Файл: Терсин, В. Я. Радиоэлектроника и радиотехнические измерения учебник для школ техников ВМФ.pdf

Г л а в а 4

ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ

§ 1. Общие сведения

Электровакуумными и газоразрядными приборами называют приборы, в которых электрические явления протекают в вакууме или в пространстве, заполненном специальными газами. Общим для всех этих устройств является то, что в них используется поток свободных электронов, эмитируемых (испускаемых) специальным электродом — катодом. В зависимости от принципа дей­ ствия прибора работа катода может быть основана на одном из следующих видов электронной эмиссии: тер­ моэлектронной, вторичной электронной и фотоэлек­ тронной.

Термоэлектронной эмиссией называют явление испу­ скания металлом электронов под действием тепла. Как известно, свободные электроны, находящиеся в метал­ лах, двигаются с различными скоростями и часть из них может вылетать за его пределы. При нормальной температуре количество вылетающих из металла элек­ тронов обычно невелико. С увеличением температуры скорости движения электронов увеличиваются, поэтому возрастает и число электронов, способных преодолеть притяжение положительных зарядов и вылететь за пре­ делы катода. Вылетевшие из катода электроны обра­ зуют вокруг него электронное облачко (отрицательный пространственный заряд), препятствующее дальнейше­ му вылету электронов. Если вблизи пространственного заряда поместить другой проводник с положительным

33

по отношению к катоду потенциалом — анод, то между катодом и анодом возникнет непрерывный поток элек­ тронов.

Кроме катода и анода в электронных лампах могут быть еще один или несколько электродов, необходимых для управления электронным потоком внутри лампы. На принципе термоэлектронной эмиссии работает самая большая группа вакуумных устройств, называемых электронными лампами.

В настоящее время отечественной промышленностью выпускается большое количество различных типов элек­ тронных ламп, удовлетворяющих самым разнообразным требованиям. Электронные лампы принято классифици­ ровать по назначению (выпрямительные, усилительные, генераторные, модуляторные), мощности (малой мощ­ ности, мощные), числу электродов (двухэлектродные, трехэлектродные, четырехэлектродные, пятиэлектрод­ ные, шести- и более электродные), устройству катодов (прямого канала, подогревные), внешнему оформлению (со стеклянным баллоном, металлическим баллоном и металлокерамические) и другим признакам.

Другую большую группу вакуумных приборов, рабо­ та которых также основана на использовании явления термоэлектронной эмиссии, составляют, газоразрядные лампы. В них электрические явления протекают в пространстве, заполненном специальными газами, способ­ ными ионизироваться под действием свободно движу­ щихся внутри лампы электронов. В результате столкно­ вения электронов с атомами газа могут возникать как положительные, так и отрицательные ионы, составляю­ щие совместно с электронами поток зарядов внутри лампы. К газоразрядным приборам относятся газотро­ ны, тиратроны, разрядники, неоновые лампы и другие приборы, применяемые для преобразования электриче­ ского тока в схемах питания радиоприборов, в качестве индикаторных устройств и т. д.

К вакуумным приборам, основанным на явлении термоэлектронной эмиссии, относятся также электрова­ куумные трубки, применяемые в измерительных устрой­ ствах, радиолокации, телевидении, приборах радиотеле­ управления, в радионавигации и т. д.

В некоторых из этих трубок используется явление вторичной электронной эмиссии, которое заключается в

34

том, что при падении с большой скоростью электроны выбивают с поверхности электрода, состоящего из ме­ талла или полупроводника, другие электроны, называе­ мые вторичными.

Наконец, к вакуумным приборам относят большую и разнообразную группу так называемых фотоэлектриче­ ских приборов, работа которых основана на явлении фо­ тоэлектронной эмиссии. В этих приборах катод излу­ чает электроны при воздействии на него видимого света. К фотоэлектрическим приборам относятся фотоэле­ менты и фотосопротивления, широко применяемые в те­ левизионных устройствах, радиолокации и других об­ ластях техники.

§ 2. Диоды

Простейшей электронной лампой является двукэлектродная лампа (диод). Она имеет два электрода — ка­ тод и анод, заключенные в вакуумный стеклянный или

металлический баллон. Нижняя часть баллона соедине­ на с цоколем, в который впреосованы выводы (штырь­ ки) электродов лампы. С помощью этих штырьков лам­ па включается в схему.

Рассмотрим принцип действия диода. Для его ра­ боты требуются два источника питания: питание накала

чения диода. При включенном напряжении накала разогретый катод начнет эмитировать электроны. В

35

результате около катода образуется облако пространст­ венного заряда^ Этот заряд отталкивает отрицательно заряженные электроны, вылетающие из катода, и пре­ пятствует их попаданию на анод. Однако некоторая часть электронов обладает энергией, достаточной, чтобы достигнуть анода. Через лампу будет проходить так называемый нулевой ток (т. е. анодный ток при «а= 0). Если включить на анод положительное относительно ка­ тода напряжение, то анодный ток увеличится, так как анод будет притягивать электроны, уменьшая тормозя­ щее действие пространственного заряда. С увеличением анодного напряжения ий анодный ток растет до макси­ мального значения, определяемого эмиссионными свой­ ствами катода. Этот ток называется током насыщения (рис. 4.1,6). Если на анод подать отрицательный потен­ циал, то анодный ток прекратится, так как отрицатель­ но заряженный анод будет отталкивать электроны и усиливать тормозящее действие пространственного за­ ряда.

Диод обладает односторонней проводимостью заря­ да, т. е. ток через лампу проходит только при положи­ тельном потенциале на аноде.

Зависимость га от ыа (при постоянном напряжении накала ин) характеризует качество диода и называется анодной характеристикой лампы (рис. 4.1,6). Такую за­ висимость можно снять экспериментально с помощью

Величина m зависит от эмиссионных свойств катода. Основными параметрами двухэлектронной лампы являются крутизна характеристики S и внутреннее сопро­ тивление Ri. Оба эти параметра показывают, как изме­ няется анодный ток при изменении анодного напря­

жения.

Крутизной характеристики диода S называется вели­ чина изменения анодного тока при изменении анодного напряжения на 1 В:

Чем больше крутизна характеристики, тем выше ка­ чество лампы. Крутизна ламп зависит от конструкции,

36

величины поверхности анода и расстояния между ано­ дом и катодом.

Внутренним сопротивлением диода /?» (или сопро­ тивлением переменному току) называется отношение приращения анодного напряжения к соответствующему изменению анодного тока, т. е.

D_

~ ~ЦГ '

Величина Ri характеризует сопротивление диода в некоторой точке его анодной характеристики при дей­ ствии на него переменного напряжения малой величи­ ны. Внутреннее сопротивление переменному току Ri сле­ дует отличать от сопротивления лампы постоянному току Rt , которое равно отношению величины анодного

напряжения к соответствующей величине анодного тока: Rlti — -у2- . В одной и той же точке характеристи­

ки сопротивления. диода переменному и постоянному току различно. Сопротивление диода постоянному току /?,. при разных значениях анодного напряжения (в раз­

ных точках характеристики) различно и не является па­ раметром диода.

Внутреннее сопротивление диода — величина, обрат­ ная крутизне характеристики, т. е. чем больше S, тем меньше Ri. Оба эти параметра можно определить гра­ фически, пользуясь характеристикой лампы.

При прохождении через лампу постоянного анодного тока в ней выделяется некоторая мощность Р&. Эта мощность отбирается от анодного источника и расхо­ дуется на создание электрического поля между анодом

икатодом.

Вмомент, когда электроны попадают на анод, их кинетическая энергия превращается в тепловую энер­ гию. В результате этого мощность, потребляемая лам­ пой от анодного источника, выделяется на ее аноде в

ность зависит от конструкции анода. Чрезмерное нагре­ вание анода недопустимо, так как в этом случае с его поверхности может возникнуть термоэлектронная эмис­ сия и лампа выйдет из строя. Для каждой лампы суще­

37

ствует предельно Допустимое значение мощности, рас­ сеиваемой на аноде РадопТак, например, для двойного диода типа 6Х6С Р адоп = 0,4 Вт на один анод.

Чтобы увеличить Радоп, аноды приемно-усилитель­ ных ламп изготовляют из никеля, чернят их для увели­ чения лучеиспускания, а также увеличивают поверх­ ность охлаждения.

Диоды применяются для выпрямления переменного тока низкой и высокой частоты, преобразования часто­ ты, ограничения сигналов.

Выпрямительные диоды, рассчитанные на большие токи, называются кенотронами. Для кенотронов жела­ тельно иметь малое внутреннее сопротивление Р г-, а сле­ довательно, большую S. Чем меньше Ri лампы, тем в положительный полупериод на ней падает меньшее на­ пряжение и тем больше будет выпрямленное напряже­ ние на нагрузке. Низковольтные кенотроны используют­ ся в блоках питания различных радиотехнических устройств. Они, как правило, являются двойными, т. е. в одном баллоне расположены два кенотрона. Высоко­ вольтные кенотроны используются в устройствах пита­ ния электронно-лучевых трубок и т. д. Кенотроны этого типа рассчитываются на малые выпрямленные токи (доли миллиампер) и, следовательно, характеризуются малой мощностью рассеяния на аноде. Наибольшее рас­ пространение получили кенотроны 1Ц7С, 1Ц11П, 5ЦЗС, 5Ц4С, 5Ц9С, 6Ц4П, 6Ц5С.

Детекторные и преобразовательные диоды 6Х2П, 6Х6С и другие менее мощные, чем выпрямительные, и потому их габариты меньше. Используются они в высо­ кочастотных блоках радиотехнических устройств. Основ­ ное требование к этим диодам — высокая крутизна ха­ рактеристики и малое значение междуэлектронной ем­

помещается между анодом и катодом, делается в форме спирали, намотанной из тонкой металлической проволо­ ки, и называется управляющей сеткой (рис. 4.2). Такая

38