Электровакуумные приборы: принцип работы, примеры. Лампочки накаливания Томаса Эдисона

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

При помощи электровакуумных приборов Press wall день рождения Горреклама Воронеж .

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Введение
Подзаголовок настоящей книги - "Наилучшие способы предотвращения преступлений" - подразумевает в частности: 1) пути избавления от бича ложной тревоги; 2) понимание сотрудниками службы охр...

Схемы питания люминесцентных ламп
Люминесцентные лампы включаются в сеть последовательно с индуктивным сопротивлением (дросселем), обеспечивающим стабилизацию переменного тока в лампе. Дело в том, что электрический разряд в газе...

Научно - техническое обеспечение и обслуживание
Когда я сказал другу, что хочу купить машину, он сказал: "Тебе следует приобрести машину такую-то, потому что у нее нет проблем с ремонтом, всегда можно найти для нее запасные части". &quo ...

С помощью электровакуумных приборов (ЭВП) можно преобразовывать электрические величины, например ток или напряжение, по форме, значению и частоте, а также энергию излучения и обратно. Можно осуществить сложное преобразование оптического изображения в электрический ток специальной формы или наоборот (в телевизионных и осциллографических трубках). Можно регулировать электрические, световые и другие величины плавно или ступенями с большой или малой скоростью и с малыми затратами энергии на сам процесс регулирования, т. е. без значительного снижения КПД. Малая инерционность, характерная для ЭВП, позволяет применять их в огромном диапазоне частот от нуля до 1012 Гц.

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

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

Под вакуумом следует понимать состояние газа, в частности воздуха, при давлениях ниже атмосферного. Применительно к ЭВП понятие «вакуум» определяют исходя из характера движения электронов. Если электроны движутся в пространстве свободно, не сталкиваясь с оставшимися после откачки газа молекулами, то говорят о вакууме. А если электроны сталкиваются с молекулами газа, то следует говорить просто о разреженном газе.

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

В электронных приборах ионизация практически отсутствует, а разрежение газа давлением менее 100 мкПа, характерным для высокого вакуума.

В ионных приборах давление бывает 133*10 -3 Па и выше. При этом значительная часть движущихся электронов сталкивается с молекулами газа и ионизирует их.

Есть еще одна группа проводниковых (безразрядных) ЭВП. Их действие основано на использовании явлений, связанных с электрическим током твердых или жидких проводниках, находящихся в разряженном газе. В этих приборах электрического заряда в газе или в вакууме нет. К ним относятся лампы накаливания, стабилизаторы тока, вакуумные конденсаторы и др.

Особую группу ЭВП составляют электронные лампы, предназначенные для различных преобразований электрических величин. Эти лампы бывают генераторными, усилительными, выпрямительными, частотно-преобразовательными, детекторными, измерительными и др.

В зависимости от рабочих частот электронные лампы подразделяются на низкочастотные , высокочастотные и сверхвысокочастотные.

Во всех ЭВП электронный поток можно регулировать, воздействуя на него электрическим или магнитным полем. Электронные лампы, имеющие два электрода - катод и анод, называются диодами. Диоды для выпрямления переменного тока в источниках питания называют кенотронами. Лампы, имеющие управляющие электроды в виде сеток, бывают с числом электродов от трех до восьми и соответственно называются: триод, тетрод, пентод, гексод, гептод и октод. При этом лампы с двумя и более сетками выделяются в группу многоэлектродных ламп. Если лампа содержит несколько систем электродов с независимыми потоками электронов, то ее называют комбинированной (двойной, диод, двойной триод, триод-пентод, двойной диод-пентод и др.).

Основные ионные приборы - это тиратроны, стабилитроны, лампы со знаковой индикацией, ртутные вентили (управляемые и неуправляемые), ионные разрядники и др.

Большую группу составляют электронно-лучевые приборы, к которым относятся кинескопы (приемные телевизионные трубки), передающие телевизионные трубки, осциллографические и запоминающие трубки, электронно-оптические преобразователи изображений, электронно-лучевые переключатели, индикаторные трубки радиолокационных и гидроакустических станций и др.

В группу фотоэлектронных приборов входят электровакуумные фотоэлементы (электронные и ионные) и фотоэлектронные умножители. К электроосветительным приборам следует отнести лампы накаливания, газоразрядные источники света и люминесцентные лампы.

Особое место занимают рентгеновские трубки, счетчики элементарных частиц и другие специальные приборы.

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

Электровакуумными приборами (ЭВП) на­зывают устройства, в которых электрический ток со­здается потоком электронов или ионов, движущихся в высоком вакууме или инертной газовой среде. ЭВП под­разделяются на электронно-управляемые лампы (ЭУЛ), электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), газоразрядные при­боры (ГРП) и фотоэлектрические (фотоэлектронные) приборы.

В ЭУЛ электрический ток создается за счет движения в высоком вакууме (давление газа составляет всего 1,33 () Па ( мм рт. ст.)) электро­нов от одного электрода к другим. Простейшей ЭУЛ является диод.

Диод. В диоде содержится всего два электрода: катод и анод. Катод является источником свободных электронов. Для выхода электронов из катода им необходимо со­общить дополнительную энергию, называемую работой выхода. Эту энергию электроны получают при нагрева­нии катода электрическим током. Испускание нагретым катодом электронов называют термоэлектронной эмиссией.

Отрицательный пространственный заряд, образован­ный вылетевшими из катода электронами, создает у его поверхности электрическое поле, которое препятствует выходу электронов из катода, образуя на их пути по­тенциальный барьер.

На анод подается положительное относительно катода напряжение, которое уменьшает потенциальный барьер у поверхности катода. Электроны, энергия которых до­статочна для преодоления потенциального барьера, уходят из области пространственного заряда, попадают в ускоряющее электрическое поле анодного напряжения и движутся к аноду, создавая анодный ток. С увеличе­нием анодного напряжения увеличивается и анодный ток диода.

При отрицательном анодном напряжении потенциаль­ный барьер у поверхности катода увеличивается, энергия электронов оказывается недостаточной для его преодо­ления, и ток через диод не протекает. В этом заключается важная особенность диода - его односторонняя электри­ческая проводимость.

На рис. 3.1 показаны условные обозначения диодов и схемы их подключения к источнику анодного напря­жения.

Триод. В отличие от диода триод имеет три электрода: катод, анод и сетку (рис. 3.2, а, б). Сетка располагается

между катодом и анодом в непосредственной близости от катода. Если на сетку подать отрицательное напряже­ние (рис. 3.2, в), то потенциальный барьер у катода увели­чится, а анодный ток уменьшится. При некотором отри­цательном напряжении сетки, называемом напряжением запирания U CK .з an , анодный ток уменьшится до нуля. Если же на сетку подать положительное напряжение (рис. 3.2, г), то образованное им электрическое поле между катодом и сеткой приведет к уменьшению потенциального барьера и увеличению анодного тока.

Ввиду того, что сетка расположена к катоду ближе, чем анод, поданное на нее напряжение влияет на потен­циальный барьер и анодный ток триода значительно силь­нее, чем такое же по значению анодное напряжение. Поэтому в триоде управление анодным током осущест­вляют изменением сеточного напряжения, а не анодного.

Основными характеристиками триода являются се­мейства статических анодно-сеточных (передаточных) характеристик , снятых при различных анодных напряжениях U a к (рис. 3.3, а), и анодных (выходных) характеристик I а = f(U ак), снятых при различных напря­жениях сетки (рис. 3.3, б).

Недостатками триода являются большая проходная емкость (емкость между сеткой и анодом) и малый статический коэффициент усиления. Эти недостатки устра­няются введением в ЭУЛ второй сетки.

Тетрод. Это четырехэлектродная электронно-управляе­мая лампа, содержащая катод, анод и две сетки (рис. 3.4, а). Первая сетка, расположенная вблизи катода, используется, как и в триоде, для управления анодным током и называется управляющей. Вторая сетка, рас­полагаемая между первой сеткой и анодом, является своеобразным экраном между этими электродами. В ре­зультате экранирующего действия второй сетки значи­тельно уменьшается проходная емкость лампы и влияние анодного напряжения на

Потенциальный барьер у поверхности катода. Поэтому для создания направленного движения электронов от катода к аноду на вторую сетку, называемую экранирующей, подают положительное напряжение U c 2 k , которое равно или несколько меньше, чем анодное. При этом часть электронов попадает на экранирующую сетку и создает ток I с2 этой сетки.

Электроны, попадающие на анод, выбивают из него вторичные электроны. При (а такие случаи имеют место при работе тетрода) вторичные электроны притягиваются экранирующей сеткой, что приводит к уве­личению тока экранирующей сетки и уменьшению анод­ного тока. Это явление называют динатронным эффектом. Для устранения динатронного эфекта, огра­ничивающего рабочую область ЭУЛ, между анодом и экранирующей сеткой создают потенциальный барьер для вторичных электронов. Такой барьер образуется при увеличении плотности электронного потока за счет его фокусировки в лучевых тетродах (рис. 3.4, б) или при введении между экранирующей сеткой и анодом третьей сетки, имеющей, как правило, нулевой потенциал.

Пентод. Пятиэлектродную ЭУЛ называют пентодом (рис. 3.4, я). Нулевой потенциал третьей сетки, которая называется антидинатронной пли защитной, обеспечи­вается за счет электрического соединения ее с катодом.

Основными характеристиками тетродов и пентодов являются семейства статических анодных (выходных) при и сеточно-анодных при характеристик, которые снимаются при постоянном напряжении U c 2к и строятся на одном графике (рис. 3.5).

Параметрами, характеризующими усилительные свой­ства ЭУЛ, яляются:

крутизна анодно-сеточной характеристики

внутреннее (дифференциальное) сопротивление

статический коэффициент усиления

Параметры S, и , называемые дифференциальными, связаны между собой соотношением .

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ

Электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ) на­зывают электронные электровакуумные приборы, в кото­рых используется сконцентрированный в виде луча поток электронов. Эти приборы имеют форму трубки, вытя­нутой в направлении движения луча. Основными элемен­тами ЭЛТ являются стеклянный баллон, или колба, элект­ронный прожектор, отклоняющая система и экран (рис. 3.6).

Баллон 7 служит для поддержания в ЭЛТ необходи­мого вакуума и защиты электродов от механических и

климатических воздействий. Часть внутренней поверх­ности баллона покрывают графитовой пленкой 8, назы­ваемой аквадагом. На аквадаг подают положительное относительно катода напряжение.

Электронный прожектор предназначен для создания сфокусированного электронного потока (луча) с требуе­мой плотностью тока. Он состоит из термоэлектронного катода 2, внутри которого находится подогреватель 1, управляющего электрода 3, называемого модулятором, первого 4 и второго 5 анодов. Модулятор и аноды выпол­нены в виде полых цилиндров, соосных с цилиндрическим катодом.

Модулятор подключается к источнику отрицательного напряжения, регулируемого в пределах от нуля до не­скольких десятков вольт. На аноды подаются положитель­ные напряжения: несколько сотен вольт на первый и не­сколько киловольт - на второй.

Между модулятором и первым анодом образуется неоднородное электрическое поле, которое фокусирует все электроны, вылетевшие из катода и прошедшие через отверстие модулятора, в некоторой точке на оси ЭЛТ в полости первого анода. Такое электрическое поле на­зывают электростатической линзой.

Между первым и вторым анодами образуется вторая электростатическая линза. В отличие от первой, коротко­фокусной, она является длиннофокусной: ее фокус распо­лагается на оси ЭЛТ в плоскости экрана 9.

Изменение напряжения модулятора приводит к изме­нению числа электронов, способных преодолеть потен­циальный барьер у катода и попадающих в ускоряющее электрическое поле первого анода. Следовательно, на­пряжение модулятора определяет плотность электронного луча и яркость светящегося пятна на экране ЭЛТ. Фокусировка луча на экране ЭЛТ достигается измене­нием неоднородного электрического поля второй электро­статической линзы путем изменения напряжения первого анода.

Отклоняющая система служит для направления сфо­кусированного электронного луча в любую точку экрана. Это достигается воздействием на электронный луч по­перечного электрического или магнитного поля.

При отклонении электронного луча электрическим полем (электростатическое отклонение) отклоняющие на­пряжения подводятся к двум расположенным взаимно перпендикулярно парам параллельных пластин 6. Элект­ронный луч, проходя между пластинами, отклоняется в сторону пластины с большим потенциалом. Пластины, электрическое поле между которыми отклоняет электрон­ный луч в горизонтальном направлении, называют гори­зонтально-отклоняющими или X-пластинами, а в верти­кальном - вертикально-отклоняющими или Y-пластинами.

Основным параметром электростатической отклоняю­щей системы является чувствительность к отклонению S, определяемая как отношение отклонения светящегося пятна на экране ЭЛТ к отклоняющему напряжению. Для современных ЭЛТ S Э = 0,1 ...3 мм/В.

Наряду с электростатическим применяется и магнит­ное отклонение электронного луча. Отклоняющее магнит­ное поле создается током, проходящим через две пары расположенных взаимно перпендикулярно на горловине ЭЛТ катушек.

Экраны 9 электронно-лучевых трубок, используемых для преобразования электрических сигналов в световые, покрыты специальным составом - люминофором, кото­рый светится при попадании на него сфокусированного потока электронов. В качестве люминофоров используются сульфиды цинка и цинка-кадмия, силикат цинка (виллемит), вольфраматы кальция и кадмия. Такие экраны называются люминесцентными.

На свечение люминофора затрачивается лишь часть энергии электронного луча. Остальная энергия луча пере­дается электронам экрана и вызывает вторичную элект­ронную эмиссию с поверхности экрана. Вторичные элект­роны притягиваются аквадагом, который обычно электри­чески соединяется со вторым анодом.

Экраны ЭЛТ, применяемых для получения цветного изображения, содержат зерна люминофоров с синим, красным и зеленым свечениями - триады, расположенные в определенном порядке. В горловине трубки находятся три автономных электронных прожектора. Они располо­жены таким образом, что их электронные лучи пересе­каются на некотором расстоянии от экрана. В плоскости пересечения лучей устанавливается теневая маска, в ко­торой имеется большое количество отверстий. После про­хождения через отверстия в маске каждый из электрон­ных лучей попадает на свой элемент триады (рис. 3.7).

Вследствие смешивания трех цветов различной яркости получается свечение требуемого цвета.

Кроме люминесцентных, бывают диэлектрические экраны. Электронный луч, перемещаясь по такому экрану, создает на его участках различные заряды, т. е. своеоб­разный потенциальный рельеф, который может сохра­няться длительное время. Диэлектрические экраны при­меняются в запоминающих ЭЛТ, получивших название потенциалоскопы.

ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ

Принцип действия газоразрядных приборов (ГРП) основан на электрических явлениях, происходящих в га­зовой среде.

Баллоны ГРП наполняются инертными газами (нео­ном, аргоном, гелием и др.), их смесями, водородом или парами ртути. В обычных условиях большинство атомов и молекул газа являются электрически нейтральными и газ является хорошим диэлектриком. Повышение темпе­ратуры, воздействие сильных электрических полей или частиц с высокими энергиями вызывает ионизацию газа. Ионизация газа, возникающая при соударении быстролетящих электронов с нейтральными атомами газа, называется ударной. Она сопровождается появле­нием свободных электронов и положительных ионов, что приводит к значительному увеличению электропровод­ности газа. Сильно ионизированный газ называют элект­ронно-ионной плазмой или просто плазмой.

Наряду с процессом ионизации газа существует и обратный процесс, называемый рекомбинацией. Так как энергия электрона и положительного иона в сумме больше, чем энергия нейтрального атома, то при рекомби­нации происходит выделение части энергии, которое со­провождается свечением газа.

Процесс прохождения электрического тока через газ называется электрическим разрядом в газе. Вольт-ампер­ная характеристика газоразрядного промежутка приве­дена на рис. 3.8.

При напряжении U 3 , называемом напряжением зажи­гания, ионизация газа приобретает лавинообразный ха­рактер. Сопротивление газоразрядного промежутка анод - катод резко уменьшается, и в ГРП возникает тлеющий разряд (участок CD). Напряжение горения U r , поддерживающее тлеющий разряд, несколько меньше, чем напряжение зажигания. При тлеющем разряде по­ложительные ионы движутся к катоду и, ударяясь о его поверхность, увеличивают число вылетающих из него электронов за счет нагревания и вторич-

ной электронной эмиссии. Поскольку внешний ионизатор при этом не тре­буется, тлеющий разряд называется самостоятельным в отличие от разряда на участке АВ, который требует для своего появления внешнего ионизатора (космического з­лучения, термоэлектронной эмиссии и т. д.) и называется несамостоятельным. При значи­тельном увеличении тока в ГРП возникает дуговой разряд (уча­сток EF). Если дуговой разряд поддерживается термоэлект­ронной эмиссией катода за счет его нагрева ударяющимися о поверхность положительными ионами, разряд называют само­стоятельным. Если же термоэлектронная эмиссия катода создается его нагревом от внешнего источника напряжения, то дуговой разряд на­зывают несамостоятельным.

Тлеющий разряд, сопровождающийся свечением газа, используется в неоновых лампах, газоразрядных знако­вых и линейных индикаторах, стабилитронах и некоторых других ГРП.

Газоразрядные индикаторы. Знаковые газоразрядные индикаторы состоят из газонаполненного баллона, десяти катодов н одного общего анода. Катоды имеют форму цифр, букв или других знаков. К аноду и одному из като­дов через ограничительный резистор подается напряже­ние. Между этими электродами возникает тлеющий раз­ряд, который имеет форму катода. Коммутируя различ­ные катоды, можно высвечивать различные знаки. Более универсальными являются сегментные знаковые индика­торы. Так, сегментный индикатор тлеющего разряда ИН-23, состоящий из 13 сегментов, позволяет при соот­ветствующей коммутации катодов-сегментов высветить любую цифру от 0 до 9, букву русского или латинского алфавита.

Линейные газоразрядные индикаторы (ЛГИ) отобра­жают информацию о напряжении или токе в цепи в виде светящихся точек или линий. Положение точки и длина линии пропорциональны напряжению или току в цепи. Электродная система ЛГИ имеет удлиненную цилиндри­ческую форму.

Газоразрядный стабилитрон. Стабилитрон (рис. 3.9, а) имеет два электрода - катод 1, выполненный в виде полого цилиндра, и анод 3 в виде тонкого стержня, рас­положенного по осп катода. Для уменьшения напряжения зажигания с внутренней стороны катода привари­вается небольшой штырек 2, называемый поджигающим электродом

Работа стабилитрона тлеющего разряда основана на поддержании на его электродах почти постоянного напря­жения горения при изменении протекающего через стаби­литрон тока в значительных пределах (участок CD на рис. 3.8).

Стабилитроны применяются для стабилизации напря­жения в цепях постоянного тока.

Тиратрон. Более сложным ГРП является тиратрон. Он содержит катод, анод и один или несколько управ­ляющих электродов, называемых сетками. Тиратрон мо­жет находиться в двух устойчивых состояниях: непрово­дящем и проводящем. На рис. 3.9, б показано устройство тиратрона с холодным катодом типа МТХ-90. Тиратрон состоит из цилиндрического катода 1, стержневого метал­лического анода 2 и металлической сетки 3, выполненной в виде шайбы. При подаче на сетку небольшого положи­тельного относительно катода напряжения между сеткой и катодом возникает вспомогательный «тихий» разряд. При подаче на анод положительного напряжения разряд переносится на анод. Чем больше ток вспомогательного разряда в цепи сетки, тем меньше напряжение зажигания тиратрона. После возникновения разряда между катодом и анодом изменение напряжения сетки не влияет на силу тока тиратрона, и прекратить ток через тиратрон можно уменьшением анодного напряжения до значения, меньшего напряжения горения.

Тиратроны тлеющего разряда потребляют очень малую энергию, работают в большом интервале температур, не чувствительны к кратковременным перегрузкам, готовы к мгновенному действию. Благодаря этим качествам они применяются в импульсных устройствах, генераторах, не­которых узлах счетно-решающих устройств, в релейной аппаратуре, устройствах индикации и др.

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

К электровакуумным и газоразрядным фотоэлектри­ческим приборам относятся фотоэлементы и фотоумно­жители, принцип работы которых основан на использо­вании внешнего фотоэффекта.

Фотоэлемент (рис. 3.10) имеет стеклянную колбу 2, в которой создан вакуум (электровакуумный фотоэле

мент) или которая заполнена инертным газом (газоразрядный фотоэлемент) Он состоит из анода и фотокатода Фотокатодом является внутренняя по­верхность колбы 3 (за исключением небольшого участка - окна 1), покры­тая слоем серебра, поверх которого на­несен слой оксида цезия. Анод 4 выпол­нен в виде кольца, чтобы не создавать препятствия световому потоку. Анод и катод снабжены выводами 6, прохо­дящими через пластмассовый держа­тель 5 колбы.

При освещении фотокатода свето­вым потоком из него выбиваются элект­роны. Если на анод подано положитель­ное относительно катода напряжение, выбитые из фотокатода электроны будут притягиваться к аноду, создавая в его цепи фототок I ф. Зависимость фототока от светового потока Ф называется световой ха-

рак­теристикой фотоэлемента. Фототок зависит также от на­пряжения U, приложенного между фотокатодом и анодом. Эту зависимость называют анодной ВАХ. В ней имеется ярко выраженный участок насыщения, на котором фототок мало зависит от анодного напряжения (рис. 3.11, а)

У газоразрядных фотоэлементов увеличение напряжения U вызывает ионизацию газа и рост фототока (рис. 3.11, б).

Вследствие малого значения фототока (до нескольких десятков микроампер у вакуумных фотоэлементов и не­скольких единиц микроампер у газоразрядных фотоэле­ментов) фотоэлементы обычно используются с ламповыми или транзисторными усилителями.

Фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) называют ЭВП, в котором ток фотоэлектронной эмиссии усиливается за счет вторичной электронной эмиссии. В стеклянном баллоне ФЭУ (рис 3.12), в котором под­держивается высокий вакуум, кроме фотокатода К и анода А имеются дополнительные электроды, являющиеся эмит­терами вторичных электронов и называемые динодами. Число динодов в ФЭУ может достигать 14. На диноды по­даются положительные напряжения, причем по мере удаления от фотокатода значения напряжений динодов возрастают. Напряжение между соседними динодами составляет около 100 В. При освещении фотокатода с его поверхности вылетают электроны, которые ускоряются электрическим удаления полем первого

динода и попадают на пер­вый динод, выбивая из него вторичные электроны. Число последних в несколько раз превышает число электронов, вылетевших из фотокатода. Под действием электрического поля между первым и вторым динодами электроны, выле­тевшие из первого динода, попадают на второй динод D2, выбивая из него вторичные электроны. Число вторичных электронов, выбитых из динода D2, в несколько раз больше числа попавших на него электронов. Таким об­разом, увеличение числа вторичных электронов происхо­дит на каждом диноде. Следовательно, в ФЭУ происходит многократное усиление фототока катода, что позволяет применять их для измерения очень малых световых по­токов. Выходной ток ФЭУ достигает нескольких десятков миллиампер.

Контрольные вопросы и задания

1. Поясните принцип управления анодным током в ЭУЛ с помощью напряжения управляющей сетки.

2. Назовите основные части ЭЛТ с электростатическим управле­нием лучом и поясните их назначение.

3. Назовите основные тины газоразрядных приборов и области
их применения.

4. Дайте краткую характеристику внешнего фотоэффекта. Каким
образом это явление используется в фотоэлементах и фотоумножителях?

Похожая информация.

Определение . Электровакуумными называют приборы, принцип работы которых основан на использовании электрических явлений в газах или вакууме, происходящих в рабочем пространстве, изолированном от окружающей среды газонепроницаемой оболочкой (баллоном).

Электровакуумные и газоразрядные приборы выполняются в виде стеклянного, керамического или металлического баллона, внутри которого в условиях высокого вакуума или инертного газа размещаются электроды: катод, анод, сетки. Катод является излучателем (эмиттером) свободных электронов, анод - собирателем (коллектором) носителей заряда. С помощью сеток или управляющих электродов осуществляется управление анодным током.

Для того, чтобы получить представление об электровакуумных и газоразрядных приборах используемых в авиационном РЭО рассмотрим их классификацию.

Классификация и условное графическое обозначение

1. По количеству электродов электронные приборы делятся на двухэлектродные (электровакуумные диод), трехэлектродные (электровакуумный триод), и многоэлектродные лампы.

Рис. 1.

Электровакуумный диод - это двухэлектродная лампа, состоящая из катода и анода. Если напряжение на аноде положительное, относительно катода, то электроны, эмитируемые катодом, движутся к аноду, создавая анодный ток. При отрицательном напряжении на аноде тока нет, следовательно, диод проводит только в одном направлении. Это свойство диода определяет его основное назначение - выпрямление переменного тока. Условное графическое обозначение электровакуумного диода представлено на рис. 1.

Электровакуумный триод - это трехэлектродная лампа, у которой между анодом и катодом расположена сетка. Сетка предназначена для регулирования тока анода. Напряжение на сетке изменяет поле между анодом и катодом и таким образом влияет на ток анода. Если напряжение на сетке отрицательно по отношению к катоду, то она оказывает тормозящие действие на электроны, эмитируемые катодом, в результате анодный ток уменьшается. При положительном напряжении на сетке она оказывает ускоряющее действие на электроны, увеличивая анодный ток. При этом часть электронов попадает на сетку создавая сеточный ток. Следовательно, сетка является управляющим электродом, напряжение на котором позволяет изменять ток анода.

Условное графическое обозначение электровакуумного триода приведено на рис. 2.

Рис. 2.

Для увеличения влияния на ток анода сетка располагается ближе к катоду. При отрицательном напряжении на сетке ток в ней практически отсутствует.

Рис. 3. Условное графическое обозначение триодов: а - с катодной сеткой; б - с экранной сеткой

К многосеточным лампам относятся: тетроды - с двумя сетками, пентоды - с тремя сетками, гексоды - с четырьмя сетками, гептоды - с пятью сетками и октоды - с шестью сетками. Наибольшее распространение получили тетроды и пентоды.

У тетродов одна из сеток называется управляющей и имеет отрицательное напряжение. Другая сетка располагается либо между управляющей и анодом или между управляющей и катодом. В первом случае такая сетка называется экранирующей, во втором - катодной.

Условное графическое обозначение электровакуумных тетродов приведено на рис. 3.

В тетродах с экранирующей сеткой ток катода распределяется между экранирующей сеткой и анодом. Основным преимуществом такого тетрода является снижение емкости между анодом и управляющей сеткой. Экранирующая сетка снижает эту емкость до долей пикофарады и уменьшает проницаемость анода.

Однако близость экранирующей сетки к аноду имеет недостаток, заключающийся в том, что при низком напряжении на аноде проявляется динатронный эффект - снижение тока анода за счет вторичной эмиссии (провал на анодной характеристике (рис. 3.4)). При этом вторичные электроны не возвращаются обратно на катод, а захватываются экранирующей сеткой.

Пентодом называют лампу с тремя сетками. Внедрение третьей сетки обусловлено необходимостью устранения динатронного эффекта, свойственного тетроду. Эта сетка называется защитной (или антидинатронной) и располагается между экранирующей сеткой и анодом. Напряжение на этой сетке обычно делают равным напряжению на катоде, для этого иногда ее соединяют с катодом внутри колбы. Устранение динатронного эффекта получается благодаря потенциальному барьеру, образовавшемуся в пространстве между анодом и экранирующей сеткой. Вместе с тем этот потенциальный барьер не представляет значительного препятствия для электронов, движущихся к аноду с большой скоростью.

2. По конструктивным особенностям цепи накала электронные лампы делятся на лампы с катодами прямого накала и лампы с катодами косвенного накала.

Катод прямого накала представляет собой металлическую нить из материала с большим сопротивлением (вольфрама или тантала), по которой проходит ток накала. Такой катод отличается малыми тепловыми потерями, простотой устройства и малой тепловой инерцией. Недостатком такого катода является то, что его необходимо питать постоянным током. При питании переменным током частотой 50 Гц ток эмиссии изменяется с удвоенной частотой питающего напряжения, что создает нежелательный шумовой низкочастотный фон.

Катод косвенного накала представляет трубку, внутри которой размещена нить накала. Нить накала изолирована от катода. В результате практически сглаживаются пульсации температуры и тока эмиссии при питании накала переменным током.

• 3. По назначению лампы делятся на приемо-услительные, генераторные, частотно-преобразовательные, детекторные, измерительные и так далее.
• 4. В зависимости от диапазона рабочих частот различают лампы низких (от 1 - 30 МГц), высоких (от 30 до 600 МГц) и сверхвысоких (свыше 600 МГц) частот.
• 5. По виду электронной эмиссии различают лампы с термоэлектронной , вторичной и фотоэлектронной эмиссией.

Электронная эмиссия необходима для создания внутри электровакуумного прибора между электродами потока электронов.

Под термоэлектронной эмиссией понимают процесс выхода электронов из твердых или жидких тел в вакуум или газ.

Под вторичной электронной эмиссией понимается испускание электронов телом вследствие бомбардирования его электронами, испускаемым другим телом.

Под фотоэлектронной эмиссией понимается испускание электронов телом, находящимся в потоке лучистой энергии.

2.1.2 Характеристика и параметры

Характеристики лампы выражают зависимость токов от напряжений в различных ее цепях. Свойства электронных ламп оценивают по анодным или анодно-сеточным статическим характеристикам.

Анодной статической характеристикой называется графически выраженная зависимость анодного тока I a от напряжения на аноде U a . Зависимость I a = f (U a ) снимают для нескольких неизменных значений напряжения U с (исключение составляют анодные характеристики диода). Внешний вид анодной характеристики определяется количеством электродов в лампе (рисунок 4).

Рис. 4. Анодные характеристики электронных ламп: а - диода; б - триода; в - тетрода; г - пентода

Анодно-сеточными статическими характеристиками называют графически выраженные зависимости анодного тока I а от напряжения на сетке U c при фиксированных значениях анодного напряжения U а . Также как и для анодных характеристик зависимости I а = f(U с ) снимают для нескольких неизменных значений анодного напряжения U а. (рисунок 5).

Чем больше анодное напряжение U а , тем выше и левее расположены анодно-сеточные характеристики I а = f(U с ) . Объясняется это тем, что при более высоком анодном напряжении на сетку необходимо подавать большее отрицательное напряжение, чтобы результирующее электрическое поле в пространстве между катодом и сеткой осталось неизменным по величине.

К основным электрическим параметрам электровакуумного диода относятся следующие: электровакуумный газоразрядный прибор

1. Внутреннее сопротивление постоянному току :

где U А - постоянная составляющая анодного напряжения, I А - постоянная составляющая анодного тока.

Рис. 5. Анодно-сеточные характеристики электронных ламп: а - триода; б - пентода

2. Внутреннее дифференциальное сопротивление R д диода представляет собой сопротивление пространства между анодом и катодом для переменного тока. Оно является величиной, обратной крутизне и определяется с помощью анодных статических характеристик (рис. 3.4, а):

и обычно составляет сотни, а иногда и десятки Ом.

Обычно сопротивление R 0 больше R д .

3. Крутизна S показывает, как изменится анодный ток при изменении анодного напряжения и выражается следующей зависимостью:

• 4. Напряжение накала U н - напряжение, подаваемое на подогреватель. Эта величина является паспортной. При недонакале лампы уменьшается температура катода, а следовательно, и ток эмиссии. При повышении напряжения накала резко U н резко сокращается срок службы катода, поэтому не допускается отклонение напряжения накала больше чем на 10% от номинального.
• 5. Ток эмиссии I е - максимальный ток, который может быть получен в результате эмиссии электронов термокатодом. Он представляется суммарным зарядом электронов, покинувших термокатод за одну секунду.
• 6. Допустимое обратное напряжение диода U обр max - максимальное отрицательное напряжение на аноде, которое может выдержать диод без нарушения свойств односторонней проводимости.

Параметры некоторых серийных электровакуумных диодов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Основные параметры серийных электровакуумных диодов

К основным электрическим параметрам электронных ламп состоящих из трех и более электродов относятся:

1. Внутреннее (выходное) сопротивление лампы представляет собой сопротивление про межутка анод - катод лампы для переменной составляющей анодного тока и определяется по формуле:

где U а - изменение напряжения на аноде, В; I а - изменение анодного тока, мА. Для электровакуумных диодов внутреннее сопротивление носит название сопротивления переменному току и определяется как:

2. Крутизна характеристики S показывает, на сколько миллиампер изменится анодный ток лампы при изменении напряжения на управляющей сетке на 1 В при постоянных напряжениях на аноде и остальных сетках:

где U с - изменение сеточного напряжения, В.

Следует отметить, что чем больше крутизна, тем сильнее управляющее действие сетки и тем выше усиление лампы можно получить при прочих равных условиях.

3. Статический коэффициент усиления показывает, во сколько раз изменение напряжения на первой сетке сильнее действует на анодный ток, чем изменение анодного напряжения. Коэффициент усиления определяется отношением изменения анодного напряжения к изменению сеточного напряжения, одинаково воздействующих на анодный ток:

4. Мощность, рассеиваемая на аноде, определяется по формуле:

5. Выходная мощность Рвых характеризует полезную мощность, отдаваемую лампой во внешнюю цепь.

Параметры некоторых серийных триодов, тетродов и пентодов приведены в табл. 2.

Таблица 2. Основные параметры серийных триодов, тетродов и пентодов

Электровакуумные приборы.

1. Электровакуумными называют приборы, в которых электропроводность осуществляется электронами или ионами, движущимися между электродами через вакуум или газ. Электровакуумные приборы подразделяют на электронно-управляемые лампы , электронно-лучевые и газоразрядные приборы .

Конструктивными основными элементами любого электровакуумного прибора являются помещенные внутри баллона (газонепроницаемой оболочки) электроды. Электродом электровакуумного прибора называется проводник, эмиттирующий (испускающий) или собирающий электроны (ионы) либо управляющий их движением от электрода к электроду с помощью электрического поля. В зависимости от назначения различают следующие электроды электровакуумного прибора: катод, анод и управляющие.

^ Катод – является источником электронов в электровакуумном приборе.

Анод – ускоряющий электрод - обычно служит и выходным электродом, и основным коллектором (собирателем) электронов.

Управляющим называется электрод, предназначенный для управления основным потоком электронов. Если управляющий электрод выполнен в виде сетки, его часто называют управляющей сеткой. Электроды выполняют в виде нитей, плоских пластин, полых цилиндров и спиралей; их закрепляют внутри баллона на специальных держателях – траверсах и слюдяных или керамических изоляторах. Концы держателей впаивают в стеклянное основание баллона.

Баллоны электровакуумных приборов представляют собой газонепроницаемые оболочки из стекла, металла или керамики. В баллонах электронно-управляемых ламп создается разрежение 10 -8 …10 -4 Па, а в баллонах газоразрядных приборов – 10 -1 …10 4 Па.

^ Первый в мире электровакуумный прибор – лампу накаливания изобрел в 1873 г. русский ученый А.Н. Лодыгин. В 1883 г. американский изобретатель Т.А. Эдисон обнаружил эффект одностороннего прохождения потока электронов в вакууме от накаленной нити к металлической пластине, если к ним приложить определенную разность потенциалов, например, подключив к гальваническому элементу. Так появился прообраз электронной лампы. В то время такая лампа не могла найти практического применения, но работы по изучению ее свойств и условий прохождения электронов в вакууме продолжались.
^ 2. Физические основы работы электронно-управляемых ламп.

Электронно-управляемой лампой называется электровакуумный прибор, работа которого основана на управлении током, ограниченным пространственным зарядом, с помощью потенциалов электродов. В зависимости от назначения электронно-управляемые лампы подразделяют на генераторные, модуляторные, регулирующие, усилительные, выпрямительные. По роду работы различают лампы непрерывного и импульсного действия, а по диапазону частот – низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные. По числу электродов лампы делят на диоды, триоды, тетроды, пентоды, гексоды, гептоды, октоды, энноды и декоды.

^ Электронной эмиссией называется испускание электронов с поверхности веществ в окружающее пространство. В металлах, из которых изготовляют катоды электровакуумных приборов, свободные электроны находятся в состоянии хаотического непрерывного теплового движения и обладают определенной кинетической энергией, зависящей от температуры катода.

Термоэлектронной называют эмиссию электронов, обусловленную только нагревом катода (электрода). В результате нагревания металла увеличивается кинетическая энергия электронов и их скорость. На явлении термоэлектронной эмиссии основан принцип действия термокатодов, которые широко используются в электронно-управляемых лампах.
^ 3. Электронно-лучевые приборы.

Электронно-лучевыми называют такие электровакуумные приборы, в которых используется поток электронов, сконцентрированный в узкий пучок – электронный луч, управляемый как по интенсивности, так и по положению в пространстве. Одним из наиболее распространенных электронно-лучевых приборов является приёмная электронно-лучевая трубка (ЭЛТ).

ЭЛТ преобразует электрический сигнал в оптическое изображение. Различают несколько видов приёмных ЭЛТ: проекционные, осциллографические, индикаторные, знакопечатающие, цветные, монохромные, светоклапанные и кинескопы.

В современных кинескопах используется смешанное управление лучом. Для фокусировки служит электрическое поле, а для отклонения луча – магнитное.

^ Обозначение ЭЛТ. Первым элементом обозначения ЭЛТ является число, которое указывает размер экрана – его диаметр или диагональ (для кинескопов с прямоугольным экраном). Второй элемент – две буквы, указывающие тип трубки (например, ЛО –осциллографические с электростатической системой управления лучом, ЛК – кинескопы с магнитным отклонением луча). После букв следует число, по которому сравнивают трубки одного типа с разными параметрами. В конце обозначения ставится буква, по которой определяют цвет свечения экрана (Б – белый, Ц – цветной, И – зеленый, А – синий и т.д.). Например, 40ЛК6Б - кинескоп с размером экрана по диагонали 40 см, 6-го варианта разработки, имеющий белый цвет свечения экрана. Обычно зарубежные фирмы-производители указывают размер диагонали кинескопа в дюймах (1 дюйм равен 2.54 см).
^ 4. Газоразрядные приборы. Физические основы работы газоразрядных приборов.

Электрическим разрядом в газах (или парах) называют совокупность явлений, происходящих в них при прохождении электрического тока. Электровакуумные приборы, электрические характеристики которых определяются в основном ионизацией намеренно введенного газа или пара, называются газоразрядными.

К ним относятся, например, ионные и ртутные вентили, тиратроны, ионные разрядники, индикаторы тлеющего разряда.

В отличие от электронно-управляемых ламп в этих приборах в создании тока участвуют не только электроны, но и заряженные частицы (атомы, молекулы) газа или пара – ионы.

^ Газоразрядные приборы состоят их газонепроницаемого баллона (чаще всего стеклянного), заполненного инертным газом, водородом или парами ртути, и системы металлических электродов. Давление газа в баллоне в зависимости от типа прибора находится в пределах от 10 -1 до 10 3 Па и достигает иногда 10 4 Па.

При отсутствии воздействия источников ионизации газы состоят из нейтральных атомов и молекул, поэтому они практически не проводят электрический ток. Ток через газ (как и через любую среду) протекает лишь в том случае, если в данной среде есть свободные электрически заряженные частицы – носители зарядов. В газе они могут образоваться, если от нейтральных атомов (или молекул) «оторвать» электроны за счёт действия какого-то источника энергии. При этом образуются носители заряда разных знаков: электроны – отрицательные заряды и положительные ионы – атомы газа, потерявшие электроны, - положительные заряды.

В реальных условиях на любой газ всегда действуют (пусть даже очень слабо) температура окружающей среды, космические и радиоактивные излучения промышленных установок и т.д., способствуя образованию заряженных частиц. Поэтому, в любом объеме газа всегда присутствуют электроны и ионы, которые могут вызвать электрический разряд. В электрическом разряде выделяют три процесса: возбуждение атомов, их ионизацию и рекомбинацию носителей зарядов разного знака.

Возбуждение атомов – процесс перехода одного из его внешних электронов на более удаленную от ядра орбиту за счет энергии, приобретенной в результате столкновения со свободным электроном. Это состояние атома неустойчиво и длится недолго: от единиц до десятков наносекунд. Затем электрон возвращается на свою прежнюю орбиту, а атом излучает во внешнее пространство энергию, полученную при столкновении. Эта энергия выделяется в виде электромагнитного излучения, часто сопровождаемого видимым свечением газа.

Ионизацией атомов называется процесс образования ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов.