Радіофізика та електроніка, 2018, № 1

Конструкции и принципы работы фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии

2018-05-29T00:03:18Z

Конструкции и принципы работы фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии Чернышов, Н.Н.; Панченко, А.Ю.; Писаренко, В.М.; Алкхавалдех, М.А.Ф.; Умяров, К.Т. В работе проводится анализ структур современных фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии. Решение экологических проблем при возрастающем энергопотреблении и ограниченности традиционных земных ресурсов делает актуальными задачи использования альтернативных и возобновляемых источников энергии. Для земных применений практически неограниченным источником энергии является Солнце. Создание эффективных структур и конструкций фотоэлектрических преобразователей позволит получить доступ к этому источнику. В настоящее время их практическое применение ограничивает высокая стоимость солнечных батарей. В данной работе обобщаются известные результаты решения задач создания фотоэлектрических преобразователей. Показаны конструкции и принципы работы фотоэлектрических преобразователей, рассмотрены одно- и трехкаскадные элементы. Определены условия для эффективной работы фотоэлектрических преобразователей. Особое внимание уделяется материалам для создания элементов фотоэлектрических преобразователей. Рассматриваются особенности материалов, в которых формируются потенциальные барьеры и генерируются пары электронов и дырок. Также внимание уделяется материалам, которые используются для формирования конструкций фотоэлектронных преобразователей, а именно материалам подложек, контактов и др. Эти материалы должны обеспечить значительную высоту барьера в полупроводниковом переходе. Генерируемые при этом электроны и дырки эффективно собираются на контактных электродах. Рассмотренные условия эффективной работы фотоэлектрических преобразователей определяют их практическое значение. Показано, что дальнейшее повышение эффективности фотоэлектрических преобразователей требует как развития технологий и совершенствования структур, так и привлечения еще не используемых физических принципов, а также новых комбинаций тех, что уже применяются.; У роботі проведено аналіз структур сучасних фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії. Рішення екологічних проблем за умов зростаючого енергоспоживання та обмеженості традиційних земних ресурсів робить актуальними завдання використання альтернативних і поновлюваних джерел енергії. Для земних застосувань практично необмеженим джерелом енергії є Сонце. Створення ефективних структур і конструкцій фотоелектричних перетворювачів дозволить отримати доступ до цього джерела. Нині їх практичне застосування обмежує висока вартість сонячних батарей. У цій роботі узагальнюються відомі результати рішення завдань створення фотоелектричних перетворювачів. Показано конструкції і принципи роботи фотоелектрич-них перетворювачів, розглянуто одно- і трикаскадні елементи. Визначено умови для ефективної роботи фотоелектричних перетворювачів. Особливу увагу приділено матеріалам для створення елементів фото-електричних перетворювачів. Розглядаються особливості матеріалів, у яких формуються потенційні бар’єри та генеруються пари електронів і дірок. Також увага приділяється матеріалам, які використовуються для формування конструкцій фотоелектронних перетворювачів, а саме матеріалів підкладок, контактів тощо. Ці матеріали повинні забезпечити значну висоту бар’єру в напівпровідниковому переході. Генеровані при цьому електрони і дірки ефективно збираються на контактних електродах. Розглянуті умови ефективної роботи фотоелектричних перетворювачів визначають їх практичне значення. Показано, що подальше підвищення ефектив-ності фотоелектричних перетворювачів вимагає як розвитку технологій та вдосконалення структур, так і залучення ще невикористовуваних фізичних принципів, а також нових комбінацій тих, що вже застосовуються.; In the present paper, the analysis of structures of modern photoelectric solar energy converters is carried out. The solution of ecological problems at increasing energy consumption and limitations of traditional earthly resources makes the tasks of using alternative and renewable energy sources actual. The sun is a practically unlimited energy source for earthly applications. Development of effective structures and designs of photoelectric converters provides the access to this source. Currently, their practical application is limited due to the high cost of solar batteries. The paper generalizes the known results of solving the problems of creating photoelectric converters. The design and operation principles of photoelectric converters are shown, single- and 3-stage elements are considered. Conditions for efficient operation of photoelectric converters are determined. Particular attention is paid to materials for creating elements of photoelectric converters. The paper considers the peculiarities of materials in which potential barriers are formed and pairs of electrons and holes are generated. In addition, the paper deals with the materials that are used for forming the constructions of photoelectric converters, namely, the materials of plates, contacts etc. These materials must provide a considerable barrier height in a semiconductor junction. The generated electrons and holes are effectively collected at contact electrodes. The considered conditions of efficient operation of photoelectric converters determine their practical importance. It is shown that the further increase of efficiency of photoelectric converters requires the development of technologies, improvement of structures, and application of physical principles that are not used yet, as well as new combinations of those that are already being used.

Численный анализ двухчастотного метода измерения активного сопротивления факельного разряда с учетом и без учета его эквивалентной индуктивности

2018-05-29T00:03:06Z

Численный анализ двухчастотного метода измерения активного сопротивления факельного разряда с учетом и без учета его эквивалентной индуктивности Пузанов, А.О. Факельный разряд (ФР) находит применение в ряде областей науки и техники. Однако отставание теоретических его исследований от растущих насущных потребностей обуславливает актуальность решения множества связанных с ФР практико-ориентированных задач. В данной работе продолжены исследования предложенного автором оригинального метода измерения активного сопротивления ФР (Rd) с учетом индуктивности ФР (L). На основании выполненных здесь расчетов и произведенной ранее оценки границ применимости модели, в которой искомое сопротивление Rd полагается частотно-независимым, подтверждено, что предлагаемый подход позволяет получать результат с учетом или без учета индуктивности ФР в диапазоне, по крайней мере, 1·10–3 ≤ f << 3 ГГц. Показано, что необходимость принятия в расчет индуктивности для ФР мощностью до 1 кВт и выбор подходящих для измерений пар частот f0,1 должны исследоваться в каждом случае отдельно и, при надобности, исходя из возможности возбудить одинаковые ФР на двух достаточно удаленных частотах. Расчеты Rd без учета индуктивности показали, что погрешность вычислений слабо зависит от высоты расположения ФР относительно земли и существенно возрастает при уменьшении диаметра ФР, увеличении длины ФР, малых измеряемых значениях Rd (< 1 кОм), сближении частот f0,1. Установлено, что указанные причины в ряде случаев неизбежно приводят к необходимости дополнить классическую схему ФР Неймана эквивалентной индуктивностью, с соответствующим преобразованием расчетных формул. Показано, что резонансная частота fr разрядной цепи приблизительно пропорциональна частоте fmax, ограничивающей сверху область частот, в которой для описания ФР остается справедливой теория цепей, и fmax < fr . Таким образом, знание fr и fmax позволяет уточнить возможные значения функции a – отношения напряжений, при которых ФР сохраняет свои электрические и геометрические характеристики. Предложенный метод способствует более производительному использованию промышленных ресурсов; Факельний розряд (ФР) знаходить застосування в низці галузей науки і техніки. Однак відставання теоретичних його досліджень від нагальних потреб, які постійно зростають, обумовлює актуальність розв’язання безлічі пов’язаних з ФР практико-орієнтованих задач. У цій роботі продовжено дослідження запропонованого автором оригінального методу вимірювання активного опору ФР (Rd) з урахуванням індуктивності ФР (L). На підставі виконаних тут розрахунків і проведеної раніше оцінки меж уживаності моделі, в якій опір Rd, що шукається, вважається частотно-незалежним, підтверджено, що запропонований підхід дозволяє діставати результат з урахуванням або без урахування індуктивності ФР у діапазоні, принаймні, 1·10–3≤ f << 3 ГГц. Показано, що необхідність прийняття до розрахунку індуктивності для ФР потужністю до 1 кВт і вибір потрібних для вимірювань пар частот f0,1 мають досліджуватись у кожному випадку окремо і, за необхідністю, виходячи з можливості збудити однакові ФР на двох достатньо віддалених частотах. Розрахунки Rd без урахування індуктивності показали, що похибка обчислень слабо залежить від висоти розташування ФР відносно землі й істотно зростає при зменшенні діаметра ФР, збільшенні довжини ФР, малих значеннях Rd (< 1 кОм), що вимірюються, зближенні частот f0,1. Встановлено, що вказані причини в ряді випадків неминуче призводять до необхідності доповнити схему ФР Неймана еквівалентною індуктивністю, з відповідним перетворенням розрахункових формул. Показано, що резонансна частота fr розрядного кола приблизно пропорційна частоті fmax, що обмежує зверху смугу частот, в якій для описання ФР лишається справедливою теорія кіл, і fmax < fr. Таким чином, знання fr та fmax дозволяє уточнити можливі значення функції a – відношення напруг, при яких ФР зберігає свої електричні і геометричні характеристики. Запропонований метод сприяє більш продуктивному використанню промислових ресурсів.; The torch discharge (TD) is applied in a number of areas of science and technology. However, the lag in theoretical research from ever-growing urgent needs makes the solution of many practical-oriented problems related to the TD relevant. In the present paper, the study of the proposed by the author original method for measuring the resistance of the TD (Rd) taking into account the TD inductance L is continued. The presented numerical calculations are supplemented by the previously performed estimations of the theory application area. The sought resistance Rd is considered as frequency independent within the theory. Performed estimations and calculations confirm the applicability of the approach presented both with and without taking into account the TD inductance in the frequency range from 1·10 ‑3 to 3.0 GHz. It is shown that a necessity to account the inductance of the torch discharge of the power below 1 kW and the choice of appropriate frequency pairs f0,1 have to be studied in each case separately. A possibility to excite the torch discharge at two sufficiently different frequencies is mandatory. Numerical calculations of Rd without taking the inductance into account show that calculations accuracy depend weakly on the height of the torch discharge location relative to the ground. The accuracy increases if the discharge diameter decreases; the discharge length increases; the value of Rd is small and less than 1 kОhm; f0,1 frequencies converge. It results in a necessity to add an equivalent inductance into the Neiman’s scheme making appropriate modifications of the calculation formulae. It is shown that the resonant frequency fr is approximately proportional to fmax, which is the upper limit of the frequency range where the circuit theory remains applicable for the discharge modeling. Thus, the knowledge of fr and fmax allows one to refine the values of the function a, which is the ratio of voltages at which the electrical and geometrical characteristics of the torch discharge remain unchanged. The approach proposed results in more effective using of industrial resources.

Двухчастотный метод определения активного сопротивления факельного разряда в рамках эквивалентной схемы М. С. Неймана, дополненной эквивалентной индуктивностью разряда

2018-05-29T00:03:11Z

Двухчастотный метод определения активного сопротивления факельного разряда в рамках эквивалентной схемы М. С. Неймана, дополненной эквивалентной индуктивностью разряда Пузанов, А.О. Актуальность рассмотренной задачи обусловлена возможностью применения факельного разряда (ФР) для решения множества полезных прикладных задач и значительным отставанием практико-ориентированных теоретических его исследований. В данной работе рассмотрен предложенный автором оригинальный метод измерения активного сопротивления ФР (Rd) с учетом индуктивности L разряда. Выведены формулы, позволяющие вычислить Rd по результатам измерений на двух частотах значения функции a – отношения напряжений, при которых ФР сохраняет свои электрические и геометрические характеристики. В частности, найдено неравенство для оценки области определения a при использовании указанной формулы для Rd. Установлено, что частотная зависимость a имеет минимум на резонансной частоте wr разрядной цепи, который при L ® 0 превращается в асимптоту для аналогичной зависимости a при L º 0. Показано, что в случаях, когда влиянием L пренебрегать нельзя, минимум функции a по оси ординат всегда лежит выше указанной асимптоты. Сделан вывод, что измеряемое значение a должно согласовываться с точностью измерительного оборудования, в том числе приборов, контролирующих неизменность геометрических характеристик ФР при его возбуждении на двух частотах; таким образом, измеряемое значение a должно быть как можно меньшим. Это возможно, если частоты возбуждения достаточно далеко отстоят одна от другой. Рассмотренный метод способствует более производительному использованию промышленных ресурсов; Актуальність розглянутої задачі зумовлена можливістю застосування факельного розряду (ФР) для розв’язання безлічі корисних прикладних задач і значним відставанням практико-орієнтованих теоретичних його досліджень. У цій роботі продовжено розгляд запропонованого автором оригінального методу вимірювання активного опору ФР (Rd), тепер з урахуванням індуктивності L розрядного каналу. Виведено формули, що дозволяють обчислити Rd за результатами вимірювань на двох частотах значення функції a – відношення напруг, за яких ФР зберігає свої електричні та геометричні характеристики. Зокрема, знайдено нерівність для оцінки області визначення a під час використання указаної формули для Rd. Установлено, що частотна залежність a має мінімум на резонансній частоті wr розрядного кола, який при L ® 0 перетворюється в асимптоту для аналогічної залежності a при L º 0. Показано, що у випадках, коли впливом L нехтувати неможна, мінімум функції a по осі ординат завжди лежить вище указаної асимптоти. Зроблено висновок, що значення a, яке вимірюється, має узгоджуватись з точністю вимірювального устаткування, в тому числі приладів, котрі контролюють незмінність геометричних характеристик ФР при його збудженні на двох частотах; таким чином, значення a, яке вимірюється, повинно бути якомога меншим. Це можливо, якщо частоти збудження достатньо далеко відстоять одна від одної. Розглянутий метод сприяє більш продуктивному використанню промислових ресурсів.; The relevance of the study presented is caused by the possibility to use a torch discharge (TD) in many useful applications along with a substantial lag in its practice-oriented theoretical studies. In this paper, the proposed by the author original method for measuring the resistance of the TD (Rd) taking into account the discharge inductance L is considered. The formula for calculation of Rd from the data measured at two frequencies is proposed. The data measured are the values of the function a, namely the ratio of voltages at which the electrical and geometrical characteristics of the torch discharge remain unchanged. In particular, an inequality for estimation of definition area of a, when the formula for Rd is used, is found. It is established that the frequency dependency of a has a minimum at the resonant frequency of the discharge circuit wr. At L ® 0 the minimum becomes an asymptote for a similar dependency of a at L º 0. It is shown that the minimum of a is always located above the indicated asymptote at the ordinate axis if the influence of L has to be accounted. It is concluded that the measured value of a has to correlate with the accuracy of the measuring equipment including devices for controlling the constancy of geometrical parameters of the torch discharge excited at two frequencies. Therefore, the measured value of a has to be as less as possible. It can be achieved if the frequencies of excitation are significantly different. The approach proposed results in more effective using of industrial resources.

О влиянии формы импульса анодного напряжения на устойчивость работы магнетрона на пространственной гармонике с холодным вторично-эмиссионным катодом

2018-05-29T00:03:17Z

О влиянии формы импульса анодного напряжения на устойчивость работы магнетрона на пространственной гармонике с холодным вторично-эмиссионным катодом Марков, В.А.; Науменко, В.Д. Одной из главных проблем, с которой сталкиваются разработчики модуляторов для магнетронов на пространст-венной гармонике с холодным вторично-эмиссионным катодом, является проблема подбора правильной формы импульса анодного напряжения, которая обеспечит стабильную работу магнетрона. В этой статье исследовано влияние формы импульса анодного напряжения на работу передатчиков на основе магнетронов с холодными вторично-эмиссионными катодами. Экспериментально изучено влияние различных частей импульса на такие параметры магнетрона как величина необходимого тока стартового катода, необходимая для стабильного возбуждения вторичной эмиссии с холодного катода, устойчивость работы на выбранном виде колебаний и генерация максимальной мощности. Показано, что величина тока стартового катода определяется, прежде всего, крутизной фронта импульса. Ее оптимальная величина обычно составляет около 150 кВ/мкс. При этом стартовый катод должен отдавать ток всего в несколько десятков миллиампер, что позволяет существенно увеличить срок службы прибора. Показано также, что наличие выброса в начале импульса способствует преждевременному переходу на нерабочий вид колебаний. В итоге это приводит к уменьшению выходной мощности магнетрона. Длительность спада определят способность магнетрона работать при малой длительности импульса. При очень коротких импульсах энергия, расходуемая на СВЧ-генерацию, может сравняться с энергией, затрачиваемой на формирование спада импульса. В итоге сделано заключение, что применение магнетронов с холодным катодом, работающих на пространственной гармонике, требует тщательной отработки характеристик импульсного модулятора. Крутизна фронта его выходного импульса должна составлять около 150 кВ/мкс, а выброс в начале импульса должен быть как можно меньше. При работе на очень коротких импульсах необходимо обеспечить большую крутизну спада.; Однією з основних проблем, з якою стикаються розробники модуляторів для магнетронів на просторовій гармоніці з холодним вторинно-емісійним катодом, є проблема добору правильної форми імпульсу анодної напруги, котра забезпечить стабільну роботу магнетрона. У цій статті досліджено вплив форми імпульсу анодної напруги на роботу передавачів на основі магнетронів з холодними вторинно-емісійними катодами. Експериментально вивчено вплив різних частин імпульсу на такі параметри магнетрона як величина необхідного струму стартового катода необхідна для стабільного збудження вторинної емісії з холодного катода, стійкість роботи на обраному виді коливань і генера-ція максимальної потужності. Показано, що величина струму стартового катода визначається, перш за все, крутістю фронту імпульсу. Її оптимальна величина зазвичай складає близько 150 кВ/мкс. При цьому стартовий катод повинен віддавати струм всього в декілька десятків міліамперів, що дозволяє істотно збільшити термін служби приладу. Показано також, що наявність викиду на початку імпульсу сприяє передчасному переходу на неробочу моду коливань. У результаті це призводить до зменшення вихідної потужності магнетрона. Тривалість спаду визначає здатність магнетрона працювати при малій тривалості імпульсу. При дуже коротких імпульсах енергія, що витрачається на СВЧ-генерацію, може зрівнятися з енергією, що витрачається на формування спаду імпульсу. У результаті зроблено висновок, що використання магнетронів з холодним катодом, що працюють на просторовій гармоніці, вимагає ретельного відпрацювання характеристик імпульсного модулятора. Крутість фронту його вихідного імпульсу повинна складати близько 150 кВ/мкс, а викид на початку імпульсу має бути якомога менше. Для роботи на дуже коротких імпульсах необхідно забезпечити велику крутість спаду.; One of the main problems faced by developers of modulators for spatial-harmonic magnetrons with cold secondary emission cathode is the selection of the correct shape of an anode voltage pulse that will ensure the stable operation of the magnetron. In this paper, the effect of the shape of the anode voltage pulse on the operation of transmitters based on magnetrons with cold secondary emission cathodes is investigated. The influence of different parts of the pulse on such parameters of the magnetron as the required current of the starting cathode necessary for stable excitation of secondary emission from the cold cathode, the stability of operation on the selected mode of oscillation, and the generation of the maximum power is experimentally studied. It is shown that the magnitude of the starting cathode current is determined, first of all, by the steepness of the pulse front. Its optimum value is usually about 150 kV/ms. In this case, starting cathode should provide a current of only a few tens of milliamperes, which can significantly increase the lifetime of the device. The article also shows that the presence of a pulse spike at the beginning of a voltage pulse facilitates a premature transition to a non-working mode of oscillation. As a result, this leads to a decrease in the output power of the magnetron. The duration of the decay determines the ability of the magnetron to operate at small pulse duration. For very short pulses, the energy expended on the microwave generation can be equal to the energy expended on the formation of the pulse decay. As a result, it was concluded that the usage of spatial-harmonic magnetrons with cold cathode requires a careful refinement of the characteristics of a pulse modulator. The steepness of the front of its output pulse should be about 150 kV/ms, and the pulse spike at the beginning of the voltage pulse should be as small as possible. When working on very short pulses it is necessary to provide a longer rate of pulse decay.