 |
Принцип работы электронных ламп
|
|
|
|
С П И Ш Э
Допустить к защите
Зам. директора
подпись и., о., фамилия
ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ
Пояснительная записка
Тема Программное обеспечение для расчета термонапряжений
 |
в аноде М Г П с естественным охлаждением.
 |
ДП ____________2_2_0_3________гр_4_4_4________________
номер специальности и группы
Рецензент __________________ _____К_у_д_р_я_ш_о_в_а____
подпись и., о., фамилия
Руководитель _______________ _____Э_п_ш_т_е_й_н________
подпись и., о., фамилия
Дипломник _________________ _____Т_к_а_ч_е_н_к_о_В_К__
подпись и., о., фамилия
г. САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
СОДЕРЖАНИЕ
Введение........... 3
1. Общая часть
1.1. Описание предметной области...... 4
1.1.1. Электронные лампы....... 4
1.1.2. Расчетные формулы....... 11
1.2. Анализ методов решения....... 13
1.3. Обзор средств программирования...... 14
1.4. Описание выбранного языка программирования.... 16
2. Специальная часть
2.1. Постановка задачи........ 23
2.1.1. Основание для разработки...... 23
2.1.2. Назначение программы...... 23
2.1.3. Технико-математическое описание задачи.... 23
2.1.4. Требования к программе...... 24
2.1.4.1. Требования к функциональным характеристикам.. 24
2.1.4.2. Требования к надёжности...... 25
2.1.4.3. Требования к техническим средствам.... 25
2.2. Описание схемы программы....... 26
2.2.1. Описание схемы основной программы.... 26
2.2.2. Описание схемы модуля расчета термонапряжений в аноде МГП 26
2.2.3. Описание схемы модуля построения графиков... 27
2.3. Текст программы........ 28
2.4. Описание программы........ 33
2.4.1. Общие сведения....... 33
2.4.2. Функциональное назначение..... 33
2.4.3. Описание логической структуры..... 33
2.4.4. Вызов и загрузка....... 33
2.5. Описание процесса отладки программы..... 34
2.6. Пример результатов работы программы..... 35
3. Экономическое обоснование проектируемой программы.... 36
|
|
|
4. Мероприятия по обеспечению безопасности жизнедеятельности... 40
4.1. Воздействие электрического тока на организм человека
4.2. Заземляющие устройства
Заключение........... 42
Список литературы.......... 43
Приложение 1. Схема программы.... 44
Приложение 2. Экранные формы.... 47
Приложение 3. Примеры ошибок.... 51
Последние несколько лет слово “компьютер” употребляется всё чаще и чаще. Если раньше компьютерами владели только фирмы с мировым авторитетом, и программы были написаны на языках низкого уровня, то на данный день компьютер имеется почти в каждой квартире, и программы пишутся на языках высокого уровня. В России ежегодно продается более миллиона компьютеров. Современные компьютеры имеют большие возможности: производят числовые расчеты, подготавливают к печати книги, на них создают рисунки, кинофильмы, музыку, осуществляют управление заводами и космическими кораблями. Компьютер является универсальным и довольно простым средством для обработки всех видов информации, используемой человеком.
Данное дипломное задание позволит работникам заводов и КБ уменьшить количество и стоимость макетов проектируемых приборов. Разрабатываемая программа обеспечит расчет температурного поля в теле анода МГП в процессе разогрева после включения прибора, а также возникающих при этом термонапряжений, разрушающе действующих на материал анода. Результаты работы этой программы дадут необходимую исходную информацию для анализа температурных напряжений в теле анода и выбора режимов эксплуатации, сохраняющих ресурс работы и обеспечивающих высокую надежность и долговечность приборов.
ОБЩАЯ ЧАСТЬ
Описание предметной области
Электронные лампы
Электронные лампы применяются для генерации, усиления, или преобразования электрических колебаний в самых разных областях науки и техники.
|
|
|
Принцип работы электронных ламп
Принцип действия всех радиоламп основан на явлении термоэлектронной эмиссии – это увеличение скоростей электронов до таких, что они вылетают из металла с отрицательным зарядом и могут направленно двигаться между электродами, создавая электрический ток. Для этого также необходимо, чтобы им не встречались на пути препятствия, такие как молекулы воздуха – именно поэтому в лампах создается высокий вакуум. Для получения термоэлектронной эмиссии металл надо нагреть примерно до 2000о К. Удобнее всего нагревать металлическую нить накала электрическим током (ток накала), как и в осветительных лампах. Такую высокую температуру выдерживает не каждый металл, большинство плавится, из-за этого в первых образцах электронных ламп применялись чисто вольфрамовые нити накала, которые накаливались до белого свечения, откуда и произошло название «лампа». Но такая яркость обходится очень дорого – нужен сильный ток (в пол-ампера для приёмной лампы). Но скоро был найден путь уменьшения тока накала. Исследования показали, что если покрыть вольфрам некоторыми другими металлами или их окислами (бария, стронция и кальция), то выход электронов облегчается (снижается так называемая ”работа выхода”). Для выхода требуются меньшие энергии, а значит и меньшая температура. Современные оксидированные нити накала работают при температуре около 700-900о С, в связи с этим удается снизить ток накала примерно в 10-20 раз.
Надо заметить, что управление всеми потоками электронов в лампе осуществляется посредством электрических полей, образующихся вокруг электродов с разными зарядами.
Виды электронных ламп
Диод – вакуумный прибор, пропускающий электрический ток только в одном направлении (Рис.1а) и имеющий два вывода для включения в электрическую цепь (плюс вывод накала, конечно), двухэлектродная лампа была изобретена в 1904 г. физиком Дж. Флемингом. Такая электронная лампа представляет собой стеклянный или металлический баллон, из которого выкачан воздух, и двух металлических электродов: накаливаемого катода (-) и холодного анода(+). Катод бывает двух типов: прямого накала и косвенного накала. В первом случае катод представляет собой вольфрамовую нить (чаще покрытую оксидом), по которой проходит накаливающий её ток, а во втором – покрытый слоем металла с малой работой выхода цилиндр, внутри которого находится нить накала, электрически изолированная от катода. Действие катода как источника электронов основано на термоэлектронной эмиссии. На рисунке 1а показано устройство вакуумного диода с катодом прямого накала. Недостатком катодов прямого накала является то, что они не пригодны для питания их переменным током, так как при изменениях тока температура нити успевает измениться, и поток излучаемых электронов пульсирует с частотой питающего тока, поэтому сейчас применяются катоды косвенного накала.
|
|
|
Вольт-амперная характеристика диода (рис. 1е) имеет нелинейный характер – это объясняется накоплением электронов у катода в “облачко”. При отсутствии анодного напряжения электроны к нему не притягиваются, и анодный ток равен нулю. Анодный ток возникает при подаче положительного напряжения на анод, по мере увеличения напряжения анодный ток будет возрастать (на кривой А-Б – быстрее). При большом напряжении (в точке В) сила тока достигает наибольшей величины – это ток насыщения. У диода с активированным (оксидным) катодом не наблюдается замедления роста анодного тока, но при анодном токе выше некоторой предельной величины катод разрушается. Свойства диода оцениваются крутизной характеристики и внутренним сопротивлением лампы.
Триод – электронная лампа, имеющая три электрода: катод, анод и управляющую сетку (рис. 1б). Электронные лампы приобрели свои исключительно ценные свойства лишь после того, как в диод был введен третий электрод – сетка. Подавая на сетку напряжение и меняя его величину и полярность, можно управлять электронным потоком внутри лампы, т. е. Изменять величину анодного тока, поэтому сетку называют управляющей. Сетку нельзя считать механическим препятствием на пути электронов, промежутки между витками сетки-спирали всегда огромны по сравнению с размерами электронов. Она расположена ближе к катоду, чем к аноду – изменение напряжения на сетке сильнее влияет на величину анодного тока, чем такое же изменение анодного напряжения. Коэффициент усиления триода показывает, во сколько раз приращение анодного напряжения должно быть больше приращения сеточного напряжения для изменения силы тока анода и сетки на одинаковую величину. В основном триоды используют в качестве усилителей, генераторов высокой частоты или импульсных генераторов, но при этом действуют паразитные ёмкости.
|
|
|
Если вывод сетки присоединить к катоду, то между сеткой и катодом не будет электрического поля, и витки сетки окажут очень слабое действие на летящие к аноду электроны – в анодной цепи установится ток покоя. Если включить между катодом и сеткой батарею так, что сетка зарядится отрицательно, то последняя начнёт отталкивать электроны обратно к катоду, а анодный ток уменьшится. При значительном отрицательном потенциале сетки даже самые быстрые электроны не смогут преодолеть её отталкивающее действие, и анодный ток прекратится, т.е. лампа будет заперта. Если сеточную батарею присоединить так, чтобы сетка была положительно заряжена относительно катода, то возникшее электрическое поле станет ускорять движение электронов. В этом случае измерительный прибор в цепи анода покажет увеличение тока.
Чем выше потенциал сетки, тем больше становится анодный ток. При этом некоторая часть электронов притягивается и к сетке, создавая сеточный ток, но при правильной конструкции лампы количество этих электронов невелико. Только те электроны, которые окажутся в непосредственной близости от витков сетки, будут притянуты к ней и создадут ток в сеточной цепи – он будет незначителен.
Коэффициент усиления и мощности у триодов различны. При большом анодном токе аноды подвергаются сильной электронной бомбардировке, что приводит к их значительному нагреванию и даже разрушению, поэтому аноды делают массивными, чернят, приваривают специальные охлаждающие ребра или применяют водное охлаждение, о котором рассказано ниже. Водное охлаждение применено и в импульсном генераторном триоде ГИ-11 (БМ), не так давно разработанном петербургскими учеными.
Тетроды и Пентоды. В четырехэлектродных лампах – тетродах (рис. 1в) между управляющей сеткой и анодом лампы дополнительно введена экранирующая сетка, соединенная с катодом лампы через конденсатор, которая служит для уменьшения междуэлектродных емкостей (паразитных обратных связей), из-за которых возникают собственные колебания на ВЧ в многокаскадных усилителях. Емкость анод – сетка в триодах 2-3 пф., а в лампах с дополнительной сеткой она снижается до 0,01 пф.
|
|
|
Экранированные лампы могут хорошо работать с небольшими сеточными напряжениями, но иногда при работе тетродов вторичные электроны, выбитые из анода, долетают до экранной сетки, создавая ток и сильные искажения сигнала – это явление называют динатронным эффектом. Пентоды являются решением этой проблемы.
Способ устранения неприятных последствий динатронного эффекта очевиден: надо не пускать вторичные электроны к экранирующей сетке. Это можно сделать введением в лампу еще одной сетки – третьей по счету, которая будет защитной, так получились пентоды – от греческого слова «пента» - пять (рис. 1г). Третья сетка располагается между анодом и экранирующей сеткой и соединяется с катодом, следовательно, оказывается заряженной отрицательно относительно катода. Поэтому вторичные электроны будут отталкиваться этой сеткой обратно к аноду, но в то же время, будучи достаточно редкой, эта защитная сетка не препятствует электронам основного анодного тока. У современных (на 1972 год) высокочастотных пентодов коэффициент усиления доходит до нескольких тысяч, а емкость сетка – анод измеряется тысячными долями пикофарады. Благодаря этому пентод является прекрасной лампой для усиления колебаний высокой частоты. Но пентоды с большим успехом применяются и для усиления низкой (звуковой) частоты, в частности в оконечных каскадах.
Конструктивно низкочастотные пентоды несколько отличаются от высоко- частотных. Для усиления НЧ не нужно иметь слишком большие коэффициенты усиления, но зато необходимо иметь большой прямолинейный участок характеристики, так как приходится усиливать большие напряжения, поэтому делают сравнительно редкие экранирующие сетки. При этом коэффициент усиления не получается очень большим, а вся характеристика сдвигается влево, поэтому больший её участок становится пригодным для использования. Низкочастотные пентоды должны отдавать большую мощность, следовательно, делаются массивными и их аноды нуждаются в охлаждении.
Существуют также и Лучевые тетроды – мощные низкочастотные лампы без защитных сеток, в которых витки экранирующих сеток расположены точно за витками управляющих сеток. При этом поток электронов рассекается на отдельные пучки (лучи), летящие прямо к аноду, а он отнесен несколько дальше и выбитые из него вторичные электроны не могут долететь до экранирующей сетки, а притягиваются анодом обратно, не нарушая нормальной работы лампы. Коэффициент усиления у таких ламп в несколько раз выше, чем у обычных тетродов, т.к. электроны от катода летят прямыми лучами между витками сеток и не разлетаются, а направляются к аноду полем экранирующих пластин, расположенных на путях возможной утечки около анода лампы, которые подключены к минусу источника питания через катод. У лучевых ламп удается создать очень выгодную форму характеристики, позволяющую получить большую выходную мощность при небольшом напряжении сигнала на сетке.
Конструкции радиоламп
Для аппаратуры малой мощности, такой как радиоприемник, лампы старались делать как можно меньших размеров (пальчиковые лампы). Их часто называют приёмно-усилительными лампами. Существуют и сверхминиатюрные лампы (толщиной с карандаш) с мягкими выводами. В мощной аппаратуре радиоузлов и в радиопередатчиках применяют лампы значительно больших размеров, развивающие в анодной цепи гораздо большую мощность. Такие лампы имеют массивные аноды с принудительным воздушным или водяным охлаждением. Для этого аноды делают конусоподобными из меди или других термоустойчивых металлов, к ним приваривают полые ребра или трубки, по которым пропускают охлажденную воду. Мощные лампы с медными анодами и водяным охлаждением, изобретенные в 1923 г. М. А. Бонч-Бруевичем, применяются в мощных радиопередатчиках всего мира (там, где нельзя применить полупроводниковые приборы).
Существует несколько способов охлаждения анода:
· принудительное воздушное;
· принудительное водное;
· естественное (рассеяние).
Для уменьшения нагрева анода его часто снабжают ребрами или крылышками.
За время существования радиоламп их конструкции претерпели серьезные изменения. Первые образцы приемно-усилительных ламп отличались довольно значительными размерами и потребляли очень большой ток накала. По мере совершенствования конструкций и технологии производства размеры ламп уменьшались, лампы становились более прочными, экономичными, их качество улучшалось. Приемно-усилительные лампы наших дней очень мало похожи на первые радиолампы, хотя основные принципы их работы не изменились.
Каждая лампа имеет баллон почти без воздуха (давление =10-7 мм.рт.ст), внутри которого находятся электроды, имеющие выводы наружу для подключения питания и соединения со схемой. Баллоны ламп делают из стекла или металло-керамическими. Электроды крепят при помощи металлических стоек к стеклянной ножке в нижней части баллона. Кроме того, вверху они поддерживаются обычно при помощи слюдяных изолирующих шайб, упирающихся своими краями в стенки баллона. Это обеспечивает весьма прочное и жесткое крепление электродов и невозможность их вибрации и смещения относительно друг друга при тряске и ударах. Такая жесткость конструкции является непременным условием хорошего качества ламп, так как от взаимного расположения электродов и от расстояния между ними зависят параметры лампы и воздействие паразитных емкостей. Сетки в лампах сейчас делают в виде проволочной спирали или «частокола», а в первых образцах она была простой решеткой. От каждого электрода лампы делается вывод из баллона. Обычно для выводов используют металлические стойки, крепящие электроды. Выводы проходят сквозь стеклянный или керамический цоколь и завариваются в нём так, чтобы проникновение воздуха внутрь баллона было бы невозможно.
Современные приемно-усилительные лампы выпускаются почти исключительно пальчикового типа (длиной 5-7 сантиметров). Внутренняя арматура и выводы всех электродов укреплены непосредственно на плоском стеклянном дне лампы и выходят наружу в виде тонких, но прочных штырьков, расположенных несимметрично. К каждому из штырьков присоединяется вывод одного из электродов лампы. Подключение электродов (цоколевка) ламп одного и того же типа всегда совершенно одинакова.
Для обеспечения правильности вставления штырьков лампы в панельку применяют два способа: несимметричное расположение штырьков и создание направляющего ключа на цоколе из пластмассы (Рис. 1д), который входит в паз, расположенный на панельке.
В массовом производстве аноды ламп имеют цилиндрическую форму и сделаны из меди или термоустойчивых сплавов. Для упрощения и удешевления моделирования и производства таких электронных ламп и предназначена разрабатываемая программа.
Конструкции и обозначения электронных ламп на схемах
А) 
Б) 
В) 
Г) 
Д) 
Е) 
а) – диод с прямым накалом (две конструкции и схематическое обозначение);
б) – схема триода с косвенным накалом (с третьим электродом – сеткой);
в) – конструкция и схематическое обозначение тетрода с прямым накалом.
г) – конструкция и схематическое обозначение пентода с прямым накалом.
д) – октальный цоколь радиолампы с направляющим (в панельку) выступом.
е) – анодная вольт-амперная характеристика вакуумного диода.
Рис.1
Расчетные формулы
Распределение температуры по толщине стенки анода определяется решением дифференциального уравнения:
(1)
на решение которого накладываются граничные условия:
- на внутренней (нагреваемой) поверхности:
(2)
- на наружной (охлаждаемой) поверхности:
(3)
с начальным условием: T(r,0) = To = 300о K. (4)
Уравнение (1) интегрируется до тех пор, пока не достигается установившийся режим (завершается разогрев), т.е. выполняется условие 
.
В уравнении (3): ε – коэффициент черноты поверхности; σо = 5.67*10-12 – постоянная Стефана-Больцмана.
По результатам интегрирования уравнения (1) термонапряжение в аноде вычисляется в виде:
, где
(5)
Tср.(r,t) – средняя температура анода в сечении с координатой r.
Интеграл в уравнении (5) вычисляется методом Симпсона [1]:
, где число разбиений n = 2m – чётное, а шаг h = b-a/2m. M – число пространственных интервалов.
Формулы расчета температур в конечно-разностном представлении:
(1’)
Граничные условия на поверхностях анода:
R внутр.: 
. (2’)
R наруж.: 
(3’)
Здесь: i, j – номера пространственного и временного интервалов, k – наружная стенка;
Δr и Δ t – шаги пространственно-временной сетки по координате и по времени;
n – число пространственных интервалов в пределах толщины стенки анода (Rнар – Rвн).
Принятые в проекте обозначения:
R нар, R внутр. – наружный и внутренний радиусы анода (см);
t – время работы после включения накала (сек);
r – координата в сечении анода (см); R вн. ≤ r ≤ R нар.
T(r,t) – температура в сечении с координатой ‘r’ в момент времени ‘t’;
λ – теплопроводность материала анода (вт/см.*град.);
α – температуропроводность материала анода (медь=1.1);
E – модуль упругости (кг/см²);
αт – коэффициент линейного расширения (1/град);
ε – коэффициент черноты поверхности;
σо = 5.67*10-12 (Вт/См2 град4) – постоянная Стефана-Больцмана;
q– подводимая к аноду мощность (вт / см²);
T0 – температура окружающей среды (град K).
Анализ методов решения
Дифференциальное уравнение (1) – (3), (4) можно решить двумя способами: неявным (абсолютно сходящимся) методом и явным (относительно сходящимся) методом конечно-разностной аппроксимации. Различие этих методов состоит в том, что в неявном методе шаг Δt задается любым, а в явном методе он ограничен и берется очень маленьким.
Отсюда вытекает различие в условиях устойчивости схем: 
.
В явной схеме ω<1/2, а в неявной схеме ω не ограничена. Это приводит к тому, что в явной схеме значение температуры в данный момент времени находится с помощью значения температуры в предыдущий момент времени, а в неявной схеме значение температуры в данный момент времени находится с помощью значения температуры в тот же момент времени.
Уравнение неявной схемы сразу решить нельзя, надо составлять систему уравнений, что на много усложняет схему программы. Преимущество неявной схемы в том, что, задавая нужный шаг, можно резко сократить количество итераций, в то время как в явном методе количество итераций будет составлять десятки тысяч. Однако при современном быстродействии компьютеров разница в несколько тысяч итераций во время работы программы не составит и секунды, а простой и удобный алгоритм способствует более качественному и быстрому написанию и отладке программы. Поэтому при разработке данной программы применялся явный метод конечно – разностной аппроксимации.
|
|
|
