1.9-1.10 Электровакуумные и Ионные приборы 2024

1. Электровакуумные приборы

2.

• К
электровакуумным
приборам
относятся
вакуумные
электронно-лучевые
трубки,
кенотроны, диоды, триоды, пентоды и т.д.,
фотоумножители.
• Электровакуумные приборы были первыми
электронными приборами, благодаря которым
электроника стала стремительно развиваться и
влиять на формирование облика современного
общества.
• В настоящее время электровакуумные приборы
практически
вытеснены
современными
полупроводниковыми приборами, однако есть
области, где по-прежнему без электровакуумных
приборов не обойтись.
• Рассмотрим
общие
физические
принципы
функционирования электровакуумных приборов и
сами приборы.

3. Ключевые вопросы функционирования электровакуумных приборов:

• 1. Создание потока заряженных частиц в
вакууме.
• 2. Движение заряженных частиц в
ограниченном
пространстве
(вакуумном
баллоне)
• 3. Управление потоком заряженных частиц.
Рассмотрим решение этих проблем, опираясь
на известные из курса Электродинамики
физические процессы.

4. 1. Создание свободных носителей заряда в вакууме

• Самым простым способом создания
свободных носителей в вакууме
является
использование
явления
термоэлектронной эмиссии (ТЭЭ).
• ТЭЭ – выход на поверхность твердого
тела свободных зарядов (электронов)
под действием температуры.

5.

• При повышении температуры повышается
тепловая энергия движения электронов в
металле, если эта энергия равна или
превышает работу выхода электрона на
поверхность металла Авых, то электрон
может покинуть поверхность металла.
• В электровакуумных приборах источником
свободных электронов является нагретый
до высоких температур катод.
• Катоды в электровакуумных
бывают двух видов:
приборах

6.

• 1) Катод косвенного накала представляет
собой
полый
тонкостенный
цилиндр,
покрытый
материалом
с
пониженной
величиной работы выхода электронов.
• Нагрев
катода
осуществляется
электрическим током, который проходит по
спирали, размещенной внутри катода.
• Сама спираль называется подогревателем.

7.

• 2) Катод прямого накала представляет
собой нить, покрытую слоем материала
с низкой работой выхода по которой
протекает электрический ток.
• Т.е. в катоде прямого накала сам
подогреватель
выполняет
роль
катода.

8. Термоэлектронная эмиссия описывается уравнением Ричардсона-Дэшмана

je A0T e
2
Aв
kT
тока эмиссии
плотность
катода
Aв работа выхода для катода
2
4 me qe k
А
6
A0
1,2 10 2 2
3
h
мК
Термоэлектрическая постоянная
k постоянная Больцмана, h постоянная Планка.

9.

• График зависимости плотности тока
эмиссии катода от температуры:

10. 2. Движение заряженных частиц в ограниченном пространстве

• Электроны, вышедшие на поверхность
катода в вакууме, при отсутствии внешних
электрических и магнитных полей обладают
не очень большими скоростями. Таким
образом,
вокруг
катода
создается
электронное облако с пространственным
отрицательным зарядом.
• Этот пространственный заряд оказывает
влияние
на
дальнейшее
движение
электронов в вакуумном баллоне.

11.

• Очевидно, что для формирования тока в вакууме
кроме наличия свободных электронов необходима
сила, способная придать этим электронам
направленное движение. Для этих целей
используют продольное электрическое поле,
приложенное между анодом (+) и катодом (-).
• Анод представляет собой также полый проводящий
цилиндр и расположен коаксиально с катодом.
• При
увеличении
напряжения
на
аноде
напряженность электрического поля между
катодом и анодом возрастает, электроны
приобретают большую скорость и количество
электронов,
долетающих
до
анода
увеличивается => тока анода возрастает.

12.

• Взаимное расположение анода и катода
в электронных лампах:

13.

• Зависимость
тока
анода
Ia
от
напряжения на аноде Ua подчиняется
закону
Ленгмюра
(закон
трёх
вторых):
3
I a U a 2
• β
–
постоянная,
зависящая
от
конфигурации катода и анода.
• Закон трёх вторых для тока анода
обусловлен
наличием
в
лампе
пространственного отрицательного
заряда.

14. 3. Управление потоком зарядов

• В
электровакуумных
приборах
используется два способа управления
потоком электрического заряда:
• 1) Управление электрическим полем
• 2) Управление магнитным полем

15.

• 1) Управление электрическим полем
используется как для регулирования
электронного потока, так и для
изменения
траектории
движения
электронов
(в
электронно-лучевых
трубках).
• В основе такого управления лежит
взаимодействие
электронов
с
электрическим полем.
Fк e E
Сила Кулона, действующая на электрон в электрическом поле,
e – заряд электрона.

16.

• Если силовые линии электрического
поля направлены вдоль траектории
движения
электронов,
то
электрическое поле может либо
ускорять электроны, сообщая им
дополнительную
энергию,
либо
тормозить их.
• Таким
образом,
возможно
регулировать ток в цепи электронных
приборов.

17.

• Если силовые линии электрического
поля перпендикулярны траектории
движения
электронов,
то
электрическое
поле
сообщает
электронам
дополнительную
поперечную скорость вследствие чего
электроны отклоняются от своего
первоначального
направления
движения.
• Такой способ управления используется
в электронных приборах визуализации
(электронно-лучевых трубках).

18.

• Движение электрона в поперечном
электрическом поле:

19.

• Электронно-лучевая трубка аналогового
осциллографа:

20.

• 2)
В
ряде
случаев
возникает
необходимость отклонять электронные
потоки
на
большие
углы.
Электрическое поле в данном случае
оказывается малоэффективным.
• Тогда прибегают к использованию
магнитного поля.
• Магнитное
поле
действует
на
движущийся заряд силой Лоренца Fл.
• Направление
силы
Лоренца
определяется
в
соответствии
с
выражением:
Fл e [ B v ]

21.

• Отклонение электронов в магнитном
поле:
Fл

22.

• Управление
магнитным
полем
использовалось в широкоугольных
электронно-лучевых
приборах
визуализации
изображения
–
кинескопах.
Магнитные
катушки
отклонения

23. 1. Электровакуумный диод

• Электровакуумный
диод
это
двухэлектродная электронная лампа
обладающая
односторонней
проводимостью электрического тока.
• Электровакуумный диод выполняет
функции
аналогичные
полупроводниковым
диодам:
выпрямление электрического тока,
детектирование радиосигналов.

24.

Устройство диода
УГО диода с прямым
накалом
УГО диода с косвенным
накалом
• Диод состоит из вакуумированой колбы,
внутрь которой помещены электроды:
термокатод (прямого или косвенного
накала) и анод. Обычно анод и катод
представляют
собой
коаксиально
расположенные цилиндры. На катод
подается отрицательное напряжение, а
на анод - положительное.

25.

• Принципы работы: После включения
накала катода, катод начинает испускать
электроны, эти электроны находятся
вблизи катода и образуют электронное
облако.
• При подаче на анод положительного
напряжения электроны устремляются к
аноду, создавая анодный ток.
• Чем больше напряжение на аноде тем
больше ток анода.

26.

• При подаче отрицательного напряжения
на анод, электрическое поле анода
препятствует движению электронов к
аноду. Таким образом анодный ток
уменьшается и может прекратиться.
• При нулевом напряжении на аноде
некоторые быстрые электроны способны
достичь анода и создать слабый анодный
ток. Этот ток обычно не превышает
единиц мкА и редко учитывается.

27.

• Таким образом электровакуумный
диод
обладает
свойством
односторонней проводимости, как и
полупроводниковый диод.
• Положительной
особенностью
электровакуумного
диода
можно
назвать отсутствие обратного тока,
т.к. в лампах нет других носителей
кроме электронов.

28. Характеристики и параметры диода

Вольт-амперная
характеристика
Вольт-амперная характеристика
показывает зависимость тока
анода от напряжения между
анодом
и
катодом
при
постоянной температуре катода.
На
характеристике
можно
различить участок насыщения
(прекращения роста тока) который
обусловлен
переходу
всех
электронов,
вылетевших
из
катода к аноду.
• При повышении температуры ток насыщения анода
возрастает, т.к. появляется больше свободных электронов.
• На участке зависимости от Ua = 0 до насыщения ток анода
растёт пропорционально напряжению в степени 3/2. (Ia ~ Ua3/2)

29.

Параметры диода:
Крутизна ВАХ: S = dI/dU [мА/В]— изменение анодного тока в мА на 1 В
изменения напряжения.
Дифференциальное сопротивление: R d = 1/S
Ток насыщения: Iн.
Запирающее напряжение: Uз— отрицательное напряжение на аноде
относительно катода, необходимое для прекращения тока в диоде.
Максимально допустимое обратное напряжение. При некотором
напряжении, приложенном в обратном направлении, происходит
пробой диода — проскакивает искра между катодом и анодом, что
сопровождается резким возрастанием силы тока.
Максимально допустимая рассеиваемая мощность: Pmax.

30.

• Типовые схемы включения электровакуумного диода
Однополупериодная
схема
Принцип работы электровакуумных
схем
выпрямления
аналогичен
схемам
на
полупроводниковых
диодах
за
исключением
необходимости подачи напряжения
накала на катод.
В
результате
выпрямления
с
резистора нагрузки R можно снимать
пульсирующее напряжение.
Для целей выпрямления больших
токов
и
напряжений
служат
специальные
мощные
диоды
–
кенотроны.
Кенотроны могут содержать два
электровакуумных
диода,
объединенных в одном баллоне.
Такие кенотроны можно использовать
для
схем
двухполупериодного
выпрямления.

31.

Двухполупериодная схема выпрямления на кенотроне:

32. 2. Электровакуумный триод

• Триод – это электронная лампа, имеющая 3
основных электрода и выполняющая функции
усиления слабых сигналов.
• Триод
отличается
от
диода
наличием
дополнительного управляющего электрода –
сетки.
• Сетка представляет собой спираль из тонкой
проволоки, которая находится между катодом и
анодом.
УГО
Триод с катодом
косвенного накала
Триод с катодом
прямого накала

33.

• Принципы работы:
• Если на сетку подать нулевое напряжение, то сетка не
будет создавать особого препятствия протеканию
электронов от катода к аноду.
• Если напряжение на сетке относительно катода будет
больше нуля, то электрическое поле сетки будет
дополнительно ускорять электроны и ток анода
возрастёт.
• При отрицательном напряжении на сетке электрическое
поле сетки будет тормозить электроны и ток анода
уменьшится.
• При
некотором
отрицательном напряжении
на сетке ни один электрон не
будет способен долететь до
анода
и
ток
в
аноде
прекращается. Лампа окажется
полностью закрытой.

34.

• Таким образом электронная лампа
(триод) способна регулировать ток в
цепи анода изменением напряжения,
поданного на сетку, т.е. её функции
подобны функциям транзистора.
• Электронная лампа наиболее близка
по принципу действия к полевому
транзистору
МДП
типа
со
встроенным каналом.
• Триоды применяются главным образом
в
усилительных
и
генераторных
устройствах.

35. Характеристики и параметры триодов

• Анодно-сеточная
характеристика
–
зависимость тока анода
от напряжения на сетке
при
постоянном
напряжении на аноде.
• Параметры:
• Напряжение запирания: Ucзап
• Крутизна: S = dia/dUc [мА/В] (определяет
усилительные свойства триода).

36.

• Анодная
характеристика
–
зависимость
тока
анода от напряжения
на
аноде
при
постоянном
напряжении
на
сетке.
• Параметры:
• Дифференциальное сопротивление триода Rd = dUa/dIa;
• Коэффициент усиления триода: μ = dUa/dUc = S·Rd. при Ia
= const.
• Коэффициент усиления показывает во сколько раз
сеточное напряжение оказывает большее влияние на
анодный ток, чем напряжение на аноде.

37. Типовые схемы включения триода

Однотактный усилитель на триоде
• Rк – резистор смещения,
• Ra – резистор
ограничения тока анода,
• Rc – резистор утечки
сетки,
• Сс – разделительные
конденсаторы,
• Скконденсатор,
устраняющий
отрицательную
обратную
связь
по
переменному току.

38.

• * Особенностью схем на вакуумных
приборах является большая величина
входных и выходных сопротивлений,
достигающих 106 Ом. По этой причине для
согласования сопротивлений нагрузки и
ламповой
схемы
часто
применяют
согласующие трансформаторы.

39. * Другие виды электронных ламп

• Помимо рассмотренных ламп также
существуют
лампы
с
большим
количеством электродов: тетроды,
пентоды,
гептоды.
Основное
назначение
дополнительных
электродов – улучшать характеристики
и параметры ламп.
• Также встречаются комбинированные
лампы (двойные диоды, двойные
триоды,
триод-пентоды,
триодгептоды и т. д.

40. Применение электронных ламп

• Высокочастотные
передатчики,
генераторы
СВЧ
излучения
(магнетроны),
усилители
для
электромузыкальных
инструментов,
бытовая High-End аппаратура.

41. Газоразрядные (ионные) приборы

42.

• Газоразрядные (ионные) приборы –
приборы в которых используются
электрические разряды в газах.
• К
ионным
приборам
относятся
газоразрядные
индикаторы
(1),
тиратроны (2), плазменные панели
(3).
1
2
3

43.

Физические основы функционирования
газоразрядных (ионных) приборов
• Ионные приборы используют в своей
работе газовые разряды.
• Обычно используются разряды в
инертных газах (аргон, неон, криптон и
пр.
• Также
для
разрядов
могут
использоваться
пары
ртути
или
водород.

44. Виды разрядов в газе

• Различные виды разрядов в газе можно
получить при изменении напряжения
между
двумя
электродами,
помещенными в ограниченную область
с газом.
• Рассмотрим график зависимости тока в
цепи
электродов
при
изменении
напряжения.

45.

Установка для получения ВАХ
ВАХ газоразрядного прибора
Условием возникновения разряда в газе является наличие
свободных носителей заряда. В газе даже при низких
электрических полях и температурах всегда присутствует
небольшое количество ионизированных атомов и свободных
электронов, появившихся вследствие воздействия космических
лучей или естественной радиоактивности. Эти свободные заряды
и создают первичный ток в газе.

46.

Виды разряда в зависимости от напряжения
• о-а-б – темновой
разряд;
• б-в-г – участок
увеличения ионизации
газа;
• г - д – зажигание газовой смеси;
• д - е – нормальный тлеющий разряд;
• е-ж – аномальный тлеющий разряд;
• з – дуговой разряд.

47.

• При низких значениях напряжения в газе наблюдается
несамостоятельный темновой разряд (о-а-б), который
обусловлен
движением
первичных
электронов
от
ионизированных атомов. Темновой разряд не виден глазом,
о его существовании можно узнать по наличию слабого тока в
цепи.
• На участке а-б наблюдается насыщение разрядного тока, что
обусловлено участием всех свободных электронов в разряде.
• На участке б-в-г происходит увеличение ионизации газа под
действием электронов, ускоренных полем, при этом ток в цепи
увеличивается.
• При некотором напряжении Uз происходит зажигание газовой
смеси и темновой разряд переходит в самостоятельный
тлеющий. Тлеющий разряд хорошо различим визуально – газ
начинает испускать свет в видимом диапазоне. Спектр
свечения (цвет) будет определяться видом газа.
• Участок д-е соответствует нормальному тлеющему разряду,
его особенность в постоянстве напряжения при значительном
изменении тока. Этот участок можно использовать для
стабилизации напряжения (газоразрядный стабилитрон).

48.

• Участок е-ж соответствует аномальному тлеющему разряду,
который характеризуется сильным свечением. Данный вид
разряда используется в индикаторных элементах.
• Тлеющий разряд может самостоятельно существовать даже
при понижении напряжения до уровня Uподд – напряжение
поддержания разряда.
• При дальнейшем увеличении напряжения возникает дуговой
разряд (участок з-). Дуговой разряд характеризуется еще более
сильным увеличением тока при существенном понижении
напряжения. Дуговой разряд возникает вследствие мощной
бомбардировки катода тяжелыми ионами → возникает
сильная вторичная термоэлектронная эмиссия.
• Дуговой разряд используется в газотронах, тиратронах,
ртутных выпрямителях.
• Рассмотрим распространенные газоразрядные приборы:

49. Тиратроны

• - приборы для быстрого подключения
(коммутации) нагрузки к источнику
питания с помощью газового разряда.
• Тиратроны
выполняют
функцию
аналогичную тиристорам.
• Выделяют
тиратроны
тлеющего
разряда и дугового разряда.

50.

• Устройство тиратронов и УГО
Тиратроны с холодным катодом
(тиратроны тлеющего разряда)
Представляет собой стеклянный малогабаритный баллон,
наполненный одним или смесью инертных газов под низким
давлением (20—30 мм рт. ст.), в котором помещены
проволочный анод, один или два управляющих электрода
(сетки) и холодный цилиндрический ненакаливаемый катод;
Материалы катода: молибден, титан (высокое напряжение
разряда ~ 102 В), барий, кальций, цезий (низкое напряжение
разряда ~ 101 В)
Анод (+)
Сетка (+)
Точка означает газ
Катод (-)

51.

• Тиратроны с
подогреваемым катодом
(тиратрон дугового
разряда)
В отличие от тиратронов тлеющего разряда имеет катод,
подогреваемый электрическим током (для поддержания дугового
разряда). В качестве газового наполнителя баллона используют смеси
инертных газов, пары ртути, водород. Сетка играет роль управляющего
электрода и способствует возникновению дугового разряда анод-катод.
А
С
К
Подогреватель

52. Характеристика и параметры тиратронов

Пусковая характеристика
тиратрона
Параметры:
• Напряжение возникновения разряда
анод катод Uр а-к
• Напряжение возникновения разряда
катод сетка Uр к-с
• Напряжение поддержания разряда
анод катод Uп а-к
• Напряжение поддержания разряда
катод-сетка Uп к-с
• Сеточный ток разряда Iрс при
Uа=const
• Время восстановления исходного
состояния тиратрона τ

53.

• Типовые схемы включения
Электронное реле на тиратроне:
Нагрузка
Управляющий
импульс

54.

• Генератор пилообразного напряжения на тиратроне:
Напряжение
питания
Установка
порога
зажигания

55. Вопросы

1. В чем заключается явление термоэлектронной эмиссии?
2. Что такое катод с прямым накалом и косвенным накалом?
3. Какими способами осуществляется управление потоком электронов
в электронных лампах?
4. Начертите УГО электровакуумного диода и триода. Подпишите
выводы.
5. Для каких целей используется сетка между анодом и катодом в
триоде?
6. Приведите характеристики и параметры электровакуумного диода и
триода.
7. Назовите виды разрядов наблюдающихся в газоразрядных
приборах. Чем обусловлены эти разряды?
8. дайте определение тиратрона. Для чего он используется?
9. Назовите разновидности тиратронов?
10. Какова роль сетки в тиратронах?
11. Приведите пусковую характеристику тиратрона.
12. Назовите условие включения и выключения тиратрона.