Общие понятия и определения

ЛЕКЦИЯ 17

 

Электровакуумные приборы

 

План лекции:

Общие понятия и определения

Диод

Трёхэлектродные лампы

Многоэлектродные лампы

Общие понятия и определения

Электровакуумным прибором называют устройство, принцип работы которого основан на электрических явлениях, связанных с движением заряженных частиц в вакууме или разреженном газе. Рабочее пространство электровакуумного прибора изолировано от окружающей среды газонепроницаемой оболочкой и имеет высокую степень разрежения или заполнено специальной средой (парами или газами).

В зависимости от характера рабочей среды электровакуумные приборы делят на электронные и ионные или газоразрядные.

Электронный электровакуумный прибор (ЭВП) – это прибор, в котором электрический ток обусловлен только движением свободных электронов в вакууме. В семействе ЭВП различают электронные лампы, электронно-лучевые приборы (трубки), фотоэлектронные приборы и др.

Ионный электровакуумный прибор или газоразрядный прибор – это прибор, принцип действия которого основан на использовании электрического разряда в газах или парах металлов. В семействе ионных электровакуумных приборов различают газоразрядных приборы дугового, тлеющего, высокочастотного разрядов и др.

Газонепроницаемую оболочку электровакуумных приборов обычно называют баллоном. Баллоны могут быть стеклянными, керамическими, металлокерамическими, металлическими и изготовленными из других комбинаций этих материалов.

Управление физическими процессами внутри баллона осуществляют с помощью расположенных в баллоне системы электродов, имеющих соответствующие герметические выводы. В каждом типе электровакуумных и газоразрядных приборов имеются свои системы электродов. Однако все типы электровакуумных и большинство газоразрядных приборов содержат катод и анод.

Катодом называют электрод, испускающий (эмитирующий) электроны в рабочее пространство прибора, анодом – электрод, собирающий электроны. Электроды, управляющие физическими процессами с помощью электрического поля, называют сетками, с помощью электромагнитного поля – катушками. В электровакуумных приборах визуального отображения информации (электронно-лучевые трубки, различного рода индикаторы и др.) конструктивные элементы, преобразующие энергию электронного потока или электрического поля в оптическое излучение, называют экранами.

Чтобы сформировать поток свободных электронов, перемещающихся в вакууме или газе под действием электрических или магнитных полей, необходимо обеспечить выход электронов из твёрдого тела (металла или полупроводника). Испускание электронов из твёрдого тела называют эмиссией и осуществляют её путём подведения к телу энергии от внешнего источника. Энергию, достаточную для вырывания электрона из твёрдого тела, называют работой выхода. Работа выхода большинства чистых металлов, используемых в качестве катодов, лежит в интервале от 1,8 эВ (для цезия) до 5 эВ (для рения).

Вылетевшие с поверхности катода электроны и образовавшиеся на нём в результате этого положительные ионы решётки образуют двойной электрический слой (внешний по отношению к катоду), электрическое поле которого тормозит электроны. Для уменьшения работы выхода на поверхность материала катода (керна) наносят вещество с меньшей работой выхода, электроны которого переходят внутрь керна. Поэтому на поверхности керна появляются положительные ионы, которые формируют второй двойной электрический слой (внутренний по отношению к катоду). Электрическое поле, создаваемое этим внутренним электрическим слоем, ускоряет вылетающие электроны, то есть уменьшает работу выхода электронов. Например, при нанесении одноатомного слоя бария на поверхность вольфрама работа выхода уменьшается с 4,5 до 1, 56 эВ.

В зависимости от вида энергии, подводимой к веществу, различают термоэмиссию, фотоэмиссию, электростатическую эмиссию и др.

В большинстве электровакуумных приборов применяют термоэлектронные катоды (термокатоды), использующие термоэмиссию. По способу нагрева различают прямонакальные и подогревные термокатоды.

Зависимость плотности тока термоэмиссии от температуры катода [^оК] определяется выражением

где − энергия электрона в свободном пространстве, − энергия, соответствующая уровню Ферми, − константа, зависящая от материала катода, − постоянная Больцмана.

Активированные металлические катоды по сравнению с чисто металлическими обладают большей плотностью тока эмиссии (до 10 А/см²) и имеют меньшую температуру (порядка 1500÷1700 ). Термокатоды, кроме того, характеризуют эффективностью : отношением тока эмиссии к мощности, подводимой к катоду для его подогрева. Для металлических катодов эффективность равна 5÷15, для активированных − 20÷70.

 

 

Диод

Простейшим электровакуумным прибором является диод − двухэлектродная электронная лампа, состоящая из анода и катода, размещённых в вакууме внутри баллона.

Принцип работы электровакуумного (лампового) диода заключается в следующем.

Эмитированные катодом электроны образуют в междуэлектродном пространстве отрицательный объёмный заряд, создающий отрицательный электрический потенциал. При нулевой и отрицательной разности потенциалов между анодом и катодом электрическое поле тормозит эмитированные электроны и возвращает их на катод. Анодный ток равен нулю (рис. 17.1 а).

 

Рис. 17.1. Распределение потенциала в ламповом диоде (а − , б − , в − )

 

Если потенциал анода выше потенциала катода, то эмитированные катодом электроны будут двигаться к аноду, создавая анодный ток . При небольшой разности потенциалов не все электроны объёмного заряда участвуют в создании тока. Поэтому вблизи катода сохраняется область отрицательного потенциала (рис. 17.1 б). Такой режим работы диода называют режимом объёмного заряда.

При повышении анодного напряжения до некоторого критического уровня все электроны, эмитированные катодом, примут участие в создании анодного тока. Наступает режим насыщения (рис. 17.1 в), когда объёмный заряд около катода рассасывается, и ток через диод перестаёт возрастать.

Следовательно, электровакуумный диод обладает односторонней проводимостью: он пропускает ток от анода к катоду при и не пропускает при . Это свойство диода используют для выпрямления переменного тока и детектирования амплитудно-модулированных колебаний.

Свойства лампового диода описывают с помощью анодной характеристики − зависимости анодного тока от анодного напряжения при постоянном напряжении накала (рис. 17.2).

 

Рис. 17.2. Анодная характеристика лампового диода

 

Аналитически анодная характеристика описывается уравнением

где − величина, постоянная для каждой конкретной электронной лампы, эффективная поверхность анода (см²), расстояние между анодом и катодом (см).

Выражение называют законом степени трёх вторых. Отсюда следует, что ламповый диод является нелинейным элементом электрической цепи.

Условное графическое изображение лампового диода приведено на рис. 17.3.

Диоды характеризуют:

− крутизной вольтамперной (анодной) характеристики, измеряемой в режиме объёмного заряда мА/В. Обычно мА/В.

 

Рис. 17.3. Условное графическое изображение лампового диода прямого (а) и косвенного (б) накала

 

− дифференциальным сопротивлением (сопротивлением переменному току) . Сопротивление Ом,

− сопротивлением постоянному току ,

− наибольшим обратным напряжением , максимально допустимой мощностью рассеивания на аноде и

− междуэлектродными емкостями.

Диоды, используемые для выпрямления переменного тока, называют кенотронами. Маломощные кенотроны выпускают двуханодными, что позволяет использовать одну лампу для двухполупериодного выпрямителя.

 

Трёхэлектродные лампы

Трёхэлектродный электровакуумный прибор называют триодом. Триод имеет расположенный между катодом и анодом управляющий электрод, называемый сеткой. Основное назначение сетки – управление потоком электронов от катода к аноду путём воздействия электрического поля от внешнего источника на величину объёмного заряда у катода.

Условное графическое изображение триода приведено на рис. 17.4.

Конструктивно сетка в большинстве случаев представляет собой спираль вокруг цилиндрического катода, расположенную достаточно близко к нему. Сетка позволяет сильно изменять распределение электрического поля между катодом и анодом. Например, при большом отрицательном напряжении на сетке относительно катода анодный ток может стать равным нулю даже при положительном напряжении на аноде. Модуль отрицательного напряжения на сетке, при котором = 0 для заданного напряжения анода, называют напряжением запирания .

 

Рис. 17.4. Условное графическое изображение триода с косвенным накалом

 

При увеличении напряжения на сетке от электрическое поле становится ускоряющим и возникает анодный ток. При положительном напряжении на сетке часть электронов из объёмного заряда притягивается сеткой и образует сеточный ток . Поэтому катодный ток при разветвляется на два тока . Так как площадь сетки меньше площади анода, то сеточный ток оказывается меньше анодного. Обычно ограничиваются режимом работы триода при отрицательном напряжении на сетке, когда = 0.

Катодный ток триода описывается законом степени трёх вторых

где для плоской конструкции катода, расстояние от катода до сетки, коэффициент проницаемости лампы, определяющий величину ослабления воздействия поля анода на потенциальный барьер у катода за счёт введения сетки, и − ёмкости анод-катод и сетка-катод соответственно.

Свойства триода можно описать с помощью четырёх статических характеристик:

− анодно-сеточной ,

− сеточной или входной ,

− анодной или выходной и

− сеточно-анодной характеристик.

Наиболее удобными для практического применения оказались анодно-сеточная и анодная характеристики (рис. 17.5).

 

Рис. 17.5. анодно-сеточная и анодная характеристики триода

 

Триоды характеризуют рядом дифференциальных параметров:

− крутизной анодно-сеточной характеристики ,

− крутизной сеточной характеристики , Называемой также входной проводимостью триода, так как обычно на практике цепь сетка-катод является входной цепью,

− входным сопротивлением ,

− дифференциальным или внутренним сопротивлением лампы - сопротивлением триода переменному току ,

− статическим коэффициентом усиления ,

− крутизной сеточно-анодной характеристики .

Здесь , , , − y -параметры триода (характеристические проводимости) в системе уравнений

Уравнение называют внутренним уравнением лампы.

Величину называют статическим сопротивлением триода.

Типовые значения дифференциальных параметров триода: 1÷50 мА/В, 1÷100 кОм, 1÷100.

Одним из основных применений триода является его использование в качестве усилителя электрических колебаний. Для этого в анодную и сеточную цепи включают резисторы, колебательные контуры и другие пассивные элементы.

Коэффициент усиления по напряжению каскада с резистором в анодной цепи триода можно рассчитать по формуле

где − рабочая крутизна.

Триоды применяют в качестве мощных усилителей и генераторов электрических колебаний.

Недостатками триодов являются невысокое внутреннее сопротивление переменному току , малые значения , и большая проходная ёмкость .

 

Многоэлектродные лампы

С целью устранения недостатков триодов были разработаны многоэлектродные лампы, имеющие четыре (тетроды) и пять (пентоды) электродов (рис. 17.6).

 

Рис. 17.6. Условные графические изображения тетрода (а) и пентода (б) с косвенным накалом

 

Тетроды

Тетродами называют четырёхэлектродные лампы, имеющие анод, катод, управляющую и экранирующую сетки. Экранирующую сетку размещают между управляющей и анодом. Она является электростатическим экраном и ослабляет влияние анода на поле вблизи катода. Поэтому, во-первых, резко уменьшается ёмкость и, во-вторых, возрастает коэффициент усиления лампы . Экранирующую сетку весьма часто соединяют с анодом, то есть она имеет потенциал анода и перехватывает часть электронов, движущихся от катода к аноду. Для хорошего экранирования управляющая сетка должна быть более частой, чем управляющая, но, в то же время, достаточно редкой, чтобы быть прозрачной для электронного потока.

Однако тетрод с экранирующей сеткой имеет существенный недостаток, называемый динатронным эффектом, который заключается в том, что в определённых случаях анодный ток после увеличения начинает уменьшаться, а ток экранирующей сетки возрастать. В частности при сетка перехватывает бόльшую часть электронов, летящих к аноду. При В электроны, достигающие анода, выбивают из него вторичные электроны за счёт своей кинетической энергии. Коэффициент вторичной эмиссии при этом может оказаться больше единицы. Все вторичные электроны перехватываются экранирующей сеткой, анодный ток уменьшается, ток второй сетки увеличивается. Дальнейшее увеличение анодного напряжения приводит как к уменьшению коэффициента вторичной эмиссии, так и к возврату вторичных электронов на анод.

Динатронный эффект может приводить к возникновению генерации при работе в усилительном режиме, к появлению нелинейных искажений и увеличению коэффициента шума.

Устранить динатронный эффект удалось созданием лучевого тетрода и пентода.

Конструкция лучевого тетрода предусматривает формирование электронных лучей, образующих отрицательный объёмный заряд в пространстве А−С₂, препятствующий попаданию вторичных электронов на экранирующую сетку.

Лучевые тетроды используют в выходных каскадах усилителей, работающих со значительными анодными токами.

Тетроды характеризуют теми же параметрами, что и триоды, но величины параметров отличаются. Например, для тетродов статический коэффициент усиления 100 ÷ 700, крутизна 2 ÷ 20 мА/В, внутреннее сопротивление 200 кОм.

 

Пентоды

Пентодом называют электронную лампу с пятью электродами: катод, анод и три сетки. Третью сетку вводят между анодом и экранирующей сеткой и называют защитной. Защитная сетка является дополнительным экраном и позволяет уменьшить проходную ёмкость до сотых долей пикофарада.

Пентоды характеризуют теми же параметрами, что и триоды, но величины параметров отличаются. Например, для пентодов статический коэффициент усиления достигает нескольких тысяч, крутизна 2 ÷ 20 мА/В, внутреннее сопротивление лежит в пределах от 200 кОм до нескольких МОм.

Основное применение пентодов – усиление электрических сигналов.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: