Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
ЕМСТ_1_4
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Електроніка
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2024
Тип роботи:
Конспект лекцій
Предмет:
Електроніка та мікросхемотехніка
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
ЕЛЕКТРОВАКУУМНІ ПРИЛАДИ
ПОБУДОВА І ПРИНЦИП РОБОТИ ЕЛЕКТРОВАКУУМНИХ ПРИЛАДІВ
10.1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ, КЛАСИФІКАЦІЯ
Електровакуумними приладами (ЕВП) називають прилади, у яких робочий простір ізольований газонепроникною оболонкою і має високий ступінь розрідження чи заповнено спеціальним середовищем (пари чи газів) і дія яких основана на використанні електричних явищ у вакуумі чи газі.
Під вакуумом варто розуміти стан газу, зокрема повітря, при тиску, який є нижчим від атмосферного. Якщо електрони рухаються в просторі вільно, не зіштовхуючись з молекулами, які залишилися після відкачки газу, то говорять про високий вакуум.
Електровакуумні прилади поділяються на електронні, у яких протікає чисто електронний струм у вакуумі, і іонні (газорозрядні), для яких характерний електричний розряд у газі (чи парах). В електронних приладах іонізація практично відсутня, а тиск газу менший за 100 мкПа (високий вакуум). В іонних приладах тиск складає приблизно133*10-3 Па (10-3 мм рт. ст.) і вище. При цьому значна частина електронів зіштовхується з молекулами газу й іонізує їх.
Є ще група провідникових (безрозрядних) ЕВП. До них відносяться лампи розжарювання, стабілізатори струму (баретери), вакуумні конденсатори та ін.
Особливу групу ЕВП складають електронні лампи, призначені для різних перетворень електричних величин. Ці лампи бувають генераторними, підсилювальними, випрямними, частотно-перетворювальними, детекторними, вимірювальними та ін. Більшість їх розрахована на роботу в неперервному режимі. Випускаються лампи і для імпульсного режиму. У них протікають короткочасні струми - електричні імпульси.
У залежності від робочих частот електронні лампи підрозділяються на низькочастотні, високочастотні та надвисокочастотні.
Електронні лампи, які мають два електроди - катод і анод, називаються діодами. Діоди для випрямлення змінного струму в джерелах живлення називаються кенотронами. Лампи, що мають крім катода й анода електроди у виді сіток, із загальним числом електродів від трьох до восьми - це відповідно: тріод, тетрод, пентод, гексод, гептод і октод. При цьому лампи з двома і більш сітками називаються багатоелектродними. Якщо лампа містить кілька систем електродів з незалежними потоками електронів, то її називають комбінованою (подвійний діод, подвійний тріод, тріод-пентод, подвійний діод-пентод і ін.).
Основні іонні прилади - це тиратрони, стабілітрони, лампи зі знаковою індикацією, іонні розрядники і ін.
Велику групу складають електронно-променеві прилади, до яких відносяться кінескопи (приймальні телевізійні трубки), передаючі телевізійні трубки, осцилографічні і запам'ятовуючі трубки, електронно-оптичні перетворювачі зображень, електронно-променеві перемикачі, індикаторні трубки радіолокаційних і гідроакустичних станцій та ін.
У групу фотоелектронних приладів входять електровакуумні фотоелементи (електронні та іонні) і фотоелектронні помножувачі. До електроосвітлювальних приладів варто віднести лампи розжарювання, газорозрядні джерела світла і люмінесцентні лампи.
Особливе місце займають рентгенівські, трубки, лічильники елементарних часток та інші спеціальні прилади.
Електровакуумні прилади класифікуються ще за типом катода (розжарений чи холодний), за матеріалом і побудовою балона (скляний, металевий, керамічний, комбінований), за способом охолодження (природне, чи променисте, і примусово-повітряне, водяне, парове).
10.2. ПОБУДОВА ТА РОБОТА ВАКУУМНОГО ДІОДА
Головне призначення діодів - випрямлення змінного струму. Іноді діоди застосовуються для генерації шумів, тобто струмів і напруг які безладно змінюються, для обмеження електричних імпульсів і т.д..
Діод має два електроди і розміщений в скляному, металевому чи керамічному балоні з вакуумом. Один електрод - це розжарений катод, що служить для емісії електронів. Інший електрод - анод - приймає електрони, які випромінює катод. Катод і анод вакуумного діода аналогічні емітеру і базі напівпровідникового діода. Анод притягає електрони, якщо він має додатний щодо катода потенціал. Між анодом і катодом утворюється електричне поле, що при додатному потенціалі анода прискорює електрони. Електрони, що вилітають з катода, під дією прискорюючого поля рухаються до анода.
Найпростіший катод виготовляють у вигляді дротика, що розжарюється струмом. Такіі катоди називають катодами прямого чи безпосереднього розжарення. Велике поширення одержав катод непрямого розжарення (підігрівний). Це металевий циліндр, поверхня якого покрита активним шаром, що емітує електрони. Усередині циліндра знаходиться підігрівник у вигляді дротика, який розжарюється струмом. У найбільш розповсюдженій циліндричній конструкції діода (рис.10.1) анод має форму циліндра.
Коло діода з катодом непрямого розжарення показане на рис.10.2. Основним є анодний ланцюг (ланцюг анода). У нього входять анодне джерело Eа і простір між анодом і катодом.
Всі електрони, що вилітають з катода, утворюють струм емісії
(10.1)
де N - число електронів, що вилітають за 1 с; q - заряд електрона.
Між анодом і катодом утворюється від’ємний заряд, який називають об'ємним чи росторовим і який перешкоджає руху електронів до анода. При недостатньому додатному потенціалі анода не всі електрони можуть перебороти дію об'ємного заряду і частина їх повертається на катод.
Електрони, що вийшли з катода і не повернулися, визначають катодний струм (струм катода), який позначають ік:
(10.2)
де n - число електронів, які вийшли з катода за 1 c і не повернулися.
Рис. 10.1. Циліндрична конструкція електродів діода
Рис. 10.2. Електричне коло діода з катодом непрямого розжарення
Чим вищий потенціал анода, тим більше електронів переборює об'ємний заряд іі надходить до анода, тобто тим більший катодний струм.
Потік електронів, що летять від катода до анода і попадають на анод, називають анодним струмом (струмом анода). Він протікає в анодному ланцюзі і позначається Iа. У діодіі катодний і анодний струми рівні один одному
(10.3)
Анодний струм є головним струмом електронної лампи. Електрони цього струму рухаються усередині лампи від катода до анода, а поза лампою - від анода до плюса анодного джерела, потім усередині нього і від мінуса джерела до катода лампи.
При зміні додатного потенціалу анода змінюється катодний струм і рівний йому анодний струм. У цьому полягає електростатичний принцип керування анодним струмом.
Якщо потенціал анода від’ємний стосовно катода, то поле між анодом і катодом гальмує електрони, що вилітають з катода, і повертає їх на катод. У цьому випадку катодний і і анодний струми дорівнюють нулю.
Основна властивість діода - здатність проводити струм в одному напрямку. Електрони можуть рухатися тільки від розжареного катода до анода, що має додатний потенціал. Якщо ж на аноді від’ємний щодо катода потенціал, то діод зачинений, тобто він розмикає ланцюг. Такий анод відштовхує електрони, а сам він не розжарений і не випускає електронів. Діод має однобічну провідність і подібно напівпровідниковому діоду може випрямляти змінний струм. На відміну від напівпровідникового діода у вакуумному при зворотній напрузі зворотний струм практично відсутній.
В малопотужних діодах, які застосовуються у радіоприймачах або вимірювальній апаратурі, анодний струм складає частки міліампера У більш потужних діодах (кенотронах), що працюють у випрямляючих установках для живлення апаратури, анодний струм досягає сотень міліамперів і більше.
Різниця потенціалів між анодом і катодом називають анодною напругою (напругою анода) і позначають Ua.
У практичних схемах, коли в анодний ланцюг ввімкнене навантаження, на якому падає частина напруги анодного джерела, анодна напруга менша за Eа. Додатна анодна напруга в малопотужних діодів складає частки вольта чи одиниці вольтів. У кенотронів середньої потужності вона досягає десятків вольтів, а в потужних кенотронів сотень вольт і більше.
Прийнято приймати потенціал катода за нульовий, тому що від катода електрони починають свій рух. Потенціал будь-якого електрода визначають відносно катода. У катода прямого розжарення за точку нульового потенціалу приймають мінус джерела розжарення.
Рис.10.3. Спрощені схеми ввімкнення вакуумного діода
Другим ланцюгом діода є ланцюг розжарення. Він складається з джерела Eр і підігрівника (чи катода прямого розжарення). Струм розжарення позначають Iр, а напруга розжарення, тобто напруга між виводами підігрівника (чи катода прямого розжарення), позначають Uр. Напруга розжарення завжди низька і складає переважно одиниці, рідше десятки вольт. Струм розжарення в малопотужних ламп складає десятки міліампер, а в потужних - до десятків і навіть сотень ампер. У багатьох схемах виводи катода з'єднують з корпусом (рис. 10.3, а, б) апаратури.
10.3. ПРИНЦИП ПОБУДОВИ РОБОТА ТРІОДА
Тріоди мають третій електрод - керуючу сітку, яку називають просто сіткою і яка розташована між анодом і катодом. Вона служить для електростатичного керування анодним струмом. Якщо змінювати потенціал сітки, то змінюється електричне поле і внаслідок цього змінюється катодний струм лампи.
Катод і анод у тріодів такі ж, як у діодів. Сітка в більшості ламп виготовляється з дроту. Катод, сітка й анод електровакуумного тріода аналогічні відповідно емітеру, базі і колектору біполярного транзистора чи витоку, затвору і стоку польового транзистора.
Усе, що відноситься до сітки, позначається символами з індексом g (від англійського слова grid - сітка).
Тріод має ланцюги розжарення і анода, подібні до відповідних ланцюгів діода, і ланцюг сітки (рис.10.4), що складається з проміжку катод - сітка в середині лампи і джерела сіткової напруги Еg. У практичних схемах у ланцюг сітки вмикають ще й інші елементи.
Різниця потенціалів між сіткою і катодом називається сітковою напругою (напругою сітки) і позначається Ug. При додатній напрузі сітки частина електронів надходить на сітку і в її ланцюзі виникає сітковий струм (струм сітки), що позначається Іg. Частина тріода, що складається з катода, сітки і простору між ними, подібна діоду.
Рис.10.4. Струми в ланцюгах тріода
Основний і корисний струм у тріоді - анодний. Він аналогічний колекторному струму біполярного транзистора чи струму стоку польового транзистора. Сітковий струм аналогічний струму бази транзистора, не потрібний і навіть шкідливий. У багатьох випадках сітковий струм усувають. Для цього напруга сітки повинна бути від’ємною. Тоді сітка відштовхує електрони. Можливість усунення шкідливого сіткового струму істотно відрізняє тріод від біполярного транзистора, що завжди працює зі струмом бази.
У провіднику катода протікає сумарний струм, що називається катодним струмом:
(10.4)
Катодний струм аналогічний емітерному струму біполярного транзистора чи струму витоку польового транзистора. У тріоді катодний і анодний струми рівні тільки при Ug < 0, тому що в цьому випадку іg = 0. Подібно до діодів тріоди мають односторонню провідність. Але для випрямлення змінного струму їх застосовувати недоцільно, оскільки діоди простіші за конструкцією. Можливість керування анодним струмом за допомогою сітки визначає основне призначення тріодів - підсилення електричних коливань. Тріоди застосовуються також для генерації електричних коливань різної частоти.
10.4. ЕЛЕКТРОННА ЕМІСІЯ
Основним електродом кожного електровакуумного приладу є катод, який емітує електрони. Електронною емісією називають процес виходу електронів із твердих чи рідких тіл у вакуум чи газ. Щоб викликати електронну емісію, необхідно надати електронам додаткову енергію, яку називають роботою виходу. Вона різна для різних металів і складає декілька електрон-вольт. У металів, які мають великі, в порівнянні з іншими речовинами, міжатомні віддалі, робота виходу менша. До них відносяться лужні і лужноземельні метали, наприклад цезій, барій, кальцій.
Якщо на поверхні основного металу розташовані атоми речовин, які віддають електрони даному металу, то спостерігається підсилення емісії. Такі речовини називаються активуючими. Можна також зменшити роботу виходу шляхом покриття поверхні металу шаром оксиду лужних і лужноземельних металів.
Розглянемо основні види електронної емісії.
Термоелектронна емісія зумовлена нагріванням тіла, що емітує електрони, і широко використовується в електронних приладах. З підвищенням температури енергія електронів провідності в провіднику чи напівпровіднику зростає і може виявитися достатньою для здійснення роботи виходу. Якщо електрони, які вилетіли, не відводяться електричним полем, від поверхні, що емітує, то біля неї утвориться скупчення електронів ("електронна хмарка"). В ній енергії електронів різні і середня енергія звичайно складає десяті частки електрон-вольта. "Електронна хмарка" знаходиться в динамічній рівновазі. Нові електрони вилітають з нагрітого тіла, а ті, що раніше вилетіли повертаються назад.
У приладах з розжареним активованим катодом (наприклад, оксидним) спостерігається значне підсилення термоелектронної емісії під впливом зовнішнього прискорюючого поля (ефект Шоткі). Якби катод не був розжареним, то емісія була б відсутня. А при високій температурі і наявності зовнішнього прискорюючого електричного поля з катода вилітає додатково значна кількість електронів, які при відсутності прискорюючого поля не могли б вийти. При короткочасній дії сильного прискорюючого поля вихід електронів з розжареним оксидних і інших активованих катодів дуже великий. Така емісія у виді короткочасних імпульсів струму використовується в деяких електронних і іонних приладах.
Електростатична (або автоелектронна) емісія виникає внаслідок виривання електронів сильним електричним полем. Цю емісію іноді називають "холодною". Вихід електронів при нормальній (кімнатній) температурі відбувається за допомогою електричних полів напруженістю не менш 105 В/см.
Електростатична емісія значно підсилюється при нерівній поверхні, що пояснюється концентрацією поля в мікроскопічних виступах цієї поверхні. При наявності активуючих, особливо оксидних покриттів електростатична емісія також підсилюється. Крім зменшення роботи виходу, властивого оксидному шару, тут відіграє роль проникнення зовнішнього поля в напівпровідниковий оксидний шар і нерівність поверхні оксиду.
Вторинна електронна емісія зумовлена ударами електронів по поверхні тіла. При цьому електрони, що вдаряють, називаються первинними. Вони проникають у поверхневий шар і віддають свою енергію електронам даної речовини. Деякі з останніх, одержавши значну енергію, можуть вийти з тіла. Такі електрони називаються вторинними. Вторинна емісія звичайно виникає при енергії первинних електронів (10-15) еВ і вище. Якщо енергія первинного електрона досить велика, то він може вибити декілька вторинних електронів.
Вторинна емісія характеризується коефіцієнтом вторинної емісії що дорівнює відношенню числа вторинних електронів n2 до числа первинних n1
. (10.5)
Коефіцієнт δ залежить від речовини тіла, структури його поверхні, енергії первинних електронів, кута їхнього падіння і деяких інших факторів. Для чистих металів максимальне значення δ знаходиться в межах (0,5-1,8). При наявності активуючих покриттів δ досягає 10 і більше.
Для інтенсивної вторинної емісії застосовують сплави магнію зі сріблом, алюмінію з міддю, берилію з міддю та ін. У них коефіцієнт δ може бути в межах (2-12) і більше, причому емісія більш стійка, ніж в інших речовин. Вторинна емісія спостерігається також у напівпровідників і діелектриків.
На рис.10.5 дана залежність коефіцієнта δ від енергії первинних електронів W1. При W1< (10 ÷ 15) еВ вторинна емісія відсутня. Потім вона з ростом W1 підсилюється, доходячи до максимуму, після чого слабшає. Крива 1 - залежність для чистого металу, а крива 2 - для металу з активуючим покриттям. Максимум вторинної емісії досягається звичайно при енергії W1 у сотні електрон-вольтів. Зниження δ при більш високих значеннях W1 зумовлюється тим, що первинні електрони проникають більш глибоко і передають енергію електронам, які більш віддалені від поверхні. Останні передають отриману енергію іншим електронам і не можуть дійти до поверхні.
Рис.10.5. Залежність коефіцієнта вторинної емісії від енергії первинних електронів
Електронна емісія під ударами важких частинок подібна до вторинної емісії. У більшості випадків випромінювання електронів відбувається від Вторинні електрони вилітають у різних напрямках і з різними енергіями. Якщо вони не відводяться прискорюючим полем, то утворюють біля поверхні тіла об'ємний заряд ("електронну хмарку"). Енергії більшості вторинних електронів значно вищі, ніж енергії термоелектронів.
Використання вторинної емісії багато років утруднялося тим, що не забезпечувалася її стійкість. Надалі були виготовлені стабільно працюючі повторно-електронні катоди зі сплавів металів і стало можливим створення більш досконалих електровакуумних приладів із вторинною емісією.
бомбардування тіла іонами. Для характеристики такої емісії служить коефіцієнт вибивання електронів δв, який дорівнює відношенню числа вибитих електронів ne до числа іонів, що вдарили, ni
(10.6)
Значення δв залежить від речовини тіла, що бомбардується від маси й енергії іонів, що бомбардують, стану поверхні, чи наявності відсутності на ній активуючих покрить, кута падіння іонів і інших факторів. Звичайно коефіцієнт δв значно менше одиниці, але для напівпровідникових і тонких діелектричних шарів спостерігаються значення δв > 1. Найменша енергія іонів, яка необхідна для вибивання електронів, складає десятки електрон-вольт. При наявності активуючих покрить коефіцієнт δв зростає. Енергії більшості вибитих електронів складає (1-3) еВ.
10.5. ТЕРМОЕЛЕКТРОННІ КАТОДИ
Термоелектронний катод повинний бути довговічним і забезпечувати стабільну емісію при можливо менших витратах енергії на розжарення. Поверхня катода не повинна руйнуватися від іонного бомбардування. Навіть у високому вакуумі є деяке число додатних іонів. Вони прискорено летять до катода. Чим вища анодна напруга, тим з більшою силою іони вдаряють у катод.
Економічність катода характеризується його ефективністю. Вона показує, який струм емісії можна отримати на 1 Вт потужності розжарення. У сучасних катодів у режимі неперервної роботи ефективність може складати від одиниць до сотень міліампер на ват.
Робоча температура в різних катодів знаходиться в межах від 700 до 2300 °С. Довговічність катода визначається терміном, після закінчення якого вихід електронів зменшується на 10%. Катоди мають довговічність від сотень до десятків тисяч годин.
При збільшенні робочої температури підвищується ефективність, і тому для підсилення емісії іноді трохи підвищують напругу розжарення, але при цьому скорочується довговічність.
Прості катоди, тобто катоди з чистих металів, виготовляють майже винятково з вольфраму (рідко з танталу) і мають пряме розжарення. Робоча температура вольфрамових катодів (2100 – 2300) °С, що відповідає розжаренню до ясно-жовтого чи білого кольору. Довговічність цих катодів визначається ослабленням емісії через зменшення товщини катода внаслідок розпилення вольфраму.
Перевага вольфрамового катоду – стійкість емісії. Після тимчасового перегріву вона не зменшується. Стійкість вольфрамового катода до іонного бомбардування робить його особливо придатним для потужних ламп, які працюють з високими анодними напругами. Катоди з вольфраму застосовуються також у спеціальних електрометричних лампах, у яких важлива стабільність емісії. Основний недолік вольфрамового катода - низька ефективність (одиниці міліампер на ват). У наслідок високої температури інтенсивно випускаються теплові і світлові промені, на що даремно витрачається майже вся потужність розжарення.
У багатьох типів складних катодів на поверхню чистого металу наноситься активуючий шар, що забезпечує інтенсивну емісію при порівняно невисоких температурах. Перевага складних катодів - економічність. Вони мають ефективність до десятків і навіть сотень міліампер на ват. Робоча температура в деяких катодів складає 700 °С. Довговічність досягає тисяч і десятків тисяч годин. До кінця цього терміну знижується вихід електронів через зменшення кількості домішок, що активують, (наприклад, за рахунок їхнього випару). Деякі складні катоди забезпечують надвисоку емісію в імпульсному режимі, тобто протягом коротких (одиниці мікросекунд) проміжків часу, розділених значно більш тривалими паузами.
Основний недолік складних катодів - низька стійкість емісії. Вихід електронів знижується від тимчасового перегріву, що пояснюється випаром активуючих речовин при підвищеній температурі. Крім того, складні катоди руйнуються від іонного бомбардування, тому в лампах важливо підтримувати високий вакуум. Це досягається застосуванням спеціального газопоглинача (гетера).
Складні катоди можуть бути плівковими чи напівпровідниковими. До першого відноситься, наприклад, торований карбідний катод. Він представляє собою вольфрамовий дротик із плівкою торію і з домішками вуглецю. Активний шар цих катодів важко зруйнувати іонним бомбардуванням. Їх застосовують при анодних напругах до 15 кВ.
До напівпровідникового відноситься оксидний катод. У ньому на основу з нікелю чи вольфраму наноситься суміш оксидів лужноземельних металів - барію, кальцію і стронцію. В оксидного катода електронна емісія відбувається головним чином з атомів барію. Перегрів катода підсилює випар барію і знижує вихід електронів. Довговічність оксидного катода визначається тим, що оксидний шар поступово збіднюється атомами барію. Для хорошої роботи оксидного катода дуже важливим є високий вакуум, тому що оксидний шар руйнується від іонного бомбардування.
Щоб уникнути надмірного іонного бомбардування не можна допускати занадто високої анодної напруги при роботі катода в неперервному режимі.
Для оксидного катода небезпечний не тільки перегрів, але і недогрів, при якому можуть виникнути вогнища перегріву. Катод прямого розжарення при цьому нерідко "перегоряє", тобто поблизу одного з вогнищ перегріву основний метал катода плавиться. Це явище пояснюється наступними особливостями.
1. При підвищенні температури оксидного шару його електричний опір, як і опір всіх напівпровідників, зменшується.
2. Унаслідок великого опору оксидного шару його нагрівання струмом катоду є співмірне з нагріванням струмом розжарення.
3. Різні ділянки оксидного шару неоднакові за опором і емісійною здатністю.
Катодний струм розподіляється таким чином, що через ділянки з меншим опором і більшою емісійною здатністю проходять великі струми. На цих ділянках нагрів підсилюється, зменшується опір, збільшується вихід електронів і проходить подальше зростання струму. Таке явище спостерігається при недогріві, якщо катодний струм великий. Появі вогнищ перегріву також сприяє іонне бомбардування катоду.
При нормальному режимі розжарення і без перевантаження катодним струмом оксидний катод має велику довговічність. Його широко використовують у приймально-підсилювальних і генераторних лампах малої і середньої потужності, в електронно-променевих трубках, у лампах для імпульсної роботи і багатьох інших приладах.
Рис.10.6. Залежність емісії оксидного катода від тривалості анодного імпульсу
В імпульсному режимі емісія оксидного катода може бути в багато разів сильніша, ніж у режимі неперервної роботи. Вона відбувається під дією сильного зовнішнього електричного поля, тобто являє собою сполучення електростатичної емісії з термоелектронної. Однак з часом така емісія швидко слабшає (рис.10.6). Говорять, що надвисока емісія „отруює” оксидний катод. „Отруєння” припиняється, якщо катод "відпочине". Тоді він відновлює свою емісійну здатність і може знову дати на короткий час великий вихід електронів. Це пояснюється тим, що в оксидному шарі повинна нагромадитися достатня кількість електронів. Тривалість імпульсів емісійного струму звичайно не перевищує 20 мкс.
Ефективність оксидного катода в імпульсному режимі складає 104 мА/Вт. Імпульси катодного струму можуть доходити до одиниць і навіть десятків амперів. При коротких імпульсах катод майже не піддається іонному бомбардуванню, і тому допустима анодна напруга досягає (10-20) кВ.
Крім оксидних катодів останнім часом застосовуються складні катоди нових типів: торієво-оксидні, синтеровані (губчаті) та інш.
Катоди прямого розжарення являють собою дріт чи стрічку. Перевага таких катодів - простота побудови і можливість їх виготовлення для самих малопотужних ламп на струм розжарення 10 мА і менше.
Катод у вигляді тонкого дроту після вмикання розжарення швидко розігрівається (за час менший за 1 с), що дуже зручно. Недолік цих катодів - паразитні пульсації анодного струму при живленні ланцюга розжарення змінним струмом. Якщо, наприклад, струм розжарення має частоту 50 Гц, то в анодному струмі будуть пульсації з частотою 50, 100, 150 Гц і т.д.
Вони створюють перешкоди, спотворюючи і заглушаючи корисний сигнал. При слуховому прийомі ці пульсації проявляють себе характерним гудінням – фоном змінного струму. Є дві основні причини таких шкідливих пульсацій.
По-перше, у тонких катодів виникають пульсації температури, тому що маса і теплоємність цих катодів малі. Коли струм досягає амплітудного значення, температура найвища, а при переході струму через нуль температура найбільш низька (рис. 10.7). Частота пульсацій температури дорівнює подвоєній частоті струму розжарення. З такою же частотою пульсує емісія та анодний струм.
Друга причина фону змінного струму – нееквіпотенціальність поверхні катода. Різні точки поверхні катода прямого розжарення мають різні потенціали, і анодна напруга для цих точок різна. Тому при живленні катода змінним струмом анодна напруга пульсує з частотою струму розжарення.
Рис.10.7. Пульсації температури катоду прямого розжарення при живленні змінним струмом
Недолік ламп із тонкими катодами прямого розжарення - так називаний мікрофонний ефект. Він полягає в тому, що зовнішні механічні поштовхи викликають вібрацію катода. Це приводить до пульсацій анодного струму. За рахунок мікрофонного ефекту нерідко виникає акустична генерація. У цьому випадку звукові хвилі від гучномовця викликають механічні коливання лампи і відповідно коливання анодного струму, що після підсилення надходять у гучномовець. Звукові хвилі, які при цьому виникають, знову впливають на лампу. Відбувається генерація незатухаючих звукових коливань, що заглушають корисний сигнал.
Широко застосовуються катоди непрямого розжарення (підігрівні). Звичайно такий катод представляє собою нікелевий циліндр з оксидним поверхневим шаром. Усередину вмонтований вольфрамовий підігрівник (рис. 10.8). Для ізоляції від катода підігрівник покривається керамічною масою з оксиду алюмінію - алундом.
Головні переваги цих катодів - відсутність шкідливих пульсацій анодного струму при живленні ланцюга розжарення змінним струмом. Коливань температури практично відсутні тому, що маса, а отже і теплоємність у підігрівних катодів значно більша, ніж у катодів прямого розжарення. Катод непрямого розжарення має велику теплову інерцію. Від моменту вмикання струму розжарення до повного розігріву (остигання) катода потрібні десятки секунд. За чверть періоду (0,005 с при частоті 50 Гц) температура катода не встигає помітно змінитися тому емісія не пульсує.
Поверхня катода непрямого розжарення є еквіпотенціальною. Уздовж катода відсутній спад напруги від струму розжарення. Анодна напруга для всіх точок поверхні катода є сталою і пульсує при коливаннях напруги розжарення.
Рис.10.8. Катоди непрямого розжарення: а) - циліндричний; б) – дисковий
Перевага ламп із катодами непрямого розжарення – ослаблення мікрофонного ефекту. Маса катода порівняно велика, і його важко привести в стан коливань.
У порівнянні з катодами прямого розжарення катоди непрямого розжарення складніші, і їх важко сконструювати на дуже малі струми. Тому вони менш придатні для малопотужних економічних ламп, розрахованих на живлення від гальванічних елементів.
В апаратурі (наприклад, для двостороннього зв'язку), що працює з перервами і після чергового вмикання повинна відразу ж працювати, необхідно лампи з катодами непрямого розжарення підтримувати увесь час під розжаренням. Це приводить до зайвих витрат енергії і скороченню терміну служби ламп. У переносних радіостанціях з батарейним живленням застосовувати лампи із катодом непрямого розжарення незручно. Для економії енергії джерел живлення в цьому випадку необхідно вимикати розжарення ламп приймача при роботі передавача і навпаки. Але тоді після вмикання розжарення потрібно чекати (10 – 20) с, поки не розігріються катоди, що значно сповільнює зв'язок.
Нагріта алундова ізоляція між катодом і підігрівником не витримує високих напруг. Гранична напруга між катодом і підігрівником складає звичайно 100 В і лише для деяких ламп (200 – 300) В. У ряді схем катод і підігрівник мають дуже різні потенціали. Якщо їхня різниця перевищить граничну напругу, то може відбутися пробій ізоляції катоду - підігрівник і лампа вийде з ладу. Небезпека пробою зникає, якщо катод з'єднаний з одним з виводів підігрівника.
ДВОЕЛЕКТРОДНІ ЛАМПИ
11.1. ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ
Розглянемо діод із плоскими електродами. Анодна напруга створює між анодом і катодом електричне поле. Якщо немає електронної емісії катода, то поле буде однорідним. Коли катод випромінює велику кількість електронів, то вони в просторі анод-катод створюють від’ємний об'ємний (просторовий) заряд, що перешкоджає руху електронів до анода. Найбільш щільний об'ємний заряд ("електронна хмаринка") поблизу катода (рис.11.1). За рахунок об'ємного заряду електричне поле стає неоднорідним.
Можливі два основних режими роботи діода. Якщо поле на всьому проміжку від катода до анода прискорююче, то будь-який електрон, що вилетів з катода, прискорено рухається на анод. Жоден електрон не повертається на катод, і анодний струм буде найбільшим, рівний струму емісії. Це режим насичення. Йому відповідає анодний струм насичення
(11.1)
Другий - режим об'ємного заряду (точніше, режим обмеження анодного струму об'ємним зарядом), коли поблизу катода поле є гальмуючим. Тоді електрони, що мають малу початкову швидкість, не можуть перебороти гальмуюче поле і повертаються на катод. Електрони з більшою початковою швидкістю не втрачають цілком свою енергію в гальмуючому полі і летять до анода.
У цьому режимі анодний струм менший за струм емісії
(11.2)
Наочне представлення про процеси в діоді дають потенціальні діаграми, які демонструють розподіл потенціалу в просторі анод - катод (рис.11.2). По горизонтальній осі відкладають відстань від катода, а по вертикальної - потенціал, причому додатний потенціал прийнято відкладати вниз. Потенціал катода приймається за нульовий.
Коли катод не нагрітий, те об'ємний заряд відсутній і поле однорідне. Потенціал зростає пропорційно віддалі від даної точки до катода (пряма 1). Якщо ж катод нагрітий, то існує об'ємний від’ємний заряд, і тоді потенціали всіх точок понизяться, за винятком потенціалів катода й анода тому, що анодна напруга задається зовнішнім джерелом живлення. Лінія розподілу потенціалу прогнеться вгору (крива 2). Коли об'ємний заряд невеликий, то у всіх точках потенціал залишається додатним (крива 2 знаходиться нижче горизонтальної осі) і поле буде прискорюючим, що відповідає режиму насичення.
При збільшенні розжарення катода об'ємний заряд також росте і потенціал у різних точках знижується ще більше. Крива розподілу потенціалу прогинається сильніше, і від’ємний потенціал поблизу катода може перевищити за абсолютним значенням додатний потенціал, що прискорює поле анода. Результуючий потенціал стає від’ємний, що наочно відображає крива 3, і поблизу катода розташований вище горизонтальної осі.
На деякій відстані х0 від катода потенціал стає мінімальним (φmіn) і звичайно складає десяті частки вольта. На цій ділянці електричне поле є гальмуючим. Біля катода утвориться потенціальний бар'єр. На анод надходять тільки ті електрони, в яких початкова швидкість достатня для подолання потенціального бар'єра. Електрони з меншою початковою швидкістю втрачають енергію, не дійшовши до "вершини" потенціального бар'єра. Вони повертаються на катод. Крива 3 відповідає режиму об'ємного заряду. Наступне збільшення розжарення характеризує крива 4 - потенціальний бар'єр став вищий і "відсунувся" від катода.
Усе це ілюструє наступна механічна аналогія. Нехай криві на рис.9.2 зображують рельєф місцевості, а з точки О викочуються з різними швидкостями кульки (електрони, що вилітають з катода). Якщо від точки О починається ухил (рельєф 1 і 2), усі кульки скочуються вниз. Але якщо рельєф відповідає кривій 3, то спочатку є гірка і через неї перекотяться тільки кульки з достатньо великою початковою швидкістю. А кульки з меншими початковими швидкостями скотяться назад. Саме для зручного переходу до механічної аналогії був обраний додатний напрямок потенціалу униз по осі ординат.
На рис.11.3 наведені потенціальні діаграми при різних значеннях анодної напруги і сталій напрузі розжарення.
Рис.11.3. Потенціальні діаграми діода при сталій напрузі розжарення і різних значеннях анодної напруги
При деякому значенні Ua настає режим насичення (крива 1) при меншій напрузі - режим об'ємного заряду (крива 2). Крива 3 для ще більш низької напруги показує, що потенціальний бар'єр став вищим. Крива 4 відповідає напрузі Ua = 0. Для одержання Ua = 0 треба замкнути анод з катодом. У цьому випадку в просторі анод-катод електрони створюють об'ємний заряд і підвищується потенціальний бар'єр. Електрони, які мають великі початкові швидкості, переборюють цей бар'єр і долітають до анода. Таким чином, при Ua = 0 виникає невеликий анодний струм, який називають початковим (Io).
Крива 5 відповідає розриву ланцюга анода. У перший момент після розмикання анод має нульовий потенціал, що відповідає кривій 4. Тоді на анод надходять електрони і він набуває від’ємний потенціал. Правий кінець діаграми зсувається вгору (крива 5), потенціальний бар'єр підвищується, і на анод надходить усе менше електронів. Коли бар'єр настільки збільшиться, що жоден електрон не зможе його перебороти, зростання від’ємного потенціалу анода припиниться.
Таким чином, зміна анодного струму при зміні анодної напруги в режимі об'ємного заряду відбувається за рахунок зміни висоти потенціального бар'єра біля катода. Якщо анодна напруга збільшується, то бар'єр стає нижчим, його переборює більше електронів і анодний струм збільшується.
При зменшенні анодної напруги потенціальний бар'єр підвищується, тому менша кількість електронів може його перебороти, отже більше електронів повертається на катод, тобто анодний струм зменшується.
11.2. ЗАКОН СТЕПЕНІ ТРЬОХ ДРУГИХ
Для діода, що працює в режимі об'ємного заряду, анодний струм і анодна напруга зв'язані нелінійною залежністю, що приблизно виражається законом ступеня трьох других:
(11.3)
де g коефіцієнт, який залежить від геометричних розмірів і форми електродів.
Анодний струм пропорційний анодній напрузі в степені трьох других (3/2), а не в першому степені, як у законі Ома. Якщо збільшити, наприклад, анодну напругу вдвічі, то анодний струм зросте в 2,8 рази (тому що 23/2≈2,8), тобто стане на 40% більшим, чим повинний бути за законом Ома. Графічно цей закон описується напівкубічною параболою (рис.9.4). Закон ступеня трьох других не застосуємо для режиму насичення, коли Іa=Is=const. Криву ОАБ деколи називають теоретичною характеристикою діода.
Для діода з плоскими електродами
(11.4)
де Qа - діюча площа анода; d (а-к) - віддаль анод-катод.
Дійсна залежність між анодним струмом і анодною напругою помітно відрізняється від закону степені трьох других. Але, незважаючи на неточність, закон степені трьох других у простій формі враховує нелінійні властивості лампи.
11.3. АНОДНА ХАРАКТЕРИСТИКА
Анодна характеристика діода виражає залежність анодного струму від анодної напруги при сталій напрузі розжарення. Дійсна характеристика (рис.11.5) відрізняється від характеристики за законом степені трьох других, яка зображена штриховою лінією на малюнку. Це розходження пояснюється тим, що закон степені трьох других є наближеним, тому що при його виведенні початковим струмом I0 часто нехтують і зображують характеристику такою, що виходить з нульової точки.
Зі збільшенням напруги розжарення точка А зсувається вліво тому, що початкова швидкість електронів збільшується. Середню ділянку (БВ) характеристики приблизно вважають лінійною. Ділянка ВГ відповідає плавному переходу від режиму об'ємного заряду до режиму насичення. В області насичення (ділянка ГД) при підвищенні анодної напруги анодний струм зростає. Це пояснюється ефектом Шоткі і додатковим нагріванням катода від анодного струму. В оксидних катодів ефект Шоткі виражений сильно і додатковий нагрів від анодного струму значний, тому що опір оксидного шару великий і анодний струм є одного порядку із струмом розжарення.
Рис.11.5. Дійсна анодна характеристика діода
Зростання анодного струму в режимі насичення в оксидного катода настільки велике, що перехід від режиму об'ємного заряду до режиму насичення за характеристикою звичайно установити не можна.
11.4. ПАРАМЕТРИ ВАКУУМНОГО ДІОДА
Параметри діодів характеризують їхні властивості і можливості застосування. Деякі з цих параметрів нам уже відомі. Це напруга розжарення Uр, струм розжарення Ір і струм емісії катода Іе. Розглянемо інші параметри.
Крутизна (S) показує, як змінюється анодний струм при зміні анодної напруги на 1 В. Якщо зміна анодної напруги ΔUа викликає зміна анодного струму ΔIа, то крутизна
(11.5)
Крутизну виражають у міліамперах на вольт чи амперах на вольт. Якщо крутизна дорівнює, наприклад 4 мА/В, це означає, що зміна анодної напруги на 1 В викликає зміну анодного струму на 4 мА. Власне кажучи, крутизна є провідністю простору між анодом і катодом для змінної складової анодного струму.
Для визначення крутизни характеристики діода (рис.11.6) беруть приріст анодної напруги ΔUа на заданій ділянці АБ і відповідне йому збільшення анодного струму ΔIа. Крутизна пропорційна тангенсу кута нахилу α до дотичної в точці Т щодо осі Uа
(11.6)
де k - коефіцієнт, який виражений в одиницях провідності і враховує масштаб струму і напруги.
Рис.11.6. Визначення крутизни діода методом двох точок
Якщо ділянка АБ нелінійна, то визначена методом двох точок крутизна SAБ є середньою для даної ділянки. Вона приблизно дорівнює крутизні для точки Т посередині ділянки АБ, тобто SAБ≈ST.
При переході на нижню ділянку характеристики крутизна зменшується і наближається до нуля. Прийнято вказувати, для якої точки чи для якої ділянки характеристики приводиться крутизна. Наприклад: S = 1,5 мА/В при Uа = 2 В.
Сучасні діоди мають крутизну у межах (1 – 50) мA/В. У малопотужних діодах вона не перевищує одиниць міліамперів на вольт. В імпульсному режимі крутизна досягає сотень міліамперів на вольт. Крутизна залежить від конструкції електродів лампи.
Внутрішній диференціальний опір (Ri) діода являє собою опір простору між анодом і катодом для змінного струму. Він є величиною, зворотною крутизні
(11.7)
і звичайно складає сотні, а іноді десятки Oм.
Менше значення Rі у більш потужних ламп. При переході ...
09.06.2013 22:06-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора