Электровакуумные приборы

Электровакуумный прибор — устройство, предназначенное для генерации, усиления и преобразования электромагнитной энергии, в котором рабочее пространство освобождено от воздуха и защищено от окружающей атмосферы непроницаемой оболочкой.

К таким приборам относят как вакуумные электронные приборы, в которых поток электронов проходит в вакууме, так и газоразрядные электронные приборы, в которых поток электронов проходит в газе. Так же к электровакуумным приборам относятся и лампы накаливания.

В электровакуумных приборахпроводимость осуществляется посредством электронов или ионов, движущихся между электродами через вакуум или газ.

Начало было положено открытием термоэлектронов. В 1884 г. известный американский изобретатель Томас Альва Эдисон в поисках рациональной конструкции лампы накаливания обнаружил эффект, названный его именем. Вот его первое описание: «Между ветвями нити» лампочки накаливания, на одинаковом расстоянии от обеих, помещена платиновая пластинка, представляющая собой изолированный электрод... Если включить между этим электродом и одним из концов нити гальванометр, то при горении лампы наблюдается ток, который меняет свое направление, смотря по тому, присоединен ли к инструменту положительный или отрицательный конец угольной нити. Кроме того, его интенсивность возрастает вместе с силой тока, проходящего через нить».
Далее следует объяснение: «по-видимому, в этой лампе частицы воздуха (или угля) разлетаются от нити по прямым линиям, уносят электрический заряд».
Эдисон — изобретатель, он не занимается анализом явления. Цитированными фразами, по существу, ограничивается содержание заметки. Это не больше как заявка на приоритет. Попытки Эдисона найти практическое применение эффекта успеха не имели.

Таким образом было открыто явление термоэлектронной эмиссии и создана первая радиолампа–электровакуумный диод.

Термоэлектро́нная эми́ссия (эффект Ричардсона, эффект Эдисона) — явление испускания электронов нагретыми телами. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям (по энергии) некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растет, и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным.

Исследование закономерностей термоэлектронной эмиссии можно провести с помощью простейшей двухэлектродной лампы — вакуумного диода, представляющего собой откачанный баллон, содержащий два электрода: катод К и анод А.

Рис.3.1 Конструкция вакуумного диода

В простейшем случае катодом служит нить из тугоплавкого металла (например, вольфрама), накаливаемая электрическим током. Анод чаще всего имеет форму металлического цилиндра, окружающего катод. Обозначение диода в схемах электрических принципиальных показано на рисунке 3.2.

Рис. 3.2. Обозначение вакуумного диода в схемах электрических принципиальных.

Если диод включить в цепь, то при накаливании катода и подаче на анод положительного напряжения (относительно катода) в анодной цепи диода возникает ток. Если поменять полярность напряжения, то ток прекращается, как бы сильно катод ни накаливали. Следовательно, катод испускает отрицательные частицы — электроны.

Если поддерживать температуру накаленного катода постоянной и снять зависимость анодного тока от анодного напряжения — вольт-амперную характеристику, то оказывается, что она не является линейной, то есть для вакуумного диода закон Ома не выполняется. Зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения в области малых положительных значений описывается законом трех вторых

,

где В — коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов, а также их взаимного расположения.

При увеличении анодного напряжения ток возрастает до некоторого максимального значения, называемого током насыщения. Это означает, что почти все электроны, покидающие катод, достигают анода, поэтому дальнейшее увеличение напряженности поля не может привести к увеличению термоэлектронного тока. Зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения приведена на рисунке 3.3.

Рис. 3.3. Зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения

Следовательно, плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода. Плотность тока насыщения определяется формулой Ричардсона — Дешмана, выведенной теоретически на основе квантовой статистики:

,

где А — работа выхода электронов из катода,

Т — термодинамическая температура,

С — постоянная, теоретически одинаковая для всех металлов (это не подтверждается экспериментом, что, по-видимому, объясняется поверхностными эффектами). Уменьшение работы выхода приводит к резкому увеличению плотности тока насыщения. Поэтому в радиолампах применяются оксидные катоды (например, никель, покрытый оксидом щелочноземельного металла), работа выхода которых равна 1 −1,5 эВ.

На явлении термоэлектронной эмиссии основана работа многих вакуумных электронных приборов.

Эле́ктрова́куумный трио́д, или просто трио́д, — электронная лампа, имеющая три электрода: термоэлектронный катод (прямого или косвенного накала), анод и одну управляющую сетку. Изобретён и запатентован в 1906 году американцем Ли де Форестом. Конструкция вакуумного триода показана на рис.3.4

Рис.3.4 Конструкция вакуумного триода

Триоды были первыми устройствами, которые использовались для усиления электрических сигналов в начале XX века. Схема электрическая принципиальная триода приведена на рис. 3.5

Рис. 3.5 Условное обозначение триода в схемах электрических принципиальных

Вольт-амперная характеристика триода приведена на рисунке 3.6

Рис. 3.6 Вольт-амперная характеристика триода

Вольт-амперная характеристика триода имеет высокую линейность. Благодаря этому вакуумные триоды вносят минимальные нелинейные искажения в усиливаемый сигнал.

В настоящее время вакуумные триоды вытеснены полупроводниковыми транзисторами. Исключение составляют области, где требуется преобразование сигналов с частотой порядка сотен МГц — ГГц большой мощности при небольшом числе активных компонентов, а габариты и масса не столь критичны, — например, в выходных каскадах радиопередатчиков, а также индукционный нагрев под поверхностную закалку. Мощные радиолампы имеют сравнимый с мощными транзисторами КПД; надёжность их также сравнима, но срок службы значительно меньше. Маломощные триоды имеют невысокий КПД, так как на накал тратится значительная часть потребляемой каскадом мощности, порой более половины от общего потребления лампы.

Тетрод—двухсеточная электронная лампа, предназначенная для усиления напряжения и мощности электрических сигналов. Схема электрическая принципиальная тетрода приведена на рис. 3.7

Рис. 3.7 Условное обозначение тетрода в схемах электрических принципиальных

В отличие от триода тетрод имеет между управляющей сеткой и анодом экранирующую сетку, которая ослабляет электростатическое воздействие анода на управляющую сетку. По сравнению с триодом тетрод имеет большой коэффициент усиления, очень малую емкость анод — управляющая сетка и большое внутреннее сопротивление.
По своему назначению подразделяются на тетроды для усиления напряжения и мощности низкой частоты и широкополосные тетроды, предназначенные для усиления видеосигналов. Лучевой тетрод, как и обыкновенный, является двухсеточной лампой, но отличается от последнего отсутствием динатронного эффекта, что достигается применением лучеобразующих пластин, расположенных между экранирующей сеткой и анодом и соединенных внутри баллона с катодом. Лучевые тетроды применяются в основном для усиления мощности низкой частоты в оконечных каскадах приемников, телевизоров и в другой аппаратуре.

Пенто́д (от др.-греч. πέντε пять, по числу электродов) — вакуумная электронная лампа с экранирующей сеткой, в которой между экранирующей сеткой и анодом размещена третья (защитная или антидинатронная) сетка. По конструкции и назначению пентоды делятся на четыре основные типа: маломощные усилители высоких частот, выходные пентоды для видеоусилителей, выходные пентоды усилителей низких частот, и мощные генераторные пентоды^[3].

Экранированные лампы, — тетрод и пентод, — превосходят триод на высоких частотах. Верхняя рабочая частота пентодного усилителя может достигать 1 ГГц. Коэффициент полезного действия усилителя мощности на пентодах (около 35 %) существенно выше, чем у усилителя на триодах (15 %-25 %), но несколько ниже, чем у усилителя на лучевых тетродах.

Недостатки пентодов (и вообще всех экранированных ламп) — более высокие, чем у триода, нелинейные искажения, в которых преобладают нечетные гармоники, острая зависимость коэффициента усиления от сопротивления нагрузки, бо́льший уровень собственных шумов..

Более сложными являются многоэлектродные лампы с двумя управляющими сетками–гептоды, которые появились в связи с изобретением супергетеродинного приема.