Общие сведения об электровакуумных приборах

  Электровакуумными приборами называют приборы, в которых электрический ток образуется в результате разряда, происходящего в вакууме или газе. При разряде в вакууме (давление ÷  Па) носителями заряда являются электроны, а в газе (давление ÷  Па) носителями заряда являются электроны и ионы.

  Электровакуумные приборы выполняются в виде газонепроницаемой оболочки из стекла, металла или керамики (баллона) и двух или более электродов. Один электрод предназначен для испускания электронов и называется катодом, а другой, к которому притягиваются электроны, называется анодом. Для движения электронов от катода к аноду элек-тровакуумный прибор подключают к внешнему источнику напряжения, соединяя катод с отрицательным полюсом источника, а анод – с поло-жительным полюсом. Остальные электроды, обычно выполняемые в виде сеток, располагают на пути движения электронов между анодом и катодом. Сетки служат для управления электронным потоком, а, следо-вательно, токами анода  и катода.

  Электровакуумные приборы подразделяются на:

                           - электронные лампы

                           - электронно-лучевые приборы (ЭЛП)

                              - газоразрядные (ионные) приборы.

                         2. Виды электронной эмиссии.

  Для того чтобы электрон перешёл из твёрдого тела, которое называют эмиттером, в вакуум, необходимо сообщить ему энергию, достаточную для совершения работы выхода. Эта работа состоит в преодолении притяжения положительно заряженного участка поверхности эмиттера, которую покинул электрон, а также сил поля электронного облака, всегда существующего над этой поверхностью. Электронное облако образуют электроны, энергия которых достаточна, чтобы поки-нуть эмиттер и перейти в вакуум. Электронное облако и эмиттер, поверхность которого оказывается заряженной положительно, образуют как бы плоский конденсатор, расстояние между электродами которого порядка  см. Электроны, покидающие эмиттер, движутся с торможе-нием.

  Существует несколько способов возбуждения электронов и соответ-ственно несколько видов электронной эмиссии.

  Автоэлектронная эмиссия происходит под действием сильного электрического поля и применяется в электровакуумных приборах с холодным катодом.

  Термоэлектронная эмиссия происходит при разогреве поверхности эмиттера, в следствие чего, возрастает количество электронов, способных совершить работу выхода, Этот вид эмиссии применяют в электрова-куумных приборах с катодом прямого и косвенного накала.

  Вторичная электронная эмиссия происходит при бомбардировке первичными электронами поверхности эмиттера в вакууме. При этом вторичные электроны приобретают энергию первичных электронов и совершают работу выхода. Этот вид эмиссии применяют в фотоэлектронных умножителях.

  Фотоэлектронная эмиссия происходит при освещении поверхности эмиттера. Поглощая энергию квантов света, электроны эмиттера совер-шают работу выхода. Этот вид эмиссии применяют в фотоэлектронных приборах.

 

    3. Виды катодов и другие элементы электронных ламп.

  Для нормальной работы электронного прибора необходим надёжный, долговечный и экономичный эмиттер – катод, обладающий высокой эмиссионной способностью. Эти требования нередко противоречат друг другу. Так, увеличение эмиссионной способности катода требует увеличение рабочей температуры, что снижает его долговечность и экономичность.

В зависимости от материала поверхности, испускающей электроны, различают следующие основные виды катодов:

- катоды из чистых металлов.

- полупроводниковые катоды.

- оксидные катоды.

- сложные (камерные) и импрегнированные катоды.

  Катод прямого накала это катоды, у которых ток накала  протекает непосредственно через катод изготовленный в виде металлической нити,  спирали или ленты из тугоплавкого металла,            например, вольфрама (W),  молибдена (Мо), тантала (Та) или никеля (Ni), температура плавления которых превышает 2300°К. К выводам катода подключается источник напряжения накала. Катоды прямого накала экономичны, просты по конструкции и требуют малого времени  разогрева до рабочего состояния. При питании этих катодов переменным током в выходном сигнале появляется фон удвоенной частоты напряжения накала, что является серьёзным недостатком (рис 1.8.). Это объясняется тем, что остывание и разогрев катода происходит дважды за период, а ток эмиссии изменяется от максимума до минимума.

  Катоды косвенного накала выполняют из никеля в виде трубки 1  или цилиндра 4 (рис. 1.9.). Для увеличения эмиссионной способности рабочие поверхности катодов активируют (покрывают) смесью оксидов 2 щёлочно-земельных металлов.  Нить накала 3 помещена внутри катода и самого катода она не касается. Катоды косвенного накала обладают высокой эмиссионной способностью, экономичны, долговечны и используются в маломощных электронных приборах. В отличии от катодов прямого накала эмиссия с их поверхности при питании нити накала переменным током практически постоянна. Недостатком катодов косвенного накала является их инерционность.

Ускоряющий электрод электровакуумного прибора, служащий основ-ным собирателем (коллектором) электронов, называется анодом.

Аноды изготовляются из тугоплавких материалов, обладающих хорошей теплопроводностью: никеля (Ni), никелированной стали, титана (Ti), молибдена (Mo), алюминированного железа (Fe), графита (C). Для улучшения условий охлаждения иногда увеличивают поверхность анодов за счёт специальных рёбер. Наружные поверхности анодов делают шероховатыми или чернят.

 

           

Рис. 1.8. Ток накала (а) и ток эмиссии (б) катода прямого накала.

                   

Рис. 1.9. Катод косвенного накала в виде трубки (а) и цилиндра (б).

В генераторных лампах применяют принудительное охлаждение анодов – воздушное или жидкостное, для чего анод соединяют с внеш-ним радиатором, помещённым в воздухопровод или в сосуд с проточ-ной жидкостью.

Сетки, расположенные между анодом и катодом, создают электри-ческие поля, определяющие режим работы электровакуумного прибора. Сетки изготовляют из молибденовой или вольфрамовой проволоки, ко-торую в ряде случаев покрывают слоем золота  (Au) или платины (Pl) для уменьшения термоэлектронной эмиссии. Чаще всего они имеют форму спиралей, закреплённых на траверсах из молибдена (Mo) или медных сплавов. Реже применяют сетки рамочной конструкции и из проволочной ткани.

Баллоны изготовляют из стекла, металла или вакуумной керамики. Наибольшее распространение получили баллоны из натриевого, боро-силикатного, свинцового или кварцевого стекла. В стеклянном баллоне легко создать необходимый вакуум и имеются хорошие условия для охлаждения электродов. Отрицательное качество стеклянных баллонов – хрупкость. Металлические баллоны прочны, экранируют внутреннюю полость от воздействия внешних электрических полей, но условия ох-лаждения электродов в них хуже, получить хороший вакуум в них труднее, чем у стеклянных.

Для поддержания в лампе глубокого вакуума применяют металличес-кий поглотитель газа (геттер), который активно и необратимо адсорби-рует  газы, выделяющиеся из электродов и баллона при нагреве. Геттер представляет собой таблетку из магния (Mg) или бария (Ba) и их соединений. После откачки воздуха (для поглощения остатков газа в баллоне) геттер распыляется токами высокой частоты и  осаждается на внутренней поверхности баллона в виде серебристого налёта.

Электроды лампы внутри баллона укреплены на держателях и соеди-няются проводниками (выводами) с наружными контактами – штырьками, предназначенными для включения лампы в аппаратуру. В нижней части лампы имеется цоколь – основание, на котором закрепляются баллон и штырьки. Миниатюрные стеклянные лампы бесцокольные, у них штырьки впаяны в нижнюю часть баллона.

Большинство ламп имеют 7 – 9 штырьков. Нумерацию штырьков ведут по ходу часовой стрелки от ключа. Ключ определяет единственно возможное правильное положение штырьков в ламповой панели аппара-туры. Роль ключа выполняет пластмассовый выступ в центре восьми-штырькового (октального) цоколя или увеличенный промежуток между двумя соседними штырьками (семи- и девятиштырьковых ламп). Иногда нумерация штырьков производится от цветной метки или выступа на баллоне.

 

                       4. Электровакуумный диод.

  Электровакуумный диод – это простейший электровакуумный прибор.

  Диод имеет два электрода в стеклянном, металлическом или кера-мическом баллоне с вакуумом. Одним электродом является накалённый катод, служащий для эмиссии электронов. Другой электрод – анод – при-нимает электроны, испускаемые катодом. Анод притягивает электроны, если он имеет положительный относительно катода потенциал. Между анодом и катодом образуется электрическое поле, которое при положи-тельном потенциале на аноде, является ускоряющим для электронов. Электроны, вылетающие из катода, под действием поля движутся к аноду.

  Все электроны, вылетающие из катода, образуют ток эмиссии:

                                       = Nq                                                           (1.1)

где N – число электронов, вылетающих за одну секунду;

  q – заряд электрона.

  Между анодом и катодом образуется отрицательный заряд, называ-емый объёмным или пространственным,  который препятствует движению электронов к аноду. При недостаточном положительном потенциале анода не все электроны могут преодолеть действие объёмного заряда и часть их возвращается на катод.

  Электроны, ушедшие с катода безвозвратно, определяют катодный ток (ток катода), обозначаемый или :

                                             = nq <                                                  (1.2)

где n – число электронов, ушедших за одну секунду с катода и не                                 

        возвратившихся обратно;

  Чем выше потенциал анода, тем больше электронов преодолевает объёмный заряд и уходит к аноду, т.е.  тем больше катодный ток.

  Поток электронов, летящих от катода к аноду и попадающих на анод, называют анодным током (током анода). Он протекает в анодной цепи и обозначается или . В диоде катодный и анодный токи равны:

                                              =                                                       (1.3)

  Если потенциал анода отрицателен по отношению к катоду, то поле между анодом и катодом тормозит электроны, вылетающие из катода, и возвращает их на катод. В этом случае катодный и анодный токи равны нулю.

  Основное свойство диода – способность проводить ток в одном направлении. Электроны могут двигаться только от накалённого катода к аноду, имеющему положительный потенциал. Если же на аноде отри-цательный относительно катода потенциал, то диод заперт.

На рис. 1.10 показано условное изображение электровакуумного диода с катодом косвенного накала.

                                             

  Рис. 1.10. Условное изображение электровакуумного диода.

На рис. 1.11. изображена анодная характеристика электровакуумного диода, т.е. зависимость анодного тока от анодного напряжения.

                         

Рис. 1.11. Вольт-амперная характеристика электровакуумного диода.

            Основные параметры электровакуумных диодов:

- максимально допустимое обратное напряжение на аноде – это наибольшее обратное напряжение между анодом и катодом, при котором прибор может работать без пробоя (несколько десятков кВ).

- максимально допустимый прямой ток анода  – это наибольший прямой ток, при котором прибор сохраняет работоспособность длитель-ное время (обычно составляет от десятков микроампер до нескольких сотен миллиампер).

- максимально допустимая мощность , рассеиваемая на аноде, т.е. наибольшая мощность, которую анод может рассеивать без разрушения из-за перегрева (составляет несколько десятков Вт).

  Главное назначение электровакуумных диодов – выпрямление пере-менного тока. Диоды применяются также для ограничения амплитуды, для генерации шумов, т.е. беспорядочно изменяющихся токов и напря-жений. Исходя из этого, их применяют в устройствах питания, в импульсной технике, в измерительной аппаратуре и других областях.

 

                  5. Электровакуумный триод

  Триод – это тоже один из простейших электровакуумных приборов. Триод,  в отличии от диода, имеет третий электрод – управляющую сетку, расположенную между анодом и катодом. Она служит для управления анодным током. Если изменять потенциал сетки, то изменяется электрическое поле и вследствие этого изменяется катодный ток лампы.

                                              

        Рис. 1.12. Условное изображение электровакуумного триода.

На рис. 1.12 показано условное изображение электровакуумного триода с катодом косвенного  накала. На рис. 1.13 показано семейство анодно-сеточных и сеточных характеристик электровакуумного триода. 

 На рис. 1.14. показано семейство анодных характеристик электровакуум-ного триода.

                                                                                                                                                               

Рис. 1.13. Семейство анодно-сеточных и сеточных характеристик электровакуумного триода.

 

           Основные параметры электровакуумных триодов:

- внутреннее сопротивление , показывает, как изменяется анодный ток при изменении анодного напряжения  (cоставляет от долей кОм до 50 кОм).

- крутизна анодно-сеточной характеристики S, показывает, на сколько мА изменяется анодный ток при изменении сеточного напряжения на 1В (находится   в пределах 1÷ 50 мА/B).

- статический коэффициент усиления µ, показывает, во сколько раз изменение напряжения на  сетке сильнее влияет на анодный ток, чем равное ему напряжение на аноде (µ = 20÷100).

                                

 Рис. 1.14. Семейство анодных характеристик электровакуумного триода.

 

- максимально допустимая мощность , рассеиваемая на аноде – это наибольшая мощность, выделяющаяся на аноде, при которой прибор может работать длительное время (в лампе ГК-5А  = 200 кВт).

- ёмкость сетка – катод  – это входная ёмкость, которая является дополнительной нагрузкой источника входного сигнала (2 πФ ÷  200 πФ).

- ёмкость анод – сетка  – это проходная ёмкость, через которую из мощной анодной цепи в маломощную сеточную проникает ток внутрен-ней обратной связи , который, суммируясь с током усиливаемого сигнала, может исказить процесс усиления и даже вызвать самовозбуж-дение усилителя, вследствие чего он может превратиться в генератор   (от десятых долей πФ до 100 πФ).

- ёмкость анод – катод  – выходная ёмкость, которая шунтирует нагрузку усилителя, снижает усиление.

  Основным назначением электровакуумных триодов является усиле-ние и генерирование электрических колебаний. Триоды работают в диапазоне частот от 0 Гц (постоянный ток) до 3300 МГц (λ = 9 см).

 

     6. Электровакуумный тетрод.  Динатронный эффект.

  Для увеличения коэффициента усиления µ и уменьшения проходной ёмкости в триод вводят вторую сетку, располагая её между первой сеткой и анодом. Таким образом получают электронную лампу – тетрод. Вторую сетку называют экранирующей, так как она дополнительно экранирует катод от поля анода. На  экранную сетку подаётся постоян-ное положительное напряжение, обычно составляющее 0,5÷0,8 ЭДС источника . На рис. 1.15 показано условное изображение электровакуумного тетрода, а на рис. 1.16 показана схема подключения тетрода, работающего в режиме усиления.

                                      

Рис. 1.15. Условное изображение электровакуумного тетрода.

                           

                 Рис. 1.16. Тетрод в схеме усиления сигнала.

Так как сопротивление конденсатора мало, большая часть тока внутренней обратной связи попадает в цепь катода, минуя первую сетку и в управлении анодным током не участвует, что эквивалентно уменьшению проходной ёмкости . Сравним проходные ёмкости триода 6С1П и тетрода 6Э5П, которые соответственно равны 1,7 πФ и 0,065 πФ. На рис. 1.17 приведена анодная характеристика тетрода.

                          

Рис. 1.17. Графики, поясняющие суть динатронного эффекта в тетроде.

 

Недостатком тетродов, ограничивающим их применение, является динатронный эффект, наблюдаемый при  > . В таком режиме электроны вторичные выбиваемые из поверхности анода  электронами анодного тока ускоряются в направлении второй сетки и увеличивают её ток  (рис.1.19.). На анодной характеристике тетрода динатронный эффект проявляется в виде провала – участок А – Б, причём внутреннее сопротивление тетрода становится на этом участке отрицательным. Как только тетрод начинает работать в режиме, соответствующем падающему участку анодной характеристики, усилитель на тетроде    превращается в генератор. На рис. 1. 18 изображено семейство анодно-сеточных характеристик электровакуумных тетродов.

  

   Рис. 1.18. Семейство анодно-сеточных характеристик тетрода.

            

Рис. 1.19. Движение электронов при динатронном эффекте в тетродах.

 

         Основные параметры электровакуумных  тетродов.

- внутреннее сопротивление тетрода составляет сотни кОм.

- крутизна анодно-сеточной характеристики S тетрода лежит в пределах от 1 до 30 мА/В.

- статический коэффициент усиления µ тетрода достигает несколько сотен.

  Тетроды применяются для усиления и генерирования электрических колебаний с частотой до 25 МГц при полезной выходной мощности до 10 кВт.

 

                          7. Электровакуумный пентод

  Для устранения динатронного эффекта в тетрод между экранной сеткой и анодом вводят ещё одну сетку, называя её антидинатронной или защитной. Таким образом получают электровакуумный пентод. Потенциал защитной сетки обычно равен потенциалу катода, поэтому в промежутке между ней и анодом, даже при малом напряжении на аноде, существует электрическое поле, тормозящее вторичные электроны и возвращающее их на анод (рис. 1.23.). В пентодах динатронный эффект не возможен. На рис. 1.20 приведено условное изображение электровакуумного пентода. На рис. 1.21 приведено семейство анодных характеристик электровакуумного пентода. На рис. 1.22 приведено семейство анодно-сеточных характеристик электровакуумного пентода.

                                      

Рис. 1.20. Условное изображение электровакуумного пентода.

 

          Основные параметры электровакуумных  пентодов.

- внутреннее сопротивление пентода составляет примерно 2,2 МОм.

- крутизна анодно-сеточной характеристики S пентода достигает 55мА/В.

- статический коэффициент усиления µ пентода достигает нескольких тысяч.

 

                       

Рис. 1.21. Семейство анодных характеристик электровакуумного пентода.

                        

Рис. 1.22. Семейство анодно-сеточных характеристик пентода.

 

Пентоды применяются для усиления и генерирования электрических колебаний с частотой до 120 МГц при полезной выходной мощности до 1 кВт.

                       

        Рис. 1.23. Устранение динатронного эффекта в пентоде.

      

                   8. Электровакуумный лучевой тетрод

  Устранить динатронный эффект можно и другими чисто конструктивными мерами. Так, в лучевом тетроде сетки имеют одинаковое число витков. Как витки, так и просветы между ними  должны совпадать в направлении от катода к аноду, что способствует концентрации электронного потока в плоские лучи. В поперечном сечении лучевого тетрода электронный поток, кроме того, концентрируется лучеобразующими пластинами Э1 и Э2, соединёнными с катодом. Таким образом, между второй сеткой С2 и анодом образуется отрицательный пространственный заряд – второе электронное облако, тормозящее вторичные электроны. На рис. 1.24 приведено условное изображение электровакуумного лучевого тетрода. На рис. 1.25 приведено семейство анодных характеристик электровакуумного лучевого тетрода.

  Между тем, слабо выраженный динатронный эффект всё же проявляется в лучевых тетродах при малых анодных токах, что видно на анодной характеристике (рис.1.25.).

     Основные параметры электровакуумных  лучевых тетродов.

- внутреннее сопротивление лучевого тетрода составляет 20 ÷ 100 кОм.

- крутизна анодно-сеточной характеристики S лучевого тетрода составляет 2÷10 мА/В.

- статический коэффициент усиления µ лучевого тетрода достигает 100÷200.                                    

                                       

Рис. 1.24. Условное изображение электровакуумного лучевого тетрода.         

 

Рис. 1.25. Семейство анодных характеристик лучевого тетрода. 

  Лучевые тетроды применяются для усиления и генерирования электрических колебаний. В мощных лучевых тетродах при рабочих режимах начальные участки анодных характеристик не используются, и динатронный эффект не проявляется

 

                    9. Маркировка усилительных ламп

   Маркировку усилительных электронных ламп рассмотрим на примере лампы 6Н2П – ЕВ.

  Первый элемент – число, указывающее на округлённое значение напряжения накала (в Вольтах).

  Второй элемент – буква, обозначающая тип лампы:

А – частотно-преобразовательная лампа, лампа с двумя управляющими сетками.

Б – диод-пентод.

В – лампа с вторичной эмиссией.

Г – диод-триод.

Д – диод.

Е – электронно-лучевой индикатор.

Ж – ВЧ пентод с короткой характеристикой.

И – триод-гексод, триод-октод, триод-гептод.

К – ВЧ пентод с удлинённой характеристикой.

Л – лампа со сфокусированным лучом.

Н – двойной триод.

П – выходной пентод, лучевой тетрод.

Р – двойной тетрод, двойной пентод.

С – триод.

Ф – триод-пентод.

Х – двойной диод.

Ц – кенотрон.

Э – тетрод.

  Третий элемент – число, указывающее на порядковый номер разработки данного типа лампы.

Четвёртый элемент – буква, характеризующая конструктивное оформление:

А – сверхминиатюрные в стеклянном баллоне диаметром до 6 мм.

Б - сверхминиатюрные в стеклянном баллоне диаметром до 10,5 мм.

Г - сверхминиатюрные в стеклянном баллоне диаметром более 10,5мм.

Д – в металлостеклянной оболочке с дисковыми выводами.

К – в керамической оболочке.

Н – миниатюрные и сверхминиатюрные в металлической оболочке.

П – миниатюрные в стеклянной оболочке диаметром 19 и 22,5 мм.

Р – сверхминиатюрные в стеклянной оболочке диаметром до 5 мм.

С – в стеклянной оболочке диаметром более 24 мм.

  Отсутствие четвёртого элемента в маркировке указывает на то, что лампа заключена в металлический баллон.

К четвёртому элементу могут быть добавлены буквы:

В – повышенной надёжности и механической прочности.

Д – особо долговечные (10 тысяч часов и более).

Е – повышенной  надёжности и долговечности (5 тысяч часов и более).

И – лампы, работающие в импульсном режиме.

К – лампы  высокой виброустойчивости.

 

 

 10. Маркировка генераторных и модуляторных ламп.

  Маркировку генераторных и модуляторных электронных ламп рассмотрим на примере лампы ГК-5А.

В маркировке отечественных генераторных и модуляторных ламп первые буквы обозначают:

ГК – генераторная лампа для работы на частотах, не превосходящих 25МГц, т.е. в диапазоне от самых длинных до коротких волн включи-тельно.

ГУ - генераторная лампа для работы в диапазоне ультракоротких волн на частотах от 25 до 600 МГц.

ГС  – генераторная лампа для работы в диапазоне частот выше 600 МГц, т.е. в дециметровом и сантиметровом диапазоне волн.

ГМ – модуляторная лампа.

ГИ – импульсная генераторная лампа.

ГМИ – импульсная модуляторная лампа.

  Далее в маркировке через тире следует порядковый номер разработки данного типа лампы, а затем следуют буквы,  показывающие вид принудительного охлаждения:

А – жидкостное (водяное) охлаждение анода.

Б – принудительное воздушное охлаждение анода.

К – испарительное охлаждение анода.

Отсутствие этих букв в маркировке указывает на естественное охлаж-дение анода.

 

 

ТЕМА 2 ЭЛЕКТРОННО – ЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ   (ЭЛТ). 

ЛЕКЦИЯ 4.ЭЛТСЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМИМАГНИТНЫМУПРАВЛЕНИЕМ.