Historia zasilania – Prostowniki półprzewodnikowe

W dwóch poprzednich artykułach tej serii omówiłem prostowniki mechaniczne, prostowniki elektrolityczne oraz prostowniki lampowe, zarówno próżniowe jak i gazowane. Dziś absolutnie najpopularniejsze są rozmaite prostowniki półprzewodnikowe, które też mają fascynującą historię

Przełom XIX i XX wieku był okresem intensywnych poszukiwań najrozmaitszych prostowników i detektorów. Między innymi były to detektory do radioodbiorników, które niewątpliwie były prostownikami, ale kapryśnymi i delikatnymi. Ich historia zaczyna się od Karla F. Brauna, który zrealizował pierwszy prostownik ostrzowy w roku 1873, ale wtedy nie widział dla niego żadnego praktycznego zastosowania.

Potem prostowniki ostrzowe znalazły zastosowanie jako detektory sygnału w radioodbiornikach. Dla nas ważne jest to, że te delikatne i kapryśne
detektory radiowe absolutnie nie nadawały się do prostowania dużych prądów. A „silniejsze” prostowniki potrzebne były choćby do ładowania licznych już wtedy akumulatorów, do systemów galwanizacji oraz do różnych systemów z silnikami prądu stałego. Używano do tego prostowników mechanicznych oraz prostowników lampowych, ale nie próżniowych, tylko gazowanych, głównie z wykorzystaniem rtęci. Pełniły one swoją funkcję, ale były kosztowne, kłopotliwe w obsłudze i szkodliwe dla zdrowia obsługujących, a mechaniczne były nietrwałe.

Jeszcze w XIX wieku podejmowano rozmaite próby realizacji lepszych elementów prostowniczych, czyli przewodzących prąd tylko w jednym kierunku. Dość długo nie udawało się zrealizować dobrych prostowników, innych niż mechaniczne i lampowe, które przecież miały poważne wady. Dopiero mniej więcej w połowie lat 20. XX wieku udało się opracować prostowniki „metalowe”, a konkretnie miedziane i trochę później prostowniki selenowe.

Prostowniki miedziane, a raczej kuprytowe

Prototypy prostowników „metalowych” przedstawiono na początku lat 20., a na rynek wchodziły od roku 1927 (L.O. Grondahl, P.H. Geiger). U nas prostowniki „metalowe” nazywane były i są kuprytowymi, od nazwy minerału, kuprytu, który jednak ma niewiele wspólnego z prostowaniem. Dziś wiemy, że prostowniki kuprytowe nie powinny być nazywane „metalowymi”, ponieważ są bardzo prymitywną odmianą diod półprzewodnikowych typu metal – półprzewodnik, czyli odmianą diod Shottky’ego.

Podstawą konstrukcji jest w nich zwyczajna płytka miedziana (ale z bardzo czystej miedzi), której powierzchnia zostaje utleniona, czyli na której zostaje wytworzona warstewka tlenku miedzi.

W Internecie można znaleźć wskazówki, jak dziś w warunkach domowych można zrealizować prostownik kuprytowy, ale uzyskane właściwości silnie zależą od czystości miedzi i od warunków procesu technologicznego. Złącze półprzewodnikowe powstaje w warstewce tlenku miedzi. Fotografia 1 przedstawia mostkowy prostownik o prądzie pracy do 0,5 A i napięciu do 12 V.

Takie prostowniki są mocno niedoskonałe. Dawniej wykorzystywano je jako prostowniki w miernikach (przykład na fotografii 2 z Wikipedii Ulfbastel, CC BY–SA 4,0). Cieszyły się złą sławą, bo starzały się i zmieniały parametry.

Fotografia 3 (z Wikipedii, Wefo CC BY-SA 3,0) pokazuje budowę wewnętrzną tego typu prostownika.

Jedną z wad było niskie dopuszczalne napięcie wsteczne (rzędu 10 woltów), ale zestawy wielu prostowników kuprytowych połączonych w szereg wykorzystywano też w układach wysokonapięciowych (do 100 kV). A duże płytki i zestawy płytek połączonych szeregowo–równolegle pracowały w systemach wysokoprądowych (do 10000 A).
(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze październikowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 10/2024). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 10/2024 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

 

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) moimi stałymi Patronami, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając mi kawę” (10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać:
– jeśli jeden numer ZE – 10 zł,
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10 zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery ZE mam wysłać na podany adres e-mailowy. Jeśli ma to być numer z tym artykułem trzeba zaznaczyć, że chodzi o ZE 10/2024.
UWAGA!!! E-mail z linkiem do materiałów (weTransfer) wysyłamy zazwyczaj w ciągu 24 godzin. Czasem zdarza się jednak, że trafia do spamu. Jeśli więc nie pojawi się w ciągu 48 godzin prosimy sprawdzić w folderze spam, a ewentualny problem zgłosić na adres: kontakt@piotr-gorecki.pl.