ВК-200

(В)ентиль (К)ремниевый на номинальный ток 200 ампер, по сплавной технологии. Это самый первый тип таких вентилей, малораспространенный и достаточно быстро заменённый на второй, ВК2-200.

Разработан он был лабораторией силовых полупроводниковых выпрямителей ВЭИ имени В.И. Ленина. Серийным выпуском первоначально занимался Опытный завод при том же ВЭИ, затем его передали в Ставрополь, на СКТБ полупроводниковой техники (ныне ОАО «Оптрон-Ставрополь»).

Также есть еще очень любопытный старый образец от ставропольского же завода «Электроавтоматика». Интерес здесь в том, что этот завод, вообще-то, не замечен в выпуске полупроводниковых приборов. Скорее всего, СКТБ ПТ первоначально было частью "Электроавтоматики", и где-то в период между 1966 и 1968 годами выделилось в качестве самостоятельного предприятия.

Кремниевые вентили типа ВК-200 предназначены для работы в условиях воздушного естественного и принудительного охлаждения. Выпрямительный кремниевый элемент заключен в металлический герметический корпус, изолирующий его от воздействия внешней атмосферы. Катодом является медное основание корпуса (минус), анодом служит гибкий медный провод (плюс), который выводится из верхней части корпуса через стеклянный изолятор.

Для достижения герметичности нижняя часть основания вентиля покрывается кремнийорганическим лаком или жировым составом, предохраняющим ее от воздействия воздуха. Если вентиль должен быть электрически изолирован от охлаждающей системы, то между вентилем и системой вставляются тонкие слюдяные прокладки, которые для герметичности промазываются жировым слоем. В стационарных условиях иногда используют также масляное охлаждение вентилей с циркуляцией масла через теплообменник.

Кремниевые вентили ВК могут использоваться для выпрямления переменного тока частотой от 50 до 500 Гц. Вентили работают устойчиво при температуре окружающей среды от —40 до +65° С. При номинальных значениях тока и напряжения температура нагрева электронно-дырочного перехода не должна превышать +140° С.

Кремниевые вентили допускают следующие перегрузки по току: 25% в течение 30 сек и 100% в течение 1 сек. При эксплуатации вентилей среднее значение обратного тока не должно превышать 0,02% номинального прямого тока.


(фото с форума LASERS.ORG.RU)

Вольт-амперная характеристика

Ампер-секундная перегрузочная характеристика

Зависимость нагрузки от температуры охлаждающего воздуха

Зависимость нагрузки от скорости охлаждающего воздуха, имеющего тепературу 40°С

Конструкция вентиля

   Электронно-дырочный переход припаивается ко дну массивного медного основания, обеспечивающего хороший отвод тепла, что необходимо из-за малой массы полупроводящего элемента и высокой плотности тока в переходе, которая составляет 50—100 а/см2.

   Для защиты перехода от влаги, грязи и внешних воздействий служит стальной корпус. Он состоит из корпуса и втулки, соединяемых напряженным стеклянным спаем. Спай стали со свинцовым стеклом ЗС-4 производится через слой эмали и является изолятором (изоляционное расстояние расстояние 5—8 мм).

   К верхнему вольфрамовому диску припаивается медная чашечка, к которой в свою очередь припаивается гибкий анодный вывод.

   В месте прохода вывода через втулку между концевыми гильзами имеется участок, разобщающий внутреннюю зону вентиля от наружного гибкого троса. Вывод герметизируется при выходе из втулки пайкой.

   Внутреннее гибкое соединение компенсирует тепловые деформации, а наружный гибкий трос обеспечивает механическую стабильность изоляционного узла и удобен для наружных контактных соединений вентиля. Медный трос сначала припаивается к чашечке, а затем продевается через втулку, чтобы избежать «слепого» спая троса с переходом. 

   Основание вентиля имеет резьбу для крепления вентиля в охладительном радиаторе.

   Размеры вентиля ВК-200: высота корпуса 45 мм, диаметр корпуса 39 мм. Диаметр нижней части основания 45 мм. Длина троса от наконечника до верхней поверхности корпуса (включая выступающую часть втулки) 175 мм. Диаметр вывода основания 20 мм, его длина 17 мм. Вес вентиля 510 г.

1 — припой ПОС-40; 2 — свинцовое стекло; 3 — эмаль; 4 — припой 200° С; 5 — припой Pb—69%; Ag—30%, Sb—1%; 6 — медное основание; 7 — втулка Ст. Х-28; 8 — медный вывод; 9 — стальной корпус; 10 — чашечка; 11 — верхний вольфрамовый диск, диаметр 20 мм, толщина 1-1,5 мм; 12 — слой алюминиевого сплава, диаметр 20 мм (Al—83%, Si(p)—17%), толщина 0,07 мм; 13 — высоколегированный кремний; 14 — кремниевый диск Si(n), диаметр 25 мм, толщина 0,35 мм; 15 — слой из сплава серебра с сурьмой, диаметр 23 мм, толщина 0,07 мм; 16 — нижний вольфрамовый диск, диаметр 25 мм, толщина 1-1,5 мм.

Технология производства

Нижним основанием перехода является посеребренный вольфрамовый диск диаметром 25 мм. Верхним элементом перехода служит вольфрамовый диск. Между ними располагаются: слой сплава кремния дырочной проводимости р с алюминием толщиной 0,07 мм, высоколегированный кремний дырочной проводимости; слаболегированный кремниевый диск электронной проводимости (зона sn) толщиной 0,35 мм и слой сплава серебра с сурьмой (зона n) толщиной 0,07 мм.

Элементы перехода перед сплавлением проходят довольно сложную подготовку. Монокристаллический кремний n-типа разрезают на пластины толщиной 0,6—0,7 мм собранными в пакет стальными пластинами в среде суспензии (водного раствора абразивного порошка М-28) или алмазными кругами. Затем вырезают диски диаметром 28 мм. Диски шлифуют в кварцевых кассетах под специальной эмульсией и проверяют толщину диска в пяти точках.

После мойки (с применением толуола, ультразвука и горячей воды) производится травление дисков. Этот процесс требует высокой технологической чистоты при всех операциях. Кассеты из фторопласта с дисками помещают на 1—1,5 мин в раствор плавиковой и азотной кислоты. После травления диски промывают дистиллированной водой, прошедшей ионнообменную очистку.

Нижний вольфрамовый диск диаметром 25 мм, отжигают в среде водорода при 1100° С и затем никелируют. После шлифовки (в том числе и боковых поверхностей) диск повторно никелируется и подвергается серебрению по никелю при 1100° С в водородной среде. Верхний вольфрамовый диск проходит те же операции, кроме серебрения.

Элементы перехода собирают и центрируют в графитовой кассете. Кассету помещают в вакуумную печь, кварцевый колпак которой уплотняют по металлическому фланцу вакуумной замазкой. После откачки до разрежения 10-5 мм рт. ст. включают нагревательные катушки, надеваемые на кварцевые колпаки.

Спай перехода ведут 4—5 мин при температуре 800° С. Затем происходит его естественное остывание в течение 20—25 мин. Во время спая в кремниевом диске получаются высоколегированные зоны дырочной (верхняя) и электронной (нижняя) проводимости глубиной проникновения 30—40 мкм.

Вольфрамовые основания у перехода применены для создания хорошей теплопроводности, благодаря одинаковым коэффициентам объемного расширения с кремнием во всем диапазоне изменения температуры.

Источники:

1. Быков Евгений Ильич. Силовые кремниевые выпрямители. М.-Л., "Энергия", 1966 (Б-ка электромонтера. Вып.210).
2. О.А. Кузнецов, Я.И. Стиоп. Полупроводниковые выпрямители. - М.-Л., изд-во "Энергия", 1966.

домой