Файл: Лебедев, Н. Н. Электротехника и электрооборудование учеб. пособие [для монтаж. и строит. спец. техникумов].pdf

ГЛАВА ДЕСЯТАЯ

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ, ИОННЫЕ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ И АППАРАТЫ

ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ

§ 10.1. Электрический ток в вакууме

Действие электронных электровакуумных приборов основано на протекании электрического тока в вакууме. Ток в электровакуумных приборах создается потоком электронов, летящих от отрицательно за­ ряженного электрода (катода) к электроду, заряженному положительно (аноду). Вакуум в этих приборах поддерживается глубоким: остаточное давление газа (воздуха) в них не превышает 10~в— 10~7 мм рт. ст. (мил­ лиметров ртутного столба), тогда как нормальное атмосферное давление составляет около 750 мм рт. ст.

Для того чтобы представить себе, каким образом возникает поток электронов, вылетающих из катода, необходимо еще раз вспомнить не­ которые сведения из электронной теории строения вещества. В начале книги (в § 1.3) при выяснении физической сущности электропровод­ ности отмечалось, что металлам — проводникам свойственна высокая концентрация в них так называемых «свободных» электронов, которые «свободно», в беспорядочном движении перемещаются между атомами.

При некоторых условиях эти электроны получают возможность не только перемещаться между атомами металла, но и выйти за его преде­ лы. Рассмотрим, каковы же эти условия.

Испускание твердым или жидким (например, ртутным) катодом потока электронов в окружающее пространство называется э л е к т ­ р о н н о й э м и с с и е й .

Свободные электроны в своем движении обладают, как всякое дви­ жущееся тело, кинетической энергией. Энергию элементарных частиц принято измерять в электрон-вольтах. Э л е к т р о н - в о л ь т (эВ) равен количеству энергии, приобретаемому электроном при его пере­ мещении между двумя точками пространства с разностью потенциалов в 1 В. При обычных температурах (порядка 20° С) кинетическая энер­ гия электрона невелика — составляет несколько электрон-вольт. С по­ вышением температуры эта энергия возрастает.

Вернемся теперь к электрическому току в вакууме, представля­ ющему собой, как уже говорилось, поток электронов, вылетающих из металлического катода. Для выхода из металла электрон должен со­ вершить работу по преодолению сил притяжения, связанных с наличием положительных зарядов внутри металла и так называемого двойного электрического слоя на его поверхности. Кинетической энергии элект­ рона при нормальных, относительно низких температурах для этого недостаточно, и для того чтобы электрон мог выйти за пределы металла, ему необходимо сообщить дополнительное количество энергии. Это количество энергии, равное работе электрона по преодолению сил при-

148

тяжения, называют р а б о т о й в ы х о д а . Она различна для различ­ ных элементов. Например, для вольфрама работа выхода составляет 4,52 эВ, а для бария (одного из щелочноземельных металлов) — толь­ ко 2,11 эВ.

Дополнительная энергия может быть сообщена электронам различ­ ными способами. Соответственно различаются несколько видов элект­ ронной эмиссии, но основными являются четыре ее вида:

1. Т е р м о э л е к т р о н н а я э м и с с и я . Дополнительная энергия к электронам поступает от нагревания катода до высокой тем­ пературы.

тельную энергию в результате бомбардировки поверхности металла по­ током электронов или ионов извне — так называемый динатронный эффект (от слова дина — сила).

4. А в т о э л е к т р о н п а я э м и с с и я . Условия, необходи­ мые для того, чтобы свободные электроны могли выйти за пределы ме­ талла, создаются сильным электрическим полем у его поверхности.

В устройстве электронных электровакуумных приборов применяет­ ся главным образом принцип термоэлектронной эмиссии. Фотоэлектрон­ ная эмиссия подробнее рассмотрена в гл. 11.

§ 10.2. Двухэлектродные электронные лампы (диоды)

Основную группу электронных электровакуумных приборов со­ ставляют э л е к т р о н н ы е л а м п ы : двухэлектродные, трех­ электродные и с большим количеством электродов (четырьмя, пятью).

Простейшей из них является двухэлектродная лампа-диод (от гре­ ческого слова «дио» — два). На рис. 10.1 показано принципиальное устройство и схема включения диода. Лампа состоит из баллона /, обычно стеклянного, в котором смонтированы катод 2 и анод 3. Из бал­ лона откачан воздух до глубокого вакуума.

Катоды электронных ламп могут быть двух типов: прямого нака­ ла и подогревные (косвенного накала).

Катод п р я м о г о н а к а л а представляет собой тонкую нить из тугоплавкого металла (обычно из вольфрама), нагреваемую протекаю­ щим по ней током накала. П о д о г р е в н ы й катод состоит из поло­ го металлического (никелевого) цилиндра, внутри которого помещается подогреватель из вольфрамовой проволоки. Ток накала пропускается через подогреватель.

Аноды электронных ламп изготовляют из стали, никеля, молибде­ на. По форме анод обычно представляет собой полый цилиндр или по­ лую призму, внутри которых помещается катод. На приведенном выше рис. 10.1, а показаны анод цилиндрической формы и катод прямого накала.

Металлический катод нагревают до высокой температуры, пропус­ кая через него электрический ток — или постоянный ток небольшой батареи ( б а т а р е и н а к а л а ) , или переменный от трансформато­

149

ра, питаемого от электрической сети. Ток, который при этом проходит

постоянного тока (анодной батареи) так, чтобы анод лампы был подсо­ единен к положительному полюсу— к плюсу батареи, а катод — к от­ рицательному полюсу — к минусу, между анодом и катодом внутри лампы возникает электрическое поле, под действием которого электро­ ны, эмитированные катодом, направятся к аноду. Цепь, питаемая анод­ ной батареей, будет замкнута, через лампу по­

Если же подсоединить полюсы анодной батареи к диоду в обратном порядке: минус — к аноду, а плюс — к катоду, ток через лампу про­ ходить не будет, так как в этом случае электроны, вылетевшие из като­ да, будут снова возвращаться к нему (под действием электрического

поля в лампе), а на холодном аноде новый поток электронов возникнуть не может.

Таким образом, диод пропускает электрический ток только в одном направлении. Такого рода приборы и аппараты называют э л е к т р и ­ ч е с к и м и в е н т и л я м и . Вентильное свойство диода исполь­ зуют для выпрямления переменного тока, т. е. для преобразования его в постоянный ток. Для этого диод включают в цепь вторичной обмотки однофазного трансформатора. Диод пропускает только одну полуволну переменного тока (в течение половины каждого периода). Во внешней цепи получается прерывистый пульсирующий постоянный ток. При соответствующем включении двух диодов можно использовать обе полу­

150

волны переменного тока. Более подробно вопросы выпрямления пере­ менного тока рассматриваются в гл. 11.

Диоды, специально изготовляемые для выпрямления переменного тока, называют к е н о т р о н а м и . Кенотроны (рис. 10.2) широко применяют для питания постоянным током различных устройств про­ мышленной электроники. Кроме обычного диода с одним катодом и од­ ним анодом промышленность выпускает также д в о й н ы е д и о д ы . В такой лампе может быть два анода и один общий катод или же два анода и два катода. Таким образом, в одном баллоне объединяют две электронные лампы. Применение таких ламп, называемых к о м б и ­ н и р о в а н н ы м и , упрощает монтаж и уменьшает размеры электрон­ ных устройств.

Баллоны электронных ламп могут быть стеклянные и металличес­ кие. Наибольшее распространение имеют стеклянные лампы: они про­ ще в изготовлении и лучше поддерживают создаваемый в них вакуум.

По внешней форме и конструкции выводов имеется несколько видов электронных ламп. Наиболее применимы в промышленной электронике стеклянные лампы с пластмассовым восьмиштырьковым цоколем и на­ правляющим ключом в центре, а также стеклянные «пальчиковые» лампы цилиндрической формы со штырьками, укрепленными непосред­ ственно в дне лампы; пальчиковые лампы иногда имеют дополнитель­ ный вывод в куполе баллона.

Для обозначения типа и конструкции электронных ламп установле­ на особая маркировка, состоящая из четырех элементов: первый — цифра, показывающая напряжение накала (с округлением); второй — буква, указывающая на тип лампы (для диодов: Д — простой диод; X — двойной диод; Ц — кенотрон); третий элемент — число, показы­ вающее модель лампы, и четвертый элемент — буква, обозначающая внешнюю форму лампы (С — стеклянная с пластмассовым цоколем, П — пальчиковая стеклянная, А — сверхминиатюрная лампа диамет­ ром 6 мм).

Например: 6Х2П — двойной диод с напряжением накала 6 В (точ­ нее 6,3 В), модуль 2, пальчиковая стеклянная; 5Ц4С — кенотрон с на­ пряжением накала 5 В, модель 4, стеклянная с пластмассовым цоколем.

§ 10.3 Трехэлектродные электронные лампы (триоды)

Трехэлектродная электронная лампа (триод) по своему устройству аналогична диоду, но отличается от него наличием третьего электрода, размещаемого между катодом и анодом, как это видно из рис. 10.3. Третий электрод носит название управляющей сетки. Такое название происходит от первоначальных конструкций этого электрода. В настоя­ щее время сетка выполняется обычно в виде спирали из проволоки — никелевой, вольфрамовой или молибденовой (рис. 10.3, б).

Наличие сетки в триоде позволяет управлять анодным током лампы и дает возможность триоду осуществлять у с и л и т е л ь н ы е д е й с т в и я . Усиление слабых электрических сигналов является ос­ новным назначением трехэлектродной лампы.

151