Dispositivos de electrovacío: principio de funcionamiento, ejemplos. Las bombillas incandescentes de Thomas Edison

Los dispositivos de electrovacío se han generalizado. Con la ayuda de estos dispositivos, es posible convertir energía eléctrica de un tipo en energía eléctrica de otro tipo, que difiere en forma, magnitud y frecuencia de corriente o voltaje, así como energía de radiación en energía eléctrica y viceversa.

Con ayuda dispositivos de electrovacío Muro de prensa del cumpleaños de Gorreklama Voronezh.

es posible regular diversas cantidades eléctricas, luminosas y de otro tipo de forma suave o escalonada, a alta o baja velocidad y con un bajo consumo de energía para el proceso de regulación en sí, es decir, sin una disminución significativa de la eficiencia, característica de muchos otros métodos de regulación y control. .

Estas ventajas de los dispositivos de electrovacío han llevado a su uso para la rectificación, amplificación, generación y conversión de frecuencia de diversas corrientes eléctricas, oscilografía de fenómenos eléctricos y no eléctricos, control y regulación automática, transmisión y recepción de imágenes de televisión, varias medidas y otros procesos.

Los dispositivos de electrovacío son dispositivos en los que el espacio de trabajo, aislado por una carcasa estanca al gas, tiene un alto grado de vacío o está lleno de un medio especial (vapores o gases) y cuya acción se basa en el aprovechamiento de fenómenos eléctricos en vacío o gas.

Los dispositivos de electrovacío se dividen en dispositivos electrónicos, en los que pasa una corriente puramente electrónica en el vacío, y dispositivos iónicos (descarga de gas), que se caracterizan por una descarga eléctrica en un gas o vapor.

En los dispositivos electrónicos, la ionización está prácticamente ausente y, si se observa en pequeña medida, no tiene un efecto notable en el funcionamiento de estos dispositivos. La rarefacción del gas en estos dispositivos se estima a una presión de gas residual inferior a 10-6 mm Hg. Art., característico del alto vacío.

En los dispositivos iónicos, la presión de los gases residuales es de 10 a 3 mm Hg. Arte. y más alto. A esta presión, una parte importante de los electrones en movimiento choca con las moléculas de gas, lo que provoca la ionización y, por tanto, en estos dispositivos los procesos son electrón-iónicos.

El funcionamiento de dispositivos eléctricos de vacío conductores (sin descarga) se basa en el uso de fenómenos asociados con la corriente eléctrica en conductores sólidos o líquidos ubicados en un gas enrarecido. En estos dispositivos no hay descarga eléctrica en gas o vacío.

Los dispositivos de electrovacío se dividen según varios criterios. Un grupo especial está formado por tubos de vacío, es decir, dispositivos electrónicos diseñados para diversas transformaciones de cantidades eléctricas. Estas lámparas, según su finalidad, son generadores, amplificadores, rectificadores, convertidores de frecuencia, detectores, lámparas de medición, etc. La mayoría de ellas están diseñadas para funcionar en modo continuo, pero también se fabrican lámparas para modo pulsado. Crean impulsos eléctricos, es decir, corrientes de corta duración, siempre que la duración de los impulsos sea mucho más corta que los intervalos entre impulsos.

Los dispositivos de electrovacío también se clasifican según muchos otros criterios: por el tipo de cátodo (caliente o frío), por el diseño del cilindro (vidrio, metal, cerámica o combinado), por el tipo de enfriamiento (natural, es decir, radiante, forzado). aire agua).

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Utilizando dispositivos de electrovacío (EVD), es posible convertir cantidades eléctricas, como corriente o voltaje, en forma, valor y frecuencia, así como energía de radiación y viceversa. Es posible realizar una transformación compleja de una imagen óptica en electricidad forma especial o viceversa (en tubos de televisión y osciloscopio). Es posible regular cantidades eléctricas, luminosas y de otro tipo de forma suave o por pasos a alta o baja velocidad y con un bajo consumo de energía para el proceso de regulación en sí, es decir, sin una disminución significativa de la eficiencia. La característica de baja inercia de los EVP les permite usarse en un amplio rango de frecuencia de cero a 1012 Hz.

Estas ventajas de los dispositivos electrónicos han llevado a su uso para rectificación, amplificación, generación, conversión de frecuencia, oscilografía de fenómenos eléctricos y no eléctricos, control y regulación automática, transmisión y recepción de imágenes de televisión, mediciones diversas y otros procesos.

Los dispositivos de electrovacío son dispositivos en los que el espacio de trabajo, aislado por una carcasa estanca al gas, tiene un alto grado de vacío o está lleno de un medio especial (vapores o gases) y cuya acción se basa en el aprovechamiento de fenómenos eléctricos en vacío o gas.

Se debe entender por vacío el estado de un gas, en particular del aire, a presiones inferiores a la atmosférica. En relación con la EVP, el concepto de “vacío” se define en función de la naturaleza del movimiento de los electrones. Si los electrones se mueven libremente en el espacio, sin chocar con las moléculas que quedan después de bombear el gas, entonces se habla de vacío. Y si los electrones chocan con las moléculas de gas, entonces deberíamos hablar simplemente de un gas enrarecido.

Los dispositivos de electrovacío se dividen en electrónicos, en los que pasa una corriente puramente electrónica en el vacío, e iónicos (descarga de gas), que se caracteriza por una descarga eléctrica en un gas (o vapor).

En los dispositivos electrónicos, la ionización está prácticamente ausente y la rarefacción del gas por presión. menos de 100 μPa, característico del alto vacío.

En los dispositivos de iones la presión es de 133 * 10 -3 Pa y superior. En este caso, una parte importante de los electrones en movimiento choca con las moléculas de gas y las ioniza.

Hay otro grupo de EVP conductivos (sin descarga). Su acción se basa en el aprovechamiento de fenómenos asociados a la corriente eléctrica en conductores sólidos o líquidos ubicados en un gas descargado. En estos dispositivos carga eléctrica no en gas o vacío. Estos incluyen lámparas incandescentes, estabilizadores de corriente, condensadores de vacío, etc.

Un grupo especial de EVP consta de tubos electrónicos destinados a varios Transformaciones de cantidades eléctricas. Estas lámparas son generador, amplificador, rectificador, convertidor de frecuencia, detector, medidor, etc.

Dependiendo de las frecuencias de funcionamiento, los tubos de vacío se dividen en de baja frecuencia., alta frecuencia y ultraalta frecuencia.

En todos los EVP, el flujo de electrones se puede regular influyéndolo con un campo eléctrico o magnético. Los tubos electrónicos que tienen dos electrodos (un cátodo y un ánodo) se denominan diodos. Los diodos para rectificar corriente alterna en fuentes de alimentación se denominan kenotrones. Las lámparas que tienen electrodos de control en forma de rejilla vienen con un número de electrodos de tres a ocho y se denominan respectivamente: triodo, tetrodo, pentodo, hexodo, heptodo y octodo. En este caso, las lámparas con dos o más rejillas se clasifican en el grupo de lámparas multielectrodos. Si una lámpara contiene varios sistemas de electrodos con flujos de electrones independientes, se llama combinada (doble, diodo, doble triodo, triodo-pentodo, doble diodo-pentodo, etc.).

Los principales dispositivos de iones son tiratrones, diodos zener, lámparas con indicación de señales, válvulas de mercurio (controladas y no controladas), pararrayos de iones, etc.

Un gran grupo está formado por dispositivos de rayos catódicos, que incluyen tubos de imagen (tubos receptores de televisión), tubos transmisores de televisión, tubos oscilográficos y de almacenamiento, convertidores de imágenes electrón-ópticos, interruptores de rayos catódicos, tubos indicadores de estaciones de radar e hidroacústicas, etc.

El grupo de dispositivos fotoelectrónicos incluye fotocélulas de electrovacío (electrónicas e iónicas) y multiplicadores fotoelectrónicos. Los dispositivos de iluminación eléctrica incluyen lámparas incandescentes, fuentes de luz de descarga de gas y lámparas fluorescentes.

Un lugar especial lo ocupan los tubos de rayos X, los contadores de partículas elementales y otros dispositivos especiales.

Los dispositivos de electrovacío también se clasifican según otros criterios: por el tipo de cátodo (frío o caliente), por el material y diseño del cilindro (vidrio, metal, cerámica, combinado), por el tipo de enfriamiento (natural o radiante, y forzado: aire, agua, vapor).

Los dispositivos de electrovacío (EVD) son dispositivos en los que se crea una corriente eléctrica mediante un flujo de electrones o iones que se mueven en un entorno de alto vacío o de gas inerte. Los EVP se dividen en lámparas controladas electrónicamente (ECL), tubos de rayos catódicos (CRT), dispositivos de descarga de gas (GD) y dispositivos fotoeléctricos (fotoelectrónicos).

En un EUL, se crea una corriente eléctrica mediante el movimiento en alto vacío (la presión del gas es de solo 1,33 () Pa (mm Hg)) de electrones de un electrodo a otro. El EUL más simple es un diodo.

Diodo. Un diodo contiene sólo dos electrodos: un cátodo y un ánodo. El cátodo es una fuente de electrones libres. Para que los electrones abandonen el cátodo, es necesario darles energía adicional, llamada función de trabajo. Los electrones reciben esta energía cuando el cátodo se calienta con una corriente eléctrica. La emisión de electrones por un cátodo calentado se llama emisión termoiónica.

La carga espacial negativa formada por los electrones que escapan del cátodo crea un campo eléctrico en su superficie, que impide que los electrones abandonen el cátodo, formando una barrera potencial en su camino.

Se aplica al ánodo un voltaje positivo con respecto al cátodo, lo que reduce la barrera de potencial en la superficie del cátodo. Los electrones, cuya energía es suficiente para superar la barrera de potencial, abandonan la región de carga espacial, entran en el campo eléctrico acelerado del voltaje del ánodo y se mueven hacia el ánodo, creando una corriente anódica. A medida que aumenta el voltaje del ánodo, también aumenta la corriente del ánodo del diodo.

Con un voltaje de ánodo negativo, la barrera de potencial en la superficie del cátodo aumenta, la energía de los electrones es insuficiente para superarla y no fluye corriente a través del diodo. Ésta es una característica importante del diodo: su conductividad eléctrica unidireccional.

En la Fig. La Figura 3.1 muestra los símbolos de los diodos y los diagramas de su conexión a la fuente de voltaje del ánodo.

Triodo. A diferencia de un diodo, un triodo tiene tres electrodos: un cátodo, un ánodo y una rejilla (Fig. 3.2, a, b). La rejilla se encuentra

entre el cátodo y el ánodo en las inmediaciones del cátodo. Si se aplica un voltaje negativo a la rejilla (Fig. 3.2, c), entonces la barrera de potencial en el cátodo aumentará y la corriente del ánodo disminuirá. A un cierto voltaje negativo de la red, llamado voltaje de apagado U CK .з an, la corriente del ánodo disminuirá a cero. Si se aplica un voltaje positivo a la rejilla (Fig. 3.2, d), entonces el campo eléctrico que crea entre el cátodo y la rejilla conducirá a una disminución de la barrera de potencial y un aumento de la corriente del ánodo.

Debido al hecho de que la rejilla está ubicada más cerca del cátodo que del ánodo, el voltaje que se le aplica afecta la barrera de potencial y la corriente del ánodo del triodo mucho más fuertemente que el voltaje del ánodo del mismo valor. Por lo tanto, en un triodo, la corriente del ánodo se controla cambiando el voltaje de la red y no el voltaje del ánodo.

Las principales características del triodo son familias de características estáticas de ánodo-rejilla (transferencia), tomadas a diferentes voltajes de ánodo U a k (Fig. 3.3, a), y características de ánodo (salida) I a = f (U ak), tomadas en diferentes voltajes de red (Fig. 3.3, b).

Las desventajas del triodo son la gran capacitancia de paso (capacitancia entre la rejilla y el ánodo) y la baja ganancia estática. Estas desventajas se eliminan introduciendo una segunda rejilla en el EUL.

Tetrodo. Se trata de una lámpara controlada electrónicamente de cuatro electrodos que contiene un cátodo, un ánodo y dos rejillas (Fig. 3.4, a). La primera rejilla, situada cerca del cátodo, se utiliza, como en un triodo, para controlar la corriente del ánodo y se denomina rejilla de control. La segunda rejilla, situada entre la primera rejilla y el ánodo, es una especie de pantalla entre estos electrodos. Como resultado del efecto de blindaje de la segunda rejilla, la capacidad de rendimiento de la lámpara y la influencia del voltaje del ánodo en

Barrera potencial en la superficie del cátodo. Por lo tanto, para crear un movimiento dirigido de electrones desde el cátodo al ánodo, se aplica un voltaje positivo U c 2 k a la segunda rejilla, llamada blindaje, que es igual o ligeramente menor que el voltaje del ánodo. En este caso, parte de los electrones golpea la rejilla protectora y crea una corriente I c2 de esta rejilla.

Los electrones que golpean el ánodo eliminan los electrones secundarios. Cuando (y tales casos ocurren durante el funcionamiento del tetrodo), los electrones secundarios son atraídos por la rejilla de protección, lo que conduce a un aumento de la corriente de la rejilla de protección y una disminución de la corriente del ánodo. Este fenómeno se llama efecto dinatrón. Para eliminar el efecto dinatrón, que limita el área de trabajo del EUL, se crea una barrera potencial para electrones secundarios entre el ánodo y la malla protectora. Dicha barrera se forma aumentando la densidad del flujo de electrones mediante su enfoque en tetrodos del haz (Fig. 3.4, b) o introduciendo una tercera rejilla, que suele tener potencial cero, entre la rejilla de protección y el ánodo.

Pentodo. Un EUL de cinco electrodos se llama pentodo (Fig. 3.4, i). El potencial cero de la tercera rejilla, llamada antidinatrón o protectora, se garantiza conectándola eléctricamente al cátodo.

Las principales características de los tetrodos y pentodos son las familias de características de ánodo estático (salida) en y ánodo de rejilla en, que se toman a un voltaje constante U c 2k y se representan en el mismo gráfico (Fig. 3.5).

Los parámetros que caracterizan las propiedades amplificadoras de EUL son:

pendiente de la característica ánodo-rejilla

resistencia interna (diferencial)

ganancia estática

Los parámetros S, y , llamados diferenciales, están relacionados entre sí por la relación.

Tubos de rayos catódicos

Los tubos de rayos catódicos (CRT) son dispositivos electrónicos de vacío que utilizan una corriente de electrones concentrados en forma de haz. Estos dispositivos tienen la forma de un tubo extendido en la dirección del haz. Los elementos principales de un CRT son un cilindro o bombilla de vidrio, un foco electrónico, un sistema de desviación y una pantalla (Fig. 3.6).

El cilindro 7 sirve para mantener el vacío requerido en el CRT y proteger los electrodos de daños mecánicos y

impactos climáticos. Parte de la superficie interior del cilindro está cubierta con una película de grafito 8, llamada Aquadag. Se aplica al aquadag un voltaje positivo con respecto al cátodo.

Un foco electrónico está diseñado para crear un haz de electrones enfocado (haz) con la densidad de corriente requerida. Consta de un cátodo termoiónico 2, dentro del cual se encuentra un calentador 1, un electrodo de control 3, llamado modulador, los primeros 4 y los segundos 5 ánodos. El modulador y los ánodos tienen forma de cilindros huecos coaxiales con un cátodo cilíndrico.

El modulador está conectado a una fuente de voltaje negativo, ajustable de cero a varias decenas de voltios. Se aplican voltajes positivos a los ánodos: varios cientos de voltios para el primero y varios kilovoltios para el segundo.

Se forma un campo eléctrico no uniforme entre el modulador y el primer ánodo, que concentra todos los electrones emitidos por el cátodo y que pasan a través del orificio del modulador en un punto determinado del eje del CRT en la cavidad del primer ánodo. Este campo eléctrico se llama lente electrostática.

Se forma una segunda lente electrostática entre el primer y el segundo ánodo. A diferencia del primero, de enfoque corto, este es de enfoque largo: su enfoque se encuentra en el eje CRT en el plano de la pantalla 9.

Un cambio en el voltaje del modulador conduce a un cambio en la cantidad de electrones que pueden superar la barrera de potencial en el cátodo y entrar en el campo eléctrico acelerado del primer ánodo. En consecuencia, el voltaje del modulador determina la densidad del haz de electrones y el brillo del punto luminoso en la pantalla CRT. El enfoque del haz en la pantalla CRT se logra cambiando el campo eléctrico no uniforme de la segunda lente electrostática cambiando el voltaje del primer ánodo.

El sistema de desviación sirve para dirigir el haz de electrones enfocado a cualquier punto de la pantalla. Esto se logra exponiendo el haz de electrones a un campo eléctrico o magnético transversal.

Cuando un campo eléctrico desvía un haz de electrones (deflexión electrostática), se aplican voltajes de deflexión a dos pares de placas paralelas 6 mutuamente perpendiculares. El haz de electrones, que pasa entre las placas, se desvía hacia la placa con mayor potencial. Las placas, cuyo campo eléctrico desvía el haz de electrones en dirección horizontal, se denominan deflexión horizontal o placas X, y en dirección vertical, deflexión vertical o placas Y.

El parámetro principal de un sistema de deflexión electrostática es la sensibilidad de deflexión S, definida como la relación entre la deflexión del punto luminoso en la pantalla CRT y el voltaje de deflexión. Para CRT modernos S E = 0,1 ... 3 mm/V.

Además de la electrostática, también se utiliza la desviación magnética del haz de electrones. El campo magnético deflector se crea mediante una corriente que pasa a través de dos pares de bobinas ubicadas mutuamente perpendiculares al cuello del CRT.

Las pantallas de 9 tubos de rayos catódicos, que se utilizan para convertir señales eléctricas en luz, están recubiertas con una composición especial: un fósforo, que brilla cuando una corriente concentrada de electrones incide sobre ellas. Como fósforo se utilizan sulfuros de zinc y zinc-cadmio, silicato de zinc (willemita), tungstatos de calcio y cadmio. Estas pantallas se denominan fluorescentes.

Sólo una parte de la energía del haz de electrones se gasta en el resplandor del fósforo. El resto de la energía del haz se transfiere a los electrones de la pantalla y provoca la emisión de electrones secundarios desde la superficie de la pantalla. Los electrones secundarios son atraídos por el aquadag, que suele estar conectado eléctricamente al segundo ánodo.

Las pantallas CRT utilizadas para producir imágenes en color contienen granos de fósforo con luminiscencia azul, roja y verde, tríadas dispuestas en un orden determinado. En el cuello del tubo se encuentran tres focos electrónicos autónomos. Están ubicados de tal manera que sus haces de electrones se cruzan a cierta distancia de la pantalla. Se instala una máscara de sombra en el plano de intersección de los rayos, en el que hay una gran cantidad de agujeros. Después de pasar a través de los agujeros de la máscara, cada uno de los haces de electrones incide en su elemento de la tríada (figura 3.7).

Mezclando tres colores de diferente brillo se obtiene un brillo del color deseado.

Además de las fluorescentes, existen pantallas dieléctricas. Un haz de electrones, al moverse a través de una pantalla de este tipo, crea diversas cargas en sus secciones, es decir, una especie de alivio potencial que puede persistir durante mucho tiempo. Las pantallas dieléctricas se utilizan en CRT de almacenamiento, llamadas potencialoscopios.

DISPOSITIVOS DE DESCARGA DE GAS

El principio de funcionamiento de los dispositivos de descarga de gas (GD) se basa en fenómenos eléctricos que ocurren en un ambiente gaseoso.

Los cilindros de fractura hidráulica se llenan con gases inertes (neón, argón, helio, etc.), sus mezclas, hidrógeno o vapor de mercurio. En condiciones normales, la mayoría de los átomos y moléculas de un gas son eléctricamente neutros y el gas es un buen dieléctrico. Un aumento de temperatura, la exposición a fuertes campos eléctricos o partículas de alta energía provocan la ionización del gas. La ionización de gas que ocurre cuando electrones que se mueven rápidamente chocan con átomos de gas neutros se llama ionización de impacto. Se acompaña de la aparición de electrones libres e iones positivos, lo que conduce a un aumento significativo de la conductividad eléctrica del gas. Un gas altamente ionizado se llama plasma de iones de electrones o simplemente plasma.

Junto con el proceso de ionización de gases, también existe un proceso inverso llamado recombinación. Dado que la energía total de un electrón y un ion positivo es mayor que la energía de un átomo neutro, durante la recombinación se libera una parte de la energía, que va acompañada del brillo del gas.

El proceso de pasar una corriente eléctrica a través de un gas se llama descarga eléctrica en un gas. La característica corriente-voltaje de la brecha de descarga de gas se muestra en la Fig. 3.8.

Con la tensión U 3 , denominada tensión de encendido, la ionización del gas adquiere un carácter similar al de una avalancha. La resistencia del espacio de descarga de gas entre el ánodo y el cátodo disminuye drásticamente y aparece una descarga luminosa en la descarga de gas (sección CD). La tensión de combustión U r, que sustenta la descarga incandescente, es algo menor que la tensión de encendido. Durante una descarga luminosa, los iones positivos se mueven hacia el cátodo y, al golpear su superficie, aumentan la cantidad de electrones emitidos debido al calentamiento y la secundaria.

sin emisión de electrones. Dado que no se requiere un ionizador externo, la descarga luminosa se llama autosostenida, a diferencia de la descarga en la sección AB, que requiere un ionizador externo (radiación cósmica, emisión termoiónica, etc.) para su apariencia y se llama no- autosostenible. Con un aumento significativo de la corriente en la zona de fracturación hidráulica, se produce una descarga de arco (sección EF). Si la descarga del arco está sustentada por la emisión termoiónica del cátodo debido a su calentamiento por el impacto de iones positivos en la superficie, la descarga se llama autosostenida. Si la emisión termoiónica del cátodo se crea mediante su calentamiento desde una fuente de voltaje externa, entonces la descarga del arco se llama no autosostenida.

Una descarga luminosa, acompañada de un resplandor de gas, se utiliza en lámparas de neón, señales de descarga de gas e indicadores lineales, diodos Zener y algunos otros dispositivos de fractura hidráulica.

Indicadores de descarga de gases. Los indicadores importantes de descarga de gas consisten en un cilindro lleno de gas, diez cátodos y un ánodo común. Los cátodos tienen forma de números, letras u otros símbolos. Se aplica voltaje al ánodo y a uno de los cátodos a través de una resistencia limitadora. Entre estos electrodos se produce una descarga luminosa que tiene forma de cátodo. Al cambiar diferentes cátodos, se pueden mostrar diferentes signos. Los indicadores de signos segmentarios son más universales. Así, el indicador de descarga luminosa de segmento IN-23, que consta de 13 segmentos, permite, con la conmutación adecuada de los cátodos de segmento, resaltar cualquier número del 0 al 9, una letra del alfabeto ruso o latino.

Los indicadores lineales de descarga de gas (LGI) muestran información sobre el voltaje o la corriente en un circuito en forma de puntos o líneas luminosas. La posición del punto y la longitud de la línea son proporcionales al voltaje o corriente en el circuito. El sistema de electrodos LGI tiene una forma cilíndrica alargada.

Diodo Zener de descarga de gas. El diodo Zener (Fig. 3.9, a) tiene dos electrodos: el cátodo 1, realizado en forma de cilindro hueco, y el ánodo 3, en forma de una varilla delgada ubicada a lo largo del eje del cátodo. Para reducir el voltaje de encendido, se suelda un pequeño pin 2, llamado electrodo de encendido, en el interior del cátodo.

El funcionamiento de un diodo zener de descarga luminiscente se basa en mantener un voltaje de combustión casi constante en sus electrodos cuando la corriente que fluye a través del diodo zener cambia dentro de límites significativos (sección CD en la Fig. 3.8).

Los diodos Zener se utilizan para estabilizar el voltaje en circuitos de CC.

Tiratrón. Un dispositivo de fractura hidráulica más complejo es el tiratrón. Contiene un cátodo, un ánodo y uno o más electrodos de control llamados rejillas. Un tiratrón puede estar en dos estados estables: no conductor y conductor. En la Fig. 3.9, b muestra el dispositivo de un tiratrón con un cátodo frío del tipo MTX-90. El tiratrón consta de un cátodo cilíndrico 1, un ánodo metálico de varilla 2 y una malla metálica 3 realizada en forma de arandela. Cuando se aplica a la rejilla un voltaje pequeño, positivo en relación con el cátodo, se produce una descarga auxiliar "silenciosa" entre la rejilla y el cátodo. Cuando se aplica un voltaje positivo al ánodo, la descarga se transfiere al ánodo. Cuanto mayor sea la corriente de descarga auxiliar en el circuito de la red, menor será el voltaje de ignición del tiratrón. Después de que se produce una descarga entre el cátodo y el ánodo, un cambio en el voltaje de la red no afecta la intensidad de la corriente del tiratrón, y la corriente a través del tiratrón se puede detener reduciendo el voltaje del ánodo a un valor menor que el voltaje de combustión.

Los tiratrones de descarga luminosa consumen muy poca energía, operan en un amplio rango de temperaturas, no son sensibles a sobrecargas a corto plazo y están listos para una acción instantánea. Por estas cualidades se utilizan en dispositivos de pulso, generadores, algunas unidades de computadoras, equipos de retransmisión, dispositivos de visualización, etc.

DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS

Los dispositivos fotoeléctricos de electrovacío y descarga de gas incluyen fotocélulas y fotomultiplicadores, cuyo principio de funcionamiento se basa en el uso de un efecto fotoeléctrico externo.

La fotocélula (Fig. 3.10) tiene un matraz de vidrio 2 en el que se crea un vacío (fotocélula de vacío eléctrica

ment) o que está lleno de un gas inerte (fotocélula de descarga de gas) Consta de un ánodo y un fotocátodo. El fotocátodo es la superficie interior de la bombilla 3 (con la excepción de un área pequeña, la ventana 1), cubierta con una capa de plata, encima de la cual se aplica una capa de óxido de cesio. El ánodo 4 tiene forma de anillo para no interferir con el flujo de luz. El ánodo y el cátodo están equipados con cables 6 que pasan a través de un soporte de plástico 5 del matraz.

Cuando el fotocátodo se ilumina con un flujo de luz, los electrones quedan eliminados. Si se aplica al ánodo un voltaje positivo relativo al cátodo, los electrones eliminados del fotocátodo serán atraídos hacia el ánodo, creando una fotocorriente If en su circuito. La dependencia de la fotocorriente del flujo luminoso Ф se llama campo luminoso.

Características de la fotocélula. La fotocorriente también depende del voltaje U aplicado entre el fotocátodo y el ánodo. Esta dependencia se denomina característica corriente-voltaje anódica. Tiene una región de saturación pronunciada, en la que la fotocorriente depende poco del voltaje del ánodo (Fig. 3.11, a)

En las fotocélulas de descarga de gas, un aumento del voltaje U provoca la ionización del gas y un aumento de la fotocorriente (Fig. 3.11, b).

Debido al bajo valor de la fotocorriente (hasta varias decenas de microamperios para fotocélulas de vacío y varias unidades de microamperios para fotocélulas de descarga de gas), las fotocélulas se suelen utilizar con amplificadores de lámpara o transistores.

Un tubo fotomultiplicador (PMT) se llama EVP, en el que la corriente de emisión de fotoelectrones se amplifica debido a la emisión de electrones secundarios. En el recipiente de vidrio del PMT (Fig. 3.12), en el que se mantiene un alto vacío, además del fotocátodo K y el ánodo A, hay electrodos adicionales que son emisores de electrones secundarios y se llaman dinodos. El número de dinodos en un fotomultiplicador puede llegar a 14. Se aplican voltajes positivos a los dinodos, y los voltajes de los dínodos aumentan con la distancia desde el fotocátodo. El voltaje entre dinodos adyacentes es de aproximadamente 100 V. Cuando el fotocátodo se ilumina, de su superficie salen electrones, que son acelerados por el campo de eliminación eléctrica del primero.

dínodo y caen sobre el primer dínodo, eliminando electrones secundarios del mismo. El número de estos últimos es varias veces mayor que el número de electrones emitidos por el fotocátodo. Bajo la influencia de un campo eléctrico entre el primer y el segundo dinodo, los electrones emitidos por el primer dinodo ingresan al segundo dinodo D2, eliminando electrones secundarios. El número de electrones secundarios eliminados del dínodo D2 es varias veces mayor que el número de electrones que lo golpean. Por tanto, se produce un aumento en el número de electrones secundarios en cada dínodo. En consecuencia, en los PMT la fotocorriente del cátodo se multiplica, lo que permite utilizarlos para medir flujos luminosos muy bajos. La corriente de salida del PMT alcanza varias decenas de miliamperios.

Preguntas y tareas de prueba

1. Explique el principio de controlar la corriente del ánodo en el EUL utilizando el voltaje de la red de control.

2. Nombra las partes principales de un CRT de control de haz electrostático y explica su propósito.

3. Nombra los principales tipos de dispositivos y áreas de descarga de gas.
sus aplicaciones.

4. Dé una breve descripción del efecto fotoeléctrico externo. Qué
¿Cómo se utiliza este fenómeno en fotocélulas y fotomultiplicadores?

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Definición . Los dispositivos eléctricos de vacío son dispositivos cuyo principio de funcionamiento se basa en el aprovechamiento de fenómenos eléctricos en gases o el vacío que se produce en un espacio de trabajo aislado del medio ambiente por una carcasa (cilindro) hermética a los gases.

Los dispositivos de electrovacío y descarga de gas se fabrican en forma de un cilindro de vidrio, cerámica o metal, en cuyo interior se colocan electrodos en condiciones de alto vacío o gas inerte: cátodo, ánodo, rejilla. El cátodo es un radiador (emisor) de electrones libres, el ánodo es un colector (colector) de portadores de carga. La corriente del ánodo se controla mediante rejillas o electrodos de control.

Para tener una idea de los dispositivos eléctricos de vacío y descarga de gas utilizados en los equipos electrónicos de aviación, consideremos su clasificación.

Clasificación y designación gráfica simbólica.

1. Según la cantidad de electrodos, los dispositivos electrónicos se dividen en lámparas de dos electrodos (diodo de vacío), de tres electrodos (triodo de vacío) y de múltiples electrodos.

Arroz. 1.

Diodo de electrovacío - Se trata de una lámpara de dos electrodos que consta de un cátodo y un ánodo. Si el voltaje en el ánodo es positivo en relación con el cátodo, entonces los electrones emitidos por el cátodo se mueven hacia el ánodo, creando una corriente anódica. Cuando el voltaje es negativo, no hay corriente en el ánodo, por lo tanto el diodo conduce en una sola dirección. Esta propiedad del diodo determina su propósito principal: rectificar la corriente alterna. La designación gráfica simbólica de un diodo eléctrico de vacío se muestra en la figura. 1.

triodo de electrovacío Es una lámpara de tres electrodos en la que se ubica una rejilla entre el ánodo y el cátodo. La rejilla está diseñada para regular la corriente del ánodo. La tensión de la red modifica el campo entre el ánodo y el cátodo y, por tanto, influye en la corriente del ánodo. Si el voltaje en la red es negativo en relación con el cátodo, entonces tiene un efecto inhibidor sobre los electrones emitidos por el cátodo, como resultado de lo cual la corriente del ánodo disminuye. Cuando el voltaje de la red es positivo, tiene un efecto acelerador sobre los electrones, aumentando la corriente del ánodo. En este caso, parte de los electrones golpean la red creando una corriente de red. En consecuencia, la rejilla es un electrodo de control, cuyo voltaje le permite cambiar la corriente del ánodo.

La designación gráfica convencional de un triodo de vacío eléctrico se muestra en la figura. 2.

Arroz. 2.

Para aumentar el efecto sobre la corriente del ánodo, la rejilla se ubica más cerca del cátodo. Cuando el voltaje en la red es negativo, prácticamente no hay corriente en ella.

Arroz. 3. Designación gráfica convencional de triodos: a - con una rejilla catódica; b - con rejilla de pantalla

A lámparas multirrejilla relatar: tetrodos- con dos rejillas, pentodos- con tres rejillas, hexodos- con cuatro rejillas, heptodes- con cinco rejillas y octodos- con seis rejillas. Los más comunes son los tetrodos y pentodos.

Ud. tetrodos una de las rejillas se llama rejilla de control y tiene un voltaje negativo. La otra rejilla se encuentra entre el control y el ánodo o entre el control y el cátodo. En el primer caso, dicha rejilla se llama blindaje, en el segundo, cátodo.

La designación gráfica convencional de los tetrodos eléctricos de vacío se muestra en la Fig. 3.

En los tetrodos con rejilla de apantallamiento, la corriente catódica se distribuye entre la rejilla de apantallamiento y el ánodo. La principal ventaja de un tetrodo de este tipo es la reducción de la capacitancia entre el ánodo y la rejilla de control. La malla protectora reduce esta capacitancia a fracciones de picofaradio y reduce la permeabilidad del ánodo.

Sin embargo, la proximidad de la rejilla de blindaje al ánodo tiene la desventaja de que a baja tensión el ánodo parece efecto dinatrón- reducción de la corriente del ánodo debido a la emisión secundaria (caída en la característica del ánodo (Fig. 3.4)). En este caso, los electrones secundarios no regresan al cátodo, sino que son capturados por la rejilla de apantallamiento.

Pentodo Llamada lámpara con tres rejillas. La introducción de la tercera rejilla se debe a la necesidad de eliminar el efecto dinatrón característico del tetrodo. Esta rejilla se llama protectora (o antidinatrón) y está ubicada entre la rejilla protectora y el ánodo. El voltaje en esta rejilla generalmente se iguala al voltaje en el cátodo; para este propósito, a veces se conecta al cátodo dentro del matraz. El efecto dinatrón se elimina debido a la barrera potencial formada en el espacio entre el ánodo y la malla de cribado. Al mismo tiempo, esta barrera de potencial no supone un obstáculo importante para que los electrones se muevan hacia el ánodo a gran velocidad.

2. Según las características estructurales del circuito de filamento, los tubos electrónicos se dividen en lámparas con cátodos calentados directamente y lámparas con cátodos calentados indirectamente.

Cátodo de filamento directo Es un filamento metálico fabricado con un material de alta resistencia (tungsteno o tantalio), a través del cual pasa una corriente incandescente. Este cátodo se caracteriza por bajas pérdidas de calor, simplicidad de diseño y baja inercia térmica. La desventaja de un cátodo de este tipo es que debe alimentarse con corriente continua. Cuando se alimenta con corriente alterna con una frecuencia de 50 Hz, la corriente de emisión cambia con el doble de la frecuencia del voltaje de suministro, lo que crea un ruido de fondo no deseado de baja frecuencia.

Cátodo de filamento indirecto Representa un tubo que contiene un filamento en su interior. El filamento está aislado del cátodo. Como resultado, las pulsaciones de temperatura y corriente de emisión al alimentar el filamento con corriente alterna prácticamente se suavizan.

• 3. A proposito Las lámparas se dividen en amplificadores receptores, generador, convertidor de frecuencia, detector, medidor etcétera.
• 4. Dependiendo del rango de frecuencia de funcionamiento distinguir entre lámparas bajo ( de 1 - 30 MHz), alto(de 30 a 600 MHz) y Ultra alto(más de 600 MHz) frecuencias.
• 5. Por tipo de emisión electrónica distinguir lámparas con termoiónico, secundario Y fotoelectrónico emisiones.

La emisión de electrones es necesaria para crear un flujo de electrones dentro de un dispositivo de vacío eléctrico entre los electrodos.

La emisión termoiónica es el proceso por el cual los electrones abandonan cuerpos sólidos o líquidos al vacío o al gas.

La emisión secundaria de electrones se refiere a la emisión de electrones por un cuerpo debido al bombardeo de electrones emitidos por otro cuerpo.

La emisión de fotoelectrones se refiere a la emisión de electrones por parte de un cuerpo ubicado en un flujo de energía radiante.

2.1.2 Características y parámetros

Las características de la lámpara expresan la dependencia de las corrientes de los voltajes en sus distintos circuitos. Las propiedades de los tubos de electrones se evalúan mediante anódico o rejilla de ánodo características estáticas.

Ánodo una característica estática es una dependencia expresada gráficamente de la corriente del ánodo I a del voltaje en el ánodo Ud. a. Adiccion I a = F(Ud. a) se elimina para varios valores de voltaje constante Ud. Con(La excepción son las características del ánodo del diodo). Apariencia la característica del ánodo está determinada por el número de electrodos en la lámpara (Figura 4).

Arroz. 4. Características de los ánodos de tubos electrónicos: a - diodo; b - triodo; c - tetrodo; g - pentodo

Las características estáticas de la red anódica son dependencias expresadas gráficamente de la corriente del ánodo. I A de la tensión de red Ud. C a valores fijos de voltaje anódico Ud. A. Igual que para las características de dependencia anódica. I A = f(u Con ) tomado para varios valores constantes del voltaje del ánodo Ua. (Figura 5).

Cuanto mayor sea el voltaje del ánodo Ud. A, cuanto más arriba y hacia la izquierda se ubican las características ánodo-rejilla I A = f(u Con ) . Esto se explica por el hecho de que a mayor voltaje del ánodo se debe aplicar un voltaje negativo mayor a la red, de modo que el campo eléctrico resultante en el espacio entre el cátodo y la red permanezca sin cambios en magnitud.

A parámetros eléctricos básicos Los diodos de vacío incluyen lo siguiente: dispositivo de descarga de gas al vacío

1. Resistencia CC interna:

Dónde Ud. A- componente constante de la tensión del ánodo, I A- componente constante de la corriente del ánodo.

Arroz. 5. Características de la rejilla de ánodo de los tubos de electrones: a - triodo; b - pentodo

2. Resistencia diferencial interna R d Un diodo representa la resistencia del espacio entre el ánodo y el cátodo para corriente alterna. Es el recíproco de la pendiente y se determina utilizando las características estáticas del ánodo (Fig. 3.4, a):

y normalmente asciende a cientos y, a veces, decenas de ohmios.

Generalmente resistencia R 0 más R d .

3. Pendiente S muestra cómo cambia la corriente del ánodo cuando cambia el voltaje del ánodo y se expresa mediante la siguiente dependencia:

• 4. Tensión de filamento U norte- tensión suministrada al calentador. Este valor es un valor de pasaporte. Cuando la lámpara se sobrecalienta, la temperatura del cátodo disminuye y, por tanto, la corriente de emisión. Cuando el voltaje del filamento aumenta bruscamente Ud. norte la vida útil del cátodo se reduce drásticamente, por lo que el voltaje del filamento no debe desviarse más del 10% del nominal.
• 5. Corriente de emisión I mi - la corriente máxima que se puede obtener como resultado de la emisión de electrones por el cátodo termoiónico. Está representado por la carga total de electrones que abandonaron el cátodo termoiónico en un segundo.
• 6. Aceptable tensión inversa diodo U llegar max- el voltaje negativo máximo en el ánodo que el diodo puede soportar sin violar las propiedades de conductividad unidireccional.

Los parámetros de algunos diodos de vacío en serie se dan en la tabla. 1.

Tabla 1. Parámetros principales de los diodos de vacío en serie.

Los principales parámetros eléctricos de los tubos electrónicos que constan de tres o más electrodos incluyen:

1. La resistencia interna (salida) de la lámpara es la resistencia del La brecha ánodo-cátodo de la lámpara para el componente alterno de la corriente del ánodo está determinada por la fórmula:

Dónde Ud. A - cambio de voltaje en el ánodo, V; I A- cambio en la corriente del ánodo, mA. Para los diodos de vacío, la resistencia interna se llama resistencia de corriente alterna y se define como:

2. Pendiente de la característica S muestra cuántos miliamperios cambiará la corriente del ánodo de la lámpara cuando el voltaje en la rejilla de control cambia en 1 V en voltajes constantes en el ánodo y otras rejillas:

Dónde Ud. Con - cambio en el voltaje de la red, V.

Cabe señalar que cuanto mayor sea la pendiente, más fuerte será la acción de control de la rejilla y mayor será la ganancia de la lámpara, en igualdad de condiciones.

3. Ganancia estática muestra cuántas veces un cambio de voltaje en la primera rejilla tiene un efecto más fuerte sobre la corriente del ánodo que un cambio en el voltaje del ánodo. La ganancia está determinada por la relación entre el cambio en el voltaje del ánodo y el cambio en el voltaje de la red, que afectan igualmente la corriente del ánodo:

4. La potencia disipada en el ánodo está determinada por la fórmula:

5. Potencia de salida Pout caracteriza la potencia útil suministrada por la lámpara al circuito externo.

Los parámetros de algunos triodos, tetrodos y pentodos en serie se dan en la tabla. 2.

Tabla 2. Parámetros básicos de triodos, tetrodos y pentodos en serie

Dispositivos de electrovacío.

1. Electrovacío Son dispositivos en los que la conductividad eléctrica la realizan electrones o iones que se mueven entre electrodos a través de un vacío o gas. Los dispositivos de electrovacío se dividen en lámparas controladas electrónicamente, rayo de electrones Y dispositivos de descarga de gas.

Los elementos estructurales básicos de cualquier dispositivo eléctrico de vacío son electrodos colocados dentro de un cilindro (carcasa hermética a los gases). El electrodo de un dispositivo de vacío eléctrico es un conductor que emite (emite) o recoge electrones (iones) o controla su movimiento de un electrodo a otro mediante un campo eléctrico. Dependiendo del propósito, se distinguen los siguientes electrodos de un dispositivo de vacío eléctrico: cátodo, ánodo y de control.

^ cátodo– es una fuente de electrones en un dispositivo de vacío eléctrico.

Ánodo– electrodo acelerador: generalmente sirve como electrodo de salida y como colector principal (colector) de electrones.

Gerentes llamado electrodo diseñado para controlar el flujo principal de electrones. Si el electrodo de control tiene forma de rejilla, a menudo se le llama rejilla de control. Los electrodos se fabrican en forma de hilos, placas planas, cilindros huecos y espirales; se fijan dentro del cilindro sobre soportes especiales: travesaños y aisladores de mica o cerámica. Los extremos de los soportes están soldados a la base de vidrio del cilindro.

Cilindros Los dispositivos de electrovacío son carcasas estancas a los gases hechas de vidrio, metal o cerámica. En los cilindros de lámparas controladas electrónicamente se crea un vacío de 10 -8 ... 10 -4 Pa, y en los cilindros de dispositivos de descarga de gas - 10 -1 ... 10 4 Pa.

^ El primer dispositivo de electrovacío del mundo. – la lámpara incandescente fue inventada en 1873 por el científico ruso A.N. Lodygin. En 1883, el inventor estadounidense T.A. Edison descubrió el efecto de un flujo unidireccional de electrones en el vacío desde un filamento calentado a una placa de metal si se les aplica una cierta diferencia de potencial, por ejemplo, conectándolo a una celda galvánica. Así apareció el prototipo del tubo de electrones. En ese momento, una lámpara de este tipo no pudo encontrar una aplicación práctica, pero continuaron los trabajos para estudiar sus propiedades y las condiciones para el paso de electrones en el vacío.
^ 2. Bases físicas del funcionamiento de lámparas controladas electrónicamente.

Lámpara controlada electrónicamente Se denomina dispositivo de electrovacío, cuyo funcionamiento se basa en el control de una corriente limitada por una carga espacial mediante potenciales de electrodo. Según su finalidad, las lámparas controladas electrónicamente se dividen en lámparas generadoras, moduladoras, de control, de amplificación y rectificadoras. Por tipo de trabajo, se distinguen lámparas continuas y pulsadas, y por rango de frecuencia: baja frecuencia, alta frecuencia y ultraalta frecuencia. Según el número de electrodos, las lámparas se dividen en diodos, triodos, tetrodos, pentodos, hexodos, heptodos, octodos, ennodos y decodificadores.

^ Emisión electrónica Se llama emisión de electrones desde la superficie de sustancias al espacio circundante. En los metales a partir de los cuales están hechos los cátodos de los dispositivos eléctricos de vacío, los electrones libres se encuentran en un estado de movimiento térmico continuo caótico y tienen una cierta energía cinética, dependiendo de la temperatura del cátodo.

termoiónico Se llama emisión de electrones provocada únicamente por el calentamiento del cátodo (electrodo). Como resultado del calentamiento del metal, aumenta la energía cinética de los electrones y su velocidad. El principio de funcionamiento de los cátodos termoiónicos, ampliamente utilizados en lámparas controladas electrónicamente, se basa en el fenómeno de la emisión termoiónica.
^ 3. Dispositivos de haz de electrones.

Rayo de electrones Se denominan dispositivos de electrovacío que utilizan una corriente de electrones concentrados en un haz estrecho, un haz de electrones controlado tanto en intensidad como en posición en el espacio. Uno de los dispositivos de rayos catódicos más comunes es un tubo receptor de rayos catódicos (CRT).

CRT transforma señal eléctrica en una imagen óptica. Hay varios tipos de CRT receptores: de proyección, oscilográficos, de indicador, de impresión de señales, de color, monocromáticos, de válvula luminosa y de tubo de imagen.

Los tubos de imagen modernos utilizan control de haz mixto. Se utiliza un campo eléctrico para enfocar y un campo magnético para desviar el haz.

^ Designación CRT. El primer elemento de la designación CRT es un número que indica el tamaño de la pantalla: su diámetro o diagonal (para tubos de imagen con pantalla rectangular). El segundo elemento son dos letras que indican el tipo de tubo (por ejemplo, LO - oscilográfico con sistema de control de haz electrostático, LC - tubos de imagen con desviación de haz magnético). Después de las letras hay un número mediante el cual se comparan tubos del mismo tipo con diferentes parámetros. Al final de la designación hay una letra que determina el color de la pantalla (B - blanco, C - de color, I - verde, A - azul, etc.). Por ejemplo, el 40LK6B es un cinescopio con un tamaño de pantalla de 40 cm en diagonal, la sexta opción de diseño, que tiene el color blanco brillo de la pantalla. Normalmente, las empresas fabricantes extranjeras indican el tamaño diagonal del cinescopio en pulgadas (1 pulgada equivale a 2,54 cm).
^ 4. Dispositivos de descarga de gases. Principios físicos de funcionamiento de los dispositivos de descarga de gas.

Una descarga eléctrica en gases (o vapores) es un conjunto de fenómenos que se producen en ellos durante el paso de una corriente eléctrica. Los dispositivos de electrovacío, cuyas características eléctricas están determinadas principalmente por la ionización de gas o vapor introducido intencionalmente, se denominan descarga de gas.

Estos incluyen, por ejemplo, válvulas de iones y mercurio, tiratrones, supresores de iones e indicadores de descarga luminiscente.

A diferencia de las lámparas controladas electrónicamente, en estos dispositivos no solo los electrones, sino también las partículas cargadas (átomos, moléculas) de gas o vapor (iones) participan en la creación de corriente.

^ Dispositivos de descarga de gas Consisten en un cilindro estanco (normalmente de vidrio) lleno de un gas inerte, hidrógeno o vapor de mercurio, y un sistema de electrodos metálicos. La presión del gas en el cilindro, según el tipo de dispositivo, oscila entre 10 -1 y 10 3 Pa y, en ocasiones, alcanza los 10 4 Pa.

En ausencia de exposición a fuentes de ionización, los gases están formados por átomos y moléculas neutros, por lo que prácticamente no conducen corriente eléctrica. La corriente fluye a través de un gas (como a través de cualquier medio) sólo si hay partículas libres cargadas eléctricamente (portadores de carga) en este medio. En un gas, pueden formarse si los electrones son “arrancados” de átomos (o moléculas) neutros debido a la acción de alguna fuente de energía. En este caso, se forman portadores de carga de diferentes signos: electrones - cargas negativas e iones positivos - átomos de gas que han perdido electrones - cargas positivas.

En condiciones reales, cualquier gas siempre se ve afectado (aunque sea muy débilmente) por la temperatura ambiente, cósmica y radiación radiactiva instalaciones industriales, etc., contribuyendo a la formación de partículas cargadas. Por tanto, en cualquier volumen de gas siempre hay electrones e iones que pueden provocar una descarga eléctrica. En una descarga eléctrica se distinguen tres procesos: excitación de átomos, su ionización y recombinación de portadores de carga de diferentes signos.

La excitación de un átomo es el proceso de transición de uno de sus electrones externos a una órbita más alejada del núcleo debido a la energía adquirida como resultado de la colisión con un electrón libre. Este estado del átomo es inestable y no dura mucho: desde unos pocos hasta decenas de nanosegundos. Luego, el electrón regresa a su órbita original y el átomo irradia la energía recibida durante la colisión al espacio exterior. Esta energía se libera en forma de radiación electromagnética, a menudo acompañada de un brillo visible del gas.

La ionización atómica es el proceso de formación de iones y electrones libres a partir de átomos eléctricamente neutros.