальном и инверсном включениях; СЕ и СС — барьерная емкость эмиттерного и коллекторного переходов; FI — контактная разность потенциалов; GA — показатель степени в выражении для барьерной емкости; GZ — выходная проводимость при нулевом смещении; NQ — коэффициент пропорциональности в выражении для выходной проводимости; AF и AR — коэффициенты усиления силы тока в нормальном и инверсном включениях; GS — максимальная проводимость перехода.  [44]

Полный ток через p — n — переход окапывается суммой электронных и дырочных токов. Если внешняя разность потенциалов приложена в запорном направлении, то с увеличением ф сила тока в цепи стремится к предельному току насыщения, который достигается при ф — 0 1 В. Сила тока насыщения определяется потоком сквозь контактный слой неосновных носителей тока, образующихся в одну секунду по обе стороны контактного слоя. Концентрация неосновных носителей тока в полупроводниках невелика, поэтому ток насыщения невелик. В запорном направлении p — n — нереход практически не пропускает электрического тока.  [45]

Страницы:      1    2    3    4

НАЧАЛА ФИЗИКИ


где d — расстояние от поверхности электрода, на которое может удалиться электрон в задерживающем однородном электрическом поле; eEd — работа задерживающего электрического поля; e = 1,6·10−19 Кл — абсолютная величина заряда электрона (работа поля отрицательна, поскольку сила направлена противоположно скорости электронов). Отсюда

Пример 35.5.Определите силу тока насыщения для вакуумного фотоэлемента с цезиевым катодом. Поток световой энергии, падающей на фотоэлемент P = 1·10−3 Вт. Задерживающее напряжение для этого излучения U = 0,07 В, красная граница фотоэффекта для цезия λ0 = 650 нм. Считать, что каждый падающий на катод фотон вызывает появление фотоэлектрона.

Рис. 35.1

Решение. Фотоэлементом называется устройство, в котором ток возникает только под действием света. Вакуумный фотоэлемент представляет собой вакуумную лампу с впаянными в нее электродами, к которым приложено некоторое напряжение (рис. 35.1). Естественно в обычных условиях ток в такой цепи не течет, поскольку в вакууме нет свободных носителей заряда. Если же отрицательно заряженный электрод (катод) осветить, то из-за фотоэффекта в промежутке между катодом и анодом появятся электроны. Благодаря существованию электрического поля в области между катодом и анодом электроны будут направляться к аноду и в цепи возникнет электрический ток. Однако часть фотоэлектронов будут попадать на стенки лампы и вклад в ток в цепи не давать. При увеличении напряжения на лампе все большая часть фотоэлектронов будет попадать на анод, и ток будет возрастать. Однако при некотором значении напряжения все фотоэлектроны попадут на анод. Тогда дальнейшее увеличение напряжения не приведет к увеличению тока — возникнет ток насыщения. Найдем величину этого тока.

541/597

Урок 22. фотоэффект — Физика — 11 класс

Физика, 11 класс

Урок 22. Фотоэффект

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

  • предмет и задачи квантовой физики;
  • гипотеза М. Планка о квантах;
  • опыты А.Г. Столетова;
  • определение фотоэффекта, кванта, тока насыщения, задерживающего напряжения, работы выхода, красной границы фотоэффекта;
  • уравнение Эйнштейна для фотоэффекта;
  • законы фотоэффекта.

Глоссарий по теме:

Квантовая физика — раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения.

Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света.

Квант — (от лат. quantum — «сколько») — неделимая порция какой-либо величины в физике.

Ток насыщения — некоторое предельное значение силы фототока.

Задерживающее напряжение — минимальное обратное напряжение между анодом и катодом, при котором фототок равен нулю.

Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл. которую нужно сообщить электрону, для того чтобы он мог преодолеть силы, удерживающие его внутри металла.

Красная граница фотоэффекта – это минимальная частота или максимальная длина волны света излучения, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 259 – 267.

2. Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.- М.:Дрофа,2009. – С. 153 – 158.

3. Элементарный учебник физики. Учебное пособие в 3 т./под редакцией академика Ландсберга Г. С.: Т.3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. – 12-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. С. 422 – 429.

4. Тульчинский М. Е. Качественные задачи по физике в средней школе. Пособие для учителей. Изд. 4-е, переработ. и доп. М. «Просвещение», 1972. С. 157.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В начале 20-го века в физике произошла величайшая революция. Попытки объяснить наблюдаемые на опытах закономерности распределения энергии в спектрах теплового излучения оказались несостоятельными. Законы электромагнетизма Максвелла неожиданно «забастовали». Противоречия между опытом и практикой были разрешены немецким физиком Максом Планком.

Гипотеза Макса Планка: атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте ν излучения света: E = hν.

Коэффициент пропорциональности получил название постоянной Планка, и она равна:

h = 6,63 ∙ 10-34 Дж∙с.

После открытия Планка начала развиваться самая современная и глубокая физическая теория – квантовая физика.

Квантовая физика — раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения.

Поведение всех микрочастиц подчиняется квантовым законам. Но впервые квантовые свойства материи были обнаружены именно при исследовании излучения и поглощения света.

В 1886 году немецкий физик Густав Людвиг Герц обнаружил явление электризации металлов при их освещении.

Явление вырывания электронов из вещества под действием света называется внешним фотоэлектрическим эффектом.

Законы фотоэффекта были установлены в 1888 году профессором московского университета Александром Григорьевичем Столетовым.

Схема установки для изучения законов фотоэффекта

Первый закон фотоэффекта: фототок насыщения — максимальное число фотоэлектронов, вырываемых из вещества за единицу времени, — прямо пропорционален интенсивности падающего излучения.

Зависимость силы тока от приложенного напряжения

Увеличение интенсивности света означает увеличение числа падающих фотонов, которые выбивают с поверхности металла больше электронов.

Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения.

Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует граничная частота такая, что излучение меньшей частоты не вызывает фотоэффекта, какой бы ни была интенсивность падающего излучения. Эта минимальная частота излучения называется красной границей фотоэффекта.

min = Aв

где Ав – работа выхода электронов;

h – постоянная Планка;

νmin — частота излучения, соответствующая красной границе фотоэффекта;

с – скорость света;

λкр – длина волны, соответствующая красной границе.

Фотоэффект практически безынерционен: фототок возникает одновременно с освещением катода с точностью до одной миллиардной доли секунды.

Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл.

Для большинства веществ фотоэффект возникает только под действием ультрафиолетового облучения. Однако некоторые металлы, например, литий, натрий и калий, испускают электроны и при облучении видимым светом.

Известно, что фототоком можно управлять, подавая на металлические пластины различные напряжения. Если на систему подать небольшое напряжение обратной полярности, «затрудняющее» вылет электронов, то ток уменьшится, так как фотоэлектронам, кроме работы выхода, придется совершать дополнительную работу против сил электрического поля.

Задерживающее напряжение — минимальное обратное напряжение между анодом и катодом, при котором фототок равен нулю.

Задерживающее напряжение

Максимальная кинетическая энергия электронов выражается через задерживающее напряжение:

где — максимальная кинетическая энергия электронов;

Е – заряд электрона;

– задерживающее напряжение.

Теорию фотоэффекта разработал Альберт Эйнштейн. На основе квантовых представлений Эйнштейн объяснил фотоэффект. Электрон внутри металла после поглощения одного фотона получает порцию энергии и стремится вылететь за пределы кристаллической решетки, т.е. покинуть поверхность твердого тела. При этом часть полученной энергии он израсходует на совершение работы по преодолению сил, удерживающих его внутри вещества. Остаток энергии будет равен кинетической энергии:

В 1921 году Альберт Эйнштейн стал обладателем Нобелевской премии, которая, согласно официальной формулировке, была вручена «за заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта».

Если фотоэффект сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией, а вылетающие электроны — фотоэлектронами. Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним.

Примеры и разбор решения заданий

1. Монохроматический свет с длиной волны λ падает на поверхность металла, вызывая фотоэффект. Фотоэлектроны тормозятся электрическим полем. Как изменятся работа выхода электронов с поверхности металла и запирающее напряжение, если уменьшить длину волны падающего света?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1) увеличится

2) уменьшится

3) не изменится

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Работа выхода

Запирающее напряжение

Решение:

Работа выхода — это характеристика металла, следовательно, работа выхода не изменится при изменении длины волны падающего света.

Запирающее напряжение — это такое минимальное напряжение, при котором фотоэлектроны перестают вылетать из металла. Оно определяется из уравнения:

Следовательно, при уменьшении длины волны падающего света, запирающее напряжение увеличивается.

Ответ:

Работа выхода

Запирающее напряжение

не изменится

увеличится

2. Красная граница фотоэффекта для вещества фотокатода λ0 = 290 нм. При облучении катода светом с длиной волны λ фототок прекращается при напряжении между анодом и катодом U = 1,5 В. Определите длину волны λ.

Решение.

Запишем уравнение для фотоэффекта через длину волны:

Условие связи красной границы фотоэффекта и работы выхода:

Запишем выражение для запирающего напряжения – условие равенства максимальной кинетической энергии электрона и изменения его потенциальной энергии при перемещении в электростатическом поле:

Решая систему уравнений (1), (2), (3), получаем формулу для вычисления длины волны λ:

Подставляя численные значения, получаем: λ ≈ 215 нм.

Ответ: λ ≈ 215 нм.

ТОК НАСЫЩЕНИЯ — это… Что такое ТОК НАСЫЩЕНИЯ?

ТОК НАСЫЩЕНИЯ

ТОК НАСЫЩЕНИЯ — некоторое предельное значение силы тока, создаваемого в электронной лампе всеми эмиттируемыми катодом электронами (см. термоэлектронная эмиссия).

Большая политехническая энциклопедия. — М.: Мир и образование. Рязанцев В. Д.. 2011.

  • ТОК НАКАЛА
  • ТОК ОБРАТНЫЙ

Смотреть что такое «ТОК НАСЫЩЕНИЯ» в других словарях:

  • ток насыщения — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN saturation currentvoltage saturation current …   Справочник технического переводчика

  • ток насыщения — soties srovė statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. saturation current vok. Sättigungsstrom, m rus. ток насыщения, m pranc. courant de saturation, m …   Automatikos terminų žodynas

  • ток насыщения — soties srovė statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. saturation current vok. Sättigungsstrom, m rus. ток насыщения, m pranc. courant de saturation, m …   Fizikos terminų žodynas

  • ток насыщения токовой камеры — Ток в цепи собирающего электрода токовой камеры, соответствующий напряжению насыщения. [ГОСТ 19189 73] Тематики детекторы ионизирующих излучений EN saturation current of current chamber FR courant de saturation de la chambre à courant …   Справочник технического переводчика

  • ток насыщения электрода — ток электронной эмиссии электрода; эмиссионный ток; отрасл. термоток; ток насыщения электрода Заряд, эмитированный катодом в единицу времени …   Политехнический терминологический толковый словарь

  • ток насыщения при облучении — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN irradiation saturation current …   Справочник технического переводчика

  • ток насыщения реактора — Мгновенное значение тока насыщающегося реактора, соответствующее определенной динамической индуктивности, которая должна быть оговорена нормативным документом [ГОСТ 18624 73] Тематики реактор электрический Обобщающие термины характеристика… …   Справочник технического переводчика

  • напряжение (ток) насыщения ФППЗ — Выходной сигнал ФППЗ, выраженный в единицах напряжения или тока, соответствующий максимальному заряду секции накопления, при котором сохраняется обусловленное качество изображения. [ГОСТ 25532 89] Тематики приборы с переносом заряда… …   Справочник технического переводчика

  • обратный ток насыщения — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999] Тематики электротехника, основные понятия EN reverse saturation current …   Справочник технического переводчика

  • Напряжение (ток) насыщения ФППЗ — 36. Напряжение (ток) насыщения ФППЗ Выходной сигнал ФППЗ, выраженный в единицах напряжения или тока, соответствующий максимальному заряду секции накопления, при котором сохраняется обусловленное качество изображения Источник: ГОСТ 25532 89:… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Плотность тока проводимости, смещения, насыщения: определение и формулы

В данной статье мы рассмотрим плотность тока и формулы для нахождения различных видов плотности тока: проводимости, смещения, насыщения.

Плотность тока – это векторная физическая величина, характеризующая насколько плотно друг к другу располагаются электрические заряды.

Плотность тока проводимости

Ток проводимости – это упорядоченное движение электрических зарядов, то есть обыкновенный электрический ток, который возникает в проводнике. В большинстве случаев, когда речь заходит о токе, имеют ввиду именно ток проводимости.

В данном случае плотность тока – это векторная характеристика тока равная отношению силы тока I в проводнике к площади S поперечного сечения проводника (перпендикулярному по отношению к направлению тока). Эта величина показывает насколько плотно заряды располагаются на всей площади поперечного сечения проводника. Она обозначается латинской буквой j. Модуль плотности электрического тока пропорционален электрическому заряду, который протекает за определенное время через определенную площадь сечения, расположенную перпендикулярно по отношению к его направлению.

Если рассмотреть идеализированной проводник, в котором электрический ток равномерно распределен по всему сечению проводника, то модуль плотности тока проводимости можно вычислить по следующей формуле:

j – Плотность тока [A/м2]

I – Сила тока [A]

S – Площадь поперечного сечения проводника [м2]

Исходя из этого мы можем представить силу тока I как поток вектора плотности тока j, проходящий через поперечное сечение проводникаS. То есть для вычисления силы тока, текущей через определенное поперечное сечение нужно проинтегрировать (сложить) произведения плотности тока в каждой точке проводника jn на площадь поверхности этой точки dS:

I – сила тока [А]

jn — составляющая вектора плотности тока в направлении течения тока (по оси OX) [A/м2]

dS — элемент поверхности площади [м2]

Исходя из предположения, что все заряженные частицы двигаются с одинаковым вектором скорости v, имеют одинаковые по величине заряды e и их концентрация n в каждой точке одинаковая, получаем, что плотность тока проводимости j равна:

j – плотность тока [А/м2]

n – концентрация зарядов [м-3]

e – величина заряда [Кл]

v – скорость, с которой движутся частицы [м/с]

Плотность тока смещения

В классической электродинамике существует понятие тока смещения, который пропорционально равен быстроте изменения индукции электрического поля. Он не связан с перемещением каких-либо частиц поэтому, по сути, не является электрическим током. Несмотря на то, что природа этих токов разная, единица измерения плотности у них одинаковая — A/м2.

Ток смещения – это поток вектора быстроты изменения электрического поля ∂E/∂t через S — некоторую поверхность. Формула тока смещения выглядит так:

JD — ток смещения [А]

ε0 – электрическая постоянная, равная 8,85·10-12 Кл2/(H·м2)

∂E/∂t — скорость изменения электрического поля [Н/(Кл·с)]

ds – площадь поверхности [м2]

Плотность тока смещения определяется по следующей формуле:

для вакуума:

для диэлектрика:

jD — ток смещения [А/м2]

ε0 – электрическая постоянная, равная 8,85·10-12 Кл2/(H·м2)

∂E/∂t — скорость изменения электрического поля [Н/(Кл·с)]

∂D/∂t — скорость изменения вектора эл. индукции [Кл/м2·с)]

Плотность тока насыщения

В физической электронике используют понятие плотности тока насыщения. Эта величина характеризует эмиссионную способность металла, из которого сделан катод, и зависит от его вида и температуры.

Плотность тока насыщения выражается формулой, которая была выведена на основе квантовой статистики Ричардсоном и Дешманом:

j – плотность тока насыщения[А/м2]

R — среднее значение коэффициента отражения электронов от потенциального барьера

A — термоэлектрическая постоянная со значением 120,4 А/(K2·см2)

T— температура [К]

— значение работы выхода из катода электронов [эВ], q – электронный заряд [Кл]

k — постоянная Больцмана, которая равна 1,38·10-23 Дж/К

Понравилась статья, расскажите о ней друзьям:

Скорее всего, Вам будет интересно:

Плотность тока насыщения — обзор

Оптимальные условия питания

В литературе есть ряд статей, в которых рассматриваются энергетические характеристики солнечных элементов [57-65], включая эффекты сбора носителей заряда, последовательное сопротивление солнечных элементов и ток насыщения, среди прочего. другие переменные производительности. Следующий подход прост и обеспечивает ориентированный на схемы и физику подход к работе и моделированию солнечных элементов. Начнем с эквивалентной схемы на рисунке V.7 мощность P, подаваемая на нагрузочный резистор R L , составляет:

(V.29) P = -VLRL = — [VD + rDIL] IL,

, где V L — напряжение нагрузки, В D — это напряжение на переходе солнечного элемента, r D — последовательное сопротивление солнечного элемента, а I L — это ток нагрузки, который определяется выражением :

(V.30) IL = AD [JS {exp (λVD) -1} -Jph],

, где A D — площадь перехода солнечного элемента и ток насыщения, Дж S , взято из уравнения V.2 для pn переходов; Уравнение V.24 для гетеропереходов; Уравнение V.19 для солнечных элементов с барьером Шоттки; и уравнение V.21 для солнечных элементов с MOS-переходом.

Максимизация мощности, подаваемой на нагрузочный резистор, приводит к следующему выражению, которому должны удовлетворять В D ′, напряжение диодного перехода, когда солнечный элемент выдает максимальную мощность, и коэффициент, K ′ :

(V.31) [{λV′D / n} + 1 + K ′] exp {λV′D / n} = [{Jph + JS} / JS] [1 + K ′]

В уравнении В.31 коэффициент K ′ известен как коэффициент потерь и определяется выражением:

(V.32) K ′ = 2 (rDAD) JS (λ / n) exp {λV′D / n}.

Обратите внимание, что коэффициент потерь зависит от плотности тока насыщения и произведения последовательного сопротивления солнечного элемента на площадь, а также от напряжения на переходе и температуры перехода.

Комбинация выражений V.29, V.30, V.31 и V.32 дает максимальную плотность мощности, которая может быть передана нагрузочному резистору от солнечного элемента:

(V.33) PmaxAD = {Jph + JS} V′D {λV′D / n} [λV′D / n + 1 + K ′] [1- {K ′ / 2} / {1 + K ′}].

Исследование уравнения V.33 показывает, что, когда коэффициент потерь K ′ приближается к бесконечности, максимальная мощность, передаваемая на нагрузку, приближается к нулю, а когда K ′ приближается к нулю, передаваемая плотность мощности приближается к максимуму. .

Прежде чем исследовать последствия, присущие уравнениям с V.31 по V.33, давайте определим оптимальное сопротивление нагрузки, R L ′. Используя уравнения V.29 — V.32, мы находим, что сопротивление нагрузки для передачи максимальной мощности составляет:

(V.34) R′L = {2rD / K ′} {1 + 3K ′ / 2},

или, в терминах напряжения диода, плотности фототока и плотности тока насыщения:

(V.35) R′D = λV′D / n + 1 + K′AD (Jph + JS) λ / n (1 + 3K ′ / 2) ( 1 + K ′),

КПД солнечного элемента — это отношение мощности, передаваемой нагрузке, к поступающей солнечной энергии. Из главы IV плотность поступающей солнечной энергии в условиях AMO и AM1 составляет:

(V.36) Ins = 0,1353 Вт / см2 (AMO), а Ins = 0,107 Вт / см2 (AM1).

Максимальный КПД, η с , для солнечного элемента определяется выражением:

(V.37) ηs = [{Pmax / AD} / Ins] x100%.

В главе IV мы рассмотрели потенциально доступный фототок как функцию запрещенной зоны полупроводника. На рисунке IV.4 представлены фототок и максимальная плотность потенциальной мощности. Они были представлены как функция ширины запрещенной зоны и с условиями освещения AMO и AM1 в качестве параметра.На этом рисунке предполагается, что: (1) весь свет, падающий на полупроводник, поглощается (т. Е. Нет отражения от передней поверхности и сквозного прохождения фотонов; (2) все пары электрон-дырка, генерируемые поглощенными фотонами затем поступают во внешнюю цепь (т. е. отсутствует поверхностная или объемная рекомбинация; и (3) отсутствуют внутренние потери (т. е. последовательное сопротивление солнечного элемента равно нулю). Используя эти значения фототока (максимально возможные значения для фототока) в уравнениях V.31, V.32, V.33 и V.37, мы можем получить максимальную потенциальную выходную плотность мощности и эффективность солнечного элемента при условии значений последовательного сопротивления диода r D и плотности тока насыщения, J . s , известны.

В следующей главе мы получим значения последовательного сопротивления солнечных элементов в зависимости от философии конструкции элемента, выбранного полупроводника и методов конструкции, используемых при его изготовлении. Кроме того, в следующей главе мы рассмотрим ток насыщения, используя уравнение V.2 для pn-переходов, V.24 для гетеропереходов, V.19 для барьеров Шоттки или Уравнение V.21 для солнечных элементов типа mos. По этим значениям можно определить выходную мощность и эффективность солнечных элементов для конкретных полупроводников с определенной конструкцией.

Однако прежде всего желательно использовать более общий подход к характеристикам солнечных элементов. Выберем значения K ′, коэффициент потерь, и J s , плотность тока насыщения. Эти значения затем можно использовать для вычисления эффективного напряжения диодного перехода, максимальной потенциальной плотности выходной мощности и эффективности солнечных элементов.При указании значений коэффициента потерь ясно, что нам потребуются относительно небольшие значения, если результирующая плотность выходной мощности должна быть близка к желаемому максимуму. Из обсуждения конкретных примеров в следующих главах, давайте выберем значения K ′, равные нулю (идеальное, без последовательного сопротивления для ситуации с солнечными элементами), 0,25, 1,0 (значения среднего размера, типичные для встречающихся во многих практических ситуациях) и 10 (относительно большое значение).

Выбор желаемых значений плотности тока насыщения, J s , несколько сложнее и, очевидно, зависит от типа используемого барьера. При рассмотрении плотности тока насыщения для pn-перехода важно помнить из главы III, что собственная концентрация носителей заряда в полупроводнике определяется выражением:

(V.38) ni2 = NcNvexp {-Eg / kT},

, где N c и N v — плотности состояний проводимости и валентной зоны, а E g — запрещенная зона полупроводника.Соблюдая уравнения V.2, V.17, V.19 и V.21, общая форма плотности тока насыщения для pn-переходов, гетеропереходов, барьеров Шоттки и МОП-барьеров:

(V.39) JS = {Const. } exp {-λV_},

, где константа и V_ зависят от типа барьера.

Как правило, pn-переход имеет наименьшую плотность тока насыщения среди рассматриваемых типов переходов. Напомним, что было показано, что максимальное значение V_, которое «разумно» возможно, представляет собой напряжение энергетического промежутка.Следовательно, при оценке минимальных значений плотности тока насыщения, которые должны встретиться, мы будем использовать плотность тока насыщения солнечного элемента, использующего ступенчатый pn переход. Из уравнений V.2 и V.38 мы будем использовать:

(V.40) JS (min) = {qD / NS} {NcNv / L} exp {-Eg / kT},

, где N s — концентрация примеси на слаболегированной стороне pn-ступенчатого перехода, а D и L — константа диффузии и длина диффузии для неосновных носителей на этой слаболегированной стороне.

На практике такие явления, как поверхностная рекомбинация, объемное время жизни и механизм генерации-рекомбинации, будут иметь тенденцию увеличивать плотность тока насыщения, по крайней мере, на порядок выше, чем предсказывается уравнением V.40.

Давайте теперь оценим практические минимальные значения плотности тока насыщения, предсказанные уравнением V.40. Ссылаясь на Приложение G, Главу III и Главу IV; допустим уровень концентрации примеси N с на слаболегированной стороне 10 16 / см 3 ; плотности состояний зоны проводимости и валентной зоны приблизительно 10 19 / см 3 ; постоянная диффузии приблизительно 10 см 2 / сек; и диффузионная длина 10 -2 см.Полученные оценки минимальной плотности тока насыщения при 300 ° K представлены в таблице V.1.

Таблица V.1. Оценка минимальной теоретической плотности тока насыщения для полупроводниковых солнечных элементов со ступенчатым переходом в зависимости от энергетической щели при температуре 300 ° K *

E г (эВ) Дж с (А / см 2 ) E г (эВ) J с (А / см 2 ) E г (эВ) J с (А / см 2 )
0.8 1,1 × 10 −08 1,4 9,3 × 10 −19 2,0 8,0 × 10 −29
0,9 2,3 × 10 −10 1,5 2,0 × 10 −20 2,1 1,7 × 10 −30
1,0 4,8 × 10 −10 1,6 4,1 × 10 −22 2,2 3,5 × 10 −32
1.1 1,0 × 10 −10 1,7 8,6 × 10 −24 2,3 7,5 × 10 −34
1,2 2,1 × 10 −15 1,8 1,8 × 10 −25 2,4 1,6 × 10 −35
1,3 4,4 × 10 −17 1,9 3.8 × 10 −27

После обсуждения в главе IV потенциального полезного диапазона полупроводниковых энергетических щелей в солнечных элементах, нам необходимо рассмотреть, самое большее, диапазон энергий запрещенной зоны между 0.9 и 2,0 эВ. В свою очередь, это означает, что подходит диапазон плотностей тока насыщения от 10 -28 до 10 -8 А / см 2 . Обратите внимание, что плотность тока насыщения была увеличена примерно на порядок, чтобы учесть такие эффекты, как ток генерации-рекомбинации и туннелирование Шоттки.

Рассмотрим рисунки с V.8 по V.15. На этих рисунках представлена ​​расчетная максимальная плотность потенциальной мощности как функция энергии запрещенной зоны с плотностью тока насыщения в качестве параметра.Каждая цифра предполагает входную мощность в условиях AMO (135,3 мВт / см 2 ) или в условиях AM1 (107 мВт / см 2 ). Коэффициент потерь, на который рассчитан конкретный

Рисунок V.8. Потенциальная плотность выходной мощности (мВт / см 2 ) в условиях AMO как функция энергетической щели (эВ) для солнечных элементов с коэффициентом потерь K ′, равным нулю.

Рисунок V.15. Потенциальная плотность выходной мощности (мВт / см 2 ) в условиях AMI как функция энергетической щели (эВ) для солнечных элементов с коэффициентом потерь K ′, равным десяти.

** Ключ **
(J с , плотность тока насыщения, А / см)
A ⇒ J с = 1 × 10 −28 B ⇒ J с = 1 × 10 −27 C⇒J с = 1 × 10 −26
D ⇒ J с = 1 × 10 −25 E ⇒ J с = 1 × 10 −24 F⇒J с = 1 × 10 −23
G ⇒ J с = 1 × 10 −22 H ⇒ J с = 1 × 10 −21 I⇒J с = 1 × 10 −20
Дж ⇒ J с = 1 × 10 −19 K ⇒ J с = 1 × 10 −18 L⇒J с = 1 × 10 −17
M ⇒ J с = 1 × 10 −16 N ⇒ J с 900 06 = 1 × 10 −15 O⇒J с = 1 × 10 −14
P ⇒ J с = 1 × 10 −13 Q ⇒ J с = 1 × 10 −12 R⇒J с = 1 × 10 −11
S ⇒ J с = 1 × 10 −10 T ⇒ J с = 1 × 10 −09 U⇒J с = 1 × 10 −08
V ⇒ J с = 1 × 10 −07 W⇒ J с = 1 × 10 −06
** Ключ **
(Дж с , плотность тока насыщения, А / см 2 )
⇒ J с = 1 × 10 −28 B ⇒ J с = 1 × 10 −27 C⇒J с = 1 × 10 −26
D ⇒ J с = 1 × 10 −25 E ⇒ J с = 1 × 10 −24 F ⇒ J с = 1 × 10 −23
G ⇒ J с = 1 × 10 −22 H ⇒ J с = 1 × 10 −21 I⇒J с = 1 × 10 −20
J ⇒ J с = 1 × 10 −19 K ⇒ J с = 1 × 10 −18 L⇒J с = 1 × 10 −17
M ⇒ J с = 1 × 10 −16 N ⇒ J с = 1 × 10 −15 O⇒J с = 1 × 10 −14
P ⇒ J с = 1 × 10 −13 Q ⇒ J с = 1 × 10 −12 R⇒J с = 1 × 10 −11
S ⇒ J с = 1 × 10 −10 9013 8 T ⇒ J с = 1 × 10 −09 U⇒J с = 1 × 10 −08
V ⇒ J с = 1 × 10 −07 W⇒ J с = 1 × 10 −06
** Ключ **
(J с , плотность тока насыщения, А / см 2 )
A ⇒ J с = 1 × 10 −28 B ⇒ J с = 1 × 10 −27 C⇒J с = 1 × 10 −26
D ⇒ J с = 1 × 10 −25 E ⇒ J с = 1 × 10 −24 F⇒J с = 1 × 10 −23
G ⇒ J с = 1 × 10 −22 H ⇒ J с = 1 × 10 −21 I⇒J с = 1 × 10 −20
J ⇒ J с = 1 × 10 −19 K ⇒ J с = 1 × 10 −18 L⇒J с = 1 × 10 −17
M ⇒ J с = 1 × 10 −16 N ⇒ J с = 1 × 10 −15 O⇒J с = 1 × 10 −14
P ⇒ J с = 1 × 10 −13 Q ⇒ J с = 1 × 10 −12 R⇒J с = 1 × 10 −11
S ⇒ J с = 1 × 10 −10 T ⇒ J с = 1 × 10 −09 U⇒J с = 1 × 10 −08
V ⇒ J с = 1 × 10 −07 W⇒ J с = 1 × 10 −06
** Ключ **
(Дж с , плотность тока насыщения, А / см 2 )
A ⇒ J с = 1 × 10 −28 B ⇒ J с = 1 × 10 −27 C⇒J с = 1 × 10 −26
D ⇒ J с = 1 × 10 −25 E ⇒ J с = 1 × 10 −24 F⇒J с = 1 × 10 −23
G ⇒ J с = 1 × 10 −22 H ⇒ J с = 1 × 10 −21 I⇒J с = 1 × 10 −20
J ⇒ J с = 1 × 10 −19 K ⇒ J с = 1 × 10 −18 L⇒J с = 1 × 10 −17
M ⇒ J с = 1 × 10 −16 N ⇒ J с = 1 × 10 −15 O⇒J с 900 06 = 1 × 10 −14
P ⇒ J с = 1 × 10 −13 Q ⇒ J с = 1 × 10 −12 R⇒J с = 1 × 10 −11
S ⇒ J с = 1 × 10 −10 T ⇒ J с = 1 × 10 −09 U⇒J с = 1 × 10 −08
V ⇒ J с = 1 × 10 −06 W⇒ J с = 1 × 10 −06
** Обозначение ** (J с , плотность тока насыщения, А / см 2 ) A ⇒ J с = 1 × 10 −28 B ⇒ J с = 1 × 10 −27 C⇒J с = 1 × 10 −26 D ⇒ J с = 1 × 10 −25 E ⇒ J с = 1 × 10 −24 F⇒J с = 1 × 10 −23 G ⇒ J с = 1 × 10 −22 H ⇒ J с = 1 × 10 −21 I⇒J с = 1 × 10 −20 Дж ⇒ J с = 1 × 10 −19 K ⇒ J с = 1 × 10 −18 L⇒J с = 1 × 10 −17 M ⇒ J с = 1 × 10 −16 N ⇒ J с = 1 × 10 −15 O⇒J с = 1 × 10 −14 P ⇒ J с = 1 × 10 −13 Q ⇒ J с = 1 × 10 −12 R⇒J с = 1 × 10 −11 S ⇒ J с = 1 × 10 −10 T ⇒ J с = 1 × 10 −09 U⇒J с = 1 × 10 −08 V ⇒ J с = 1 × 10 −07 W⇒ J с = 1 × 10 −06
** Ключ **
(J с , плотность тока насыщения, А / см 2 )
A ⇒ J с = 1 × 10 −28 B ⇒ J с = 1 × 10 −27 C⇒J с = 1 × 10 −26
D ⇒ J с = 1 × 10 −25 E ⇒ J с = 1 × 10 −24 F⇒J с = 1 × 10 −23
G ⇒ J с = 1 × 10 −22 H ⇒ J с = 1 × 10 −21 I⇒J S = 1 × 10 −20
J ⇒ J с = 1 × 10 −19 K ⇒ J с = 1 × 10 −18 L⇒J с = 1 × 10 −17
M ⇒ J с = 1 × 10 −16 N ⇒ J с = 1 × 10 −15 O⇒J с = 1 × 10 −14
P ⇒ J с = 1 × 10 −13 Q ⇒ J с = 1 × 10 −12 R⇒J с = 1 × 10 −11
S ⇒ J с = 1 × 10 −10 T ⇒ J с = 1 × 10 −09 U⇒J с = 1 × 10 −08
V ⇒ J с = 1 × 10 −07 W⇒ J с = 1 × 10 −06
** Ключ **
(J с , плотность тока насыщения, А / см 2 )
A ⇒ J с = 1 × 10 −28 B ⇒ J с = 1 × 10 27 C⇒J с = 1 × 10 −26
D ⇒ J с = 1 × 10 −25 E ⇒ J с = 1 × 10 −24 F⇒J с = 1 × 10 −23
G ⇒ J с = 1 × 10 −22 H ⇒ J с = 1 × 10 −21 I⇒J с = 1 × 10 −20
J ⇒ J с = 1 × 10 −19 K ⇒ J с = 1 × 10 −18 L⇒J с = 1 × 10 −17
M ⇒ J с = 1 × 10 −16 N ⇒ J с = 1 × 10 −15 O⇒J с = 1 × 10 −14
P ⇒ J 9 0005 с = 1 × 10 −13 Q ⇒ J с = 1 × 10 −12 R⇒J с = 1 × 10 −11
S ⇒ J с = 1 × 10 −40 T ⇒ J с = 1 × 10 −09 U⇒J с = 1 × 10 −08
V ⇒ J с = 1 × 10 −07 W⇒ J с = 1 × 10 −06
Исследование солнечных элементов на основе

показано на каждом рисунке.Напомним, что на Рисунке IV.4 максимальная выходная плотность мощности солнечного элемента наблюдается при энергии запрещенной зоны приблизительно от одной до одной точки в один электрон-вольт. На этих рисунках, с V.8 по V.15, мы продолжаем предполагать, что все поглощенные фотоны вносят вклад в фототок, но теперь выходной сигнал

Рисунок V.9. Потенциальная плотность выходной мощности (мВт / см 2 ) в условиях AMI как функция энергетической щели (эВ) для солнечных элементов с коэффициентом потерь K ′, равным нулю.

Рисунок V.10. Потенциальная плотность выходной мощности (мВт / см 2 ) в условиях AMO как функция энергетической щели (эВ) для солнечных элементов с коэффициентом потерь K ′, равным 0,25.

Рисунок V.11. Потенциальная плотность выходной мощности (мВт / см 2 ) в условиях AMI как функция энергетической щели (эВ) для солнечных элементов с коэффициентом потерь K ′, равным 0,25.

Рисунок V.12. Потенциальная плотность выходной мощности (мВт / см 2 ) в условиях AMO как функция энергетической щели (эВ) для солнечных элементов с коэффициентом потерь K ′, равным единице.

Рисунок V.13. Потенциальная плотность выходной мощности (мВт / см 2 ) в условиях AMI как функция энергетической щели (эВ) для солнечных элементов с коэффициентом потерь K ′, равным единице.

Рисунок V.14. Потенциальная плотность выходной мощности (мВт / см 2 ) в условиях AMO как функция энергетической щели (эВ) для солнечных элементов с коэффициентом потерь K ′, равным десяти.

** Ключ **
(J с , плотность тока насыщения, А / см 2 )
A ⇒ J с = 1 × 10 −28 B ⇒ J с = 1 × 10 −27 C⇒J с = 1 × 10 −26
D ⇒ J с = 1 × 10 −25 E ⇒ J с = 1 × 10 −24 F ⇒ J с = 1 × 10 −23
G ⇒ J с = 1 × 10 −22 H ⇒ J с = 1 × 10 −21 I⇒J S = 1 × 10 −20
J ⇒ J с = 1 × 10 −19 K ⇒ J с = 1 × 10 −18 L⇒J с = 1 × 10 −17
M ⇒ J с = 1 × 10 −16 N ⇒ J с = 1 × 10 −15 O⇒J с = 1 × 10 −14
P ⇒ J с = 1 × 10 −13 Q ⇒ J с = 1 × 10 −12 R⇒J с = 1 × 10 −11
S ⇒ J с = 1 × 10 −10 T ⇒ J с = 1 × 10 −09 U⇒J с = 1 × 10 −08
V ⇒ J с = 1 × 10 −07 Вт ⇒ J с = 1 × 10 −06

также зависит от внутренних потерь из-за последовательного сопротивления и противотока, возникающего из-за оптически генерируемого фотоэдс.В результате этих соображений было обнаружено, что максимальные плотности мощности имеют место для полупроводников с энергетической щелью между 1,3 и 1,6 эВ. Кроме того, включение тока насыщения, эффектов прямого смещения и потерь на внутреннем сопротивлении снизило доступную плотность мощности. Например, в условиях AMO с K ′, равным 0,25, мы видим, что для материала зазора 0,8 эВ доступная плотность мощности при плотности тока насыщения 10 -08 ампер / см 2 составляет 20 мВт / см 2 ; тогда как на рисунке IV.4 мы нашли значение 56,7 мВт / см 2 . Точно так же материал с запрещенной зоной на 1,4 эВ в условиях AMO дает потенциал 34,2 мВт / см 2 , если мы учтем фотосмещение диода и внутренние потери; тогда как на Рисунке IV.4 прогнозируется 55 мВт / см 2 .

Очевидно, что фактор потерь играет важную роль в потенциальных характеристиках этих солнечных элементов. Расчетная максимальная плотность мощности полупроводника с шириной запрещенной зоны 1,1 эВ в условиях AM1 составляет 25 мВт / см 2 , когда K ′ равно нулю, но когда K ′ достигает 10, максимальная теоретическая достижимая плотность мощности составляет всего 12 мВт / см 2 ; значение, меньшее половины K ′, равное нулевому значению.Еще более критично рабочее значение плотности тока насыщения. Снова рассмотрим полупроводник с запрещенной зоной 1,1 эВ (по сути, кремний). Для плотности тока насыщения 0,1 пикоампер / см 2 потенциальная плотность выходной мощности составляет приблизительно 25 мВт / см 2 (соответствует КПД 23%), но для плотности тока насыщения один микроампер / см 2 , передаваемая плотность мощности составляет всего около восьми мВт / см 2 (соответствует КПД всего 7.5%).

В следующей главе мы исследуем взаимосвязь между производственными технологиями, коэффициентом потерь и током насыщения; с использованием конкретных полупроводников, выбранных нами в качестве примеров. То, что K ‘и J s связаны, ясно из изучения уравнений V.31 и V.32. В главе VI мы увидим, что значение сопротивления диода r D сильно зависит от конструкции и конструкции солнечного элемента, и что общие характеристики обязательно сильно зависят от фототока.Ясно, что в физически практичном солнечном элементе мы не можем достичь нулевого коэффициента потерь. Столь же очевиден тот факт, что чем меньше значение коэффициента потерь, тем выше производительность.

Хотя рисунки с V.8 по V.15 являются ценными для оценки характеристик удельной мощности солнечных элементов, они не являются полной картиной. Они предполагают, что все пары электрон-дырка, генерируемые поглощением фотонов, собираются и, следовательно, вносят вклад в фототок. Из наших предыдущих обсуждений в главах III и IV ясно, что время жизни в объеме и на поверхности значительно способствует уменьшению фототока.Без рассмотрения конкретных примеров невозможно судить о суммарном влиянии рекомбинации на фототок [66]. Однако в соответствии с подходом, изложенным в этой главе, мы можем оценить характеристики солнечных элементов, в которых фототок равен проценту от теоретически достижимого значения, как показано на рисунке IV.4.

Следующие таблицы, V.2 и V.3, были подготовлены, чтобы показать влияние на рабочее напряжение диодного перехода для максимального напряжения, V D ′, и максимальной удельной мощности, P / A D , из изменение фототока.В этих таблицах считается, что фототок равен: во-первых, 100% идеального максимального фототока, как показано на рисунке IV.4; во-вторых, 90% от идеального максимума; в-третьих, 80% от идеального максимума; и, в-четвертых, плохие 50% от идеального значения. В соответствии с нашим предыдущим обсуждением, выбран диапазон значений энергетической щели от 1,0 до 1,8 эВ. Токи насыщения, используемые для каждого энергетического промежутка, также приведены в этих таблицах с использованием значений, в три раза превышающих минимальные значения, указанные в таблице V.1. Эта корректировка делает результаты, представленные в таблицах V.2 и V.3, значительно более реалистичными, чем рисунки V.8 — V.15, и соответствуют практическим концентрациям примесей, выбранным в анализах следующих глав. Выбрано ненулевое значение коэффициента потерь, чтобы сделать ситуацию более реалистичной. Значение K ′ составляет 0,25, что, хотя и не равно нулю, имеет разумный размер (см. Анализ в главе VI). Мы встретимся с гораздо большими значениями K ′ в последующих главах.

Таблица V.2. Потенциальная удельная мощность P / A D , (мВт / см 2 ), напряжение перехода, В D ′, (В) и максимальная рабочая эффективность, η S , (%) для солнечных элементов как функция энергетической щели E g , (эВ), плотности тока насыщения, J s , (A / cm 2 ), и плотности фототока, J ph , (mA / cm 2 ) ). Вычислено для K ′ = 0,25 и в условиях AMO

P / A D (100% J ph ) 85 14
E g J s 100% J ph V D ′ (100% J ph 56) η S (100% J ph ) V D ′ (90% J ph ) P / A D (90% J ф. )
1.0 1,40 × 10 −11 58,98 0,5002 24,94 18,43 0,4976 22,32
1,1 −139 3,0019 3,00 27,16 20,07 0,5910 24,35
1,2 6,30 × 10 −15 48,51 0,6875 28,66 21,18 6849 25,70
1,3 1,32 × 10 −16 43,67 0,7816 29,50 21,80 0,7790 26,45 0,7790 26,45 39,30 0,8758 29,87 22,08 0,8732 26,80
1,5 6,00 × 10 −20 35,34 35,34 22,06 0,9672 26,79
1,6 1,23 × 10 −21 31,17 1,0649 28,99 1,0649 28,99 21,43 21,43 28,99 × 10 −23 28,16 1,1601 28,60 21,14 1,1574 25,68
1,8 5,40 × 10 −25 25 1,2552 27,69 20,46 1,2525 24,87
E г η S (90% J ф. фаза ) P / A D (80% J фаза ) η S (80% J фаза ) v D ′ (50% J фаза ) P / A D (50% J ф. ) η S (50% J ф. )
1.0 16,50 0,4947 19,72 14,57 0,4831 12,02 08,88
1,1 18,00 0,50189
1,2 18,99 0,6819 22,24 16,44 0,6702 13,96 10,32
1,3 19.55 0,7760 23,43 17,31 0,7642 14,41 10,65
1,4 19,81 0,8702 0184 19,80 0,9643 23,74 17,55 0,9524 14,65 10,83
1,6 19,23 1.0593 23,07 17,05 1,0474 14,25 10,53
1,7 18,98 1,1545 22,08 1,1545 22,77 16,83 22,77 16,83 1,2496 22,09 16,33 1,2377 13,65 10,09

Таблица V.3. Потенциальная удельная мощность, P / A D , (мВт / см 2 ), напряжение перехода, В D ′, (В) и максимальная рабочая эффективность, η с , (%) для солнечных элементов как функция энергетической щели E g , (эВ), плотности тока насыщения, J s , (A / cm 2 ), и плотности фототока, J ph , (mA / cm 2 ) ).Вычислено для K ′ = 0,25 и в условиях AMI

P / A D (100% J ph ) 1,4–0189 2505
E g J s 100% J ph v D ′ (100% J ph 56) η s (100% J ph ) V D (90% J ph ) P / A D (90% J ф. )
1,0 1.40 × 10 −11 48.03 0,4952 20,09 18,78 0,4926 17,98
1,1 3,00 × 10 −13 3,00 × 10 −13 20,15 0,5856 19,31
1,2 6,30 × 10 −15 38,27 0,6816 22,41 20,95 0,6789 0,6789 09
1,3 1,32 × 10 −16 34,14 0,7754 22,87 21,37 0,7728 20,51
0,8706 24,14 22,56 0,8680 21,66
1,5 6,00 × 10 −20 27,87 0,990.85 0,9612 20,99
1,6 1,23 × 10 −21 24,93 1,0592 23,06 21,55 1,0189 21,55 1,0189 21,55 −23 22,64 1,1546 22,89 21,39 1,1519 20,55
1,8 5,40 × 10 −1125 22,87 21,38 1,2478 20,35
E 8 η s (90% J ph ) v D P / A D (80% J ph ) η s (80% J ph ) (50% J ph ) P / A D (50 % J ф. ) η с (50% J ф. )
1.0 16,81 0,4896 15,88 14,84 0,4781 09,68 09,05
1,1 18,05 0,50189 18,05 0,50189
1,2 18,77 0,6760 17,77 16,61 0,6643 10,91 10,20
1,3 19.77 0,7698 18,16 16,97 0,7581 11,17 10,44
1,4 20,24 0,8650 19,18 0,8650 19,62 0,9583 18,61 17,39 0,9464 11,48 10,73
1,6 19,35 1.0535 18,34 17,14 1,0416 11,33 10,59
1,7 19,20 1,1489 18,21 1,1489 18,21 17.02 18,21 17,02 1,2448 18,11 16,97 1,2329 11,22 10,50

Исследование таблиц V.2 и V.3 подтверждает предыдущую оценку, согласно которой максимальную производительность следует ожидать от солнечных элементов, построенных из полупроводники с энергетической щелью между 1.3 и 1,6 эВ. Кроме того, эти таблицы предоставляют наглядное свидетельство того, что важно минимизировать рекомбинационные потери (то есть максимизировать собранные пары электрон-дырка). Относительно небольшие значения напряжения перехода в таблицах V.2 и V.3 указывают на одну характеристику солнечных элементов. Солнечный элемент обычно представляет собой источник постоянного тока с высоким напряжением и низким напряжением. Следовательно, если солнечные элементы должны использоваться в качестве источников питания в электронных системах, необходимо соединить их последовательно, если кто-то желает работать с любой разумной величиной напряжения.Например, если мы используем полупроводник с шириной запрещенной зоны 1,1 эВ и работаем в условиях освещения AM1 с 90% пар электронно-дырочных пар, вносящих вклад в фототок, тогда потребуется последовательная комбинация из более чем 20 солнечных элементов для зарядите аккумулятор на 12 В.

диодов — Дрейфовый ток и обратный ток насыщения

Распространение происходит при любом напряжении. Это зависит только от концентрации электронов или дырок. Однако диффузные электроны и дырки создают электрическое поле, вызывая противоположный дрейфовый ток.Таким образом, вы получаете баланс с диффузным током и дрейфом тока в противоположных направлениях.

Даже при обратном смещении вы никогда не сможете полностью удалить диффузионный ток внутри перехода. Однако глобальный ток через диод касается только того, какие электроны и дырки проходят через концы PN-перехода, а не только внутри перехода.

Формула для диффузионного тока

\ $ J_ {local} (x) = — q \ cdot D \ cdot \ frac {d \ rho (x)} {dx} \ $

Где \ $ J_ {local} (x) \ $ — плотность тока в точке x, а \ $ \ rho (x) \ $ — концентрация заряда в точке x.\ $ D \ $ — постоянная диффузии, зависящая от температуры!

В 3-х измерениях:

\ $ \ vec {J_ {local}} (\ vec {r}) = — q \ cdot D \ cdot \ vec \ nabla \ rho (\ vec {r}) \ $

Итак, что бы ни случилось, пока у вас больше электронов на одной стороне и меньше на другой, диффузионный ток будет отличаться от нуля.

[РЕДАКТИРОВАТЬ] Чтобы ответить на ваш второй вопрос: Обратный ток смещения вызывается неосновными носителями, которые генерируются термически (например, электроны в P-области).Эти носители будут беспорядочно перемещаться только из-за своей тепловой энергии. Фактически, это то же самое, что диффузионный ток для одиночного электрона.

Эти неосновные носители могут быть захвачены электрическим полем в области обеднения, заставляя их перемещаться из-за дрейфа в другую сторону (например, наш электрон P-области будет дрейфовать в направлении N-области).

Если бы не было дрейфа, то чистый ток, генерируемый всеми движущимися неосновными носителями (диффузионный ток), был бы в среднем до 0, поскольку некоторые двигались бы влево, а некоторые — вправо.Никакого глобального тока не будет. Так что технически у вас есть только обратный ток смещения из-за дрейфа …

диодов — интуитивно понятный способ думать о токе насыщения транзистора?

Это скорее интуитивный ответ, чем чисто технический.

Давайте посмотрим на следующую схему. С точки зрения непрофессионала, здесь источник питания 5 В (подключенный сверху) пытается установить ток в цепи. Но батарея, подключенная с противоположной полярностью (по отношению к напряжению источника), пытается противодействовать этому току.

Теперь рассмотрим следующую схему. Здесь подключенная батарея имеет уменьшенный размер. Следовательно, ток в цепи увеличивается.

При дальнейшем уменьшении напряжения батареи ток в цепи еще больше увеличивается.

Ток продолжает увеличиваться и достигает максимального значения, когда напряжение батареи становится равным 0 В.

Теперь рассмотрим эту простую схему с биполярным переходом NPN.

Здесь напряжение от коллектора до эмиттера играет роль батареи, которая противодействует току (в настоящее время не будем рассматривать, какие факторы действительно ответственны за управление этим напряжением батареи).Максимальный ток мог протекать в предыдущей схеме, когда напряжение батареи было минимальным (в этом случае 0 В). Точно так же и здесь максимальный ток будет проходить через цепь, когда это напряжение коллектора-эмиттера (представленное батареей) минимально.

Так вот, в транзисторах это напряжение коллектора-эмиттера не может упасть до нуля, но до определенного минимального значения. Это минимально возможное значение напряжения обычно указывается в таблице данных транзистора под названием «Напряжение насыщения коллектор-эмиттер».Обычно это около 0,2 В. Ток, который будет протекать в цепи при этом минимальном напряжении коллектор-эмиттер, называется током насыщения. Это максимально возможный ток, который может протекать в данной цепи, отсюда и название «ток насыщения».

Таким образом, ток насыщения зависит не только от мощности, подаваемой в цепь (в данном случае 5 В), но также от величины и положения элементов схемы (например, резистора), подключенных к цепи. Вы всегда можете применить некоторые уравнения KCL и узнать ток насыщения для вашей схемы.

Но как это «напряжение коллектор-эмиттер» изменяется при изменении определенных параметров цепи? Как мы можем снизить это «напряжение коллектор-эмиттер» до минимального «напряжения насыщения коллектор-эмиттер»? Это вопросы, которые потребуют дальнейшего анализа и расчетов.

Извлечение тока насыщения и коэффициента идеальности из измерения Voc и Isc фотоэлектрических модулей

Ток насыщения ( I 0 ) и коэффициент идеальности ( n ) солнечного элемента с переходом p n являются индикация качества ячейки.Эти два параметра обычно оцениваются по измерениям темнового тока и напряжения. В этом исследовании представлен быстрый и простой метод определения этих двух параметров путем измерения разомкнутой цепи V oc и тока короткого замыкания I sc . Разработчики солнечных элементов могут использовать этот метод в качестве инструмента оценки или диагностики для оценки деградации фотоэлектрических (PV) модулей. Для проверки метода V oc I sc была проведена серия экспериментов с одной ячейкой и 36-элементным модулем.Было получено хорошее согласие между нашим методом V oc I sc и измерениями ВА в темноте. Применение этого метода к снижению производительности однопереходного модуля a-Si: H показало, что I 0 модуля увеличилось более чем на три порядка, а n увеличилось на 65% после воздействия на открытом воздухе. 130 кВтч / м 2 . Это увеличение n указывает на то, что после воздействия ток рекомбинации в области пространственного заряда клеток увеличился из-за индуцированного светом образования метастабильных дефектов.Этот метод также используется для оценки качества пяти технологий фотоэлектрических модулей и доказал свою надежность, несмотря на наличие дефектных ячеек в модуле.

1. Введение

Фотоэлектрический элемент или ток насыщения модуля ( I 0 ) и коэффициент идеальности ( n ) обычно определяются путем подгонки уравнения Шокли к измерениям темнового тока-напряжения (I-V). Это делается с помощью программного обеспечения для нелинейной оценки параметров, использующего итерационные методы. Эти методы требуют минимального количества темных точек I-V (в нашем случае 100), очень точно измеренных в диапазоне микроампер.Фотогальванические исследовательские лаборатории, скорее всего, будут иметь только имитатор солнечной энергии и не будут иметь дорогостоящей системы определения характеристик полупроводников. Таким образом, возможность изменения освещенности в симуляторе позволяет получить коэффициент идеальности и рекомбинационный ток. В этом исследовании была исследована связь между напряжением холостого хода ( В oc ) и током короткого замыкания ( I sc ) фотоэлементов и модулей. Измеряя V oc и I sc при разных уровнях освещенности, была обнаружена хорошая линейная корреляция между этими двумя параметрами, как и ожидалось из теоретических предсказаний.Интерпретация этой линейной зависимости основана на предположении, что у фотоэлементов нет значительных шунтирующих путей через их соединение. Фактически, показано, что если соотношение между V oc и I sc не является линейным для ячейки, ожидается, что ячейка будет иметь значительные шунтирующие пути или низкие шунтирующие сопротивления. Сравнение результатов, полученных из измерений V oc I sc с измерениями IV в темноте, показывает, что метод V oc I sc является надежным и точным способом быстрого и легкого определения в противном случае непонятные параметры: I 0 и n .Моделирование PV также использовалось для проверки метода, и I 0 и n , полученные с помощью метода V oc I sc , отлично согласуются со значениями I 0 и n , использованные при моделировании. Благодаря простоте метода, это полезный инструмент для сортировки ячеек и модулей во время производства, а также для анализа любой деградации в полевых условиях. В этой статье представлен, проверяется и применяется метод V oc I sc , используемый для определения тока насыщения элемента или модуля и коэффициента идеальности.

2. Солнечные элементы: принципы работы

Солнечные элементы представляют собой диоды, образованные путем соединения полупроводниковых материалов типа n и p . При формировании этого перехода p n электроны диффундируют через переход к стороне p , где они рекомбинируют с дырками. Точно так же дырки диффундируют через переход к стороне n , где они рекомбинируют с электронами, вызывая диффузионную составляющую рекомбинационного тока.Покидая сторону n , электроны оставляют после себя положительно ионизированные донорные атомы, а дырки оставляют после себя отрицательно ионизированные акцепторные атомы. Эти ионизированные атомы образуют область пространственного заряда (ОПЗ), вызывающую электрическое поле, направленное от области типа n к области типа p [1, 2]. Таким образом, нарастание этого электрического поля в конечном итоге будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и дырок. При этом условии уровни Ферми в обеих областях равны, и говорят, что переход находится в тепловом равновесии.На рисунке 1 показана диаграмма энергетических зон перехода p n при тепловом равновесии. Также показан встроенный потенциальный барьер V bi , связанный с внутренним электрическим полем.


2.1. Темновой ток

Когда переходной диод p n на рис. 1 смещен в прямом направлении, встроенный потенциальный барьер понижается. На рис. 2 (а) показаны компоненты рекомбинационного тока, когда переход смещен в прямом направлении, а на рис. 2 (б) — соответствующая диаграмма энергетических зон.Напряжение прямого смещения, В, , вызывает инжекцию неосновных носителей в обе стороны, то есть электроны (темные кружки) со стороны n на сторону p . Электроны на стороне перехода p движутся за счет диффузии, пока они не рекомбинируют с дырками (пустые кружки). Эта рекомбинация может происходить либо на поверхности, либо в объеме материала типа p . Это движение за счет диффузии электронов на стороне p образует одну составляющую тока темного диода ( I D1 ) в солнечном элементе.Точно так же ток, возникающий в результате диффузии дырок на стороне n , обозначается I D2 .

Полный диффузионный ток в областях n, — и p ( I D1 + I D2 ), который также составляет идеальную рекомбинацию, определяется уравнением Шокли [2, 3 ]: где I 01 = обратный ток насыщения, соответствующий диффузии и рекомбинации электронов и дырок в p — и n -областях, соответственно; n = коэффициент идеальности = 1; k = постоянная Больцмана; T = абсолютная температура.

Последняя составляющая темнового тока является результатом рекомбинации электронов и дырок в SCR, I D3 . Этот ток представляет собой неидеальную рекомбинацию и определяется выражением где I 02 = обратный ток насыщения, соответствующий генерации и рекомбинации электронов и дырок в области СКЛ; n = коэффициент идеальности> 1;

Полный темновой ток состоит из компонентов, указанных в (1) и (2):

Уравнение (3) можно записать в виде одной экспоненциальной формулы: где I 0 = обратный ток насыщения, обусловленный диффузией и рекомбинацией электрона и дырок; n = 1, если темновой ток, I D , определяется исключительно диффузией; и n > 1, если рекомбинация в SCR также вносит вклад в I D .

Помимо рекомбинационного тока, указанного в (4), в практическом солнечном элементе также присутствуют паразитные последовательные и шунтирующие сопротивления. На рисунке 3 показана модель эквивалентной схемы солнечного элемента с переходом p n в темноте, где элемент смещен в прямом направлении от источника переменного тока, В, постоянного тока . Шунтирующее сопротивление, R sh , представляет собой любые параллельные пути с высокой проводимостью через переход или на края ячейки, а последовательное сопротивление, R с , представляет сопротивление в объеме материала и в омические контакты [4–6].


Из рисунка видно, что ток через элемент определяется выражением где I D определяется формулой (4), а I sh получается из правила Кирхгофа для определения напряжения. Подстановка дает уравнение, определяющее темновые ВАХ ячейки или модуля:

2.2. Фотогенерируемый ток

Когда светится солнечный элемент с переходом p n , переход смещен в прямом направлении, и элемент вырабатывает фотогенерированный ток, I ph .На рисунке 4 (a) показана модель эквивалентной схемы освещенного солнечного элемента, а на рисунке 4 (b) — соответствующая диаграмма энергетических диапазонов, когда освещенный элемент подключен к нагрузке.

Внешний ток через нагрузку, I , определяется выражением [7]

Уравнение, определяющее ВАХ фотоэлемента или модуля, тогда задается следующим образом:

Ток короткого замыкания, I sc , солнечного элемента получается установкой В в (8) равным нулю и предположением, что R s пренебрежимо мало; таким образом,

Аналогичным образом, напряжение холостого хода элемента, В, oc , получается при отсутствии внешнего тока, то есть в (8).Предполагая, что и, V oc тогда определяется как

3. Проверка
V oc I sc Метод

Из (10) очевидно, что график V oc по сравнению с ln I sc должен быть линейным. Градиент этого линейного графика позволяет определить коэффициент идеальности, n , а перехват y дает обратный ток насыщения, I 0 :

Для проверки справедливости (11) была проведена серия экспериментов с монокристаллической Si-ячейкой и 36-ячеечным мультикристаллическим Si-модулем.Программа моделирования PV (PVSIM) [8] также использовалась для проверки (11).

Уравнения (10) и (11) предполагают, что коэффициент идеальности не зависит от уровней освещенности и, следовательно, от напряжения. Однако это не так. Фактор идеальности имеет четкую зависимость от напряжения. Эта зависимость определяется необычной или неидеальной рекомбинацией, паразитными сериями и шунтирующим сопротивлением. На рисунке 5 (а) показана теоретическая зависимость коэффициента идеальности от напряжения для идеального солнечного элемента и для солнечного элемента с паразитными сопротивлениями согласно (8) [9].В этом расчете R с = 0,100 Ом · см 2 , R sh = 1,00 млн см 2 , I 01 = 1,00 × 10 −13 A / см 2 и I 02 = 1,00 × 10 −10 А / см 2 . Это типичные значения для солнечного элемента с переходом Si p n [10].

При низких напряжениях (соответствующих очень низким уровням освещенности) коэффициент идеальности определяется шунтирующими путями через переход p n .При промежуточных напряжениях коэффициент идеальности очень «стабилен», а при высоких напряжениях (уровнях освещенности) он определяется последовательными сопротивлениями [9].

На рисунке 5 (b) показана зависимость напряжения для нашей ячейки от уровня освещенности, полученная с помощью PVSIM. Из этого рисунка ясно, что диапазон энергетической освещенности, с которым мы работаем, дает диапазон напряжений, соответствующий «стабильной» области коэффициента идеальности на рисунке 5 (а), то есть от 0,5 В до 0,6 В. in 10 ( I 0 I sc и R sh V oc / I sc ) не выполняются, тогда, конечно, фактор идеальности не будет быть «стабильным» в этом диапазоне напряжений.Таким образом, этот метод V oc I sc позволяет качественно измерить наличие паразитных сопротивлений, как показано на рисунке 6 ниже.


Следует отметить, что измерения световой IV могли быть выполнены только между уровнями освещенности 169 Вт / м 2 и 1000 Вт / м 2 , поскольку 4 прозрачных покрытия сетки снижали уровни освещенности до определенных значений, которые не может быть далее изменен. В этом диапазоне освещенности диапазон напряжений соответствует области, в которой коэффициент идеальности стабилен, при условии, что отсутствуют паразитные сопротивления или имеет место неидеальная рекомбинация.

Преимущество метода V oc I sc заключается в том, что он покажет, что допущения в (10) не выполняются, когда V oc I sc кривая сублинейна. Следовательно, когда кривая является сублинейной, ожидается или подозревается, что клетка / модуль имеет шунтирующее поведение, низкое последовательное сопротивление и / или имеет место неидеальная рекомбинация.

3.1. Монокристаллический кремниевый элемент

Фактор идеальности диода и ток насыщения могут быть точно определены путем подгонки (6) к набору измеренных данных темнового тока-напряжения (I-V) с использованием программного обеспечения для оценки нелинейных параметров [11, 12].В этом исследовании мы использовали FitAll [13] для получения оценок n и I 0 на основе измерений I-V в темноте. На рисунке 7 показаны измеренные темные данные ВАХ (символы) и нелинейная аппроксимация (сплошная линия) ячейки из монокристаллического кремния. Стандартное отклонение соответствия указывает на то, что полученные параметры являются очень хорошими оценками истинных значений. В таблице 1 перечислены два параметра, полученные от FitAll, и их абсолютные отклонения.


18

Параметр Расчетное значение Абсолютное отклонение (%)

2.83 0,03

Затем с помощью симулятора солнечного излучения Spire-Sun 240A были измерены ВАХ ячейки при различных уровнях освещенности (1000 Вт / м 2 , 614 Вт / м 2 , 375 Вт / м 2 , 229 Вт / м 2 и 169 Вт / м 2 ), в то время как температура ячейки поддерживалась на уровне 25 ° C. На рисунке 8 показан график зависимости V oc от ln I sc , измеренных при различных уровнях освещенности.Корреляция линейной аппроксимации с измеренными данными составляет 99,84%, что указывает на то, что соотношение между V oc и I sc находится в хорошем соответствии с теоретическим (10).


В таблице 2 перечислены значения, полученные для I 0 и n из линейной аппроксимации, и сравниваются их со значениями, полученными из измерений I-V в темноте. Очевидно, что результаты, полученные двумя методами (метод V oc I sc и темный I-V) хорошо согласуются.Относительная ошибка метода V oc I sc по результатам темновых I-V составляет 0,39 для тока рекомбинации I 0 и 0,05 для коэффициента идеальности n .


Параметр V oc I sc Темный IV
932 932 9189
n 2.70 2,83

3.2. 36-элементный мультикристаллический Si-модуль

Метод извлечения I 0 и n из V oc I sc измерения также использовались на 36-ячеечном мультикристаллическом Si-модуле. Шунтирующее сопротивление модуля измерялось с помощью системы измерения шунтирования отдельных ячеек [12]. Ни одна из ячеек в модуле не имела значительно низких шунтирующих сопротивлений, а общее шунтирующее сопротивление модуля составляло более 10 МОм.Это значение было подтверждено измерениями ВАХ в темноте. На рисунке 9 показаны измеренные ВАХ (символы) модуля и его рабочие параметры в стандартных условиях испытаний (STC: освещенность 1000 Вт / м 2 , температура ячейки 25 ° C и глобальный спектр AM1.5). Затем PVSIM [8] использовался для моделирования (сплошная линия) характеристики модуля в STC.


На рисунке 6 показана взаимосвязь между V oc и I sc измеренных и смоделированных данных.Символы — это измеренные данные, сплошная линия — моделирование, а штриховая линия — моделирование одного и того же модуля, но с низким шунтирующим сопротивлением ячеек. Эффект низкого сопротивления шунтирования клеток особенно очевиден при низких уровнях освещенности. На этих низких уровнях предположение, которое становится недействительным, и связь между V oc и ln I sc является сублинейной. Следовательно, если соотношение между V oc и ln I sc является сублинейным для модуля или ячейки, можно сделать вывод, что модуль или ячейка демонстрируют шунтирующее поведение.

Значения для I 0 и n , полученные как из измеренных, так и из смоделированных данных, перечислены в таблице 3. Хорошая корреляция между значениями, полученными из измеренных и смоделированных данных, указывает на то, что наш метод извлечения I 0 и n из V oc I sc измерения действительны и точны как для ячеек, так и для модулей. Относительная ошибка метода V oc I sc по результатам PVSIM равна 0.21 для тока рекомбинации I 0 и 0,02 для коэффициента идеальности n .

9279 9 9

Параметр V oc I sc PVSIM
n 1,24 1,26

3.3. Моделирование модуля Si с 36 ячейками

В предыдущем разделе для моделирования мультикристаллического модуля использовалась программа моделирования PV (PVSIM). В этом разделе моделируется произвольный модуль из 36 ячеек. Моделирование проводится для различных уровней освещенности, из которых получены точки данных V oc I sc . Затем к этим точкам данных был применен наш метод извлечения I 0 и n . Затем результат сравнивается со значениями для I 0 и n , используемых PVSIM.На рисунке 10 показано соотношение между смоделированными V oc и I sc . В прилагаемой таблице приведены значения R s , R sh , I 0 и n , использованные в моделировании. Из этой таблицы видно, что значения для I 0 и n , полученные с помощью метода V oc I sc , полностью согласуются с I 0 и . n , используемый PVSIM.


4. Применение
V oc I sc Метод
4.1. Анализ деградации

Хотя основным применением метода V oc I sc является получение неясных параметров I 0 и n из измерений IV в симуляторе солнечной энергии, Метод также может быть использован для установления и / или подтверждения снижения производительности, когда тесты проводятся периодически на модулях, развернутых на открытом воздухе.В исследовании, в котором модуль a-Si: H мощностью 14 Вт был развернут на открытом воздухе [14], производительность модуля снизилась примерно на 60% после воздействия 130 кВтч / м 2 . Наш метод был использован для анализа наблюдаемой деградации. Модуль имел среднее шунтирующее сопротивление отдельной ячейки 100 Ом, что означает, что предположение верно. В таблице 4 перечислены значения для I 0 и n , полученные из V oc I sc измерений до, во время и после воздействия на открытом воздухе 180 кВтч / м 2 .

Фактор идеальности означает, что после каждой экспозиции ток рекомбинации в SCR вносит больший вклад в темновой ток.Это также видно по увеличению тока насыщения с выдержкой. Когда клетки a-Si: H подвергаются воздействию солнечного света, входящие фотоны генерируют пары электрон-дырка (e-h). Когда эти пары e-h рекомбинируют, может высвободиться фотон или фонон. Испускаемые фотоны разрывают слабые связи Si-Si в ОПЗ. Эти разорванные связи образуют метастабильные дефекты в СКЛ, что усиливает там рекомбинацию. Фотоны, испускаемые в результате усиленной рекомбинации, вызывают образование еще большего количества метастабильных дефектов и, таким образом, еще больше усиливают рекомбинацию [15–18].Эта увеличивающаяся рекомбинация, проиллюстрированная I 0 в таблице 5, ухудшает производительность и качество соединения ячеек, поскольку теперь доступно меньше носителей для переноса тока во внешней цепи.


Параметр Воздействие
0 кВтч / м 2 80 кВтч / м 2 80 кВтч / м 2
I 0 (A)
n 1,71 2,47 2,96
4,2

Модульная технология P макс.
номинальная (Вт)
P макс. %)

СНГ 10.0 10,76 9,19
a-Si: H 14,0 12,98 4,41
EFG-Si 32,0 9019 9018 Мульти 9018 9018 9018 9 9018 30,0 30,62 11,0
Mono-Si 65,0 64,45 10,7

Оценка качества

Метод V oc I sc , представленный в этой статье, можно использовать для оценки качества различных модулей.Из-за его простоты производители модулей, разработчики фотоэлектрических систем и исследователи могут использовать этот метод для быстрой и простой оценки качества модуля или элемента. В этом исследовании пять модулей, включающих различные модульные технологии, были подвергнуты методу V oc I sc . Модули представлены в Таблице 5, где перечислены технология модуля, номинальная мощность, измеренная мощность STC и эффективность площади апертуры. На рисунке 11 показаны нормализованные ВАХ пяти модулей, измеренные в STC.Значения тока были нормированы на I sc , а напряжение — на В oc . Эти нормализованные ВАХ позволяют напрямую сравнивать различные модульные технологии. Из рисунка видно, что коэффициент заполнения (FF = P max / V oc I sc ) тонкопленочных модулей и, следовательно, их качество ниже, чем у кристаллических модули.


Метод V oc I sc был использован для оценки качества модуля с точки зрения I 0 и n .На рисунке 12 показано V oc как функция I sc для пяти модульных технологий. Различные значения для V oc и I sc были получены путем измерения ВАХ при различных уровнях освещенности внутри имитатора солнечного излучения. Температуру модуля поддерживали на уровне 25 ° C.


В таблице 6 перечислены параметры ( n и I 0 ), полученные в результате логарифмической аппроксимации данных на рисунке 11.Эти значения были подтверждены измерениями ВАХ в темноте. Чем ближе n к единице, тем лучше качество ячеек модуля. Кроме того, n > 1 означает, что помимо идеальной рекомбинации в квазинейтральных областях p, — и n , неидеальная рекомбинация также имеет место в области пространственного заряда (SCR) области p n переход [2]. Из таблицы видно, что модуль EFG-Si имеет ячейки лучшего качества. Это противоречит нормированным ВАХ на Рисунке 10, из которого следует, что мультикристаллический модуль имеет наивысшую FF и, следовательно, лучшее качество.Однако нижний FF модуля EFG-Si на рисунке 10 связан с трещиной на одной из его ячеек. Таким образом, метод V oc I sc по-прежнему дает точные результаты, даже когда легкие измерения ВАХ могут вводить в заблуждение.

9329 9329

Модуль CIS a-Si: H EFG-Si Multi-Si Mono-Si
1.38 1,71 1,07 1,15 1,19
I 0 (н.э.) 486 5,47 1,28 5,47 1,28 5,82 1,28 5,82

Относительно более высокое значение n для тонкопленочных модулей показывает, что качество их ячеек ниже, чем у кристаллических ячеек. Это также означает, что неидеальная рекомбинация имеет место, особенно для модуля a-Si: H с n , близким к 2.Высокое значение I 0 модуля CuInSe 2 (CIS) связано с тем, что модуль CIS показал шунтирующее поведение [14, 19–22], что означает, что отношение V oc / I сбн подходов R sh . В общем, более низкое качество тонкопленочных модулей в основном связано с менее строгими производственными процессами, используемыми в попытке снизить производственные затраты.

5. Резюме и выводы

В этой статье было успешно показано, что ток насыщения I 0 и коэффициент идеальности n ячеек и модулей могут быть извлечены из измерения В oc и I sc при разных уровнях освещенности.По сравнению с измерениями и моделированием ВАХ в темноте, физика, лежащая в основе нашего метода, и его реализация намного проще и хорошо коррелируют с результатами, полученными как при измерениях ВА в темноте, так и при моделировании. Предположение в целом верно для ячеек и модулей. Если соотношение между V oc и ln I sc сублинейно для ячейки или модуля, можно сделать вывод, что ячейка или модуль демонстрируют шунтирующее поведение.

Благодаря своей простоте, наш метод может использоваться в любой фотоэлектрической лаборатории с симулятором, а также на открытом воздухе.Эти наружные измерения будут включать в себя физические измерения V oc и I sc с помощью соответствующего мультиметра и размещения прозрачных слоев сетки над модулями для изменения падающего излучения на модули. Если температура модуля также меняется, необходимо внести поправки. Его также можно использовать для измерений, проводимых на открытом воздухе с помощью обычного лабораторного оборудования [23]. Для разработчика ячеек и модулей это быстрый и полезный диагностический инструмент для оценки качества ячеек и модулей.Этот метод V oc I sc также использовался в этом исследовании для анализа деградации в модуле a-Si: H, развернутом на открытом воздухе. Ток насыщения модуля увеличился более чем на три порядка, а коэффициент идеальности увеличился на 65% с 1,71 первоначально до 2,83 после воздействия 130 кВтч / м 2 . Эти результаты подтвердили эффект Стаблера-Вронски, когда образование центров рекомбинации в СКЛ усиливается воздействием фотонов света.Оценка качества различных модульных технологий показала, что технологии тонкопленочных модулей уступают по качеству модулям из кристаллического Si. Метод V oc I sc также оказался надежным даже при наличии дефектных ячеек в модуле, что приводит к тому, что результаты, полученные при легких измерениях ВАХ, вводят в заблуждение.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации этой статьи.

Благодарности

Авторы выражают благодарность Центру исследований и разработок Гована Мбеки при Университете Форт-Хейра, Национальному исследовательскому фонду Южной Африки и Eskom за их финансовую поддержку.

Как избежать насыщения индуктора в конструкции источника питания | Статья

.

СТАТЬЯ


Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылается раз в месяц

Мы ценим вашу конфиденциальность

Катушка индуктивности — важный компонент источника постоянного / постоянного тока.При выборе индуктора следует учитывать множество факторов, таких как значение индуктивности, DCR, размер и ток насыщения. Режим насыщения катушки индуктивности часто неправильно понимается и может вызвать проблемы. В этой статье будет рассмотрено, как насыщаются катушки индуктивности, как насыщение влияет на схему, а также методы определения насыщения катушек индуктивности.

Причины насыщения индуктора

Чтобы понять, как происходит насыщение катушки индуктивности, см. Рисунок 1 и шаги для насыщения катушки индуктивности, описанные ниже:

  • Когда ток проходит через катушку на Рисунке 1, катушка создает магнитное поле.
  • Магнитопровод намагничивается полем, и его внутренний магнитный домен медленно вращается.
  • Когда магнитопровод полностью намагничен, направление магнитных доменов согласовывается с магнитным полем. Даже если добавлено внешнее магнитное поле, сердечник не имеет вращающихся магнитных доменов. Это означает, что индуктор насыщен.

Рисунок 1: Диаграмма насыщения индуктора

Рисунок 2 показывает другую перспективу насыщения индуктора, а также уравнение, которое показывает, как плотность потока системы (B) и напряженность магнитного поля (H) могут влиять на индуктивность.

Когда плотность магнитного потока достигает BM, плотность магнитного потока больше не увеличивается с увеличением напряженности магнитного поля. Это означает, что индуктор насыщен.

Рассмотрим взаимосвязь между индуктивностью и магнитной проницаемостью (µ). Когда индуктор насыщен, µ значительно уменьшается; поэтому индуктивность будет значительно уменьшена, и способность подавить ток будет потеряна.

Рисунок 2: Кривая намагничивания и формулы

Советы по оценке насыщения индуктора:

Существует две категории оценки насыщения индуктора в практических приложениях: теоретические расчеты и экспериментальные испытания. Рисунок 3 суммирует эти методы.

Рисунок 3: Методы определения насыщения индуктора

Теоретические расчеты требуют расчета максимальной плотности магнитного потока или максимального тока индуктора. С другой стороны, экспериментальные испытания в основном сосредоточены на форме волны тока катушки индуктивности и других методах предварительной оценки. Эти методы описаны более подробно ниже.

Метод 1: Расчет плотности магнитного потока

Метод 1 подходит для сценариев, в которых магнитные сердечники используются для проектирования индукторов.Например, параметры сердечника включают длину магнитного пути (lE) и эффективную площадь (AE). Тип магнитного сердечника также определяет соответствующую марку магнитного материала, и для магнитного материала требуются соответствующие правила в отношении потерь в сердечнике и плотности магнитного потока насыщения (см. Рисунок 4) .

Рисунок 4: Параметры и характеристики индуктора

С помощью этих материалов мы можем рассчитать максимальную плотность магнитного потока в соответствии с фактическим расчетным сценарием. Рисунок 5 показывает формулы для расчета максимальной плотности магнитного потока.

Рисунок 5: Формулы плотности магнитного потока

На практике расчет можно упростить, и вместо µR можно использовать µI. По сравнению с плотностью потока насыщения магнитного материала, можно определить, подвержена ли расчетная индуктивность риску насыщения.

Метод 2: Расчет максимального тока индуктора

Этот метод подходит для проектирования схем с непосредственным использованием существующих катушек индуктивности.Различные топологии схем имеют разные формулы для расчета тока индуктора.

Возьмем, к примеру, импульсный преобразователь MP2145. Ток катушки индуктивности можно рассчитать по формулам, приведенным ниже, и сравнить результат расчета со значением, указанным в спецификации катушки индуктивности, чтобы определить, будет ли катушка индуктивности насыщена (см. Рисунок 6) .

Рисунок 6: Расчет максимального тока индуктора с помощью MP2145

Метод 3: Определите, насыщен ли индуктор кривой тока индуктора

Этот метод является наиболее распространенным и практичным, доступным инженерам.

Используйте инструмент моделирования MPSmart с MP2145. Из формы волны моделирования мы знаем, что, когда индуктор не насыщен, ток индуктора представляет собой треугольную волну с определенным наклоном. Когда катушка индуктивности насыщена, форма волны тока катушки индуктивности имеет значительные искажения, которые вызваны уменьшением степени насыщения (см. Рисунок 7).

Рисунок 7: Форма кривой тока индуктора для MP2145

Мы можем наблюдать искажение формы волны тока катушки индуктивности, чтобы определить, когда она станет насыщенной.

На рисунке 8 показана форма сигнала, измеренная на оценочной плате MP2145. После насыщения катушки индуктивности наблюдается очевидное искажение, что согласуется с результатами моделирования.

Рисунок 8: Форма сигнала оценочной платы MP2145

Метод 4: Измерьте аномальное повышение температуры индуктора и прислушайтесь к звукам

Если вы не знаете модель сердечника системы, может быть сложно определить ток насыщения катушки индуктивности. Иногда неудобно проверять ток индуктора, так как может потребоваться частичное снятие индуктора с печатной платы, чтобы измерить его ток.Еще одна хитрость — это измерение температуры индуктора с помощью тепловизора. Если температура значительно превышает расчетные, это может указывать на насыщение индуктора (см. Рисунок 9). Если вы поднесете ухо к индуктору и обнаружите, что он издает звуки, это также может указывать на его насыщение.

Рисунок 9: Измерение температуры индуктора с помощью тепловизора

При разработке источников питания с индукторами важно избегать насыщения индуктора.В этой статье объясняются некоторые из физических свойств, которые вызывают насыщение магнетиков, и приводятся уравнения для выбора правильного значения индуктивности для вашей схемы, объемные изображения того, как выглядят формы волны тока, когда индукторы становятся насыщенными, а также другие уловки для наблюдения за насыщением индукторов. в вашем приложении. Чтобы выбрать индуктор для вашего следующего дизайн-проекта, см. Наш новый каталог индукторов.

_________________________

Вам это показалось интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылайте их раз в месяц!

Получить техническую поддержку

Рекордно высокий ток насыщения в монослойных MoS2 транзисторах с концевыми связями

  • [1]

    Desai, S.B .; Madhvapathy, S.R .; Sachid, A. B .; Llinas, J. P .; Wang, Q. X .; Ahn, G.H .; Pitner, G .; Kim, M. J .; Bokor, J .; Hu, C.M. et al. MoS 2 транзистора с длиной затвора 1 нм. Наука 2016 , 354 , 99–102.

    CAS Статья Google ученый

  • [2]

    Kang, K .; Xie, S. E .; Huang, L.J .; Han, Y.M .; Huang, P. Y .; Мак, К. Ф .; Kim, C.J .; Muller, D .; Парк, Дж. Высокоподвижные полупроводниковые пленки толщиной три атома с однородностью на уровне пластины. Природа 2015 , 520 , 656–660.

    CAS Статья Google ученый

  • [3]

    Gao, L .; Liao, Q. L .; Zhang, X.K .; Лю, X. Z .; Gu, L .; Liu, B. S .; Du, J. L .; Ou, Y .; Xiao, J. K .; Канг, З. и др. Дефектная атомарно тонкая гомогенная электроника MoS 2 для логических инверторов. Adv. Матер. 2020 , 32 , 16.

    CAS Статья Google ученый

  • [4]

    Чжао, М.; Ye, Y .; Han, Y.M .; Xia, Y .; Zhu, H. Y .; Wang, S. Q .; Wang, Y .; Мюллер, Д. А .; Чжан, X. Крупномасштабная химическая сборка атомарно тонких транзисторов и схем. Nat. Nanotechnol. 2016 , 11 , 954–959.

    CAS Статья Google ученый

  • [5]

    Radisavljevic, B .; Раденович, А .; Brivio, J .; Giacometti, V .; Кис, А. Однослойные транзисторы MoS 2 . Nat. Nanotechnol. 2011 , 6 , 147–150.

    CAS Статья Google ученый

  • [6]

    Xu, K .; Chen, D. X .; Yang, F. Y .; Wang, Z. X .; Инь, Л .; Wang, F .; Cheng, R.Q .; Лю, К. Х .; Xiong, J .; Лю, Q. et al. Архитектура наноразмеров размером менее 10 нм для полевых транзисторов из двухмерных материалов. Nano Lett. 2017 , 17 , 1065–1070.

    CAS Статья Google ученый

  • [7]

    Се, Л.; Liao, M. Z .; Wang, S.P .; Yu, H .; Du, L.J .; Tang, J .; Zhao, J .; Zhang, J .; Chen, P .; Лу, X. B. et al. Связанный с графеном ультракороткий канальный монослой MoS 2 транзисторов. Adv. Матер. 2017 , 29 , 1702522.

    Артикул CAS Google ученый

  • [8]

    Xiao, X. Y .; Chen, M .; Zhang, J .; Zhang, T. F .; Zhang, L.H .; Jin, Y.H .; Wang, J. P .; Jiang, K. L .; Fan, S. S .; Li, Q.Q. Монослойные транзисторы MoS 2 толщиной менее 10 нм, использующие однослойные углеродные нанотрубки в качестве испарительной маски. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 2019 , 11 , 11612–11617.

    CAS Статья Google ученый

  • [9]

    Cao, Q .; Han, S.J .; Tersoff, J .; Франклин, A.D .; Zhu, Y .; Zhang, Z .; Тулевский, Г. С .; Tang, J. S .; Haensch, W. Торцевые контакты для транзисторов из углеродных нанотрубок с низким, не зависящим от размера сопротивлением. Наука 2015 , 350 , 68–72.

    CAS Статья Google ученый

  • [10]

    Лю Л.J .; Qiu, C.G .; Чжун, Д. Л .; Si, J .; Zhang, Z. Y .; Пэн, Л. М. Уменьшение длины контакта в дополнительных полевых транзисторах из углеродных нанотрубок. Наноразмер 2017 , 9 , 9615–9621.

    CAS Статья Google ученый

  • [11]

    Zhu, W. J .; Низкий, Т .; Lee, Y.H .; Wang, H .; Фармер, Д. Б.; Kong, J .; Xia, F. N .; Авурис, П. Электронный транспорт и перспективы устройства однослойного дисульфида молибдена, выращенного методом химического осаждения из газовой фазы. Nat. Commun. 2014 , 5 , 3087.

    Артикул CAS Google ученый

  • [12]

    Zhang, X. K .; Liao, Q. L .; Liu, S .; Канг, З .; Zhang, Z .; Du, J. L .; Li, F .; Zhang, S.H .; Xiao, J. K .; Лю, Б.С. и др. Стратегия самовосстановления вакансий серы, вызванная поли (4-стиролсульфонатом), для однослойного фотодиода с гомопереходом MoS 2 . Nat. Commun. 2017 , 8 , 15881.

    CAS Статья Google ученый

  • [13]

    Lee, Y. H .; Чжан, X. Q .; Zhang, W. J .; Chang, M. T .; Lin, C.T .; Chang, K. D .; Yu, Y.C .; Wang, J. T. W .; Chang, C. S .; Ли, Л. Дж. И др. Синтез атомных слоев MoS2 большой площади методом химического осаждения из газовой фазы. Adv. Матер. 2012 , 24 , 2320–2325.

    CAS Статья Google ученый

  • [14]

    Ким, К.; Moon, I .; Ли, Д .; Choi, M. S .; Ахмед, Ф .; Nam, S .; Чо, Й .; Shin, H.J .; Парк, С .; Ю, У. Дж. Пиннинг уровня Ферми на электрических металлических контактах однослойных дихалькогенидов молибдена. ACS Nano 2017 , 11 , 1588–1596.

    CAS Статья Google ученый

  • [15]

    Chhowalla, M .; Jena, D .; Чжан, Х. Двумерные полупроводники для транзисторов. Nat. Rev. Mater. 2016 , 1 , 16052.

    CAS Статья Google ученый

  • [16]

    Allain, A .; Kang, J. H .; Banerjee, K .; Кис, А. Электрические контакты к двумерным полупроводникам. Nat. Матер. 2015 , 14 , 1195–1205.

    CAS Статья Google ученый

  • [17]

    Schulman, D. S .; Арнольд, А. Дж .; Дас С. Контактная инженерия для 2D материалов и устройств. Chem. Soc. Ред. 2018 , 47 , 3037–3058.

    CAS Статья Google ученый

  • [18]

    Zhu, Y.B .; Li, Y.J .; Arefe, G .; Burke, R.A .; Tan, C .; Hao, Y. F .; Лю, X. C .; Лю, X .; Yoo, W. J .; Dubey, M. et al. Однослойные транзисторы на основе дисульфида молибдена с затворами толщиной до одного атома. Nano Lett. 2018 , 18 , 3807–3813.

    CAS Статья Google ученый

  • [19]

    Лю X.Q .; Ян, X. N .; Gao, G. Y .; Yang, Z. Y .; Liu, H.T .; Li, Q .; Lou, Z .; Shen, G. Z .; Liao, L .; Pan, C. F. et al. Повышение светочувствительности самовыравнивающихся полевых транзисторов MoS 2 за счет пьезофотронного эффекта из нанопроволок GaN. ACS Nano 2016 , 10 , 7451–7457.

    CAS Статья Google ученый

  • [20]

    Liu, H .; Si, M. W .; Deng, Y. X .; Neal, A. T .; Du, Y. C .; Наджмаи, С.; Ajayan, P.M .; Lou, J .; Е., П. Д. Механизм переключения в однослойных транзисторах на основе дисульфида молибдена: понимание протекания тока через барьеры Шоттки. ACS Nano 2014 , 8 , 1031–1038.

    CAS Статья Google ученый

  • [21]

    Liu, Y .; Guo, J .; Zhu, E. B .; Liao, L .; Ли, С. Дж .; Ding, M. N .; Шакир, И .; Гамбин, В .; Huang, Y .; Дуан, X. Ф. Приближение к пределу Шоттки-Мотта в ван-дер-ваальсовых переходах металл-полупроводник. Природа 2018 , 557 , 696–700.

    CAS Статья Google ученый

  • [22]

    Gao, Q. G .; Zhang, Z. F .; Xu, X. L .; Song, J .; Li, X. F .; Wu, Y. Q. Масштабируемая высокопроизводительная радиочастотная электроника на основе двухслойной большой области MoS 2 . Nat. Commun. 2018 , 9 , 4778.

    Артикул CAS Google ученый

  • [23]

    Чжэн Дж.Y .; Ян, X. X .; Лу, З. X .; Qiu, H.L .; Xu, G.C .; Чжоу, X .; Wang, P .; Пан, X. Q .; Лю, К. Х .; Цзяо, Л. Ю. Высокоподвижные многослойные хлопья MoS 2 с низким контактным сопротивлением, выращенные методом химического осаждения из газовой фазы. Adv. Матер. 2017 , 29 , 1604540.

    Артикул CAS Google ученый

  • [24]

    Lee, Y.T .; Choi, K .; Lee, H. S .; Мин, С. З .; Jeon, P.J .; Hwang, D. K .; Чой, Х. Дж.; Им, С. Графен против омического металла в качестве электрода исток-сток для канала транзистора из нанолистов MoS 2 . Малый 2014 , 10 , 2356–2361.

    CAS Статья Google ученый

  • [25]

    Kiriya, D .; Тосун, М .; Zhao, P.D .; Kang, J. S .; Javey, A. Легирование с переносом поверхностного заряда MoS 2 бензилвиологеном на воздух. J. Am. Chem. Soc. 2014 , 136 , 7853–7856.

    CAS Статья Google ученый

  • [26]

    Yang, L.M .; Majumdar, K .; Liu, H .; Du, Y. C .; Wu, H .; Hatzistergos, M .; Hung, P. Y .; Tieckelmann, R .; Tsai, W .; Hobbs, C. et al. Методика хлоридного молекулярного легирования 2D-материалов: WS 2 и MoS 2 . Nano Lett. 2014 , 14 , 6275–6280.

    CAS Статья Google ученый

  • [27]

    Сан, Л.F .; Ян, X. X .; Zheng, J. Y .; Yu, H.D .; Лу, З. X .; Gao, S.P .; Liu, L.N .; Пан, X. Q .; Wang, D .; Ван, З. Г. и др. Слойно-зависимый химически индуцированный фазовый переход двумерного MoS 2 . Nano Lett. 2018 , 18 , 3435–3440.

    CAS Статья Google ученый

  • [28]

    Kappera, R .; Voiry, D .; Yalcin, S.E .; Филиал, Б .; Gupta, G .; Mohite, A.D .; Чховалла, М. Фазовые низкоомные контакты для сверхтонких транзисторов MoS 2 . Nat. Матер. 2014 , 13 , 1128–1134.

    CAS Статья Google ученый

  • [29]

    Kang, J. H .; Liu, W .; Sarkar, D .; Jena, D .; Банерджи, К. Расчетное исследование металлических контактов к однослойным дихалькогенидным полупроводникам переходных металлов. Phys. Ред. X 2014 , 4 , 031005.

    CAS Google ученый

  • [30]

    Лю С.Q .; Li, J. Z .; Shi, B.W .; Чжан, X. Y .; Pan, Y. Y .; Е, М .; Quhe, R .; Wang, Y. Y .; Zhang, H .; Ян, Дж. Х. и др. Перестраиваемые затвором межфазные свойства плоских гетеропереходов ML MX 2 1T’-2H. J. Mater. Chem. C 2018 , 6 , 5651–5661.

    CAS Статья Google ученый

  • [31]

    Kong, L.A .; Zhang, X. D .; Tao, Q. Y .; Zhang, M. L .; Dang, W. Q .; Li, Z. W .; Feng, L.P .; Ляо, Л.; Дуань, X. F .; Лю, Ю. Бездопинговая дополнительная схема WSe2 через интеграцию металла Ван-дер-Ваальса. Nat. Commun. 2020 , 11 , 1866.

    CAS Статья Google ученый

  • [32]

    Jain, A .; Szabó, Á .; Парзефаль, М .; Bonvin, E .; Taniguchi, T .; Watanabe, K .; Bharadwaj, P .; Луизье, М .; Новотный, Л. Одномерные краевые контакты к однослойному полупроводнику. Nano Lett. 2019 , 19 , 6914–6923.

    CAS Статья Google ученый

  • [33]

    Cheng, Z. H .; Ю., Ю. Ф .; Singh, S .; Цена, К .; Noyce, S.G .; Lin, Y.C .; Cao, L. Y .; Франклин, А. Д. Невосприимчивость к масштабированию контактов в транзисторах MoS 2 с использованием in situ краевых контактов. Nano Lett. 2019 , 19 , 5077–5085.

    CAS Статья Google ученый

  • [34]

    Лян, Т.; Habib, M. R .; Xiao, H .; Xie, S .; Kong, Y.H .; Yu, C .; Iwai, H .; Fujita, D .; Hanagata, N .; Chen, H.Z. et al. Внутреннее легирование углеродом замещения в монослое MoS2, выращенном методом CVD, и модуляция зонной структуры. ACS Appl. Электрон. Матер. 2020 , 2 , 1055–1064.

    CAS Статья Google ученый

  • [35]

    Liu, B. S .; Liao, Q. L .; Zhang, X.K .; Du, J. L .; Ou, Y .; Xiao, J. K .; Канг, З.; Zhang, Z .; Чжан, Ю. Ван-дер-ваальсовы интерфейсы деформационной инженерии массивов гетероструктур смешанной размерности. ACS Nano 2019 , 13 , 9057–9066.

    CAS Статья Google ученый

  • [36]

    Zhang, X. K .; Liao, Q. L .; Канг, З .; Liu, B. S .; Ou, Y .; Du, J. L .; Xiao, J. K .; Gao, L .; Shan, H. Y .; Луо, Ю. и др. Самовосстанавливающиеся гомопереходы Ван-дер-Ваальса с сильной межслойной связью для высокопроизводительных фотодиодов. ACS Nano 2019 , 13 , 3280–3291.

    CAS Статья Google ученый

  • [37]

    English, C. D .; Блеск, G .; Dorgan, V.E .; Сарасват, К. С .; Поп, Э. Улучшенные контакты к транзисторам MoS 2 методом напыления металла в сверхвысоком вакууме. Nano Lett. 2016 , 16 , 3824–3830.

    CAS Статья Google ученый

  • [38]

    Сантош, К.C .; Longo, R.C .; Addou, R .; Wallace, R.M .; Чо К. Электронные свойства интерфейсов MoS 2 / MoO x : значение для туннельных полевых транзисторов и дырочных контактов. Sci. Представитель 2016 , 6 , 33562.

    CAS Статья Google ученый

  • [39]

    Zheng, X. R .; Calò, A .; Albisetti, E .; Лю, X. Y .; Alharbi, A. S. M .; Arefe, G .; Лю, X. C .; Spieser, M .; Yoo, W. J .; Танигучи, Т.и другие. Создание рисунка металлических контактов на монослое MoS 2 с исчезающими барьерами Шоттки с использованием термальной нанолитографии. Nat. Электрон. 2019 , 2 , 17–25.

    CAS Статья Google ученый

  • [40]

    Chen, W .; Zhao, J .; Zhang, J .; Gu, L .; Ян, З. З .; Li, X. M .; Yu, H .; Zhu, X. T .; Yang, R .; Shi, D. X. et al. Рост крупных монокристаллов и высококачественного монослоя MoS 2 с помощью химического осаждения из газовой фазы с помощью кислорода. J. Am. Chem. Soc. 2015 , 137 , 15632–15635.

    CAS Статья Google ученый

  • [41]

    Yu, Z. H .; Пан, Ю. М .; Шен, Ю. Т .; Wang, Z. L .; Ong, Z. Y .; Xu, T .; Xin, R .; Pan, L.J .; Wang, B.G .; Sun, L. T. et al. На пути к собственному переносу заряда в однослойном дисульфиде молибдена путем проектирования дефектов и интерфейсов. Nat. Commun. 2014 , 5 , 5290.

    CAS Статья Google ученый

  • [42]

    Smithe, K. K. H .; Английский, C.D .; Сурьяванши, С. В .; Поп, Э. Внутренний электрический транспорт и прогнозы производительности синтетических однослойных устройств MoS 2 . 2D Mater. 2017 , 4 , 011009.

    Артикул CAS Google ученый

  • [43]

    Yang, Z. Y .; Лю, X.Q .; Zou, X. M .; Wang, J. L .; Ma, C .; Jiang, C.Z .; Ho, J.C .; Pan, C.F .; Сяо, X. H .; Xiong, J. et al. Пределы производительности самовыравнивающихся нанопроволочных транзисторов MoS 2 с верхним затвором. Adv. Функц. Матер. 2017 , 27 , 1602250.

    Артикул CAS Google ученый

  • [44]

    Chen, P.C .; Lin, C.P .; Hong, C.J .; Yang, C.H .; Lin, Y. Y .; Li, M. Y .; Li, L.J .; Yu, T. Y .; Su, C.J .; Ли, К.S. et al. Эффективная влажная очистка N-метил-2-пирролидоном для изготовления высокопроизводительных однослойных транзисторов MoS 2 . Nano Res. 2019 , 12 , 303–308.

    CAS Статья Google ученый

  • [45]

    Smithe, K. K. H .; Сурьяванши, С. В .; Muñoz Rojo, M .; Tedjarati, A.D .; Поп, Э. Низкая изменчивость в синтетических монослойных устройствах MoS 2 . ACS Nano 2017 , 11 , 8456–8463.

    CAS Статья Google ученый

  • [46]

    Guimaraes, M.H.D .; Gao, H .; Han, Y.M .; Канг, К .; Xie, S. E .; Kim, C.J .; Мюллер, Д. А .; Ralph, D.C .; Парк, Дж. Атомно тонкие омические краевые контакты между двумерными материалами. ACS Nano 2016 , 10 , 6392–6399.

    CAS Статья Google ученый

  • [47]

    Ван, Ю.; Kim, J. C .; Wu, R.J .; Martinez, J .; Песня, X.J .; Yang, J .; Чжао, Ф .; Мхоян, А .; Jeong, H.Y .; Чховалла, М. Ван-дер-Ваальсовые контакты между трехмерными металлами и двумерными полупроводниками. Природа 2019 , 568 , 70–74.

    CAS Статья Google ученый

  • [48]

    Cui, X .; Lee, G.H .; Kim, Y.D .; Arefe, G .; Huang, P. Y .; Lee, C.H .; Chenet, D.A .; Чжан, X .; Wang, L .; Е, Ф.и другие. Многопунктовые транспортные измерения MoS 2 с использованием платформы гетероструктур Ван-дер-Ваальса. Nat. Nanotechnol. 2015 , 10 , 534–540.

    CAS Статья Google ученый

  • [49]

    Cui, X .; Shih, E.M .; Jauregui, L.A .; Chae, S. H .; Kim, Y.D .; Li, B.C .; Seo, D .; Пистунова, К .; Инь, Дж .; Park, J.H. et al. Низкотемпературный омический контакт с монослоем MoS 2 с помощью ван-дер-ваальсовых электродов из Co / h -BN. Nano Lett. 2017 , 17 , 4781–4786.

    CAS Статья Google ученый

  • [50]

    Chang, M. C .; Ho, P.H .; Ценг, М. Ф .; Lin, F. Y .; Hou, C.H .; Lin, I.K .; Wang, H .; Huang, P.P .; Chiang, C.H .; Yang, Y.C. et al. Быстрый рост крупнозернистых и сплошных пленок MoS 2 методом самозаклеивания пар-жидкость-твердое тело. Nat. Commun. 2020 , 11 , 3682.

    CAS Статья Google ученый

  • [51]

    Liu, Y .; Wu, H .; Cheng, H.C .; Ян, С .; Zhu, E. B .; He, Q. Y .; Ding, M. N .; Li, D. H .; Guo, J .; Weiss, N.O. et al. К безбарьерному контакту с дисульфидом молибдена с использованием графеновых электродов. Nano Lett. 2015 , 15 , 3030–3034.

    CAS Статья Google ученый

  • [52]

    Смит, К.K. H .; Английский, C.D .; Сурьяванши, С. В .; Поп, Э. Перенос и насыщение скоростей в синтетическом монослое MoS 2 . Nano Lett. 2018 , 18 , 4516–4522.

    CAS Статья Google ученый

  • [53]

    Sanne, A .; Ghosh, R .; Rai, A .; Йогиш, М. Н .; Shin, S. H .; Sharma, A .; Джарвис, К .; Мэтью, L .; Rao, R .; Akinwande, D. et al. Радиочастотные транзисторы и схемы на базе CVD MoS 2 . Nano Lett. 2015 , 15 , 5039–5045.

    CAS Статья Google ученый

  • [54]

    Liu, H .; Si, M. W .; Najmaei, S .; Neal, A. T .; Du, Y. C .; Ajayan, P.M .; Lou, J .; Е. П. Д. Статистическое исследование глубоких субмикронных полевых транзисторов с двойным затвором на однослойных пленках дисульфида молибдена химического осаждения из газовой фазы. Nano Lett. 2013 , 13 , 2640–2646.

    CAS Статья Google ученый

  • [55]

    Ni, Z.Y .; Е, М .; Ma, J. H .; Wang, Y. Y .; Quhe, R .; Zheng, J. X .; Dai, L .; Ю., Д. П .; Shi, J. J .; Yang, J. B. et al. Верхний предел производительности однослойных транзисторов MoS 2 размером менее 10 нм. Adv. Электрон. Матер. 2016 , 2 , 1600191.

    Артикул CAS Google ученый

  • НАСЫЩЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРА ТОКА — нарушение напряжения

    Назначение трансформатора тока (ТТ) состоит в том, чтобы создать точную копию формы волны первичного тока с уменьшенной величиной пропорционально соотношению витков.КТ — очень надежное и точное устройство по большей части, за исключением случаев, когда происходит насыщение.

    Как насыщается трансформатор тока?

    Трансформатор тока

    с заданным размером сердечника может поддерживать только заданное значение максимальной плотности магнитного потока в сердечнике. Пока плотность потока (поток в сердечнике, создаваемый потоком первичного тока трансформатора тока) остается ниже максимального заданного потока, изменение потока будет создавать соотношение тока потока во вторичной цепи.

    Когда ток в первичной обмотке настолько велик, что сердечник больше не может обрабатывать поток, говорят, что трансформатор тока находится в состоянии насыщения.При насыщении магнитный поток не изменяется при изменении первичного тока (поскольку сердечник уже несет максимальный магнитный поток). Поскольку нет изменения потока, вторичный ток не протекает. Другими словами, при насыщении весь ток отношения используется как ток намагничивания, и никакой ток не течет к нагрузке, подключенной к ТТ.

    Параметры, относящиеся к насыщению

    • Поперечное сечение сердечника ТТ: чем больше поперечное сечение, тем меньше вероятность насыщения.
    • Качество и тип стали, из которой изготовлен сердечник
    • Нагрузка: внешняя нагрузка, приложенная к вторичной обмотке трансформатора тока, называется «нагрузкой».

    Рекомендации по применению трансформатора тока

    • Номинальный ток первичной обмотки ТТ должен быть равен или превышать максимальный ожидаемый ток для соответствующих выключателей или трансформаторов.
    • Максимальный вторичный ток не должен превышать в 20 раз номинальный ток (100 А для ТТ с номиналом 5 А) для ТТ ANSI класса C.
    • ТТ, подключенный звездой, создает номинальный вторичный ток ТТ на внешних проводах ТТ, тогда как ТТ, подключенный треугольником, генерирует токи, равные 1.В 732 раза больше вторичного тока.
    • Наивысший коэффициент трансформатора тока, который можно использовать в данном приложении, чтобы получить наилучшую производительность. Слишком высокий коэффициент трансформатора тока может быть проблематичным для настройки реле.
    • Для ТТ с несколькими передаточными числами использование нижнего отвода снижает эффективную точность и увеличивает вероятность насыщения.

    Чтение: Насыщение постоянного тока трансформатора тока и время насыщения

    Расчет рабочих характеристик трансформатора тока

    Характеристики трансформатора тока

    (ТТ) можно оценить с помощью одного из следующих методов:

    1. Формульный метод
    2. Метод кривой возбуждения
    3. Стандарты ANSI

    Формульный метод

    Метод формул использует основное уравнение трансформатора для расчета эффективной плотности магнитного потока для конкретного значения тока короткого замыкания.Затем рассчитанная магнитная индукция сравнивается со способностью стали, используемой в сердечнике трансформатора тока, и определяется, будет ли сердечник насыщаться или нет для этого тока короткого замыкания.

    Получить площадь поперечного сечения и максимальную магнитную индукцию сердечника ТТ непросто, и этот метод применим только в некоторых редких ситуациях. Далее этот метод не обсуждается.

    Метод возбуждения

    Кривая возбуждения представляет собой кривую среднеквадратичного значения вторичного напряжения ТТ в зависимости от среднеквадратичного значения тока при разомкнутой первичной цепи.Достаточно точная кривая вторичного возбуждения для данного ТТ может быть получена путем размыкания цепи первичной обмотки и подачи переменного напряжения соответствующей частоты на вторичную. Ток, который течет к трансформатору тока, необходимо измерить. Кривая приложенного среднеквадратичного напряжения на клеммах относительно среднеквадратичного вторичного тока приблизительно соответствует кривой вторичного возбуждения.

    Пример 1: Для данного ТТ 50: 5 кривая возбуждения приведена ниже. Реле, подключенное к ТТ, должно работать при 60А симметричного первичного тока.Внутреннее сопротивление ТТ = 0,0332 Ом , сопротивление выводов = 1,25 Ом , нагрузка реле = 0,5 Ом. Рассчитайте фактический первичный ток, необходимый для отключения реле.

    Ответ:

    Количество витков = 50/5 = 10

    Реле срабатывает при 60/10 = 6А вторичного тока ТТ

    Когда во вторичной цепи протекает ток 6А, падение напряжения Vs можно рассчитать как

    Вс = 6 А * (0,0332 Ом + 1,25 Ом + 0,5 Ом) = 10,7 В

    Посмотрите на график возбуждения под током возбуждения I e для 10.Напряжение вторичного возбуждения 7 В составляет примерно 5 А.

    Общий первичный ток = (60A + 10 * 5A) = 110A

    Таким образом, реле будет работать только в том случае, если первичный ток составляет 110А вместо желаемых 60А.

    Это можно улучшить, выбрав трансформатор тока с более высоким коэффициентом передачи. Например, если выбрать ТТ 100: 5 с внутренним сопротивлением 0,064 Ом и все остальное останется прежним,

    Количество витков = 100/5 = 20

    Реле срабатывает при 60/20 = 3А вторичного тока ТТ

    Когда во вторичной цепи протекает ток 3А, падение напряжения Vs можно рассчитать как

    Вс = 3 А * (0.064 Ом + 1,25 Ом + 0,5 Ом) = 5,442 В

    Посмотрите на график возбуждения (не показан), ток возбуждения I e для 10,7 В вторичного напряжения возбуждения составляет приблизительно 0,22 А.

    Общий первичный ток = (60A + 20 * 0,22A) = 64,4A

    Таким образом, реле будет работать, если первичный ток составляет 64,4 А, вместо случая с ТТ 50: 5, который требовал 110 А первичного тока для срабатывания реле. Ток срабатывания реле будет 61,6 А, если используется ТТ 200: 5.

    Для расчетов с использованием метода кривой возбуждения важно, чтобы в расчетах использовалось внутреннее сопротивление обмотки ТТ.

    Пример 2: Кривая возбуждения может использоваться для определения соответствия ТТ определенному уровню точности реле по кривой возбуждения. Это можно продемонстрировать на примере. Рассмотрим ТТ C100 600: 5. Предположим, что общая нагрузка, включая сопротивление обмотки ТТ, составляет 0,5 Ом .

    Решение: Чтобы проверить, подходит ли реле, сначала рассчитайте вторичное напряжение, в 20 раз превышающее номинальный вторичный ток.

    По кривой возбуждения найдите напряжение возбуждения, соответствующее 10А тока возбуждения.Причина выбора 10А заключается в том, что 10А составляет 10% от 100А, а трансформаторы тока ANSI C гарантируют 10% погрешность соотношения, которая до 20 раз превышает номинальный вторичный ток. Таким образом, для 100 А вторичного тока до 10 А может течь на импеданс намагничивания, а 90 А на нагрузку, а ТТ по-прежнему соответствует требованиям точности 10%.

    Из приведенной ниже кривой возбуждения для тока возбуждения 10 А вторичное напряжение составляет 90 В. Поскольку 90 В больше расчетных 50 В, ТТ соответствует точности реле.

    Стандарты ANSI

    Стандарт реле

    ANSI C57-13 описывается двумя символами — буквенным обозначением и номинальным напряжением. Примеры: C50, C100, C400 и т. Д.

    Буквы означают следующее:

    C: Можно рассчитать коэффициент трансформации

    T: Коэффициент трансформации должен определяться испытанием

    Трансформаторы тока (ТТ) класса

    C имеют полностью распределенные обмотки, и, следовательно, поток утечки сердечника имеет незначительное влияние на коэффициент.Классификация C охватывает ввод трансформаторов тока трансформатора тока, тогда как классификация T распространяется на трансформаторы обычного типа. Для ТТ класса Т потоком утечки нельзя пренебречь и он существенно влияет на коэффициент. В этой статье обсуждаются только CT класса C.

    Трансформаторы тока классов C и T

    Например, обозначение C100 на ТТ 100: 5 означает, что погрешность отношения не будет превышать 10% в диапазоне от 1 до 20 раз больше нормального вторичного тока, если вторичная нагрузка не превышает 1 Ом [1 Ом * 5 А * 20 = 100 В].

    Аналогичным образом, ошибка соотношения ТТ C400 не будет превышать 10% для вторичного тока, в 1–20 раз превышающего нормальный вторичный ток, если вторичная нагрузка не превышает 4 Ом. Популярное эмпирическое правило: рейтинг C должен быть в два раза больше напряжения возбуждения, развиваемого при максимальном токе короткого замыкания.

    Стандартные нагрузки для реле составляют 1, 2, 4 и 8 Ом с коэффициентом мощности 0,5.

    Класс точности ANSI применяется только к полной обмотке CT .Если используется более низкий отвод, нагрузка, которую ТТ может выдержать без погрешности более 10%, пропорционально уменьшается. Эта тема снова обсуждается в конце статьи.

    Стандартные нагрузки ANSI определены при коэффициенте мощности 50% . Допустимая нагрузка для различных значений «C»:

    • C50: 0,5 Ом
    • C100: 1 Ом
    • C200: 2 Ом
    • C400: 4 Ом
    • C800: 8 Ом

    Предотвращение насыщения ТТ при асимметричных повреждениях Рейтинг

    C предполагает работу с синусоидальной волной.Когда в энергосистеме происходит сбой, может быть асимметричный компонент по отношению к току короткого замыкания. Этот асимметричный ток и результирующий затухающий экспоненциальный ток вызывают увеличение области «время напряжения» и должны быть учтены, чтобы избежать насыщения ТТ. Стандарт IEEE / ANSI C57.13 для ТТ предлагает применять ТТ в местах, где симметричный ток короткого замыкания не превышает в 20 раз номинальное значение ТТ, а вторичное напряжение не превышает класс точности ТТ.

    Асимметричный ток короткого замыкания

    Предотвращение насыщения из-за асимметричной составляющей тока повреждения требует, чтобы рейтинг C превышал рейтинг C, полученный для симметричного тока повреждения, на величину, равную X / R + 1. Однако достижение этих характеристик может быть затруднено во многих практических установках.

    Параметры, которые необходимо учитывать, чтобы избежать насыщения ТТ при асимметричных КЗ:

    Пример: схема имеет отношение X / R, равное 5.Ток повреждения составляет 25000 А. Выбран ТТ 2000: 5 C100. ТТ подключается 100-футовым (односторонним) проводом №12 SIS к следующим устройствам.

    • Реле1: нагрузка 0,5 ВА
    • Реле2: нагрузка 0,1 ВА
    • Измеритель: нагрузка 0,05 ВА

    Выясните, перейдет ли этот ТТ в насыщение при асимметричном токе короткого замыкания.

    Решение:

    Примечание. Для допустимо не использовать вторичное сопротивление ТТ при использовании этого подхода, поскольку стандарт ANSI уже учел внутреннее сопротивление ТТ для оценки C.Однако нельзя пренебрегать внутренним сопротивлением трансформатора тока, если анализ выполняется с использованием метода детальной кривой возбуждения.

    Из [1] мы рассчитали, что общая вторичная нагрузка должна быть менее 0,2667 Ом , чтобы избежать насыщения. Поскольку расчетная нагрузка .344 Ом выше, чем 0,2667 Ом , этот ТТ не подходит для этого приложения и будет насыщаться при асимметричном повреждении.

    Давайте посмотрим, подойдет ли ТТ 2000: 5, C400 для этого приложения с такими же параметрами тока повреждения.

    Из [2] мы рассчитали, что общая вторичная нагрузка должна быть менее 1,0667 Ом , чтобы избежать насыщения. Поскольку расчетная нагрузка 0,344 Ом меньше, чем 1,0667 Ом , ТТ подходит для этого приложения и не будет насыщаться при симметричном или асимметричном токе короткого замыкания.

    Хотя приведенный выше пример сработал, возможно, невозможно избежать насыщения в ситуациях с высокими отношениями X / R или высокими значениями тока короткого замыкания.В таких случаях лучше всего установить его, насколько это возможно, и оценить влияние смещения формы сигнала на характеристики реле. Для критически важных приложений может быть выполнено компьютерное моделирование переходных процессов, чтобы оценить влияние смещения постоянного тока на характеристики реле.

    Нагрузка трансформатора тока с несколькими ответвлениями

    Многоканальный ТТ предлагает несколько ответвлений и, следовательно, предлагает различное соотношение между первичными и вторичными витками в зависимости от используемого ответвления.

    Многоканальный CT

    Что делать с неиспользованными ответвителями на многотводном ТТ?

    Не закорачивайте неиспользуемые клеммы многоотводного ТТ, пока выбранные клеммы ответвлений загружены / подключены к нагрузке.

    Для показанного выше многоотводного ТТ различные номинальные значения тока будут следующими:

    600: 5 X1-X5 500: 5 X5-X2 450: 5 X3-X5 400: 5 X1-X4 300: 5 X2-X4

    250: 5 X3-X4 200: 5 X4-X5 150: 5 X1-X3 100: 5 X1-X2 50: 5 X2-X3

    Хотя многоточечный ТТ очень полезен на практике, следует иметь в виду, что класс точности, указанный на паспортной табличке ТТ, основан на полном номинальном значении ТТ.На рисунке выше рейтинг C200 относится к ответвлению 600: 5 (полная обмотка). Класс точности снижается, если используется более низкий кран.

    Как выбрать ответвители для ТТ с несколькими коэффициентами?

    Пример: как рассчитать новую эффективную точность, если на отводе 2000: 5 используется трансформатор тока C400 3000: 5?

    Новый класс точности для метчика можно рассчитать по следующей формуле:

    Таким образом, ТТ C400 будет иметь эффективную точность C266 при использовании нижнего отвода.

    Пример: как рассчитать стандартную допустимую нагрузку, если на отводе 2000: 5 используется трансформатор тока C400 3000: 5?

    Новую допустимую нагрузку на кран можно рассчитать по следующей формуле:

    CT Терминология

    Общая терминология ТТ, как она представлена ​​на паспортной табличке ТТ, обсуждается ниже.

    RF (номинальный коэффициент): номинальный коэффициент (RF) указывает допустимую нагрузку по току ТТ.ТТ 100: 5 с РЧ 2 сможет непрерывно пропускать ток 200А без перегрева. Вторичный ток также увеличится и составит для этого примера 10А.

    Точка колена : Согласно ANSI / IEEE пересечение кривой возбуждения с касательной 45 0 является точкой перегиба. IEC определяет точку перегиба как пересечение прямых линий, продолжающихся от ненасыщенных и насыщенных участков кривой возбуждения. Колено ANSI более консервативно по сравнению с кривой IEC.

    Класс точности: Класс точности может относиться к точности реле или точности измерения. Точность реле ANSI выражается в рейтинге C. См. Ниже определение рейтинга C. Класс точности для измерительного приложения представлен в качестве примера 0.3B1.8. Это означает, что трансформатор тока может подавать номинальный ток на нагрузку 1,8 Ом, а точность соотношения тока будет в пределах 0,3%. Точность 0,3% при токе 100%, а точность снижается до 0,6% при 10% номинального тока.

    C Рейтинг: C Рейтинг — это вторичное напряжение на стандартной нагрузке (C100: 1 Ом, C200: 2 Ом и т.

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *