Как подключить селеновый выпрямитель к трансформатору

16

Селеновые выпрямители (общая информация)

Селеновый элемент является выпрямителем переменного напряжения промышленной (в основном) частоты и относится к группе полупроводниковых диодов.

Свойство нелинейности электрического сопротивления контакта селен—металл, обусловливающее выпрямление тока, впервые наблюдал Фритте в 1883 г. Однако, первые промышленные типы селеновых выпрямителей были разработаны за рубежом лишь в 1932—1933 гг. на основе патентов Прессе.

В СССР образцы селеновых выпрямителей впервые разработал И. Эрнстов в 1937 г. Научные исследования и усовершенствования в этой области были произведены в Ленинградском физико-техническом институте АН СССР А.З. Левинзоном, в Научно-исследовательском кино-фотоинституте (НИКФИ) В.Г. Комаром совместно с Н. Пениным и Л. Сажиным, и во Всесоюзном электротехническом институте С.Б. Юдицким. Промышленные образцы селеновых шайб выпускались лабораторией Комбината НКВД им. Ф. Э. Дзержинского, там же проводились эксперименты в технологической области, а с 1938 года и опытная эксплуатация комплектных селеновых батарей в цехах Комбината.

Однако эти разработки носили разрозненный и экспериментальный характер. Локомотивом развития стала Великая Отечественная Война, в ходе которой был значительно увеличен выпуск разнообразной военной техники, в том числе и подсистем электропитания.

Выпуск первых отечественных серийных полупроводников (купроксные и селеновые вентили или, по тогдашней терминологии, «твёрдые выпрямители») был начат в 1942-43 годах на заводах №618 в Саранске (ныне «Электровыпрямитель») и №498 в Москве (далее «Старт»). Но действительно массовое производство началось сразу после окончания Великой Отечественной Войны, и здесь основным производителем стал Йошкар-Олинский завод, носящий в разное время имена Завод №298 НКЭП, Марийский завод электроприборов, Завод полупроводниковых приборов, ПО Изотоп.

Промышленностью выпускались семь серий селеновых элементов:
А (старое обозначение — АВС) — на алюминиевой основе, допустимая температура нагрева шайбы +75° С, диапазон частот до 1000 Гц;
Г (старое обозначение ТВС) — на алюминиевой основе, допустимая температура +80° С, по сравнению с серией А повышенная стабильность по времени, диапазон частот до 3000 Гц;
Я — на алюминиевой основе, с удвоенной плотностью тока;
У — на алюминиевой основе, допускают тройную токовую нагрузку, диапазон частот до 2000 Гц;
Ф — на основе из алюминиевой фольги
Е — на основе из алюминиевой фольги, температуростойкие (допустимая температура +100°), диапазон частот до 1000 Гц;
Л — повышенная по сравнению с серией Г плотность тока, диапазон частот до 1000 Гц

Эксплуатационные свойства селеновых вентилей отличают их от других типов вентилей настолько, что в отдельных случаях они оказываются неприменимы, а в других случаях становятся незаменимыми. Благодаря этим свойствам селеновые приборы прожили чрезвычайно долгую жизнь, вплоть до распада СССР; а отдельные типы выпускались до 2000-х годов.

К преимуществам селеновых выпрямителей в первую очередь относятся: стойкость к токовым перегрузкам и к перегрузкам по напряжению, высокая надежность. Кратковременные перегрузки (в 2—5 раз), повторяющиеся с большими интервалами, выдерживаются селеновыми вентилями безболезненно. Следует обратить внимание, что даже если в результате перенапряжения селеновый элемент будет пробит, то это не выведет его из строя, а лишь несколько изменит ход его вольт-амперной характеристики.

Благодаря этому свойству селеновые выпрямители нашли широкое применение в такой аппаратуре, которая по роду работы связана с частым переключением под напряжением, многократным включением и выключением, резким изменением режимов работы. Сюда относятся магнитные усилители, сварочные аппараты, электрооборудование металлообрабатывающих станков, подъемные краны, зарядные устройства.

Устойчивость селеновых элементов к значительным перегрузкам по току и напряжению обеспечивает как последовательное, так и параллельное соединение их практически в неограниченном количестве. В отличие от германиевых и кремниевых диодов селеновые выпрямители не нуждаются в выравнивающих элементах. Это позволяло выпускать селеновые выпрямители практически на любые величины напряжений и токов. К примеру, выпускались селеновые выпрямители с последовательным соединением до 1440 селеновых элементов в единой конструкции (выпрямитель 15ГЕ1440У-С). К такому диоду могло быть подведено переменное напряжение в 40 кВ. Вообще же селеновые выпрямители собирались на рабочее напряжение до 240 кВ. Вместе с тем выпускались выпрямители с параллельным соединением элементов, позволяющим получить выпрямленный ток в 500 А на один столб (выпрямитель 140ГЖ24Я4У).

Селеновые выпрямительные столбы и блоки широко применялись в следующих устройствах и аппаратуре: зарядки аккумуляторных батарей; выпрямителях для гальванических ванн; приводе электродвигателей металлорежущих станков, сварочной аппаратуре; выпрямителях рентгеновской аппаратуры; источниках питания фильтров газовой очистки; схемах умножения напряжения в источниках высокого напряжения; схемах питания анода телевизионных приемников и электронно-лучевых трубок осциллографов; схемах смещения базового напряжения различного рода усилителей; схемах магнитных усилителей; источниках питания транзисторных приемников; источниках питания вычислительных машин на транзисторах; в цепях дискриминаторов измерительной и вычислительной техники; в качестве ограничителей перенапряжений; в качестве приборов защиты контактов реле от образования дуги; в качестве приборов для выравнивания напряжений на последовательно соединенных кремниевых силовых вентилях и тиристорах; в качестве приборов для подавления акустических ударов телефонных аппаратов и другой аппаратуры; в качестве приборов с нелинейной (симметричной и несимметричной) вольт-амперной характеристикой.

Основной характеристикой селенового элемента является его вольт-амперная характеристика. Прямая ветвь ее характеризует номинальную токовую нагрузку селенового элемента.

В зависимости от величины прямого падения напряжения при номинальном (классификационном) прямом токе селеновые элементы разделяются на четыре группы: IV группа имеет прямое падение напряжения меньше 0,45 В; III — от 0,45 до 0,55В; II — от 0,55 до 0,65 В; I — от 0,65 до 0,75 В.

В действительности вольт-амперные характеристики имеют значительный разброс как по прямому падению напряжения, так и по величине обратного напряжения. В связи с этим селеновые элементы имеют следующие группы: серия Г — I, II, III; серия А — II, III; серия Ф — II, III; серия Я — II, III, IV; серия У — III, IV.

прямое (слева) и обратное (справа) сопротивление селеновых элементов АВС-18

Монотонное убывание сопротивления в проводящем направлении с ростом Uа объясняется уменьшением с ростом тока толщины плохо проводящего слоя и улучшением проводимости этого слоя.

зависимость температурного коэффициента прямого сопротивления селеновых выпрямителей от тока, для элементов диаметром 25 мм (слева) и 18 мм (справа)

Сопротивление в непроводящем направлении вначале растет в силу возрастания толщины слоя с плохой проводимостью, а затем со вступлением в действие эффекта сильного поля сопротивление вентиля заметно уменьшается.

экспериментально определенные параметры для прямой и обратной ветвей ВАХ

При уменьшении температуры окружающей среды наблюдается увеличение прямого и падение обратного сопротивлений, что приводит к увеличению прямого падения напряжения и обратного тока, и снижает выпрямленное напряжение.

зависимость допустимого времени перегрузки от кратности перегрузки по отношению к его номинальному току

Рабочий диапазон температур для селеновых выпрямителей серии А находится в пределах -60. +75° С; серии Г -60. +80° С, серии Е -60. +125° С.

При длительном бездействии селеновые элементы серии А расформовываются, при этом значительно уменьшается сопротивление запирающего слоя. В результате обратный ток может превысить допустимый в 5—10 раз и перегреть элемент. Расформовка — процесс обратимый и элемент может быть восстановлен подформовкой. Для этого выпрямитель, в котором расформованы элементы, включают на 10 мин под напряжение переменного тока, равное половине номинального значения, а затем в течение 2 ч — на номинальное напряжение. Расформовка также происходит при при длительном пропускании только прямого тока. Элементы серии Г не расформовываются.

Выпрямительные селеновые элементы с течением времени «стареют», т. е. в процессе работы постепенно увеличивается сопротивление селеновой шайбы в прямом направлении и уменьшается в обратном, что приводит к уменьшению к.п.д. и коэффициента выпрямления. С повышением температуры окружающей среды процесс старения протекает быстрее. Если выпрямитель работает при небольших нагрузках и комнатной температуре, то процесс старения заканчивается в первые 4000 ч работы, и затем его выпрямляющее свойство становится более стабильным. При этом сопротивление в прямом направлении увеличивается в полтора раза. Старение вентилей имеет место также и при их хранении.

Усталость (ползучесть) выпрямителей сказывается в том, что наблюдается возрастание обратного тока под воздействием неизменного по величине обратного напряжения, причем увеличение обратного тока не связано с температурным режимом. Как правило, в селеновых выпрямителях явление усталости наблюдается только при некоторых нарушениях технологического процесса изготовления.
Усталость имеет большое значение и резче проявляется в вентилях, используемых в цепях постоянного тока. В этих случаях наибольшее допустимое обратное напряжение снижается примерно на 30—40% по сравнению с допустимым значением обратного напряжения для вентилей, включаемых в цепи переменного тока.

Селеновые выпрямители, собранные из селеновых элементов, обладают значительной собственной емкостью порядка 0,01-0,02 мкф/см 2 (зависит от напряжения, приложенного к элементу), что ограничивает их применение в высокочастотных схемах. Емкость обусловлена наличием между металлом и полупроводником (селеном) тонкой изолирующей прослойки (запорный слой). Она как бы шунтирует запорный слой, что приводит к дополнительным потерям мощности в слое полупроводника и уменьшению выпрямленного напряжения.
Влияние собственной емкости элемента сказывается на работе выпрямителя тем сильнее, чем выше частота выпрямленного тока. Селеновые элементы, согласно Государственному стандарту, гарантируют работу на частотах до 1000 Гц, однако их можно применять для выпрямления напряжения с частотой до 40—50 кГц. При этом не наблюдается значительный перегрев перехода, а выпрямленный ток не падает более чем на 30% по сравнению с величиной, полученной на частоте 50 Гц.

При работе в высокочастотных цепях с очень малыми напряжениями (детекторные цепи) сказывается еще действие небольшого встречного напряжения на вентиле (собственная ЭДС), имеющего место при токе, почти равном нулю. Это напряжение достигает десятков, а иногда и сотен микровольт. С увеличением температуры собственная ЭДС вентилей заметно растет.

Пробой селеновых вентилей заключается в тепловом разрушении части селенового слоя и катодного сплава под действием больших обратных токов, вызванных большими обратными напряжениями. Обычно пробой происходит при обратных напряжениях с амплитудой порядка 50—80 В на каждый элемент. Пробой элемента сопровождается искрой, а также оплавлением селена и части катодного сплава. Если причина пробоя устранена, то выпрямитель может продолжать работать, так как пробитое место в элементе заплавляется аморфным селеном, не проводящим тока. Иногда при перегреве выпрямителя расплавленный электрод (катодный сплав) заливает промежуток между электродами и тем самым замыкает элемент накоротко. В этом случае для дальнейшей нормальной работы вентиля необходимо удалить расплавленный металл.

Под сроком службы элемента понимают время, по истечении которого выпрямленное напряжение снижается на 6-10%. После этого старение элемента заметно замедляется и дальнейшее падение напряжения становится почти несущественным. Для восстановления номинального значения выпрямленного напряжения повышают переменное напряжение примерно на 10%, подключая дополнительные витки вторичной обмотки трансформатора. Эти витки заранее предусматривают при конструировании селеновых выпрямителей. Завод-изготовитель гарантирует срок службы элементов не менее: для элементов серии А класса В — 20 000 ч, класса Г — 25 000 ч, класса Д — 15 000 ч; серии Г класса Д — 25 000 ч, класса Е — 20 000 ч, серий И и К — 5000 ч; серии Я — 15 000 ч; серии Ф — 25 000 ч и серии Л — 7000 ч. Общий гарантийный срок на селеновые элементы, включая время работы и хранения, составляет 5 лет.

Конструкция селеновых вентилей зависит от допустимого тока через отдельный элемент и технологии его производства. Существует несколько конструктивных форм селеновых элементов, отличающихся по своему устройству и технологии производства. Во всех этих элементах p-n-переход создается между металлом и слоем селена, нанесенного на металлический электрод. Обычно к селену, идущему на изготовление диодов, добавляют в очень малом количестве йод или хлор. Эти примеси уменьшают сопротивление элемента прямому току и компенсируют действие других примесей, вызывающих повышение сопротивления.

Основными узлами селеновых элементов являются основание, слой полупроводника и электроды.

серия А (АВС) серия Г(ТВС)

Основанием 1 в элементах серий А и Г является алюминиевая пластина толщиной 0,8 мм. На алюминиевом основании строится выпрямительный элемент, оно также является одним из токосъемных электродов. Вторым токосъемным электродом у элементов серии А служит катодный сплав олова с кадмием 4, у элементов серии Г — висмутированная алюминиевая фольга 5. Толщина слоя селена составляет 50. 60 мкм. У элементов серии А запирающий слой образуется в месте контакта селена 3 и катодного сплава. У элементов серии Г он образуется в месте контакта селена и алюминиевого основания.

В селеновых элементах серии Я в целях снижения переходного сопротивления элемента в области контакта селен—алюминий между слоем алюминия, покрытого висмутом, и селеном наносится тонкий слой теллура. У селеновых элементов серии У в отличие от элементов серии А слой селена образован из ряда отдельных подслоев, отличающихся составом примесей, их величиной и режимами нанесения. В отличие от элементов серии А основанием элементов серии Ф служит фольга толщиной 0,12 мм. Селеновые элементы серий Е и Л выполнены на базе элементов серии Г. Элементы серии Е отличаются от последних повышенной термостойкостью и предназначаются для эксплуатации при абсолютной температуре на элементе до 125° С. У элементов серии Л в целях более надежного контакта селена с алюминием и снижения переходных сопротивлений в прямом направлении слой алюминия (основание) подвергается электрохимическому травлению.

Как правило, селеновые элементы не поставлялись россыпью. На заводе-изготовителе они собираются в столбы. По конструктивному исполнению селеновые выпрямители подразделяются на выпрямители открытой конструкции и сплошной сборки. Выпрямители открытой конструкции собираются из селеновых элементов на стяжной шпильке открыто и представляют собой обычно выпрямительный столб. В целях улучшения охлаждения выпрямителя между элементами оставляется зазор, регулируемый пружинящими латунными шайбами. Последние создают также электрический контакт между элементами. Потребность в легко пружинящих шайбах обусловлена тем, что при заметном давлении на селен сминается и портится запирающий слой, и вентильные свойства диска теряются.

Выпрямительные столбы различаются как по форме и размерам входящих в них селеновых элементов, так и по схемам выпрямления. На одной изолированной шпильке с помощью выводов и перемычек могут быть получены либо отдельные плечи выпрямителя, либо законченные выпрямительные схемы: однофазный и трехфазный мосты, схемы со средней точкой и другие. Элементы могут образовывать последовательное, параллельное либо смешанное соединение.

Селеновый выпрямитель на стяжной шпилке (столб) и его детали:

а — селеновый выпрямитель; б — селеновый элемент: в — контактная звездочка; г — вывод; д — дистанционная шайба; е — сборная шпилька с изоляцией; ж — изолирующая шайба; 1 — селеновые элементы; 2 — контактные шайбы; 3 — дистанционные шайбы; 4 — изолирующие шайбы; 5 — концевые изолирующие шайбы; 6 — маркировочная шайба; 7 — провод; 8 — трубка; 9 — выводы; 10 — шпилька сборная с изоляцией.

К группе выпрямителей открытой конструкции относятся следующие: а) нормализованные выпрямители серий А и Г; б) выпрямители серии Г для работы в масле; в) выпрямители серии Я; г) выпрямители для магнитных усилителей; д) выпрямители для сварочных аппаратов; е) ненормализованные выпрямители; ж) выпрямители серии У. Они имеют обозначение полярности в виде цветных полос или точек: плюс — красный цвет; минус — синий цвет; переменный ток (

Большую группу образуют выпрямители сплошной сборки, когда селеновые элементы собраны плотно друг к другу. К этой группе относятся: а) выпрямители типа «Контакт» для питания транзисторной аппаратуры; б) выпрямители селеновые типа 12ГД2А-Г; в) пакетные выпрямители ABC (плоские); г) слаботочные селеновые выпрямители из элементов серии А — ABC; д) слаботочные селеновые выпрямители из элементов серий Г — ТВС; е) слаботочные селеновые выпрямители из фольговых элементов серии Ф — ФВС; ж) малогабаритные селеновые выпрямители типа 3ГЕххФ и 5ГЕххФ; з) малогабаритный высоковольтный выпрямитель ВС-5 кВ; и) выпрямители для питания кинескопов телевизионных приемников; к) выпрямитель селеновый 9ГЕ560У-С; л) выпрямители для рентгено-диагностических аппаратов; м) выпрямитель типа АВСМ-7М. На этих выпрямителях обозначение полярности обычно наносится соответствующим знаком на корпусе.

У выпрямителей трубчатой конструкции полярность обозначается посредством закраски торцов выпрямителя: синий цвет — со стороны анода, красный цвет — со стороны катода.

Селен является основным материалом при изготовлении вентилей. Технология заводской очистки селена для выпрямителей была разработана в СССР Б. Леви (НИУИФ). К селену, применяемому для вентилей, предъявляются весьма высокие требования и в первую очередь — химическая чистота селена. Применяемый в СССР для выпрямителей селен содержит несколько сотых долей процента хлора; медь, серебро и сурьма в нем отсутствуют; сумма других металлических примесей не превышает 0,01% (нелетучий остаток). Для повышения электропроводности в селен вносится несколько сотых долей процента (0,01-0,02%) хлора, брома или иода. Черный стекловидный аморфный селен, выпускаемый химическими заводами для производства вентилей в виде палочек, плиток или порошка, размягчается при температуре 50-60° С, переходя при более высоких температурах в серый кристаллический селен. При нагреве до температуры, близкой к температуре плавления 217° С, и последующем затем медленном охлаждении можно добиться полной перекристаллизации селена с заметным укрупнением его кристаллов, что повышает электропроводность селена.

Применительно к физико-химическим свойствам селена и строится процесс нанесения его на диски. Различают два вида технологии производства селеновых диодов: горячую и вакуумную.

Первый этап для обоих видов состоит в подготовке контактных электродов. Стальные или алюминиевые листы толщиной 0,5—1,5 мм штампуются, рихтуются и очищаются от жира и грязи спиртом либо другими растворителями. После очистки листы обрабатываются на пескоструйных аппаратах для создания шероховатой поверхности, позволяющей лучше удерживать покрывающий ее слой металла с селеном. Обработанные таким способом листы разрезают на ленты, из которых штампуют подкладки элементов в виде дисков (таблет) диаметром 5 и 7,2 мм, а для более мощных диодов — в виде шайб большего диаметра или прямоугольных пластин. Диаметр дисков определяется принятым к производству сортаментом; наша промышленность выпускала диски с диаметром от 5 до 100 мм. После обезжиривания их покрывают слоем висмута либо никелем толщиной 1-2 мкм, что обеспечивает не только малое прямое сопротивление вентилей, но и уменьшает их последующее старение. Никель наносится в гальванической ванне, а висмут напаривается в вакууме. Толщина покровного слоя висмута не превосходит при этом один-два микрона. Последний способ лучше сочетать с вакуумной технологией нанесения слоя селена.

Нанесение слоя селена горячим способом производится так. На нагретую до 250°С подложку намазывают аморфный селен (эта примитивная технология применялась до 50-х годов) или расплавляют на ней порошкообразный селен. Затем подкладку с селеном прессуют для образования плотного и равномерного слоя селена, толщина которого составляет 0,065—0,085 мм (на каждый квадратный сантиметр поверхности основы наносится около 0,01 г селена).

Применялся также вакуумный способ, заключающийся в испарении селена в вакууме и осаждении его на диск. Этот способ является более совершенным, но требует одновременно более сложного и дорогого оборудования. Истоки этой технологии, использование которой у нас началось с 50х годов, лежат в немецких разработках фирмы AEG, вывезенных к нам из Германии в порядке репараций.

После расплавления селена, нанесенного одним из указанных выше двух способов на горячий диск с температурой 240—250° С, диск быстро охлаждается для предупреждения преждевременной кристаллизации селена. Такая кристаллизация при открытой поверхности селена не может обеспечить тонкого равномерного и однородного слоя селена. Для получения последнего диски вновь нагреваются в спрессованном виде, будучи переложены полированными шайбами, и выдерживаются под удельным давлением от 1 до 2 кг\см2 при температуре 125—130° С в течение 7—12 мин. При этом черный аморфный селен переходит в серый кристаллический, покрывающий равномерным слоем металлическую подкладку, с толщиной слоя в пределах от 0,07 до 0,15 мм. При вакуумном нанесении удается получить слой селена толщиной от 0,03 до 0,04 мм.

С уменьшением толщины слоя селена уменьшается сопротивление вентиля в проводящем направлении. Для выделения из слоя селена запирающего слоя (слоя с большим сопротивлением) селен после кристаллизации под прессом подвергается термической обработке. Она заключается в прогреве открытой поверхности селена в термостате при температуре от 210 до 220° С в течение времени от 1 до 2 час, в зависимости от сорта селена и размеров дисков. При такой обработке имеет место: 1) увеличение сопротивления поверхностного слоя селена вследствие улетучивания примесей хлора, брома или иода, внесенных в селен для повышения его электропроводности, и одновременно 2) увеличение проводимости в остальном слое селена, прилегающем непосредственно к контактному электроду вследствие повышения концентрации свободных электронов в нем. Для еще большего повышения сопротивления запирающего слоя диски с селеном в некоторых производствах после термической обработки подвергаются воздействию паров серы путем помещения их на 20—30 мин в термостат, в котором при температуре 140—160° С испаряется сера.

После такой обработки на селен напыляется при помощи какого-либо металлизатора сплав из олова, кадмия, а иногда и висмута, служащий в качестве катода. Температура плавления сплава приблизительно равна +105° С, поэтому нагрев вентилей во время их работы в выпрямителях выше +75°С не допускается. Нанесение верхнего электрода осуществляется путем напыления при помощи специального металлизатора или осаждением (напариванием) в вакууме. Для предотвращения короткого замыкания между подкладкой и верхним электродом по боковой поверхности электродов катодный сплав наносится не на всю поверхность селена, вследствие чего уменьшается рабочая поверхность элемента, составляющая примерно 75% поверхности подкладки в элементах малого и среднего размеров.
При вакуумной технологии висмутирования алюминия, нанесения слоя селена и катодного сплава листы предварительно не разрезаются и подкладки не штампуются. Все эти операции производятся позднее. При этом достигается большая равномерность толщины слоя селена, удлиняется срок службы элементов и улучшаются их электрические параметры.

После этого на слой селена в зоне центрального отверстия элемента может наноситься изоляционная прокладка; обычно это тонкая лаковая пленка или бумага. Эта прокладка позволяет собирать выпрямители без применения контактных звездочек, поэтому такие элементы получили условное название «бесконтактные элементы».

При сборке выпрямителей установочный размер выдерживается за счет добавления изоляционных шайб, устанавливаемых между крепежной шайбой и выводом, на обоих концах шпильки. Если при сборке выпрямителей из элементов 60х60 мм и более установочный размер превышает допустимый, разрешается не ставить по одной дистанционной шайбе в крайних промежутках между элементами с обеих сторон выпрямителя.
После сборки выпрямители окрашивают 2 раза эмалью ПФ-15 (ВТУ МХП № КУ-488-57), если они не предназначаются для работы в масле. Окраска производится методом пульверизации или окунанием с последующим центрифугированием.
Выпрямители из таблеточных элементов диаметром 5; 7,2 и 12,5 мм собираются в цилиндрических корпусах из триацетатной пленки, стеклопластика или фарфора и других изоляционных материалов. Корпус выпрямителя заполняют деталями так, чтобы набор деталей находился на уровне с краями корпуса с отклонениями не более ±1 мм, что достигается изменением количества дистанционных шайб, указанных в чертежах.
Торцы корпуса из мягкого материала после его заполнения завальцовываются до указанных в чертежах размеров, заливаются эпоксидной пластмассой и окрашиваются нитроэмалью марки ДМ (ТУ МХП 520-54) красного цвета со стороны + и синего цвета со стороны —.

После окончания технологических операций селеновые диоды подвергаются электрической формовке, состоящей в том, что через диод пропускается большой обратный ток (плотность тока несколько десятков миллиампер на квадратный сантиметр) в течение от десятков минут до нескольких часов, с постепенным повышением приложенного обратного напряжения. В результате формовки снижается относительная величина прямого тока и резко уменьшается обратный ток. Класс вентиля по обратному напряжению по’вышается при этом в 1,5—2 раза. В процессе формовки создаются благоприятные условия для диффузии кадмия в селен, с одной стороны, и висмута — с другой. В слое селенистого кадмия создается проводимость типа n, а в другом слое селена проводимость типа p.

Промышленностью выпускались 22 размера селеновых элементов на токи нагрузки от 60 мкА до 24 А на один элемент.

В зависимости от формы различают следующие разновидности элементов:

Размеры выпускаемых селеновых элементов:

Номинальные значения прямого тока селеновых элементов зависят от размеров элементов (значения в А):

В зависимости от величины переменного обратного напряжения селеновые элементы разделяются на 6 классов:

Серии селеновых элементов бывают следующих классов: серия А — классов В, Г, Д; серия Г — Д, Е, И, К; серия Я — В, Г, Д; серия У — В, Г, Д; серия Ф — Г.

Допустимые значения обратного тока для селеновых элементов различных классов в зависимости от размера элемента, мА:

Селеновые элементы обычно собирались в выпрямители всех типов схем, которые могли потребоваться промышленности. В зависимости от электрической схемы соединения элементов выпрямители разделяются на виды, указанные в таблице:

Условное обозначение конструктивного исполнения выпрямителей

За время своего существования селеновые выпрямители сменили несколько систем обозначения.

Согласно самой первой из них, первым элементом стояла буква С — на (С)тальной основе (как по этой системе обозначалсь столбы на алюминиевом основании — неизвестно). Далее, через тире, указывался диаметр элементов в мм, затем буква, обозначающая конструктивное исполнение (А — без стоек для крепления, Б — со стойками). Затем число плеч, и, через дефис, дробь, в числителе которой указывалось число последовательных элементов в плече, а в знаменателе — число параллельных ветвей в каждом плече. Пример такого обозначения — С-35А4-8/1.

В начале 50-х годов ввели иную систему. В качестве первого элемента обозначения в ней были буква, характеризующая особенности конструкции — на (А)люминиевой основе, либо на алюминиевой основе серии (Т); выпрямители "стандартной" серии на стальной основе дополнительной буквы не имели. Затем ставились буквы ВС — (В)ыпрямитель (С)еленовый; далее размер элемента в мм и номер разработки. В конце могли добавляться буквы, значение которых неизвестно; вероятно они обозначали разницу в конструктивном исполнении. Примеры выпрямителей с таким обозначением — АВС-7-3ПМ, ВС-45-81. Однако были и вентили без номера разработки, к примеру ВС-45-М.

Встречаются упоминания о том, что выпрямители АВС и ТВС первоначально назывались ОСВ и ОСВТ; соответственно, значения остальных полей были те же. Возможно, выпрямители типа ОСВ-18-34 — это следы именно того времени.

Но всё же подавляющее большинство отечественных селеновых выпрямителей было выпущено по ОЖО.321.010.ТУ, согласно которым система обозначения состояла из следующих элементов:

В качестве примера расшифруем марку выпрямителя 40ГД16Е2ЦА: размер элементов выпрямителя 40х40 мм, число элементов — 16, выпрямитель собран в металлическом корпусе, обладает повышенной термостойкостью и предназначен для работы при температуре нагрева до +125° С и допускает переменное напряжение на элемент 25 В; элементы соединены в две изолированные друг от друга ветви, по однофазной однополупериодной схеме.

Для маломощных выпрямителей применяются обозначения, подобные системе 50-х годов, но после букв ставятся средняя величина выпрямленного тока (мА) и подводимое переменное напряжение (В), например АВС-6-600м. Буква «м» обозначает малогабаритный.

Также было довольно много вентилей с названиями, не укладывающимися ни в одну из этих систем — ВТ-18-0,2, ОСТ-9 и пр.

Как работает трехфазный выпрямительный мост

Электрика

Селеновые выпрямители состоят из алюминиевых или железных никелированных пластин толщиной 0,8—1‚5 мм, покрытых с одной стороны слоем селена, который наносится путем наплавления при температуре 250°С с последующим опрессовыванием для получения ровного слоя толщиной около 0,1 мм. Для снижения сопротивления запирающего слоя шайбы нагревают до 215°С и затем выдерживают в парах серы при температуре 150°С. После этого наносят слой катодного сплава, состоящего из:

• кадмия
• олова
• висмута

Запорный слой селенового выпрямителя создается не при изготовлении, а в результате специальной электрической формовки под напряжением. В процессе формовки к пластине селенового выпрямителя подводят постоянное напряжение и постепенно повышают его так, чтобы обратный ток достиг 10 ма/кв.см.

Селеновый выпрямитель, бывший длительное время без употребления, необходимо формовать перед эксплуатацией, так как после длительного бездействия он теряет выпрямляющие свойства.

Наивысшая допустимая рабочая температура селеновых выпрямителей +750 С. Старение сопровождается повышением сопротивления в направлении прямого тока и ускоряется с повышением температуры. Срок службы селеновых выпрямителей колеблется от 3000 до 25000 часов.

Пробой селеновой выпрямительной пластины происходит при 50—80 в и сопровождается расплавлением катодного сплава с образованием стекловидного селена. В месте пробоя стекловидный селен является электроизолирующим материалом. Поэтому после пробоя селеновый выпрямитель может работать, если пробой не привел к короткому замыканию.

Характеристика селенового выпрямителя

Коэффициент полезного действия селеновых выпрямителей достигает 85%, падение напряжения на одной пластине в прямом направлении О,9——1,5 в, в обратном направлении— 15—30 8. Емкость одной пластины достигает 0,01—0,03 мкф/кв.см2 допустимая плотность прямого тока— 50 ма/смг, амплитуда испытательного напряжения на прочность — 50 в.

Из селеновых пластин собирают столбики на различное напряжение и силу тока. В столбике пластины включены параллельно, последовательно или параллельно—последовательно в плечи, а плечи соединены обычно в мостиковые или двухполупериодные выпрямительные схемы.

Трехфазная схема выпрямителя

Большинство промышленных источников питания для электродвигателей и сварочных применений используют трехфазное напряжение AC. Это означает, что устройство для этих цепей должен использовать трехфазный мост, который имеет шесть диодов для обеспечения полноволнового выпрямления (два диода для каждой линии трёх фаз). На этом рисунке показана электрическая трехфазная мостовая схема выпрямления.

На диаграмме вторичная обмотка трехфазного трансформатора на диоде устройства. 1D, 3D и 5D соединены вместе, чтобы обеспечить общую точку для отрицательного вывода DC выходной мощности. 2D, 4D и 6D соединены, чтобы обеспечить общую точку для постоянного положительного вывода выходной мощности.

Электронная схема трехфазного мостового выпрямителя, где он соединён со вторичной обмоткой трехфазного трансформатора. Трехфазные входные синусоидальные волны (б). Шесть полуволн для выхода DC. Хорошим правилом для определения соединений на диодных устройствах является то, что входное напряжение (U) переменного тока будет подключено к мосту, где соединяются анод и катод любых двух диодов.

Так как это происходит в двух точках моста, входное U не имеет определённую полярность. Положительный вывод для источника питания будет подключён к мосту, где два катода диодов соединены, а отрицательный вывод будет соединён с мостом и соединяются два анода диодов.

Поскольку шесть полуволн перекрываются, напряжение DC не имеет шансов добраться до нулевой точки напряжения, таким образом, среднее выходное напряжение DC очень велико.

Трехфазный полноволновый мостовой выпрямитель используется там, где требуемое количество мощности DC велико, а эффективность трансформатора должна быть высокой. Поскольку выходные сигналы полуволн перекрываются, они обеспечивают низкий процент пульсаций.

В этой схеме выходная пульсация в шесть раз превышает входную частоту. Поскольку процент пульсаций низкий, выходное U (DC) можно использовать без большой фильтрации. Этот тип устройства совместим с трансформаторами, которые соединены звездой или треугольником.

Мостовой тип устройства

Трехфазная мостовая схема выпрямления использует шесть диодов (или тиристоров, если требуется управление). Выходное напряжение характеризуется тремя значениями: минимальным U, средним U и пиковым напряжением.

Полноволновой трехфазный выпрямитель похож на мост Гейца.

Схема полноволнового трехфазного устройства. Обычный трехфазный выпрямитель не использует нейтраль. Для сети 230 В / 400 В между двумя входами выпрямителя. Действительно, между 2 входами всегда есть составное напряжение U (= 400 В).

Неконтролируемое устройство означает, что нельзя отрегулировать среднее выходное U для этого входного U. Неконтролируемое выпрямление использует диоды.

Управляемый выпрямитель позволяет регулировать среднее выходное напряжение, воздействуя на задержки срабатывания тиристора (используется вместо диодов). Эта команда требует сложной электронной схемы. Диод ведёт себя как тиристор, загружаемый без задержки. Выпрямленное напряжение имеет такой вид.

Выходное U трехфазного выходного напряжения. Всего 7 кривых: 6 синусоид и красная кривая, соединяющая верхнюю часть синусоид («синусоидальные шапки»). 6 синусоидов представляют собой 3 напряжения, составляющие U между фазами и 3 одинаковыми напряжениями, но с противоположным знаком:

U31 = -U13U23 = -U32U21 = -U12

Красная кривая представляет U на выходе выпрямителя, то есть на клеммах резистивной нагрузки. Это U не относится к нейтрали. Она плавает. Это U колеблется между 1,5 В max и 1,732 Вmax (корень из 3).

Umax — пиковое значение одного напряжения и составляет 230×1,414 = 325 В.

Свойства трехфазного напряжения

Кривая, действующая только на резистивной нагрузке, неконтролируемое выпрямление (с диодами), не возвращается на ноль, в отличие от моночастотного устройства (мост Грейца). Таким образом, пульсация значительно ниже и размеры индуктора и / или сглаживающего конденсатора менее ограничительны, чем для моста Гейца.

Как подключить селеновый выпрямитель к трансформатору

§ Е37-3-40. Установка и сборка селеновых выпрямителей

Комплект селенового выпрямителя состоит из селенового столба, трансформатора, набора контактных зажимов для подключения проводов.

К зажимам со знаком бесконечность подключают напряжение сети, с зажимов со знаками + и — снимают выпрямленное напряжение.

Выпрямитель устанавливают так, чтобы шпилька селенового столба располагалась горизонтально.

Если перед установкой или включением выпрямитель находился на холоде, надо дать высохнуть конденсированной влаге. Рекомендуется выбрать такое расположение выпрямителей, чтобы беспрепятственно охлаждать их потоком воздуха и предохранить от дополнительного подогрева со стороны соседних узлов.

Выпрямители

Цель проведения лабораторной работы при изучении данной темы — познакомиться с устройством, принципиальной и монтажной схемами, техническими данными и правилами эксплуатации полупроводниковых выпрямителей ВС-4-12, ВС-24М и ВУП-2; овладеть методикой проведения физического демонстрационного эксперимента с использованием полупроводниковых выпрямителей.

Для получения постоянного напряжения при постановке различных демонстраций, выполнения лабораторных и практических работ используют полупроводниковые выпрямители как приборы, наиболее простые по своей конструкции и надежные в эксплуатации.

Широкое распространение в школьных физических кабинетах получили такие источники питания, как селеновые (например, ВС-4-12, ВС-24М) или другие полупроводниковые (например, В-24, ВУП-2) выпрямители.

Выпрямитель селеновый ВС-4-12 (рис. 18) служит для преобразования переменного напряжения электросети 127 и 220 В с частотой 50 Гц в пульсирующее напряжение одного направления до 12 В при силе тока до 3 А.

Рис. 18. Выпрямитель селеновый ВС-4-12

Принципиальная электрическая схема выпрямителя показана на рис. 19.

Рис. 19. Принципиальная схема выпрямителя селенового ВС-4-12

Выпрямитель состоит из следующих основных частей: металлического корпуса, на дне которого установлен трансформатор понижающий (1), селеновых вентилей (2), щитка для предохранителей (3) и колодки для присоединения электрошнура с вилкой (4). На передней панели выпрямителя смонтированы ручка переключателя напряжения, сигнальная лампа (6), тумблер включения прибора в сеть переменного тока, клеммы подключения нагрузки (5).

Трансформатор понижающий имеет следующие характеристики:

• — напряжение питающей электросети: -127 В или -220 В;
• — частота питающей сети: 50 Гц;
• — мощность при номинальном вторичном токе 3 А и напряжении 12 В: 75 Вт.

Ш-образные пластины магнитопровода изготовлены из электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Сечение среднего стержня магнитопровода -7,5 см 2 .

Схема обмоток трансформатора и их выходные напряжения приведены на рис. 20.

Схема обмоток трансформатора

Выходные напряжения обмоток трансформатора

4-5 = 8 В, 4-6= 10,7 В 4-7= 13,6В 4-8 = 16,5 В 4-9= 19,7В 8-9 = 3,2 В

Рис. 20. Схема обмоток трансформатора

В выпрямителе ВС-4-12 используется однофазная мостовая двухплечная схема выпрямителя, позволяющая получить двухполупериодный выпрямленный ток напряжением до 12 В и силой тока до 3 А. Источник питания выпрямителя — однофазная сеть переменного тока. Потребляемая мощность при максимальных значениях вторичной цепи (12 В, 3 А) — 75 Вт.

В качестве преобразователя однофазного переменного тока в ток одного направления (выпрямленный) применяется селеновый выпрямитель типа 75 ГМ4Я-К (столбик).

Он представляет собой набор из селеновых элементов квадратной формы, которые собраны на общей шпильке в виде столбика открытой конструкции. Элементы электрически соединены между собой по мостовой двухполупериод-ной схеме выпрямления переменного тока, которая обеспечивает использование вентильного действия селеновых элементов по отношению к однофазному переменному току, т. е. свойство пропускать ток только в одном направлении.

Принципиальная электрическая схема соединений элементов выпрямителя указана на рис. 21.

Рис. 21. Принципиальная электрическая схема соединений элементов выпрямителя

Селеновый выпрямитель имеет следующие данные:

• — подводимое переменное напряжение (эффективное) — 25 В;
• — выпрямленное напряжение (среднее) — не менее 18 В;
• — выпрямленный ток (средний) — 3 А;
• — размер элемента — 75×75 (мм);
• — общее количество элементов в выпрямителе — 4;
• — количество элементов в плече — 2;
• — габарит столбика 75x95x95 (мм).

Элементы селенового столбика имеют влагозащитные покрытия, предохраняющие его от коррозии. Величины по переменному напряжению и выпрямленному току допустимы при эксплуатации селенового столбика при температуре окружающего воздуха до +35 °С.

Переключатель во вторичной цепи трансформатора позволяет получить 5 ступеней напряжения выпрямленного тока от 4 до 12 В (4, 6, 8, 10, 12) при максимальной силе тока 3 А.

Переключение осуществляется за счет перемещения (скольжения) пластины по контактным лепесткам, происходящего при вращении ручки переключателя. При этом подключенные в определенном порядке выводы вторичной обмотки замыкаются и тем самым меняют величину подводимого на столбик напряжения.

Выпрямитель селеновый ВС-24М (рис. 22) предназначен для получения регулируемых напряжений при максимально допустимой силе тока 10 А:

• — от 0 до 30 В переменного тока;
• — от 0 до 24 В пульсирующего.

Рис. 22. Выпрямитель селеновый ВС-24М

Принципиальная электрическая схема выпрямителя ВС-24М приведена на рис. 23.

Рис. 23. Принципиальная схема выпрямителя селенового ВС-24М

Выпрямитель ВС-24М состоит из корпуса, на передней стенке которого установлены понижающий трансформатор с сердечником тороидальной формы, селеновые вентили, щиток для предохранителей.

На лицевой панели выпрямителя смонтированы: тумблер включения прибора, сигнальная лампочка, регулятор выходного напряжения, зажимы постоянного и переменного тока, вольтметр со шкалой на 50 В и амперметр со шкалой на 10 А для измерения напряжения и силы выпрямленного тока. Потребляемая мощность выпрямителя при максимальной нагрузке вторичной цепи составляет 450 Вт.

До подключения нагрузки ручку плавной регулировки выходного напряжения нужно переместить в нулевое положение шкалы. Величина переменного напряжения определяется по шкале плавного регулятора. При одновременном подключении к прибору нагрузок постоянного и переменного напряжения суммарное значение силы тока не должно превышать 10 А.

Выпрямитель универсальный ВУП-2 (см. рис. 24) позволяет получить на выходных зажимах выпрямленное напряжение 350 В при максимальной силе тока 220 мА; выпрямленное отфильтрованное напряжение 250 В при максимальной нагрузке 50 мА; регулируемое напряжение от 0 до 250 В постоянного тока до 50 мА; регулируемое напряжение от 0 до + 100 В и от 0 до — 100 В постоянного тока до 10 мА; напряжение 6,3 В переменного тока до 3 А.

Рис. 24. Выпрямитель универсальный ВУП-2

Выпрямитель смонтирован на металлическом шасси и состоит из следующих основных частей:

• — блока питания — трансформатора мощностью 150 Вт, работающего от сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 127 и 220 В;
• — выпрямительного устройства на полупроводниковых мостах (один высоковольтный смонтирован на диодах Д7Ж, два низковольтных — на диодах Д7В);
• — фильтра из дросселя и электролитических конденсаторов;
• — щитка предохранителя, состоящего из предохранителя в низковольтной цепи на силу тока в 1 А и предохранителя в высоковольтной цепи на силу тока 0,5 А (окно для доступа к щитку с предохранителями находится на задней стенке корпуса прибора);
• — пульта управления, расположенного на передней панели прибора.

На лицевой панели смонтированы выключатель, сигнальная лампочка, ручки регулируемого напряжения, зажимы для всех выходных напряжений и октальная панель, которая служит для подключения питания к генератору сантиметровых волн.

Принципиальная электрическая схема выпрямителя ВУП-2 показана на рис. 25.

Рис. 25. Принципиальная электрическая схема выпрямителя ВУП-2

В школьном демонстрационном эксперименте кроме ВС-4-12, ВС-24М и ВУП-2 используются и другие выпрямители — В-24 (см. рис. 26), ИПД-СМ (см. рис. 27) и пр.

Рис. 26. Источник постоянного и переменного напряжения (В-24)

Рис. 27. Источник питания демонстрационный (ИПД-СМ)

Внимание! Школьные демонстрационные выпрямители питаются от сети переменного тока напряжением 220 или 127 В, частотой 50 Гц.

Задание 1. Покажите выпрямляющее действие селенового вентиля.

Оборудование: селеновый вентиль, выпрямитель ВС-4-12, амперметр демонстрационный, соединительные провода.

Собирают последовательную электрическую цепь из селенового вентиля, выпрямителя ВС-4-12 и амперметра (см. рис. 28).

Рис. 28. Схемы демонстрации выпрямляющего действия селенового вентиля

Демонстрируют, что при неизменном напряжении, подаваемом на селеновый вентиль, его сопротивление зависит от направления тока. Для этого измеряют величину прямого и обратного тока и вычисляют добротность вентиля — отношение прямого тока к обратному:

Задание 2. Ознакомьтесь с устройством, монтажной схемой и техническими данными выпрямителя ВС-4-12 (на раскрытом экземпляре).

Оборудование: выпрямитель ВС-4-12, авометр.

По принципиальной схеме изучают монтажную схему прибора.

Проверяют целостность предохранителя и соответствие напряжению электросети в лаборатории.

Проверяют выходные данные выпрямителя. Для этого подключают к клеммам нагрузки выпрямителя авометр в режиме вольтметра постоянного тока. Включают прибор в сеть переменного тока. Изменяя положение ручки переключателя выпрямителя, отмечают для каждого его положения показания вольтметра. Результаты записывают в виде таблицы.

Задание 3. Продемонстрируйте работу электромагнита разборного.

Оборудование: выпрямитель ВС-4-12, электромагнит, авометр, провода соединительные.

Соединяют обе катушки электромагнита последовательно и измеряют авометром их общее сопротивление. Зная сопротивление нагрузки, рассчитывают максимальное напряжение, которое можно снять с выпрямителя, не превышая номинального значения силы тока (3 А).

Соединяют концы катушек с клеммами выпрямителя. Включают выпрямитель в сеть и демонстрируют магнитное действие электромагнита.

Задание 4. Ознакомьтесь с устройством, монтажной схемой и техническими данными выпрямителя ВС-24М (на раскрытом экземпляре).

Оборудование: выпрямитель ВС-24М, авометр, осциллограф, провода соединительные, потенциометр (реостат с тремя клеммами; R=300 Ом, 1=5 А).

По принципиальной схеме изучают монтажную схему прибора.

Проверяют целостность предохранителя и соответствие напряжению электросети в лаборатории.

Для получения регулируемого переменного напряжения к клеммам переменного напряжения выпрямителя подключают авометр в режиме вольтметра переменного тока. Включают прибор в сеть переменного тока и, изменяя положение плавного регулятора напряжения, отмечают для нескольких положений показания вольтметра (но не более 5 В).

Для демонстрации осциллограммы выпрямленного тока клеммы 1 и 2 потенциометра (рис. 29) подключают к выходу постоянного напряжения выпрямителя. На вертикальный вход осциллографа подают напряжение с клемм 2 и 3 потенциометра (рис. 29). Устанавливают делитель напряжения на осциллографе (аттенюатор) в положение «250 В». Используя органы управления осциллографа, получают на экране устойчивую осциллограмму двухполупериодного выпрямленного тока.

Рис. 29. Схема демонстрации осциллограммы выпрямленного тока

Задание 5. Ознакомьтесь с устройством, монтажной схемой и органами управления выпрямителя ВУП-2 (на раскрытом экземпляре).

Оборудование: выпрямитель ВУП-2, авометр, осциллограф, провода соединительные.

По принципиальной схеме изучают монтажную схему прибора.

Проверяют наличие предохранителей в низковольтной цепи (цепи первичной обмотки трансформатора) на 1 А и предохранителя в высоковольтной цепи на 0,5 А.

Измеряют авометром нерегулируемое выпрямленное отфильтрованное напряжение 250 В.

Показывают осциллограмму регулируемого выпрямленного напряжения на клеммах от 0 до 250 В и от 0 до 100 В.

Задание 6. Покажите применение выпрямителя ВУП-2 для питания электронной лампы.

Оборудование: выпрямитель ВУП-2, электронная лампа, провода соединительные, гальванометр чувствительный по току.

Собирают цепь по схеме, изображенной на рис. 25, и обнаруживают ток в анодной цепи. В этой схеме для питания накала электронной лампы 6,3 В переменного напряжения и для получения постоянного анодного напряжения (регулируемого от 0 до 250 В) используют выпрямитель ВУП-2.

Рис. 30. Схема применения выпрямителя ВУП-2 для питания электронной лампы