Селеновый выпрямитель

Селеновый выпрямитель — это полупроводниковый прибор, предназначенный для преобразования переменного электрического тока в постоянный (выпрямления), в котором в качестве рабочего элемента используется селен. Относится к классу сухих выпрямителей (металло-полупроводниковых) и исторически предшествовал кремниевым и германиевым диодам. Основными характеристиками селенового выпрямителя являются его слоистая структура, способность к самовосстановлению после пробоя и относительно низкое обратное напряжение.

История

Открытие и первые разработки

Явление односторонней проводимости в селене было открыто в 1874 году немецким физиком Фердинандом Брауном, который изучал контакт металла с полупроводником. Однако практическое применение селена для выпрямления тока началось значительно позже. В 1920-х годах в США и Европе начались эксперименты по созданию выпрямителей на основе селена, но первые коммерчески успешные образцы появились только в 1930-х годах.

Промышленное производство

Массовое производство селеновых выпрямителей началось в 1930–1940-х годах. Они быстро вытеснили более громоздкие и неэффективные ртутные выпрямители (ртутные вентили) и механические вибрационные выпрямители в ряде применений, таких как зарядные устройства, блоки питания радиоаппаратуры и системы зажигания. В СССР селеновые выпрямители выпускались под марками «ВС» (вентиль селеновый), «АВС» (агрегат выпрямительный селеновый) и другими. Пик их популярности пришёлся на 1950–1960-е годы.

Упадок и вытеснение

С развитием технологии производства кремниевых диодов в 1960–1970-х годах селеновые выпрямители начали уступать позиции. Кремниевые диоды обладали значительно меньшими габаритами, более высоким КПД, большим допустимым обратным напряжением и стабильностью характеристик. К началу 1980-х годов селеновые выпрямители были практически полностью вытеснены из массовой электроники. Однако в некоторых узкоспециализированных областях (например, в высоковольтных источниках питания для рентгеновских аппаратов и в некоторых системах защиты) они продолжали использоваться до конца XX века.

Устройство и принцип действия

Конструкция

Селеновый выпрямитель представляет собой многослойную структуру, нанесённую на металлическую подложку (обычно алюминиевую или стальную пластину):

1. Основание (подложка) — металлическая пластина, служащая одним из электродов.
2. Слой селена — тонкий слой (толщиной от 20 до 100 мкм) кристаллического селена, легированного примесями (например, теллуром или хлором) для улучшения проводимости. Селен наносится методом вакуумного напыления или горячего прессования.
3. Запирающий слой — тонкий слой (менее 1 мкм) из сульфида кадмия (CdS) или другого полупроводника, создающий потенциальный барьер на границе раздела. Этот слой обеспечивает одностороннюю проводимость.
4. Верхний электрод — слой легкоплавкого металла (например, сплава висмута, олова или кадмия), нанесённый поверх запирающего слоя. К нему припаивается вывод.

Для увеличения рабочего напряжения и тока выпрямители собираются в столбы или блоки, состоящие из нескольких последовательно или параллельно соединённых пластин. Каждая отдельная пластина способна выдерживать обратное напряжение порядка 20–30 В.

Принцип работы

Принцип действия основан на выпрямляющем свойстве контакта металл-полупроводник (барьер Шоттки). При подаче прямого напряжения (плюс на верхнем электроде, минус на подложке) потенциальный барьер снижается, и через структуру протекает значительный ток. При обратном напряжении барьер увеличивается, и ток резко падает (до нескольких микроампер). В отличие от кремниевых диодов, селеновые выпрямители имеют более низкое прямое падение напряжения (около 0,5–1 В), но и значительно больший обратный ток.

Характеристики и особенности

Преимущества

• Самовосстановление: При пробое (превышении обратного напряжения) в месте пробоя селен выгорает, образуя изолирующую плёнку. Выпрямитель не выходит из строя полностью, а лишь теряет часть своей площади. Это свойство делало их особенно ценными в высоковольтных цепях, где единичный пробой кремниевого диода мог привести к аварии.
• Устойчивость к перегрузкам: Селеновые выпрямители способны выдерживать кратковременные токовые перегрузки (до 10–20 раз от номинала) без разрушения.
• Низкое прямое падение напряжения: Около 0,5–1 В, что меньше, чем у кремниевых диодов (0,6–1,2 В), но больше, чем у германиевых (0,2–0,4 В).

Недостатки

• Большие габариты и масса: Для получения высокого напряжения или тока требуется много пластин, что делает выпрямители громоздкими.
• Низкий КПД: Значительная часть энергии рассеивается в виде тепла из-за относительно большого обратного тока и прямого сопротивления.
• Нестабильность характеристик: Параметры (прямое падение напряжения, обратный ток) сильно зависят от температуры и старения. Со временем выпрямители «деградируют» — их выпрямляющие свойства ухудшаются.
• Токсичность: Селен и его соединения токсичны. При производстве и утилизации требуется соблюдение мер предосторожности. При разрушении старого выпрямителя может выделяться ядовитый газ (селеноводород).
• Низкое рабочее напряжение одной пластины: Обычно не более 20–30 В, что требует последовательного соединения большого количества пластин для работы в цепях 220 В и выше.

Применение

Историческое применение

• Блоки питания: В радиоприёмниках, телевизорах, усилителях и другой бытовой электронике 1940–1960-х годов.
• Зарядные устройства: Для аккумуляторных батарей (автомобильных, стационарных).
• Системы зажигания: В тракторах, мотоциклах и автомобилях (например, в тракторах «Беларусь» МТЗ-80/82) для выпрямления тока генератора переменного тока.
• Промышленность: В электролизных установках, сварочных аппаратах, высоковольтных источниках питания для рентгеновских аппаратов и электрофильтров.
• Военная техника: В системах управления огнём, радиолокационных станциях (РЛС) и навигационном оборудовании.

Современное применение

К настоящему времени селеновые выпрямители практически полностью вытеснены кремниевыми диодами и диодными мостами. Однако в некоторых областях они всё ещё встречаются:

• Ремонт и реставрация: В радиолюбительской практике для восстановления старых ламповых радиоприёмников и телевизоров, где замена на кремниевые диоды может нарушить режимы работы схемы из-за разницы в прямом падении напряжения.
• Специальные высоковольтные устройства: В некоторых устаревших моделях рентгеновских аппаратов и электрофильтров, где свойство самовосстановления остаётся востребованным.
• Коллекционирование: Старые селеновые выпрямители являются объектом интереса коллекционеров старинной электроники.

Интересные факты

• В СССР селеновые выпрямители часто называли «селеновыми столбами» из-за их характерной конструкции — набора пластин, нанизанных на общую ось.
• Характерный запах, который иногда появляется при работе старого селенового выпрямителя, обусловлен выделением газообразного селена при нагреве. Этот запах может быть опасен при длительном вдыхании.
• В некоторых старых телевизорах (например, «КВН-49») селеновый выпрямитель был одной из самых ненадёжных деталей, часто выходившей из строя из-за перегрева.
• Несмотря на токсичность, селеновые выпрямители не классифицируются как особо опасные отходы в большинстве стран, но их утилизация требует соблюдения мер предосторожности.

Источники

1. Б. М. Тареев, В. Я. Жуков. «Полупроводниковые выпрямители» — М.: Энергия, 1965.
2. А. Л. Гурвич. «Селеновые выпрямители» — М.: Госэнергоиздат, 1958.
3. И. П. Жеребцов. «Основы электроники» — Л.: Энергоатомиздат, 1985.
4. Справочник по полупроводниковым приборам / Под ред. Н. Н. Горюнова — М.: Энергия, 1968.
5. Электротехнический справочник / Под ред. В. Г. Герасимова — М.: Энергоатомиздат, 1985.