Текст книги "Шпаргалка по общей электронике и электротехнике"

22. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРАХ И ПРИНЦИПЫ ИХ КЛАССИФИКАЦИИ

Электровакуумные приборы получили широкое распространение. С помощью этих приборов можно преобразовать электрическую энергию одного вида в электрическую энергию другого вида, отличающуюся по форме, величине и частоте тока или напряжения, а также энергию излучения в электрическую и обратно.

При помощи электровакуумных приборов можно осуществить регулирование различных электрических, световых и других величин плавно или по ступеням, с большой или малой скоростью и с малыми затратами энергии на сам процесс регулирования, т. е. без значительного снижения КПД, характерного для многих других способов регулирования и управления.

Эти достоинства электровакуумных приборов обусловили их использование для выпрямления, усиления, генерирования и преобразования частоты различных электрических токов, осциллографии электрических и неэлектрических явлений, автоматического управления и регулирования, передачи и приема телевизионных изображений, различных измерений и других процессов.

Электровакуумными приборами называют приборы, в которых рабочее пространство, изолированное газонепроницаемой оболочкой, имеет высокую степень разрежения или заполнено специальной средой (парами или газами) и действие которых основано на использовании электрических явлений в вакууме или газе.

Электровакуумные приборы делятся на электронные приборы, в которых проходит чисто электронный ток в вакууме, и ионные приборы (газоразрядные), для которых характерен электрический разряд в газе или парах.

В электронных приборах ионизация практически отсутствует, а если и наблюдается в небольшой степени, то не оказывает заметного влияния на работу этих приборов. Разрежение газа в этих приборах оценивается давлением остаточных газов менее 10^-6 мм рт. ст., характерным для высокого вакуума.

В ионных приборах давление остаточных газов бывает 10^-3 мм рт. ст. и выше. При таком давлении значительная часть движущихся электронов сталкивается с молекулами газа, приводит к ионизации, и, следовательно, в этих приборах процессы являются электронно-ионными.

Действие проводниковых (безразрядных)электровакуумных приборов основано на использовании явлений, связанных с электрическим током в твердых или жидких проводниках, находящихся в разреженном газе. В этих приборах электрического разряда в газе или в вакууме нет.

Электровакуумные приборы подразделяются по различным признакам. Особую группу составляют электронные лампы, т. е. электронные приборы, предназначенные для различных преобразований электрических величин. Эти лампы по своему назначению бывают генераторными, усилительными, выпрямительными, частотопреобразовательными, детекторными, измерительными и т. д. Большинство их рассчитано на работу в непрерывном режиме, но выпускают лампы и для импульсного режима. Они создают электрические импульсы, т. е. кратковременные токи при условии, что длительность импульсов много меньше, чем промежутки между импульсами.

Электровакуумные приборы классифицируются еще и по многим другим признакам: по типу катода (накаленный или холодный), по устройству баллона (стеклянный, металлический, керамический или комбинированный), по роду охлаждения (естественное, т. е. лучистое, принудительное воздушное, водяное).

23. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДИОДА

Главным назначением двухэлектродной лампы, называемой диодом, является выпрямление переменного тока.

Диод имеет два металлических электрода в стеклянном, металлическом или керамическом баллоне с вакуумом. Одним электродом является накаленный катод, служащий для эмиссии электронов. Другой электрод – анод – служит для притяжения электронов, испускаемых катодом, и создания потока свободных электронов. Катод и анод вакуумного диода аналогичны эмиттеру и базе полупроводникового диода. Анод притягивает электроны в случае, если он имеет положительный потенциал относительно катода. В пространстве между анодом и катодом образуется электрическое поле, которое при положительном потенциале анода является ускоряющим для электронов, испускаемых катодом. Электроны, вылетающие из катода, под действием поля движутся к аноду.

В простейшем случае катод делают в виде металлической проволочки, которая накаливается током. С ее поверхности вылетают электроны. Такие катоды называют катодами прямого и непосредственного накала.

Большое распространение получили также катоды косвенного накала, иначе называемые подогревными. Катод такого типа имеет металлический цилиндр, у которого поверхность покрыта активным слоем, эмитирующим электроны. Внутри цилиндра находится подогреватель в виде проволочки, накаливаемой током.

Между анодом и катодом электроны образуют распределенный в пространстве отрицательный электрический заряд, называемый объемным или пространственным и препятствующий движению электронов к аноду. При недостаточно большом положительном потенциале анода не все электроны могут преодолеть тормозящее действие объемного заряда и часть их возвращается на катод.

Чем выше потенциал анода, тем больше электронов преодолевает объемный заряд и уходит к аноду, т. е. тем больше катодный ток.

В диоде ушедшие с катода электроны попадают на анод. Поток электронов, летящих внутри лампы от катода к аноду и попадающих на анод, называют анодным током. Анодный ток является основным током электронной лампы. Электроны анодного тока движутся внутри лампы от катода к аноду, а вне лампы – от анода к плюсу анодного источника, внутри последнего – от его плюса к минусу и затем – от минуса источника к катоду лампы. При изменении положительного потенциала анода изменяется катодный ток и равный ему анодный ток. В этом заключается электростатический принцип управления анодным током. Если потенциал анода отрицателен относительно катода, то поле между анодом и катодом является тормозящим для электронов, вылетающих из катода. Эти электроны под действием поля тормозятся и возвращаются на катод. В этом случае катодный и анодный токи равны нулю. Таким образом, основным свойством диода является его способность проводить ток в одном направлении. Диод обладает односторонней проводимостью.

Маломощные детекторные диоды выпускаются с катодами косвенного накала. Они имеют электроды небольшого размера, рассчитаны на малые анодные токи, малую предельную мощность, выделяемую на аноде, и невысокое обратное напряжение. Детекторные диоды для высоких и сверхвысоких частот делают с возможно меньшей емкостью. Более мощные диоды (кенотроны) для выпрямления переменного тока электросети выпускаются с катодами как прямого, так и косвенного накала, и рассчитаны на более высокое обратное напряжение. Широкое применение имеют двойные диоды, т. е. два диода в одном баллоне.

24. ТРИОД И ЕГО ЦЕПИ

В отличие от диодов триоды имеют третий электрод – управляющую сетку, называемую обычно простой сеткой и расположенную между анодом и катодом. Она служит для электростатического управления анодным током. Если изменять потенциал сетки относительно катода, то будет изменяться электрическое поле и вследствие этого станет изменяться катодный ток лампы. В этом заключается управляющее действие сетки.

Катод и анод триодов такие же, как у диодов. Сетка в большинстве ламп выполняется из проволоки, окружающей катод. Катод, сетка и анод вакуумного диода аналогичны соответственно эмиттеру, базе и коллектору биполярного транзистора или истоку, затвору и стоку полевого транзистора.

Все, что относится к сетке, обозначается буквой «с».

Триод имеет цепи накала и анода, подобные таким же цепям диода, и цепь сетки. В практических схемах в цепь сетки включают резисторы и другие детали.

Разность потенциалов между сеткой и катодом является сеточным напряжением (напряжением сетки) и обозначается U_c. Для лампы с катодом прямого накала сеточное напряжение определяется относительно конца катода, соединенного с отрицательным полюсом анодного источника. При положительном напряжении сетки часть электронов, испускаемых катодом, попадает на сетку, и в ее цепи образуется сеточный ток (ток сетки), обозначаемый i_с. Часть триода, состоящая из катода, сетки и пространства между ними, по своим свойствам подобна диоду, а цепь сетки сходна с анодной цепью диода. Роль анода в этом диоде выполняет сетка.

Основным и полезным током в триоде является анодный ток. Он аналогичен коллекторному току биполярного транзистора или току стока полевого транзистора. Сеточный ток, аналогичный току базы транзистора, как правило, бесполезен и даже вреден.

Обычно он бывает значительно меньше анодного тока. Во многих случаях стремятся к тому, чтобы сеточного тока вообще не было. Для этого напряжение сетки должно быть отрицательным. Тогда сетка отталкивает электроны и сеточный ток практически отсутствует. Встречаются случаи, когда триоды работают при сравнительно больших положительных напряжениях сетки, и тогда сеточный ток имеет значительную величину.

Возможность работы вакуумного триода без вредного сеточного воздействия существенно отличает его от биполярного транзистора, который не может работать без тока базы.

В проводе катода протекает вместе анодный и сеточный токи. Суммарный ток здесь является катодным током, или током катода, и обозначается i_к; i_к = i_а + i_с.

Катодный ток аналогичен эмиттерному току биполярного транзистора или току истока полевого транзистора и определяется суммарным потоком электронов, движущихся от катода в направлении к сетке. В диоде катодный ток всегда равен анодному току, а в триоде эти токи равны только при U_c <0, так как в этом случае i_с = 0.

В триоде с катодом прямого накала в цепи накала катодный ток разветвляется на две части, которые складываются алгебраически с током накала. Чтобы измерить в этом случае катодный ток, надо включить миллиамперметр.

Подобно диодам, триоды обладают односторонней проводимостью и могут быть использованы для выпрямления переменного тока. Но для этого их применять нет смысла, так как диоды проще по конструкции и дешевле. Возможность управления анодным током с помощью сетки определяет основное назначение триодов – усиление электрических колебаний. Триоды применяются также для генерирования электрических колебаний различной частоты. Работа триодов в генераторах и во многих других специальных схемах в большинстве случаев сводится к усилению колебаний.

25. ПРОСТЫЕ И СЛОЖНЫЕ КАТОДЫ

Простые катоды, т. е. катоды из чистых металлов, делаются почти исключительно из вольфрама (редко из тантала) и имеют прямой накал.

Главным достоинством вольфрамового катода является устойчивость его эмиссии. При постоянном накале эмиссия лишь постепенно снижается в течение срока службы катода. А за короткие промежутки времени изменения эмиссии практически отсутствуют. После временного, не очень длительного перекала эмиссия не уменьшается. Сильный перекал опасен, так как катод может расплавиться.

Длительный перекал значительно сокращает долговечность вольфрамового катода. Увеличение напряжения накала лишь на 5 % уменьшает срок службы в 2 раза, понижение накала на 5 %, наоборот, дает увеличение срока службы вдвое.

Вольфрамовый катод не разрушается и не снижает эмиссии от ударов ионов. Стойкость вольфрамового катода к ионной бомбардировке делает его особенно пригодным для мощных ламп, работающих с высокими анодными напряжениями. Катоды из вольфрама применяются также в специальных электрометрических лампах, в которых важно постоянство эмиссии. У ламп с вольфрамовым катодом испаряющиеся частички вольфрама образуют на поверхности баллона слой, поглощающий газы и улучшающий вакуум. Основной недостаток вольфрамового катода – низкая эффективность. Из всех катодов он наименее экономичен. Эмиссия у него сравнительно мала. Зато вследствие высокой температуры интенсивно излучаются тепловые и световые лучи, на что бесполезно расходуется почти вся мощность накала. Именно это послужило толчком к созданию более экономичных сложных катодов.

Сложные катоды могут иметь различное устройст-, во. У многих типов катодов на поверхность чистого металла наносится активирующий слой, который уменьшает работу выхода и позволяет получать большую эмиссию при сравнительно невысоких температурах.

Главным достоинством сложных катодов является их экономичность. Рабочая температура у некоторых типов катодов составляет 1000 К. Долговечность доходит до тысячи и даже до десятков тысяч часов. К концу этого срока происходит понижение эмиссии от уменьшения количества активирующих примесей, например за счет их испарения. Некоторые типы сложных катодов дают сверхвысокую эмиссию в импульсном режиме, т. е. в течение коротких промежутков времени, разделенных друг от друга значительно более длительными паузами.

Основным недостатком сложных катодов является невысокая устойчивость эмиссии. Эти катоды снижают эмиссионную способность при временном перекале, что объясняется испарением активирующих веществ при повышенной температуре. Для уменьшения возможности ионизации в лампах со сложными катодами важно поддерживать очень высокий вакуум. Это достигается применением специального газопоглотителя.

Сложные катоды могут быть пленочные и полупроводниковые.

Применяются катоды новых типов: бариево-вольф-рамовые, ториево-оксидные и ряд других. Бариево-вольфрамовые катоды делают косвенного накала. На поверхности пористого вольфрама создается пористая активирующая пленка бария и стронция. Пленка, испаряясь, пополняется за счет диффузии сквозь вольфрам атомов бария и стронция из таблетки окислов этих металлов. Их преимуществом является стойкость при электронной и ионной бомбардировке.

В так называемых синтерированных катодах оксид наносится на никелевую губку или сетку. Сопротивление подобного катода значительно снижается, и он гораздо меньше склонен к искривлению и возникновению очагов перегрева.

26. КАТОДЫ ПРЯМОГО И КОСВЕННОГО НАКАЛА

Катоды прямого накала представляют собой проволоку круглого или прямоугольного сечения. Толщина ее бывает от 0,01 мм у самых маломощных ламп до 1–2 мм у мощных ламп. Короткие катоды делаются прямыми. Более длинные изгибаются в виде ломаной линии. В ионных приборах нередко катод имеет форму соленоида. Мощные катоды этих приборов изготовляют из ленты, изогнутой «гармошкой» или по винтовой линии.

Достоинствами катодов прямого накала являются простота устройства и возможность их изготовления для самых маломощных ламп в виде тонких нитей на малый ток накала. Катоды прямого накала применяются в мощных генераторных лампах для маломощных переносных и передвижных радиостанций, питаемых от сухих батарей или аккумуляторов, так как в этих случаях важна экономия энергии источников тока.

Катод в виде тонкой нити после включения накала быстро разогревается, что весьма удобно. Но большим недостатком этих катодов являются паразитные пульсации анодного тока при питании накала переменным током. Они создают большие помехи, искажая и заглушая полезные сигналы. При слуховом приеме эти пульсации проявляют себя характерным гудением – «фоном переменного тока».

Недостатком тонких катодов прямого накала является микрофонный эффект. Он состоит в том, что анодный ток пульсирует при механических сотрясениях лампы. Внешние толчки создают у катода вибрации. Расстояние между катодом и другими электродами изменяется. Это и приводит к пульсации анодного тока.

Широкое применение имеют катоды косвенного накала. Обычно катод косвенного накала имеет никелевую трубку с оксидным слоем, внутрь которой вставлен вольфрамовый подогреватель, свернутый петлей. Для изоляции от катода подогреватель покрывается массой из прокаленной окиси алюминия, называемой алундом. При значительной длине подогреватель изгибают несколько раз или скручивают по винтовой линии. В некоторых лампах катод сделан в виде невысокого цилиндра с верхним основанием, покрытым оксидом. Внутри цилиндра находится подогреватель с алундовой изоляцией, имеющий форму петли, свернутой спиралью. Катоды косвенного накала, как правило, оксидные.

Главным достоинством катодов косвенного накала является почти полное устранение вредных пульсаций при питании переменным током. Колебание температуры практически отсутствует, так как масса, а следовательно, и теплоемкость у этих катодов значительно больше, нежели у катодов прямого накала. Катод косвенного накала обладает большой тепловой инерцией. От момента включения тока накала до полного разогрева катода проходят десятки секунд. Столько же времени нужно для остывания катода.

Катод косвенного накала является эквипотенциальным. Вдоль него нет падения напряжения от тока накала. Анодное напряжение для всех точек его поверхности одно и то же. Оно не пульсирует при колебаниях напряжения накала.

Достоинством катодов косвенного накала является незначительный микрофонный эффект. Масса катода сравнительно велика, и его трудно привести в состояние колебаний.

Катоды косвенного накала имеют некоторые недостатки. Они сложнее по конструкции и обладают несколько меньшей эффективностью. Катоды косвенного накала трудно сконструировать на очень малые токи и поэтому они менее пригодны для маломощных экономичных ламп, рассчитанных на питание от батарей.

27. ЗАКОН СТЕПЕНИ ТРЕХ ВТОРЫХ ДЛЯ ДИОДА

Для диода, работающего в режиме объемного заряда, анодный ток и анодное напряжение связаны нелинейной зависимостью, которая на основании теоретических расчетов приближенно выражается так называемым законом степени трех вторых: /_а = ди_а^3/2, где коэффициент дзависит от геометрических размеров и формы электродов, а также от выбранных единиц.

Анодный ток пропорционален анодному напряжению в степени 3/2, а не в первой степени, как в законе Ома. Если увеличить, например, анодное напряжение вдвое, то анодный ток возрастает примерно в 2,8 раза, т. е. станет на 40 % больше, чем должен быть по закону Ома. Таким образом, анодный ток растет быстрее, нежели анодное напряжение.

Графически закон степени трех вторых изображается кривой линией, которая называется полукубической параболой.

Закон степени трех вторых справедлив для положительных анодных напряжений, меньших напряжений насыщения.

Если расшифровать коэффициент д в законе степени трех вторых, то этот закон для диода с плоскими электродами следует писать так:

iа = 2,33 · 10^-6(Qа /d²_{а. к})Uа^3/2,

где Q_а – площадь анода, d_{а. к} – расстояние «анод – катод».

Для диодов с электродами другой формы в постоянный коэффициент вводятся некоторые поправки, а Qа представляет собой действующую поверхность анода, т. е. ту поверхность, которая принимает на себя основной электронный поток. В этой формуле ток получается в амперах, если напряжение взято в вольтах, а Q_а и d²_ак.выражены в любых одинаковых единицах, например в квадратных миллиметрах. Ток обратно пропорционален квадрату расстояния «анод – катод». Уменьшение этого расстояния резко увеличивает этот анодный ток.

Закон степени трех вторых, несмотря на свою неточность, полезен, так как он в наиболее простой форме учитывает нелинейные свойства электронной лампы.

Рассмотрим вывод формулы закона степени трех вторых для диода с плоскими электродами. Будем считать, что объемный заряд q, в который входят все электроны, летящие к аноду, расположен так близко к катоду, что расстояние между этим зарядом и «анодом» можно принять равным расстоянию анод – катод d_а.к. Если время пролета электронов вдоль расстояния d_а.к. равно t, то величина анодного тока равна: i_a, = q/ t.

Заряд q можно выразить через анодное напряжение и емкость анод – катод С_ак: q= С_а.к. U_а.

При этом для емкости С_а.к. имеем формулу: С_а.к. = ε₀Q_а / d_а.к., где ε₀ = 8,86 · 10^-16 Ф/м – диэлектрическая проницаемость вакуума, а Q_а – площадь анода. Время пролета t определим через среднюю скорость: t= d_{а. к.} / ν_ср, но ν_ср = v/2, где v – конечная скорость.

В действительности вследствие неоднородности поля средняя скорость несколько меньше, чем определенная по вышеуказанным формулам.

Вследствие приближенности вывода постоянный коэффициент в этом выражении несколько завышен. Более строгий вывод дает более точное значение постоянного коэффициента, но этот вывод также основан на допущениях, не соответствующих действительности. В частности, начальная скорость электронов полагается равной нулю, а распределение потенциала принимается таким, как в режиме насыщения, хотя закон степени трех вторых относится только к режиму объемного заряда.