DE814914C - Kupferoxydulgleichrichter, insbesondere kleinster Eigenkapazitaet, fuer kleine Leistungen bei niedrigen Spannungen, vorzugsweise fuer hohe Frequenzen - Google Patents

Description

• Kupferoxydulgleichrichter, insbesondere kleinster Eigenkapazität, für kleine Leistungen bei niedrigen Spannungen, vorzugsweise für hohe Frequenzen Zur Gleichrichtung von Wechselströmen finden insbesondere für Starkstromzwecke in großem Umfatige Kupferoxydulgleichrichter Verwendung.
• Die Rauelemente dieser Leistungsgleichrichter bestehen aus Kupferscheiben, welche eine einseitig aufgewachsene Oxydulschicht tragen. Der Schwerpunkt der Gleichrichtung liegt hierbei in dem System Mutterkupfer, nichtleitendes, halbleitendes Kupferoxydttl mit dein iN4utterkupfer als Emissionselektrode.
• Die halbleitenden Eigenschaften des natürlicherweise nichtleitenden Kupferoxyduls werden durch sogenannte Störstellen itn Kristallgitter hervorgerufen. Den Hauptanteil dieser Störstellen bildet überschüssiger Sauerstoff. Dieser befindet sich bei der Temperatur des Temperns in einem homogenen Gleichgewichtszustand mit dem Kupferoxydul. Durch den im Anschluß hieran folgenden Abkühlungsprozeß auf Zimmertemperatur wird das Gleichgewicht in erheblichem Maße gestört, und zwar nimmt der Sauerstoffüberschuß und damit die Leitfähigkeit vorzugsweise in RichtungvomKupferoxyclul zum Mutterkupfer in extremer Steilheit ab, so daß sich unmittelbaranderGrenzedes Mutterkupfers eine hochisolierende, streng stöchiometrisch zusammengesetzte Kupferoxydulschicht, die sogenannte Sperrschicht, ausbildet. Die Folge dieser sehr dünnen, etwa 0,3 ,u starken Sperrzone ist nun eine erhebliche Kapazität zwischen dem Mutterkupfer und dem halbleitenden Kupferoxydul. Sie beträgt nach Literaturangaben ro bis 25 nF pro cm2 und bereitet naturgemäß der Ausnutzung der unipolaren Eigenschaften bei hohen Frequenzen einige konstruktive Schwierigkeiten.
• Es wurde nun festgestellt, daß ein analoger Abfall des überschüssigen Sauerstoffgehaltes und damit der Leitfähigkeit auch nach der Außenseite des Kupferoxyduls, der Vorderwand, erfolgt, so daß auch hier eine unipolare Wirkung entgegengesetzter Richtung auftritt, wenn eine Emissionselektrode geeigneter Art auf die Kupferoxydulschicht aufgesetzt wird. Der grundlegende Unterschied dieser sogenannten Vorderwandgleichrichtungszone ist jedoch der, daß es sich hier im Gegensatz zur scharf ausgeprägten Hinterwandsperrschicht um eine räumlich stärker auseinandergezogene Leitfähigkeitsänderung handelt.
• Gemäß der Erfindung ist es nun möglich, diese unipolare Wirkung der Vorderwand in einfacher Weise für eine praktisch kapazitätsfreie Gleichrichtung von Wechselstromenergien kleinster Spannungen, insbesondere hoher Frequenz nutzbar zu machen, wenn man den normalerweise überwiegenden Hinterwandeffekt unwirksam macht.
• Die Ausschaltung des unipolaren Hinterwandeffektes kann auf verschiedene Weise erfolgen. Beispielsweise kann dies dadurch erreicht werden, daß die Seitenflächen der Gleichrichterscheibe metallisiert werden und die Sperrschicht zwischen Mutterkupfer und Kupferoxydul auf diese Weise leitend überbrückt wird. In Fig. i der Zeichnung ist eine derartige Gleichrichterscheibe beispielsweise im Querschnitt dargestellt. Der Gleichrichter besteht aus der Scheibe raus dem Mutterkupfer, das die Kupferoxydulschicht 2 trägt. Die Seitenflächen der Scheibe sind mit einem Überzug 3 aus einem gut leitenden Metall, beispielsweise Silber, versehen. Die Emissionselektrode wird beispielsweise als Metallstift 4 auf die Oxydulschicht aufgesetzt, während als Gegenelektrode das Mutterkupfer i dient.
• Eine andere Möglichkeit zur Ausschaltung des Hinterwandeffektes besteht darin, daß als Gegenelektrode nicht das Mutterkupfer verwendet wird, sondern eine besondere Elektrode zusammen mit der Emissionselektrode auf der Vorderseite der Oxydulschicht angeordnet wird. Vorzugsweise wird die Gegenelektrode dabei ringförmig ausgebildet und zweckmäßig konzentrisch um die Emissionselektrode angeordnet.
• In Fig.2 der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines solchen Gleichrichters dargestellt. Der Gleichrichter besteht wieder aus der Kupferscheibe i, die einseitig die Kupferoxydulschicht 2 trägt, auf die die Emissionselektrode 4 aufgesetzt ist. Die Gegenelektrode ist nun hier auf der gleichen Seite der Oxydulschicht wie die Emissionselektrode 4 angeordnet und umgibt diese als konzentrischen Ring 5. Diese Gegenelektrode kann aus einer kolloidalen Graphibsch.icht oder, wiedargestellt, aus einem Metallbelag bestehen, der in dieOberfläche der Kupferoxydulschicht so weit eingelassen ist, daß er möglichst bis unter das Gebiet der Sperrwirkung reicht. Es ist aber auch möglich, die Gegenelektrode durch örtliche Reduktion des Kupferoxyduls zu Kupfer zu bilden.
• Eine weitere Möglichkeit zur Verringerung des Hinterwandeffektes besteht in doppelseitigem Aufbringen einer Kupferoxydulschicht auf das Mutterkupfer, wobei diese zweckmäßig möglichst stark gemacht wird. Durch diesen doppelseitigen Oxydulabschluß des Mutterkupfers erreicht man beim Abschreckvorgang, daß der Sauerstoffentzug vorzugsweise nach außen erfolgt. Ein derartiges Ausführungsbeispiel eines Gleichrichters gemäß der Erfindung ist in Fig. 3 der Zeichnung dargestellt. Die Kupferscheibe i trägt hier eine allseitig aufgebrachte Kupferoxydulschicht 6. Auf einer Seite dieser Schicht ist die Emissionselektrode 4 aufgesetzt, während als Gegenelektrode das Mutterkupfer i dient. Um die Kupferscheibe für den Stromanschluß zugängig zu machen, kann unter Umständen die Kupferoxydulschicht auf der Hinterseite ganz oder teilweise entfernt oder, wie in der Zeichnung angedeutet, durchbohrt und in diese Bohrung ein Stift 7 oder Draht o. dgl. eingeführt werden.
• Falls der Gleichrichter gemäß der Erfindung für hohe Frequenzen verwendet werden soll, besteht eine weitere Möglichkeit zur Ausschaltung des Hinterwandeffektes darin, daß die Größe der Kupferoxydulfläche so groß bemessen wird, daß infolge der damit verbundenen Kapazität für hohe Frequenzen ein kapazitiver Kurzschluß entsteht, der die Gleichrichterwirkung der Hinterwand praktisch unterbindet und andererseits dem Vorstrom der Vorderwand genügend geringen Widerstand bietet, während die Kontaktfläche der Emissionselektrode zur Vermeidung schädlicher Eigenkapazität möglichst klein, vorzugsweise punktförmig, gehalten wird.
• Ein Gleichrichter gemäß der Erfindung zeichnet sich vor allem durch besonders günstige Eigenschaften im Gebiet kleinster Wechselspannungen, z. B. geringste Rückwirkung auf HF-Schwingungskreise, und zwar insbesondere bei höheren Frequenzen, aus. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht daneben noch darin, daß für die Herstellung der Gleichrichter Kupfersorten verwendet werden können, welche Verunreinigungen, z. B. Nickel, enthalten, die bei Ausnutzung des Hinterwandeffektes für die Gleichrichtung, also bei Kupferoxydulgleichrichtern der bisher bekannten Art, die Wirksamkeit der Emissionselektrode stören, indem sie durch ihre während der Oxydation erfolgte Anreicherung im Mutterkupfer den Elektronenaustritt in die *Kupferoxydulschicht erschweren und somit den Hinterwandvorstrom herabsetzen.
• Als Emissionselektrode verwendet man vorzugsweise ein Material hoher Elektronenkonzentration, z. B. Silber mit einer Aufsatzfläche von max. etwa 0,25 mmE, welche ohne mechanische Nachteile mit einem Druck bis zu 4 kg pro mm2 aufgesetzt werden kann. An sich wird man den Aufsatzdruck nur so groß wählen, wie es die mechanische Sicherheit des Kontaktes erfordert.
• Für die Zwecke der Erfindung wird die zusätzlich auf der Oxydulschicht auftretende Kupferoxydschicht in üblicher Weise durch ein Cyansalz- oder Salzsäurebad entfernt.
• Ein besonders steiler Abfall der Leitfähigkeit in der Vorderwand wird dadurch erreicht, wenn zum Abschrecken zur Vermeidung des Leidenfrostschen . Phänomens vorzugsweise schweres Wasser D20 Verwendung findet.

Claims (12)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Kupferoxydulgleichrichter, insbesondere kleinster Eigenkapazität, für kleine Leistungen bei niedrigen Spannungen, vorzugsweise für hohe Frequenzen, dadurch gekennzeichnet, daß für die Gleichrichtung die unipolaren Eigenschaften der Vorderwand ausgenutzt werden und die unipolare Hinterwandwirkung ausgeschaltet wind.
2. 2. Kupferoxydulgleichrichter nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen der Gleichrichterscheibe mit einer Metallisierung versehen sind.
3. 3. Kupferoxydulgleichrichter nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung der Hinterwandsperrschicht durch doppelseitiges Aufbringen, einer mehrere ioo,u starken Oxydulschicht weitgehend unterdrückt wird.
4. 4. Kupferoxydulgleichrichter nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß sich Emissions- und Gegenelektrode gemeinsam auf der Außenseite der Oxydulschicht befinden.
5. 5. Kupferoxydulgleichrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode die 1?missionselektrode als Ring umschließt.
6. 6. Kupferoxydulgleichrichter nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionselektrode aus einem Material hoher Elektronenkonzentration, beispielsweise Silber, besteht.
7. 7. Kupferoxydulgleichrichter nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkung der Hinterwand durch verhältnismäßig große Bemessung der Kupfer-Kupferoxydul-Scheibe für hohe Frequenzen kapazitiv unwirksam gemacht ist. B.
8. Kupferoxydulgleichrichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung der für hohe Frequenzen schädlichen Eigenkapazität eine Emissionselektrode kleiner Kontaktfläche verwendet wird. g.
9. Kupferoxydulgleichrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode aus einer kolloidalen Graphitschicht besteht. io.
10. Kupferoxydulgleichrichter nach Anspruch, 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode aus im Kupferoxyd durch Reduktion erzeugtem Kupfer besteht. i i.
11. Kupferoxydulgleichrichter nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial eine Kupfersorte verwendet ist, die Verunreinigungen enthält, die sich bei der Oxydation im Mutterkupfer anreichern und nicht in die Kupferoxydulschicht übertreten.
12. 12. Verfahren zur Herstellung eines Kupferoxydulgleichrichters nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschrecken im schweren Wasser (D20) erfolgt.