Полупроводниковые вентили

è Селеновые вентили

Селеновые вентили промышленность изготавливает трех разновидностей:

серии А;

серии Г;

серии Я.

Селеновый вентиль серии А (рис. 2.1) представляет собой круглую или прямоугольную алюминиевую пластинку толщиной

Прямое направление

Рис. 2.1. Принцип устройства селенового вентиля серии А: 1 — алюминиевое основание (нижний электрод); 2 — слой селена: 3 — металлический сплав (верхний электрод); 4 — запирающий слой.   запирающий слой

0,8 мм (нижний электрод), на одну из сторон которой нанесен слой селена (толщиной 50—60 мкм),а поверх него слой легкоплавкого сплава олова и кадмия (верхний электрод).

Алюминиевая пластина, служащая основой вентиля, является анодом, а сплав олова и кадмия — катодом.

В центре пластины имеется отверстие для оттяжного болта, на котором собираются селеновые вентили (шайбы), образующие выпрямительный мост (выпрямительный столбик).

Вокруг отверстия, а также по краям пластины (шайбы) остается узкая полоска селена, не покрытая металлическим сплавом. Это предохраняет от возможности соединения (закорачивания) алюминиевой основы с металлическим сплавом.

Активная поверхность вентиля соответствует поверхности сплава.

Чтобы у свежеизготовленного селенового вентиля возникла односторонняя проводимость, его подвергают формовке:

Для этого в течение некоторого времени через вентиль пропускают постоянный ток в обратном направлении, т. е. от сплава к селену, постепенно повышая (до известного предела) приложенное напряжение.

Прямое направление для тока — это направление от селена к сплаву. У отформованного селенового вентиля выпрямляющее действие обнаруживается на границе селен — верхний электрод.

У селеновых вентилей серии Г запирающий слой образуется между алюминиевым основанием и слоем селена, а верхним электродом служит висмутированная алюминиевая фольга.

Таким образом, у селеновых вентилей серии Г основание является катодом, а алюминиевая фольга — анодом.

По сравнению с вентилями серии А вентили серии Г обладают тем преимуществом, что они выдерживают значительно большие обратные напряжения. Это позволяет уменьшить габариты и вес выпрямительного устройства и, кроме того, повысить его КПД.

L К достоинствам вентилей серии Г надо отнести также и то, что они в меньшей степени подвержены явлению расформовки и обладают более стабильной величиной обратного тока.

L Однако прямое падение напряжения у вентилей серии Г выше, чем у вентилей серии А.

Селеновые вентили серии Я конструктивно отличаются от вентилей серии А только тем, что у элементов серии Я между слоем алюминия (а вернее слоем висмута, нанесенного на алюминий) и селеном наносится тонкий слой теллура, благодаря чему снижается переходное сопротивление элемента на участке селен — алюминий, а значит, и общее сопротивление элемента в прямом направлении.

Эта особенность селеновых вентилей серии Я позволила особенно эффективно использовать их для повышения токов нагрузки.

Промышленность выпускает большой ассортимент селеновых вентилей размером от 3 мм (в диаметре) до пластин размером 100X400 мм. В выпрямительных устройствах, применяемых для электропитания аппаратуры связи, используются главным образом вентили размером 100X100 мм.

С течением времени прямое сопротивление у селеновых вентилей повышается. Это явление называется «старением». Процесс старения зависит от условий и режима эксплуатации, а главным образом от температуры. Старением селеновых вентилей определяется их номинальный срок службы, под которым понимается период времени, в течение которого выпрямленное напряжение выпрямителя в нормальных климатических условиях снижается на 6÷10%.

Допустимое обратное напряжение у селеновых вентилей разных классов лежит в пределах от 20 до 45 В.

Для селеновых вентилей номинальный срок службы составляет от 5000 до 20000 ч в зависимости от серии и класса вентилей. Однако, как правило, селеновые вентили длительно используются и после истечения их номинального срока службы.

Для компенсации повышенного падения напряжения, обусловленного старением селеновых вентилей, обычно предусматриваются отводы у вторичной обмотки трансформатора, позволяющие повысить в необходимой степени напряжение на входе выпрямительного моста.

У выпрямителей с селеновыми вентилями с течением времени понижается коэффициент полезного действия. Обратный ток у селеновых вентилей при допустимых значениях обратного напряжения составляет от 0,2 до 0,5 мА на один кв. см активной поверхности вентиля.

Ввиду большого влияния влажности на электрические характеристики селеновых вентилей последние покрывают лаком. Это позволяет использовать их для работы в среде с относительной влажностью до 98% при температуре окружающего воздуха +20±5°С.

При номинальной нагрузке в условиях естественного воздушного охлаждения прямые потери у селеновых вентилей в 2—3 раза больше обратных потерь.

Прямые потери зависят от величины тока нагрузки, а обратные — от величины обратного напряжения. Чрезмерное повышение температуры может вызвать тепловой пробой вентилей даже при нормальной величине подведенного переменного напряжения.

При значительной и длительной перегрузке возникает опасность расплавления металлического сплава (верхнего электрода), в результате чего вентиль может выйти из строя.

Стандартные селеновые вентили рассчитаны таким образом, что в условиях естественного воздушного охлаждения при окружающей температуре до +35°С они не должны нагреваться выше + 75°С для серии А и выше + 80°С для серии Г.

Если селеновые вентили работают в условиях повышенных температур, то срок их службы снижается. При наличии принудительного охлаждения селеновых вентилей нагрузка может быть без всякого для них вреда значительно повышена. При этом увеличатся потери, но зато габариты выпрямительного блока могут быть заметно уменьшены. Охлаждение вентилей, например, при помощи вентилятора (скорость воздуха 3—6 м/с) позволяет повысить нагрузку их в 2 раза.

Селеновые вентили допускают кратковременные перегрузки током, превышающим номинальное его значение в несколько раз.

Период перегрузки должен быть настолько коротким, чтобы вентиль не успел нагреться выше 75°С.

Кратковременная перегрузка по обратному напряжению допускается не более 10% сверх номинального при условии, что по потоку перегрузки нет.

Рис. 2.2. Устройство селенового выпрямительного столба: 1— шпилька; 2— изоляционная втулка; 3— вентили; 4— контактные шайбы; 5 — дистанционные шайбы; 6 — выводы; 7— изоляционные шайбы

Если селеновые вентили должны работать при повышенной окружающей температуре, то ток нагрузки должен быть снижен. Так, при температуре окружающей среды, достигающей 50°С, ток нагрузки должен быть снижен до 72% для вентилей серии А и Я и до 86% для вентилей серии Г.

Для включения в схему производится сборка селеновых вентилей в так называемые выпрямительные столбы (рис. 2.2).

Последние составляются из нескольких вентилей 3, насаженных на стальную шпильку 1 с надетой на нее изоляционной втулкой 2.

Токоотводами от каждого селенового вентиля служат:

Ä со стороны верхнего электрода (сплава) контактная токоснимающая латунная шайба (звездочка) 4;

Ä выводы 6, со стороны нижнего электрода прижатые к нему дистанционные стальные шайбы 5 и выводы 6.

При сборке селеновые выпрямители комплектуются из вентилей (шайб) одинакового качества.

Вентили, работающие параллельно, должны иметь одинаковую величину падения напряжения в прямом направлении, так как этим определяется равномерное распределение тока нагрузки между ними.

Вентили, включенные последовательно, должны быть рассчитаны на одинаковую величину допустимого обратного напряжения и одинаковую величину обратного тока.

Чтобы при сборке выпрямительного столба можно было с достаточной силой сжать все нанизанные на шпильку детали, создать прочную конструкцию и одновременно обеспечить хороший стабильный контакт звездочки с 'поверхностью сплава, между центральной частью звездочки и селеновым вентилем располагается изоляционная шайба 7.

Выводы 6 используются для включения выпрямительного столба в цепь переменного тока и для присоединения нагрузки на стороне выпрямленного тока.

Внешний вид выпрямительных столбов показан на рис. 2.3.

Селеновые вентили могут быть собраны различно, например, таким образом, что один столб образует полный выпрямительный мост или же часть выпрямительного моста.

Схема полного выпрямительного моста для выпрямления трехфазного тока приведена на рис. 2.4.

В каждое плечо выпрямительного моста включено четыре вентиля, образующих две параллельные ветви с двумя последовательно включенными вентилями в каждой ветви.

Каждый столб может содержать не менее двух вентилей и не более 32 —при размере - вентиля до 60X60 мм.

Рис. 2.3. Внешний вид выпрямительных столбов, собранных из селеновых вентилей: а - столб из 16 вентилей; б - столб из 12 вентилей; в — столб из 9 вентилей

Столб составляется не более, чем из 28 вентилей при размере вентилей больше 75X75 мм и не более, чем из 24 вентилей, если размер вентиля 90X90 мм и больше.

è Германиевые вентили

Германиевые вентили изготовляются двух разновидностей: