Объясните устройство меднозакисного выпрямителя кратко

Обновлено: 05.07.2024

Меднозакисный выпрямитель , или купрокс, который исследуется в этой работе, представляет собой медную пластинку, покрытую слоем закиси меди, образовавшейся в результате термической обработки пластинки. На закись меди наносится металлический электрод А. [2]

Меднозакисные выпрямители надежно работают в пределах рабочей температуры от 0 до 35 С, причем верхний предел температуры обусловлен допущенным количеством операций включения и температурой старения меднозакисных элементов. Нижний предел обусловлен значительным уменьшением выпрямительного напряжения с понижением температуры выпрямителя. [3]

Меднозакисный выпрямитель представляет собой медную пластинку, на которой при температуре свыше 1000 С наращивается слой закиси меди. С этот слой насыщается кислородом и быстро охлаждается. После этого растворяют кислотой образовавшийся на поверхности закиси слой окиси меди ( СиО) и наносят на закись слой металлической меди. [5]

Меднозакисные выпрямители - выпрямители, в которых в качестве элемента с односторонней проводимостью ( вентиля) применяется медная пластинка, покрытая слоем закиси меди, проводящая ток в направлении от закиси меди к меди. Для включения такого элемента в цепь на слой закиси меди накладывается свинцовая или медная пластинка. Элемент выдерживает плотность тока до 50 ма / см и обратное напряжение цо 6 в. Для увеличения выпрямленного напряжения элементы соединяются последовательно. [7]

Меднозакисный выпрямитель представляет собой медную пластинку, на которой при температуре свыше 1000 С наращивается слой закиси меди ( Си2О); затем при температуре около 600 С этот слой насыщается кислородом и быстро охлаждается. После этого растворяют кислотой образовавшийся на поверхности закиси слой окиси меди ( СиО) и наносят на закись слой металлической меди. [9]

Меднозакисные выпрямители представляют собой медную подложку, покрытую слоем закиси меди. Внутренний слой закиси меди, непосредственно прилегающий к меди, обладает re - проводимостью, а внешний слой, соприкасающийся с воздухом, р-проводимостъю. Проводящим является направление от закиси меди к меди. [10]

Меднозакисный выпрямитель представляет собой пластинку химически чистой красной меди, покрытую тонким слоем закиси меди. [12]

Меднозакисные выпрямители - выпрямители ( см.), в которых в качестве элемента с односторонней проводимостью ( вентиля) применяется медная пластинка, покрытая слоем закиси меди, проводящая ток в направлении от закиси меди к меди. Для включения такого элемента в цепь на слой закиси меди накладывается свинцовая или медная пластинка. Элемент выдерживает плотность тока до 50 ма / см. я обратное напряжение ( см.) до 6 в. Для увеличения выпрямленного напряжения элементы соединяются последовательно. [13]

Меднозакисные выпрямители - выпрямители ( см.), в которых в качестве элемента с односторонней проводимостью ( вентиля) применяется медная пластинка, покрытая слоем закиси меди, проводящая ток в направлении от закиси меди к меди. Для включения такого элемента в цепь на слой закиси меди накладывается свинцовая или медная пластинка Элемент выдерживает плотность тока до 50 ма / см и обратное напряжение ( см.) до 6 в. Для увеличения выпрямленного напряжения элементы соединяются последовательно. [14]

Исторически самыми первыми полупроводниковыми диодами были медно-закисные, на основе Cu₂O (cuprum oxide, откуда появилось их второе название).

Медно-закисный выпрямитель представляет собой диск или пластину из чистой меди, покрытый путем специальной термической обработки слоем закиси меди. На этот слой наносится серебряный верхний электрод. Закись меди является полупроводником. Слой ее, прилегающий к меди, содержит примесь меди, которая сообщает ему электронную проводимость. Наружному слою закиси меди атомы кислорода придают дырочную проводимость. Таким образом, внутри закиси меди образуется электронно-дырочный переход, который и обеспечивает работу выпрямителя.

Исследования различных эффектов в полупроводниках интенсивно проводились в 20-ые годы прошлого столетия (при том, что самого понятия "полупроводник" тогда ещё не знали). Открытие вентильного эффекта на закиси меди — Грондал и Гейгер, 1924 г.; первые селеновые и купроксные выпрямители, выпускаемые промышленностью,— 1927 г.

Нашей промышленностью медно-закисный вентиль освоен в 1934 г., в небольшом количестве их делали в Центральной Радиолаборатории в Ленинграде.

А вот дальнейшая история несколько туманна. Кто занимался их серийным выпуском у нас, пока не ясно. Встречаются упоминания о заводах "Электроприбор", "Метприбор", Киевском радиозаводе, без каких-либо подробностей. Но скорее всего это были опытные производства при различных НИИ. Известно, что исследованиями по разработке и освоению в производстве этого типа вентилей с 1934 до 1939 г. много занимался академик А. Ф. Иоффе в Ленинградском физико-техническом институте. Кроме того, до и во время войны малосигнальные купроксы выпускала нижегородская Центральная военно-инженерная радиолаборатория (позднее НИИ-11, он же Горьковский НИПИ, с приданным заводом). Также участки по выпуску "твёрдых выпрямителей" (видимо, малыми сериями) перед войной были на ленинградских заводах им. Коминтерна и им. Козицкого. Встречаются статьи и патенты второй половины 30-х годов на тему технологии меднозакисных выпрямителей авторства С.П. Гвоздова, который в то время работал заведующим лабораторией электровакуумного завода "Светлана". В общем, этот раздел отечественной истории пока проработан лишь отрывочно.

Значительный толчок отрасли дали военные годы и трофейная техника. Но есть пробелы и в послевоенное время. Известно, что их выпускал йошкар-олинский завод полупроводниковых приборов, однако с какого времени, и что было до того - достоверно неизвестно.

В целом их применение было довольно ограничено. Дело в том, что, если смотреть из современности, то медно-закисные выпрямители - сплошной набор недостатков. Малое пробивное напряжение, малый ток нагрузки, ограниченный температурный диапазон, малые рабочие частоты, нестабильность во времени. Поэтому как только наша промышленность освоила приборы следующих поколений - селеновые, затем и точечные германиевые - эра купроксов завершилась. Уже со второй половины 50-х годов их выпускали в основном лишь для комплектования аппаратуры старых разработок.

Купроксные диоды допускают плотность тока 20-60 мА/см 2 (к концу их эпохи этот параметр был доведён до 250-400 мА/см 2 ), обратное напряжение на элемент 6-12 В и работают при температуре диода от —30 до +60° С. КПД таких элементов не более 78%. Малое обратное напряжение, старение (рост прямого сопротивления со временем) и дефицитность специальных сортов меди существенно ограничивали их применение в силовых цепях.

Однако в измерительной технике купроксные диоды широко применялись, так как прямое падение напряжения на них исключительно мало - они начинают выпрямлять уже при нескольких милливольтах.

Промышленностью выпускались меднозакисные вентили в виде дисков диаметром 2, 4, 5и 7 мм, шайб диаметром 20 и 40 мм или прямоугольных пластин 81 х 300 мм. Отдельные элементы собирались в батареи, образуя выпрямительные столбы. Для отвода тепла между шайбами прокладывались радиаторы из красной меди.

Особенностью меднозакисных вентилей является то, что предельное значение обратного напряжения, при котором происходит пробой, зависит от длительности подводимого к ним напряжения.
Если купроксному вентилю сообщается импульс напряжения длительностью порядка сотых долей секунды, то величина пробивного напряжения определяется значением, лежащим в пределах от 70 до 100 в (электрический пробой). Если обратное напряжение на меднозакисном вентиле действует в течение более длительного времени (не менее нескольких секунд), то пробивное напряжение снижается до 20—30 в из-за прогрессивно нарастающего обратного тока, повышающего температуру полупроводника (тепловой пробой). Для других типов полупроводниковых выпрямителей зависимость пробивного напряжения от времени мало заметна.

Приведенные выше значения напряжений относятся к вентилям нормального изготовления, защищенным от действия влаги. Попадание влаги внутрь вентиля даже в самых небольших количествах ведет к электролизу и порче полупроводника (электролитический пробой). Меднозакисные выпрямители к нему особенно чувствительны, так как водород, получающийся в результате электролиза воды, восстанавливает закись меди, создавая в ней проводящие металлические мостики. Электролитический пробой происходит при столь низких напряжениях, как 2—4 в.

С понижением температуры ниже нуля заметно растет как внутреннее сопротивление вентилей, так и падение напряжения в них, вызывая резкий наклон внешней характеристики, и снижение КПД вентилей. С целью удержания КПД вентилей и наклона внешней характеристики в приемлемых границах ток на вентили при низких температурах должен быть снижен соответственно экспериментальной кривой:

Сопротивление полупроводниковых вентилей меняется не только с изменением температуры, но и с течением времени при неизменной температуре. Старение наблюдается у всех типов вентилей, но в большей мере (особенно в начальный период работы) оно проявляется у меднозакисных вентилей.
Зависимость сопротивления в открытом состоянии r_a показывает, что сопротивление в прямом направлении со временем растет вначале более быстро, а затем более медленно; а кривая обратного сопротивления показывает, что сопротивление вентиля в непроводящем направлении r_b принимает постоянное значение только после некоторого периода работы вентиля. Так как старение приводит к: 1) увеличению внутреннего падения напряжения в вентилях, вызывающему уменьшение выходного напряжения; 2) уменьшению КПД; и 3) увеличению нагрева вентилей, то потребители предъявляли к заводам-производителям требование — обеспечить минимум старения. Это решалось путем непрерывного улучшения технологии изготовления вентилей. Для исключения влияния начального, более интенсивного, периода старения на эксплуатационный режим работы выпрямителя меднозакисные вентили подвергали искусственному старению еще до выхода их из производства. С этой целью прошедшие процесс термической обработки меднозакисные элементы выдерживали определенный период при несколько повышенной температуре 90°С. Повышенная температура позволяет сильно сократить время искусственного старения. Старение меднозакисных вентилей с размером дисков 41 мм производили при нагреве их до 50-55° С в течение 24 час. Измерительные типы меднозакисных вентилей, к которым предъявляются повышенные требования по стабильности, выдерживали при температуре до 90° С в течение более длительного срока вплоть до нескольких месяцев.
Искусственно состаренные диоды обладают ухудшенными, но зато стабильными во времени параметрами и допускают работу при температуре 70° С. Срок службы диодов, гарантируемый заводом, — один год. За это время происходит наиболее интенсивное старение, ухудшаются характеристики диода, но его работоспособность сохраняется в течение нескольких десятков тысяч часов.

При применении полупроводниковых вентилей в цепях с повышенной частотой на режим работы оказывает влияние не только активное сопротивление, но и емкость вентилей, возникающая между металлом и полупроводником вентиля, разделенными запирающим слоем.
Удельная действующая емкость, отнесенная к 1 см 2 рабочей поверхности вентиля, у меднозакисных вентилей равна примерно 0,01—0,02 мкф/см 2 . Так как емкость вентиля шунтирует запирающий слой, то емкостный ток, проходя через полупроводниковый слой, вызывает в нем добавочные потери мощности. Эти потери, как и емкостный ток, возрастают с повышением частоты в сети питающей вентили. Это снижает КПД вентилей. Поэтому применение меднозакисных выпрямителей рекомендовано для частот не более 3-5 кГц.

Все конструктивные модификации вентилей изготовляются из высокосортной, электрически-рафинированной меди, содержащей минимум примесей. Процентное содержание чистой меди должно быть не ниже 99,96%.

Из прокатанной ленты такой меди штампуются диски или нарезаются пластины. После штамповки диски рихтуются, т. е. их поверхности выравниваются, и очищаются крепким раствором азотной кислоты от жиров и загрязнений.

Очищенные диски подвергаются термической обработке для нанесения на них слоя закиси меди. Последнее производится двумя ступенями. Вначале диски помещаются на 10—12 мин. в печь с температурой от 1000 до 1040° С в зависимости от сорта меди. При этой температуре происходит окисление диска. Непосредственно на поверхности меди образуется слой закиси меди, а выше его — слой окиси меди. Для того чтобы окисление дисков было односторонним, диски, имеющие отверстия, навешиваются на опорный стержень из жароупорной стали плотными парами, а не имеющие отверстия укладываются на медные листы. На прижатые друг к другу поверхности окисел не проникает.

После первой печи диски переносят на 5—7 мин. в печь с более низкой температурой (порядка 600° С), в которой происходит дальнейшее формирование слоя закиси меди и выделение из него очень тонкой прослойки (порядка 10 мкм), называемой запирающим слоем и обладающей значительно большим электрическим сопротивлением, чем остальной слой закиси меди, прилегающей непосредственно к слою окиси.

После второй печи диски быстро охлаждаются путем погружения их в проточную воду. При этом слой окиси меди из-за резкого изменения температуры частично отскакивает. Остатки окиси смываются 30%-ным раствором азотной кислоты. Для удаления кислотных остатков диски споласкиваются в 5%-ном растворе NaOH и просушиваются. Перед комплектованием диски диаметром 41 мм помещают на 24 часа в печь со строго регулируемой температурой 50° С, а измерительные типы выдерживают более длительные сроки при температуре до 90° С. Изготовленные таким образом диски обладают вентильными свойствами.

До сборки вентилей в комплекты или столбы, поверхность дисков со стороны закиси меди графитируется либо натиранием сухого графита, либо покрытием окиси меди коллоидальным раствором графита (аквадагом). Графитный слой уменьшает переходное сопротивление между полупроводником и прижимной свинцовой шайбой, которая в дисковых типах вентилей обычно используется в качестве контактного электрода. К последнему переходит, таким образом, роль анода. После графитировки вентили подвергаются электрическим испытаниям и сортировке. Сборка столбов с дисковыми вентилями производится на изолированной шпильке, на которую вперемежку с дисками насаживаются свинцовые шайбы, а также дистанционные шайбы для создания каналов, повышающих эффективность охлаждения столбов. Сжатие вентилей и свинцовых шайб до давления примерно 500 кГ обеспечивается кольцевыми гайками.

Единой системы обозначений этих элементов так и не было выработано. Существует несколько послевоенных семейств, каждое из которых использует собственное имя. Единственное сходство - в названии, как правило, есть буквы ВК или КВ; понятно что они означают :)

Меднозакисный выпрямитель представляет собой медную пластинку, на одной стороне которой имеется слой закиси меди Cu₂O, обладающий проводимостьюp(дырочной). Поверх слоя закиси меди нанесен слой цинка или алюминия.

Одним электродом служит пластинка меди, а другим – цинковый или алюминиевый слой.

Выпрямление происходит на границе медной пластинке со слоем закиси меди.

Вследствии диффузии примесей из меди на границе Cu – Cu₂О получается тонкий запирающий слой сn– проводимостью (электронной). Контактным электродом является слой цинка или алюминия.

Устройство меднозакисного выпрямителя изображено на рис.7

Слой закиси меди

Слой цинка или алюминия (контактный электрод)

Запирающий слой, возникающий на границе меди и закиси меди.

Прямое направления соответствует движению электронов от меди к закиси меди, то есть полярности: минус на меди и плюс на контактном электроде.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:Исследовать проводимость p – n – перехода меднозакисного

выпрямителя в прямом и обратном направлениях.

Внастоящей работе исследуется зависимость силы тока, проходящего через пластины меднозакисного выпрямителя, от величины и направления приложенного напряжения (вольтамперная характеристика) и определяется коэффициент выпрямления α.

Для этого пользуются схемой:

где: КВ – купроксный (меднозакисный) выпрямитель

П – двухполюсный переключатель

V– вольтметр постоянного тока на 3 вольта

А – миллиамперметр 75 mА

А₁– микроамперметр на 150 μА

Е – источник тока

Порядок выполнения работы

Снятие характеристики необходимо начинать с прямого направления, что соответствует минусу на меди и плюсу на контактном электроде. При этом в цепь должен быть включен МИЛЛИАМПЕРМЕТР.

Поставить переключатель П в положение ПРЯМОЙ ток.

С помощью реостата задать значения силы тока: 0;2;4; 6; 10* 20* 30* 40*50*60 ма, отсчитывая по вольтметру величины соответствующих напряжений.

Снять характеристику в обратном направлении, для чего с помощью реостата задавать значения силы тока: 0; 5*10* 15*20*30* 40*50* 60*μА, отсчитывая по вольтметру величины соответствующих напряжений.

Полученные результаты измерений занести в таблицу:

В прямом направлении

В обратном направлении

По результатам измерений построить график, откладывая по оси абсцисс значения напряжения, а по оси ординат – величины тока (для прямого направления тока график строят в первой четверти, а для обратного – в третьей).

Из графика трижды вычисляют коэффициент выпрямления α от величины приложенного напряжения.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Ме́дно-за́кисный выпрями́тель, или ку́проксный выпрямитель, иногда называемый металлическим выпрямителем, жаргонное название — ку́прокс, — выпрямительный вентиль; полупроводниковый диод, в качестве полупроводникового материала у которого используется закись меди.

Один из первых типов промышленно выпускаемых выпрямительных приборов, с рабочим током до нескольких ампер.

В настоящее время морально устарел и представляет только исторический интерес.

Один из первых типов промышленно выпускаемых выпрямительных приборов, с рабочим током до нескольких ампер.

В настоящее время морально устарел и представляет только исторический интерес.

Принцип действия купроксного выпрямителя основан на эффекте Шоттки, поскольку для выпрямления используется контакт металла (медь) и полупроводника (закись меди).

Вольт-амперные характеристики селенового и купроксного выпрямителей. Для наглядности ось обратных токов растянута, ось обратных напряжения сжата.

Представляет собой медную пластину на поверхности которой сформирован тонкий слой закиси меди. Слой закиси меди получается при обжиге медной пластины в атмосфере кислорода.

При этом образующаяся на поверхности меди плёнка закиси меди полученная при избытке кислорода приобретает тип p-проводимости [1] , а более глубокий слой закиси меди на поверхности меди, обогащённый ионами меди, приобретает тип n-проводимости [1] . На границе раздела этих слоёв образуется p-n-переход [1] .

При изготовлении купроксного элемента может использоваться только химически очень чистая медь [2] , обычная электротехническая медь непригодна для применения для этой цели, так как содержит большое количество примесей. Кроме того, температура при получении слоя закиси тщательно контролируется и должна находится в пределах 1020—1040 °С [3] .

В ранних модификациях популярного и массово выпускаемого переносного измерительного прибора ТТ-1 купроксные выпрямители использовались в цепи измерения переменного напряжения до середины 50-х годов 20 века.

В связи со своими недостатками (низкое обратное напряжение, низкая рабочая температура, малое отношение прямого и обратного сопротивления) купроксные приборы технически устарели и сейчас вытеснены из употребления более совершенными выпрямительными полупроводниковыми приборами.

Допустимое обратное напряжение на вентиле не превышает 10 В. При обратном напряжении 20—30 В происходит пробой. Для работы при бо́льших напряжениях и увеличения выпрямленного тока используется последовательное соединение отдельных закисных диодов в выпрямительные столбы, собранные на болтах или шпильках.

Максимальная рабочая температура вентиля не должна превышать 60 °C. При бо́льших температурах вентиль теряет свои выпрямительные свойства. Для снижения температуры применяется радиаторные пластины.

Максимальная допустимая плотность тока медно-закисных вентилей около 0,1 А/см².

Читайте также: