Файл: Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника учебник.pdf

§ 11. Активные элементы

Активные элементы радиоэлектронных устройств принято назы­ вать электронными приборами. Такие приборы основаны на электрон­ ных эффектах, возникающих в газах, жидкостях и твердых телах при воздействии на них электрических, магнитных, световых, радиа­ ционных, тепловых или механических полей. При этом в электрон­ ных приборах используются не только эффекты, возникающие при движении свободных и полусвободных электронов, но и эффекты, обусловленные электронами, прочно связанными в атомах и моле­ кулах.

Электрическое напряжение (ток)

Магнитное поле

Электромагнитное

излучение

Электронные приборы большей частью являются управляемыми преобразователями энергии одного вида в другой. Это позволяет использовать электронные приборы для усиления слабых сигналов путем преобразования энергии источника питания в энергию усили­ ваемого сигнала. Возможности электронных приборов практически неисчерпаемы, что видно из рис. 8. Электронные приборы могут питаться, по меньшей мере, от трех видов источников энергии, упра­ вляться сигналами любого из шести основных видов и выдавать усиленные сигналы в одном из шести возможных видов.

Внастоящее время имеется свыше пятисот видов электронных приборов.

Вэлектронных приборах используются свободные, полусвобод­ ные и связанные электроны. Потоки свободных электронов, движу­ щихся в вакууме, разреженном газе или идеальном диэлектрике,

37

используются при создании электронных ламп, плазменных и ди­ электрических приборов.

Полусвободными являются электроны проводимости, которые могут практически свободно перемещаться в металлах и полупро­ водниках. Управляемые потоки электронов проводимости, движу­ щиеся в полупроводниках, позволяют создавать полупроводниковые приборы. Происходящие в электролитах при прохождении тока обра­ тимые окислительно-восстановительные процессы позволяют со­ здавать химотронные приборы. Связанные электроны прочно удер­ живаются атомными ядрами, поэтому в обычных условиях переме­ щаться не могут, свойства связанных электронов используются в диэлектрических, магнитных и квантовых приборах. В последних под действием внешних электромагнитных, электрических и магнит­ ных полей возможно изменение энергетического уровня связанных электронов с последующим возвращением их на начальные уровни. Это сопровождается излучением электромагнитных волн и исполь­ зуется в лазерах, мазерах и иразерах.

Упражнения к главе I I I

Определите и постройте амплитудно-частотные характеристики RLC цени

Глава IV

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ

Принцип действия электронных ламп основан на управлении плотностью, скоростью или направлением движения потока электро­ нов, движущихся в вакууме. Если на управление затрачивается значительно меньшая энергия, чем переносится электронным пото­ ком, то имеет место усиление управляющего сигнала.

38

В любой усилительной электронной лампе имеются три основных элемента: источник потока — эмиттер или катод (излучатель сво­ бодных электронов); управляющее устройство — управляющий элект­ род (или система управляющих электродов), собиратель элек­ тронов — коллектор или анод

(рис. 9).

Нагрузка

Термоэлектронная эмиссия обычно получается за счет нагрева­ ния катода электрическим током. При повышении температуры увеличивается скорость движения электронов проводимости и все большее их число приобретает кинетическую энергию, превышающую работу выхода, и покидает катод. Вблизи его поверхности возни­ кает электронное облако, плотность которого пропорциональна температуре катода и обратно пропорциональна работе выхода.

помещенного в вакуум, в отсутствие внешнего электрического поля. Очевидно, что для увеличения эмиссионного тока следует увеличи­ вать температуру катода и применять металлы с малой работой выхода. Но при высоких температурах возрастает расход энергии на нагрев катода и резко увеличивается скорость испарения ме­ талла катода. Последнее уменьшает срок службы радиолампы вслед­ ствие разрушения поверхности катода и отложения токопроводящих пленок на управляющих электродах и межэлектродных изоляторах. Поэтому выбор чистых металлов, пригодных для изготовления

39

долговечных и достаточно эффективных катодов, ограничен танталом, вольфрамом, молибденом и ниобием.

Эмиссионные свойства катода могут быть существенно улучшены нанесением на его поверхность тонкого слоя активирующего ме­ талла, имеющего меньшую работу выхода. Атомы активирующего металла отдают валентные электроны атомам металла катода и становятся положительно заряженными ионами. Благодаря этому между слоем атомов активатора и верхним слоем атомов катода создается ускоряющее электрическое поле, способствующее выходу электронов. Еще большее улучшение эмиссионных способностей катода может быть достигнуто покрытием его поверхности тонким слоем окислов щелочных металлов. Оксидный слой уменьшает работу выхода до 1 эв, что позволяет снизить рабочую температуру катода до 600° С, в то время как температура чистых металлических и активированных катодов обычно в три-четыре раза выше. Оксид­ ные катоды в импульсных режимах могут отдавать эмиссионный ток плотностью до 200 а/см2 .

По конструкции термоэлектронные катоды делятся на катоды прямого и косвенного подогрева. Катоды прямого подогрева разо­ греваются до рабочей температуры током накала, протекающим непосредственно через катод. Они выполняются в виде стержней, пустотелых трубок, металлических рамок, обтянутых проволокой, или металлических лент. У катодов косвенного подогрева нагре­ вательный элемент и катод электрически разделены. Такие катоды выполняются в виде тонкостенных цилиндров, внешняя поверхность которых покрыта оксидным слоем. Нагревательный элемент, свер­ нутый в спираль, которая покрыта высокотемпературной изоля­ цией, помещается внутрь катода. Тепловая инерция катодов косвен­ ного подогрева составляет десятки секунд, вследствие чего они могут подогреваться переменным током.

Катоды прямого подогрева применяются в экономичных электрон­ ных лампах, питающихся от батарей и аккумуляторов, которые используются в переносной аппаратуре. Кроме того, они часто при­ меняются в выпрямительных и мощных генераторных лампах. Тепловая инерция маломощных катодов прямого подогрева мала,

Величина напряжения накала стандартизована и кратна напря­ жению, отдаваемому одной банкой щелочного (1,25 в) или кислот­ ного (2,1 в) аккумулятора.

Если у поверхности катода действует сильное ускоряющее элект­ рическое поле с напряженностью порядка 105 —108 в/см, то проис­ ходит автоэлектронная эмиссия даже при холодном катоде.

Автоэлектронные катоды, как и термоэлектронные, изготовля­ ются из металлов с малой работой выхода. Однако при большой напряженности электрического поля поверхность катода подвер­ гается разрушительной бомбардировке положительными ионами —

40