Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
54
Министерство образования Российской Федерации
Кафедра телевидения и управления (ТУ)
В.Ф. Коновалов
2004
Учебное пособие предназначено для самостоятельного изучения студентами специальностей 201400 «Аудиовизуальная техника», 201500 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура», 230700 «Сервис электронных систем безопасности» раздела курса «Электроника» «Приборы вакуумной электроники», вынесенного на самостоятельную проработку.
Электронная лампа представляет собой стеклянный, металлостеклянный или металлокерамический баллон, в который заключена система электродов (рис. 1.1). Электрический ток в лампе создается потоком свободных электронов, испускаемых катодом. Помимо катода, в лампе имеется анод, который принимает электроны. В лампах с числом электродов три и более между катодом и анодом помещают одну или несколько сеток. Током управляют с помощью электрического поля, создаваемого напряжениями, приложенными между электродами лампы. Из баллона лампы частично удален воздух. Разрежение остаточного газа внутри баллона устанавливается равным 10-6 мм. рт. столба или менее. При таком давлении в приборе среднестатистическая длина свободного пробега электрона получается большей, чем расстояние между электродами. Это означает, что вероятность столкновения электрона с молекулами остаточного газа в пределах междуэлектродного - промежутка мала и ионизация газа отсутствует. Ток в лампе будет чисто электронным. В процессе эксплуатации давление внутри прибора может повыситься из-за выделения газа электродами лампы или в результате просачивания воздуха через спаи баллона . Для поддержания вакуума на заданном уровне внутрь баллона вводят газопоглотитель. Он связывает остаточный газ и стабилизирует давление внутри прибора в течение гарантированного срока службы.
Электронные лампы работают в условиях электрических, механических и климатических внешних воздействий. В соответствии с этим различают электрические, механические и климатические режимы работы ламп и вообще электронных приборов. Условия режима определяются его параметрами. Для электрического режима параметрами, например, являются токи электродов и напряжения между ними, а также частота приложенного напряжения; для механического режима параметрами могут быть ускорение и интенсивность вибраций и ударов; для климатического режима — соответственно давление, влажность и температура окружающей среды.
Специальными стандартами или техническими условиями устанавливаются номинальный и предельный режимы работы электронных приборов. Номинальный режим характеризует условия работы, на которые рассчитана данная лампа. Предельный режим определяет максимально или минимально допустимые параметры лампы.
К электродам ламп, работающих в радиотехнических устройствах, можно подключать источники как постоянных, так и переменных напряжений. Условия работы лампы существенным образом зависят от частоты переменного напряжения. В связи с этим различают три вида "электрического режима: статический, динамический и квазистатический. Если напряжения на электродах лампы постоянны, режим работы называют статическим. В этом случае все параметры режима остаются неизменными. Режим, при котором хотя бы один из параметров меняется во времени, называется динамическим. Если параметры меняются настолько медленно, что режим работы лампы в любой момент времени несущественно отличается от статического, и для лампы остаются справедливыми с определенной степенью точности законы статического режима, то такой режим называется квазистатическим. В динамическом режиме связи между параметрами, характерные для статического режима, нарушаются.
Динамический режим не следует отождествлять с режимом нагрузки или рабочим режимом, когда в цепь одного из электродов лампы включают резисторы, колебательные контуры и другие элементы, которые называют нагрузкой. Существо определения статического, квазистатического и динамического режимов не зависит от того, включена нагрузка или нет. Различие в режимах обусловлено физическими законами протекания тока между электродами при изменении частоты приложенного напряжения. В статическом режиме электрон пролетает рабочее пространство лампы при строго постоянных напряжениях на электродах. В квазистатическом режиме один из параметров, например, напряжение, за время пролета электрона изменяется настолько мало, что этим изменением можно пренебречь. Тогда можно считать, что электрон пролетел рабочее пространство при почти неизменном напряжении, и в этом отношении квазистатический режим несущественно отличается от статического. В динамическом режиме за время пролета электрона напряжение, приложенное к электродам, может измениться существенно. Это повлияет на величину и характер тока между электродами. Динамический режим имеет место в приборах, работающих на сверхвысоких частотах.
Для работы электронной лампы необходимо наличие электронов в междуэлектродном промежутке. Процесс выхода электронов из твердых или жидких тел называется электронной эмиссией. Причиной эмиссии могут быть нагрев тела, световое излучение, приложение электрического поля, бомбардировка тела заряженными частицами. В соответствии с характером воздействия на тело различают следующие виды электронной эмиссии:
–термоэлектронная эмиссия, обусловленная нагревом тела, испускающего электроны;
–вторичная электронная эмиссия (сокращенно вторичная эмиссия), обусловленная исключительно поглощением энергии падающих на эмигрирующую поверхность электронов;
–электростатическая (автоэлектронная) эмиссия, обусловленная наличием у поверхности тела сильного электрического поля;
–фотоэлектронная эмиссия, обусловленная действием светового излучения, поглощенного телом.
В электронной лампе электроны, необходимые для ее работы, возникают в результате термоэлектронной эмиссии. Работе лампы также сопутствует вторичная эмиссия. Остальные виды эмиссии либо отсутствуют вовсе, либо проявляются несущественно.
Термоэлектронная эмиссия
Для получения нужного количества электронов катоду сообщают тепловую энергию путем нагрева его до определенной температуры. Эта энергия затрачивается на преодоление сил, препятствующих выходу электрона из катода, и называется работой выхода.
Согласно выводам, полученным Ферми и Дираком, распределение электронов по энергетическим уровням внутри металла выражается дифференциальной кривой распределения энергии. Кривая, построенная на основании формулы
(1.1)
приведена на рис. 1.2. Здесь – число электронов в 1 см3 металла, имеющих при абсолютной температуре энергию в интервале ; – постоянный коэффициент; – постоянная Больцмана; – уровень Ферми – максимальное значение энергии электронов в металле при температуре абсолютного нуля .
На рис. 1.2 сплошной кривой показано распределение электронов по энергетическим уровням при температуре абсолютного нуля. При этой температуре внутри металла имеются электроны с энергиями от нуля до максимальной . Значение называют внутренней работой выхода. Пусть полная работа выхода электрона равна . Тогда при разогреве металла до температуры распределение электронов по энергетическим уровням изменится и в соответствии с выражением (1.1) будет графически выражаться пунктирной линией. При этом количество электронов с энергиями, равными и меньшими , уменьшится, но появится значительное количество электронов с энергиями, большими и . Последние и образуют эмиссионный ток.
Разность энергий называется внешней работой выхода или просто работой выхода. Это значение энергии определяет необходимую температуру нагрева катода. Электроны, покидая катод, оставляют его заряженным положительно (рис. 1.3) с величиной заряда . Положительный заряд ионизированного атома в соответствии с принципом зеркального отображения располагают по нормали к линии раздела катод – вакуум на таком же расстоянии, как и электрон. Электрон и положительный заряд движутся в разные стороны. Взаимодействие между ними определяется законом Кулона. Кулонова сила будет постоянной и наибольшей на междуатомном расстоянии, а затем будет ослабляться обратно пропорционально квадрату расстояния. Можно считать, что энергия выхода расходуется на преодоление потенциального барьера , а работа – на преодоление потенциального барьера . Потенциальный барьер объясняется наличием у катода облака электронов, образующих поверхностный пространственный заряд.
Количественная оценка эмиссионного тока для металлических катодов дана Дэшманом, который рассматривал термоэлектронную эмиссию как процесс испарения электронов с поверхности металла и использовал в своих выводах классические законы термодинамики. Проверка его вывода на основании статистики Ферми дает близкие, подтверждающие результаты.
Формула Дэшмана для плотности эмиссионного тока имеет следующий вид:
, (1.2)
где — плотность эмиссионного тока; — постоянная, зависящая от типа металла и его химической чистоты; — работа выхода, — постоянная Больцмана.
На рис. 1.4 изображена теоретическая эмиссионная характеристика, построенная для вольфрамового катода (; ). Она показывает изменение плотности тока эмиссии в зависимости от температуры катода. При температурах, меньших 2000К, ток эмиссии пренебрежимо мал, а после 2000К он резко возрастает. При T = 2500К можно получить удельную эмиссию порядка 0,5 А с одного квадратного сантиметра поверхности.
Теоретическая эмиссионная характеристика дает представление о максимальном отборе тока с поверхности катода без учета влияния электрического поля в междуэлектродном пространстве.
Влияние внешнего ускоряющего поля на термоэлектронную эмиссию ранее в расчет не принималось. Однако такое поле увеличивает электронную эмиссию. Увеличение термоэлектронной эмиссии под влиянием внешнего ускоряющего поля, приложенного к катоду, называется эффектом Шоттки. Сущность этого эффекта поясняется рис. 1.5, на котором кривая 1 изображает потенциальный барьер высотой , где – потенциал, соответствующий полной работе выхода , а линия 2 – внешнее ускоряющее поле, приложенное к катоду. Если алгебраически сложить ординаты кривой 1 и линии 2, то получим результирующую кривую 3.
Из нее видно, что следовательно, и . Таким образом, приложение внешнего ускоряющего поля уменьшает работу выхода и, значит, при неизменной температуре ток термоэлектронной эмиссии возрастает.
Вторичная электронная эмиссия
Вторичная электронная эмиссия может осуществляться как с нагретых, так и с холодных катодов. Катод, эмигрирующий ток вторичной электронной эмиссии, принято называть вторично-электронным катодом или эмиттером. Поверхность такого катода, подвергнутого бомбардировке заряженными частицами, обладающими значительной кинетической энергией, эмитирует электроны, которые называются вторичными; бомбардирующие электроны называются первичными. На рис. 1.6 показана возможная схема образования электронных потоков. Допустим, что первичные электроны в количестве получены с катода с помощью термоэлектронной эмиссии. Под действием разности потенциалов эти электроны направляются к вторично-электронному катоду и в ускоряющем электрическом поле получают энергию . Падая на вторично-электронный катод, они выбивают из него вторичных электронов. Ускоряющее поле отводит их на анод. Первичные электроны образуют ток , а вторичные — ток . Важнейшим параметром вторично-электронной эмиссии является коэффициент вторичной эмиссии
, (1.3)
который показывает, сколько вторичных электронов выбивается из поверхности катода одним первичным электроном. Коэффициент вторичной эмиссии равен отношению вторичного тока к первичному; он может принимать значения от близких к нулю до 10 и более раз в зависимости от материала эмиттера и ряда других причин, влияющих на эмиссию .
Вторичные электроны возникают благодаря обмену энергией между первичными электронами и электронами кристаллической решетки катода. Первичный электрон может терять свою энергию внутри эмиттера и поглощаться атомами решетки. Вторичные электроны также могут поглощаться атомами решетки до того, как они достигнут поверхности. Часть первичных электронов не входит в катод, а испытывает упругое отражение от его поверхности. Доля таких электронов по экспериментальным данным составляет 10 – 40%. Вторичные электроны, вылетевшие из катода, имеют малые значения энергии, т. е. являются медленными. Однако в общем потоке вторичного тока наблюдаются и быстрые электроны. Это – отраженные первичные электроны.
Коэффициент вторичной эмиссии зависит от материала эмиттера. Экспериментальные исследования показывают, что максимальный коэффициент вторичной эмиссии технически чистых металлов . Наибольшее значение имеют благородные металлы: золото, серебро, платина. Прямой причиной связи коэффициента вторичной эмиссии с величиной работы выхода не установлено. Работа выхода сама по себе играет незначительную роль во вторичной эмиссии; гораздо более важными являются другие свойства, такие, например, как плотность металла, способность его к окислению. Перечисленные благородные металлы имеют значительную работу выхода, однако значения у них высоки из-за отсутствия окислов на их поверхности. Кислород окислов является элементом, способным давать электроотрицательные ионы за счет поглощения вторичных электронов. Полупроводниковые вторично-электронные катоды имеют . Коэффициент вторичной эмиссии диэлектриков близок к единице.
Причину того, что металлы имеют значения , близкие к единице, тогда как полупроводников возрастает и, наконец, диэлектриков падает, можно искать в концентрации электронов в зоне проводимости. У металлов концентрация электронов велика, у полупроводников при комнатной температуре – значительно ниже, а у диэлектриков – ничтожна. В металлах из-за большой концентрации электронов большая часть энергии, полученной от первичных электронов при многочисленных столкновениях вторичных электронов с электронами проводимости, теряется. В полупроводниках вероятность столкновения вторичных электронов с электронами проводимости меньше, и поэтому «выход» вторичных электронов облегчен. В диэлектриках условия для выхода еще более «свободные». Однако в последнем случае из-за ничтожной концентрации электронов проводимости передача энергии первичных электронов к вторичным – редкое событие. Отсюда малое количество вторичных электронов и, следовательно, небольшой коэффициент вторичной эмиссии.
Коэффициент вторичной эмиссии зависит от скорости первичных электронов. На рис. 1.7 представлен график зависимости от для никеля. Как видно из графика, кривая имеет максимум при . У металлических катодов максимум выражен слабо, а у полупроводниковых – резко. Происхождение максимума объясняется тем, что до значения с увеличением скорости первичных электронов возрастает их энергия и глубина диффузии в катод. Вместе с этим увеличивается и число вторичных электронов, вылетающих с данной глубины. При значениях энергии, соответствующих , глубина проникновения в катод первичных электронов превосходит некоторую предельную, характерную для данного вещества, и коэффициент вторичной эмиссии уменьшается. С глубины, большей предельной, выход вторичных электронов затруднен вследствие большего размена энергии при большом количестве столкновений с электронами проводимости. Коэффициент вторичной эмиссии зависит также от угла падения первичных электронов на поверхность катода. Максимум получается при угле = 70°, отсчитываемом от нормали к поверхности катода.
Многочисленные экспериментальные исследования показали, что процесс передачи энергии не зависит (или почти не зависит) от температуры вторично-электронного катода.
Вторичная электронная эмиссия широко применяется в фотоэлектронных умножителях, специальных лампах, приемных и передающих телевизионных трубках, осциллографических и индикаторных электронно-лучевых трубках, а также в запоминающих трубках и других приборах . Однако при работе электронных ламп в определенных условиях вторичная эмиссия является нежелательной.
Параметры катодов. Катод является важным элементом электронной лампы. Качество работы катода определяется его параметрами. Основные из них: максимальная плотность катодного тока, эффективность и рабочая температура катода, а также его долговечность .
Максимальная плотность катодного тока. Катодным током называют электронный поток, направленный от катода к другим электродам. В диоде катодный ток равен анодному. С целью увеличения долговечности электронной лампы обычно максимальный катодный ток устанавливают значительно меньше полного эмиссионного тока катода. Величина максимально допустимого катодного тока, приходящаяся на единицу поверхности катода, эмитирующего электроны, называется максимальной плотностью катодного тока. Современные катоды допускают максимальную плотность тока от 0,1 до 1,0 А/см2.
Эффективность катода показывает ток эмиссии катода, выраженный в миллиамперах, на один ватт электрической мощности, затраченной на разогрев катода:
, (1.4.)
где — максимальный ток эмиссии катода; и — ток и напряжение накала.
Эффективностью катода оценивается его экономичность. Чем выше эффективность катода, тем больший ток эмиссии можно получить от него при меньшей затрате мощности в цепи накала. Эффективность катодов лежит в пределах от 2 до 100 мА/Вт.
Рабочая температура катода. Чем ниже рабочая температура катода, тем меньшую энергию нужно затрачивать на его нагрев и тем он экономичнее. Температура катода в значительной степени определяет тепловой режим других электродов и баллона лампы. С этих двух точек зрения целесообразно применять катоды с низкой рабочей температурой. Рабочая температура катода составляет обычно 1000—2500 К.
Долговечность катода характеризуется временем, в течение которого катод может непрерывно работать, сохраняя свои важнейшие параметры в пределах установленных норм.
Типы катодов. Все многообразие термоэлектронных катодов, насчитывающее до 50 основных типов, по роду эмигрирующей поверхности можно разбить на следующие четыре группы: металлические, металлопленочные, полупроводниковые, сложные (металлополупроводниковые и металлокерамические).
Металлические катоды являются неактивированными. Они называются также однородными. Остальные катоды — активированные. На их поверхности имеется активный слой, который отличается по своему составу от основания (керна) катода и подвергается при изготовлении электронной лампы специальной обработке (активировке). У сложных катодов участки металла перемежаются с металлопленочной или с полупроводниковой структурой. Некоторые типы катодов изготовляются методами металлокерамики, т. е. путем прессования смеси компонентов при высокой температуре. Поэтому такие катоды называют металлокерамическими или керметкатодами .
Металлические катоды. Металлические катоды наименее экономичны, но они хорошо работают в сложных температурных условиях и обладают высокой стойкостью при бомбардировке их ионами остаточных газов под воздействием сильных электрических полей. Металлические катоды находят применение в мощных лампах и в тех случаях, когда требуется высокая стабильность параметров катода во времени, например, в электрометрических лампах. Для изготовления металлических катодов применяют металлы с высокой температурой плавления: вольфрам ( = 33950С), молибден ( = 2622°С), тантал и ниобий (оба = 2500°С).
Металл катода должен обладать хорошими механическими свойствами: прочностью, ковкостью, тягучестью. Перечисленным свойствам наилучшим образом удовлетворяет вольфрам. Реже используется тантал и ниобий.
Наиболее распространенным типом металлического катода является вольфрамовый . Из вольфрама легко изготовляются проволоки различных диаметров 0,0142 мм. Рабочая температура находится в пределах 24002600К. При таких температурах вольфрамовый катод имеет относительно малую скорость испарения, что дает возможность работать в пределах 5002000 ч. Плотность эмиссионного тока при температуре катода = 2500 °С порядка 0,5 А/см2.Работа выхода вольфрамового катода относительно высока — 4,52 эВ, что требует нагрева его до высоких температур. Поэтому эффективность катода мала (порядка 5 мА/Вт). Это главный и, пожалуй, единственный недостаток вольфрамового катода.
Основным достоинством вольфрамового катода является высокая стабильность термоэлектронной эмиссии. Такой катод не разрушается под действием электронной и ионной бомбардировки при высоких значениях энергии. Поверхность его гладкая и однородная. Это исключает возможность местных перегревов и искрений, которые являются причиной большой концентрации тока и выгораний отдельных участков катодов. К положительным качествам вольфрамового катода следует отнести также свойство паров вольфрама вступать в химические соединения с газами, остающимися в лампе после откачки, и тем самым осуществлять ее «жестчение». Вольфрамовые катоды применяются в мощных лампах, работающих при высоких анодных напряжениях (3—15 кВ).
Металлопленочные катоды. Эти катоды представляют собой металлическую поверхность, покрытую одним или несколькими слоями заряженного положительно вещества. Такой заряд создает внутреннее электрическое поле, уменьшающее работу выхода электронов. Распространенными представителями металлопленочных катодов являются карбидированный и бариево-вольфрамовый катоды .
При изготовлении карбидированного катода вольфрам с примесью окиси тория прокаливают в парах бензола. При этом на поверхности вольфрама образуется слой карбида вольфрама. Активирование заключается в выделении тория на слое карбида в виде одноатомной пленки (рис. 1.8). Сцепление тория с карбидом вольфрама оказывается более прочным, чем с вольфрамом. Теплота испарения тория с карбида вольфрама выше, чем непосредственно с вольфрама. Из-за этого карбидированный катод, работающий при = 2000К, не боится перегревов. По этой же причине карбидированный катод стоек к ионной бомбардировке при высоких анодных: напряжениях. Максимальная плотность катодного тока =0,71,5 А/см2, а эффективность катода – = 50 мА/Вт.
Карбидированный катод успешно применяется в мощных генераторных и усилительных лампах.
Серьезным недостатком карбидированного катода является его хрупкость, которая объясняется легированием вольфрама углеродом. Вследствие этого на катоде могут появиться микротрещины, нарушающие его однородность. Последнее приводит к местным перегревам и разрушению катода. Срок службы карбидированного» катода составляет около 1000 ч.
Бариево-вольфрамовый катод является пленочным термоэлектронным катодом. В нем пленка бария, активирующая поверхность, пористой вольфрамовой губки и разрушающаяся во время работы катода вследствие испарения, ионной бомбардировки и реакций с газами, выделяющимися из оболочки и деталей прибора, непрерывно возобновляется за счет поступления бария из специальной камеры с большим запасом активного вещества .
Устройство плоского торцового катода подогревной конструкции показано на рис. 1.9, Молибденовый цилиндр разделен перегородкой на две камеры разного объема. Верхняя камера закрыта соосным цилиндрическим стаканом из пористой вольфрамовой губки. Внутри камеры находится запас активного вещества. В нижней камере помещен подогреватель катода, выполненный из вольфрамовой проволоки. Наличие в катоде камеры с активным веществом дает основание называть его также камерным. Таблетка активного вещества состоит из смеси окислов бария и вольфрама и чистого бария. Вольфрамовая губка имеет поры диаметром порядка одного микрона. Через эти поры происходит диффузия бария на поверхность катода и миграция его по поверхности. Величина работы выхода бариево-вольфрамового катода составляет 1,56 эВ.
Как в статическом, так и в импульсном режимах катод обладает большой плотностью тока = 24 А/см2 и эффективностью = 50 мА/Вт.
Ценным свойством катода является его гладкая поверхность, что позволяет получить очень малые зазоры между электродами. Однородность сопротивления металлической губки предотвращает местные перегревы и разрушение катода. К недостаткам катода следует отнести интенсивные испарения бария с его поверхности, загрязнение барием других электродов, что приводит к нежелательным термоэлектронным токам с их поверхностей.
Полупроводниковые катоды. Это высокоэффективные катоды для ламп малой и средней мощности. Основание катода (керн) покрыто относительно толстым слоем активного вещества (20 — 100 мкм) с электропроводностью электронного типа. К полупроводниковым катодам относится оксидный и ториево-оксидный катоды. Оксидный катод является самым распространенным в электровакуумных приборах. Катоды этого типа эффективны и долговечны, они могут работать в непрерывном и импульсном режимах в течение тысяч и десятков тысяч часов. Устройство оксидного катода показано на рис. 1.10. Керн изготовляется из никеля, вольфрама или их сплавов с небольшим количеством присадок. Активный полупроводниковый слой образуется после ряда последовательно произведенных технологических операций, а промежуточный – в результате химических реакций присадок керна с веществами активного слоя. Повышенное сопротивление, которое имеет промежуточный слой, оказывает вредное влияние на работу оксидного катода.
Для получения активного эмитирующего слоя составляют трехкомпонентную смесь из карбонатов бария, стронция и кальция в следующем весовом соотношении: BaCО3:SrCO3:CaCO3 = 50:45:5 % с растворителем и связующим веществом. Эту смесь наносят на керн катода. После сушки и прокалки при =280 °С катод монтируют в лампе и ставят ее на откачку. К концу откачки катод нагревается до температуры 1600°С . При такой температуре карбонаты разлагаются на окислы по формуле ВАСО3 ВаО + СО2 (аналогичный процесс происходит со стронцием и кальцием). Эта реакция невозможна вне лампы в обычных атмосферных условиях, так как окислы неустойчивы на воздухе. Углекислый газ откачивают, а окислы бария, стронция и кальция образуют белый шероховатый эмигрирующий слой. Далее катод активируют. При этом катод нагревают до температуры 1300К и подают на анод положительное напряжение.
В результате активирования восстанавливается чистый барий, который оказывается равномерно вкрапленным по всей толще активного слоя. Барий в данном случае является донорной примесью к окислам бария, стронция и кальция и обеспечивает эмитирующему слою электронную проводимость. Присутствие стронция способствует увеличению тока термоэлектронной эмиссии катода, а кальций влияет на его плотность и прочность.
Работа выхода оксидного катода составляет 1,1 эВ, что позволяет получать при температурах 900-1100 К плотность катодного тока в статическом режиме 0,5 А/см2 при высокой эффективности = 50-100 мА/Вт.
К недостаткам оксидного катода следует отнести: неоднородность сопротивления активного слоя, которая вызывает местные перегревы некоторых участков поверхности, большую концентрацию тока и выгорание этих участков. Неоднородность сопротивления особенно проявляется при недокале катода. Поэтому недокал (особенно при высоких анодных напряжениях) недопустим. Недостатком оксидного катода является также его шероховатость, что приводит к высоким градиентам потенциала на неровностях и, как следствие, – к слишком большому локальному отбору тока (искрению катода).
Как уже отмечалось, промежуточный слой катода обладает высоким сопротивлением. Здесь происходят значительное выделение тепла и нежелательные химические реакции, ухудшающие эмиссионную способность катода. Высокое сопротивление промежуточного слоя приводит к образованию разности потенциалов, которая отводит барий от поверхности к керну катода.'
Существенный недостаток катода - неустойчивая работа при высоких анодных напряжениях (более 3—5 кВ). При таких напряжениях ионная бомбардировка, а также искрение вследствие высокой напряженности поля у катода могут привести к разрушению активного слоя.
Оксидный катод обладает свойством резко увеличивать эмиссионную способность в импульсном режиме. При работе с импульсом длительностью < 10 мкс и в последующей паузе плотность тока катода может достигать 20 А/см2 вместо 0,5 А/см2 в непрерывном режиме. Отдельные виды катодов могут обеспечивать плотность тока до 100 А/см2. Такая высокая эмиссионная способность в импульсном режиме объясняется увеличением эмиссии электронов при воздействии на катод ускоряющего электрического поля. Работа с импульсами длительностью более 10 мкс приводит к «отравлению» катода и значительному спаду эмиссии. Процесс «отравления» заключается в связывании бария газами, выделяющимися из катода при прохождении значительного тока и из электродов. Дополнительным фактором, способствующим уменьшению эмиссии, является электрический отвод ионов бария к керну.
Ториево-оксидные катоды – высокотемпературные, работающие при = 15001800 К. Они применяются в мощных генераторных лампах и специальных лампах для свч. Ториево-оксидные катоды имеют плотность тока до 2 А/см2 в непрерывном режиме и до 20 А/см2 в импульсном, устойчивы к «отравлению», искрению, распылению и электронно-ионной бомбардировке, легко активируются.
Керн катода изготовляют из тантала или молибдена. На керн наносят окись тория. Для улучшения сцепления керна с активным слоем на керн предварительно наносят губку из порошка тугоплавкого металла. Затем губка спекается с керном. После активирования покрытие становится полупроводником с электронной проводимостью.
Сложные катоды. Сложные катоды являются металлополупро-водниковыми, выполненными на основе оксидных катодов или металлокерамики. В металлополупроводниковых катодах с целью увеличения срока службы создается большой запас активного вещества. Керн катода имеет пористую губчатую структуру.
Губчатые оксидные катоды делятся на две группы. Первая труппа объединяет катоды из составной пористой структуры, пропитываемой активным веществом. Сюда относятся сетчатые, ячеистые, ламельные и губчатые катоды.
Во вторую группу входят губчатые оксидно-никелевые катоды, (полученные на основе прессования трехкомпонентных карбонатов и никелевого порошка с последующей обработкой и активированием . Такие катоды имеют хорошую электропроводность, теплопроводность и ровную поверхность.
Сетчатый катод представляет собой никелевый керн с наваренной мелкоструктурной сеткой, ячейки которой заполнены оксидной массой или ее смесью с никелевым порошком.
Ячеистый катод напоминает пчелиные соты. Он состоит из большого числа никелевых трубок диаметром в несколько десятых долей миллиметра, зажатых в обойму из молибдена и спеченных с помощью никелевого порошка. Трубки и пространство между ними заполняют оксидной массой.
Ламельный катод состоит из параллельно расположенных ламелей, пространство между которыми заполняется активным веществом. Возможен вариант армирования ламелей мелкоструктурной сеткой.
Губчатый катод получают спеканием никелевого порошка. Активное оксидное вещество втирают в поры губки.
Металлокерамические катоды изготовляют из порошков вольфрама и окиси тория методами металлокерамики, т. е. путем прессования смеси компонентов и спекания полученной заготовки при высокой температуре. В результате получается высокоэффективный катод с плотностью тока 0,5 А/см2 при рабочей температуре = 1600 К. В импульсном режиме плотность тока достигает 15 А/см2. Катод устойчив к электронно-ионной бомбардировке и искрению, поэтому хорошо работает при высоких анодных напряжениях. Эти качества обусловливают его применение в импульсных лампах.
Конструкция катодов. Катоды по своей конструкции делятся на две группы: прямого накала и подогревные.
Катоды прямого накала характеризуются тем, что нить накала является непосредственно эмитирующей поверхностью. Они применяются, главным образом, в лампах большой мощности и выполняется из проволоки и лент, которым придается различная форма (рис. 1.11).
Катоды прямого накала имеют малую массу и, следовательно, малую теплоемкость. Это обусловливает относительно малое время их разогрева и повышенную по сравнению с подогревными катодами эффективность.
Особенностью рассматриваемых катодов является их неэквипотенциальность, т. е. изменение потенциала по длине нити вследствие падения напряжения, создаваемого протекающим по ней током. При питании катодов прямого накала переменным током неэквипотенциальность приводит к появлению фона переменного тока в анодной цепи лампы. К недостаткам катодов прямого накала следует отнести также малую площадь эмитирующей поверхности и недостаточную жесткость конструкции. Катоды прямого накала могут выполняться из чистого металла и активированными барием или торием.
Подогревные катоды характеризуются тем, что их эмитирующая поверхность и подогреватель отделены друг от друга и могут быть не связаны между собой электрически. Устройство подогревных катодов показано на рис. 1.12. Эти катоды изготовляются только активированными. Они имеют большую эмитирующую поверхность и большую массу. Первое позволяет получить большой эмиссионный ток, а второе обеспечивает высокую тепловую инерцию и малый фон переменного тока, появляющийся в лампе с изменением температуры при питании катода переменным током. Однако время разогрева у них больше, а эффективность ниже, чем у катодов прямого накала. Потенциал подогревного катода одинаков по длине, поэтому фон переменного тока, обусловленный неэквипотенциальностыо поверхности, здесь отсутствует.
Ценным свойством подогревных катодов является хорошая формоустойчивость. Это позволяет работать с малыми зазорами между электродами.
Подогреватели подогревных катодов изготовляются из вольфрама или сплава вольфрама с рением. В качестве изолирующего вещества используется окись алюминия или окись бериллия. Окись алюминия — алунд применяется для низкотемпературных подогревателей, а смесь окиси алюминия и окиси бериллия — для высокотемпературных, Алундовая изоляция не является совершенной. Ее удельное сопротивление при комнатной температуре равно 1015 Ом-см. При рабочей температуре оно резко снижается. Между катодом и подогревателем имеется ток утечки. Для устранения пробойных явлений максимальное напряжение между подогревателем и катодом не должно превышать установленной для данной лампы величины.
Аноды электронных ламп. Как уже указывалось, анод является коллектором электронов. Электроны отдают ему ту кинетическую энергию, которую они получили в ускоряющем поле лампы. Отдача энергии сопровождается нагреванием анода. Для того чтобы максимальная температура анода не превышала установленной для данной лампы величины, анод охлаждают. Возможны пять способов охлаждения анода:
– лучеиспусканием через вакуум (анод находится внутри баллона) ;
– теплопроводностью через массивный вывод (анод находится внутри стеклянного или металлокерамического баллона, на вывод надет радиатор);
– воздушное;
– водяное;
– пароводяное.
В первом и втором случаях охлаждение естественное, в последних трех – принудительное потоком воздуха, воды или пара.
Предельно допустимая температура анода. Выбор предельно допустимой температуры зависит от материала анода, типа катода, способа охлаждения, газовыделения из анода и материала баллона лампы . При низкотемпературных катодах (ТК<1500 К) и естественном охлаждении предельно допустимая температура анода Та = 650 К. Превышение этой температуры приводит к нежелательному подогреву катода, чрезмерному выделению газа из анода и перегреву баллона. В лампах с высокотемпературным катодом (Тк >500 К) нагрев анода допускается до 10001500 К. При воздушном охлаждении предельно допустимая температура анода составляет 150°С, при водяном – 6080°С, а при пароводяном – 100°С.
Максимальная мощность, рассеиваемая на аноде. На анод в одну секунду падает п электронов. Каждый электрон имеет среднюю энергию, обусловленную анодным напряжением . Эта энергия равна . Тогда на аноде рассеивается мощность:
, (1.5)
где — анодный ток; — анодное напряжение.
Для того чтобы температура анода не превышала допустимую, необходимо выполнение неравенства:
. (1.6)
Величина допустимой мощности, рассеиваемой на аноде, устанавливается в соответствии с допустимой температурой анода и зависит от его материала, охлаждаемой поверхности, цвета этой поверхности и типа охлаждения. Условие (1.6) должно строго выполняться при расчетах и эксплуатации. Невыполнение его может привести к газовыделению и «отравлению» катода, перегреву последнего, а также к перегреву баллона и растрескиванию его спаев и соединений.
Удельное лучеиспускание анода. Аноды ламп, находящиеся в баллоне и не имеющие мощных выводов с радиатором, охлаждаются в основном за счет лучеиспускания. Отвод тепла теплопроводностью через выводы и крепежные детали составляет доли процента или единицы процентов и им по сравнению с лучеиспусканием можно пренебречь. Удельное лучеиспускание анода определяется по закону Стефана—Больцмана:
Вт/см2, (1.7)
где — коэффициент лучеиспускания, зависящий от цвета излучающей поверхности (для абсолютно черного тела =1); —постоянная Стефана—Больцмана, равная ; — температура внешней среды, К.
Полная мощность радиации , где — поверхность анода, за исключением поверхности, обращенной к катоду.
Равновесное состояние устанавливается при такой температуре, когда мощность тепловой радиации равна мощности, рассеиваемой на аноде. Пренебрегая значением , так как , получаем, что установившуюся температуру анода можно определить по следующей формуле:
. (1.8.)
Из этой формулы следует, что для снижения нужно увеличивать коэффициент лучеиспускания и площадь излучающей поверхности . Для улучшения лучеиспускания поверхность анодов чернят (никель белый = 0,2, никель черненый науглероженный = 0,6), а для увеличения площади излучения с помощью пескоструйной обработки ее делают матовой. Иногда анод выполняют сетчатым, что улучшает также и охлаждение сеток.
Величина допустимой удельной мощности рассеяния на аноде зависит также и от типа охлаждения. Для никеля черненного при естественном охлаждении допустимая удельная мощность рассеяния анода составляет 38 Вт/см2. Для меди при воздушном принудительном охлаждении эта величина равна 50 Вт/см2, а при водяном – достигает 300 Вт/см2.
В лампах с небольшими нагрузками наибольшее применение имеет никель и алюминированное железо, в лампах с большими, нагрузками при естественном охлаждении применяют молибден, тантал и титан, при искусственном охлаждении – медь. В ионных приборах, кроме того, используется графит. Среди материалов для анода особое место занимает титан. Он хорошо поглощает остаточные газы и применяется в металлокерамических лампах с высокотемпературными катодами. На рис. 1.13 изображены сечения наиболее распространенных конструкций анодов электронных ламп малой мощности.
Сетки электронных ламп. Сетки электронной лампы выполняют спиральными (рис. 1.14.а), рамочными (рис. 1.14.6) или штампованными (рис. 1.14.е). Спиральные сетки навивают из проволоки различного диаметра (наименьший диаметр до 50 мкм) на специальных автоматах сваривают с траверсами (держателями) точечной сваркой. Минимальный шаг навивки составляет 0,1 мм. Для изготовления рамочных сеток на рамку натягивают проволоку малого диаметра (до 10 мкм). Эти сетки благодаря своей жесткости позволяют получать очень малые расстояния между электродами.
В электронных лампах число сеток может быть от одной до шести. Сетки имеют различные названия и назначения. Наиболее распространены управляющая, экранирующая и защитная сетки. Управляющая сетка с помощью электрического поля управляет величиной анодного тока; экранирующая сетка экранирует анод от катода; защитная сетка защищает лампу от нежелательных процессов токораспределения.
Управляющую сетку помещают близко к катоду. Вследствие этого температура управляющей сетки выше, чем у других сеток и поэтому для ее изготовления применяют тугоплавкие материалы, обладающие высокой механической прочностью. Из-за нагрева сетки здесь может возникнуть термоэлектронная эмиссия, которая увеличивается, если на сетку попадает активное вещество, испаряемое катодом (барий, окись бария).
Обычно управляющую сетку выполняют из вольфрамовой или молибденовой проволоки. В ряде случаев для снижения тока термоэлектронной эмиссии ее покрывают золотом или платиной, имеющими большую работу выхода. Для траверс управляющих сеток в большинстве случаев используют медные сплавы, обладающие высокой теплопроводностью и поэтому хорошо отводящие тепло.
Экранирующая сетка экранирует катод от воздействия поля анода. На сетке выделяется значительное количество тепла, так как она работает при положительном напряжении и имеет значительный ток. Для нее устанавливается наибольшая допустимая мощность рассеивания . Для изготовления сетки используется проволока из сплавов никеля. Траверсы выполняют из никеля или железа, покрытого никелем.
Защитная сетка расположена близко к аноду, витки ее редки, и к ней особых требований не предъявляется.
Баллоны и вспомогательные детали электронных ламп. В качестве материала для баллонов ламп наиболее широкое применение получило стекло (натриевое, боросиликатное, свинцовое, кварцевое) как по своим физическим свойствам (малая электропроводность, малое газовыделение), так и из-за более низкой стоимости по сравнению со стоимостью других материалов. Применяются также комбинированные оболочки – металлокерамические и металлостеклянные. Для комбинированных оболочек используют сталь, медь, алюминий и титан, а керамические оболочки изготавливают из окиси алюминия, кремнезема, форстерита и стеатита.
Недостатками стекла являются невысокая механическая прочность и небольшая термостойкость. Максимальная рабочая температура стекла не должна превышать 200°С. Стекло не выдерживает большого перепада температур. Эти недостатки отсутствуют в высокопрочной металлокерамической конструкции, которая выдерживает перепад температур до 400°С. Кроме того, керамика имеет на порядок меньшие диэлектрические потери, что очень важно при работе на свч.
Для поддержания в лампе высокого вакуума применяют геттер. Геттером называется поглотитель из материала, который активно и необратимо адсорбирует газы, выделяющиеся из электродов в связи с их нагревом или электронно-ионной бомбардировкой. Наиболее распространенным геттером является барий с примесью других веществ. В процессе производства бариевую таблетку, запрессованную в пластинку небольших размеров, помещают на одном из держателей электродов. После откачки воздуха и отпайки лампы таблетка распыляется токами высокой частоты. Барий, связывая остаточный газ, осаждается в виде окислов и чистого бария на стенках колбы и окрашивает ее в серовато-зеркальный цвет. При работе лампы свободный барий связывает выделяющиеся из электродов и баллона газы и, таким образом, поддерживает постоянство давления в лампе.
Физические явления в диоде. Вакуумный диод является двухэлектродной электронной лампой, имеющей катод и анод (рис. 1.15). Диод проводит электрический ток при положительном по отношению к катоду напряжении на аноде и не проводит его при отрицательном напряжении.
Величина анодного тока, протекающего через диод, зависит от тока эмиссии катода, пространственного заряда электронов в промежутке катод-анод и от анодного напряжения. В общем случае не все электроны, эмитируемые катодом, попадают на анод. Для изучения зависимости анодного тока от напряжений анода и накала следует рассмотреть потенциальные диаграммы диода, включенного по схеме рис. 1.16. В анодную цепь включен источник постоянного напряжения . Точка 0 называется общей точкой схемы. Принято все потенциалы схемы отсчитывать от нее, а источник напряжения накала включать так, чтобы его минусовой зажим был присоединен к -этой общей точке.
Потенциальные диаграммы. Для изучения потенциальных диаграмм удобно рассмотреть диод с плоскопараллельными электродами значительных размеров. В таком диоде будут получаться наиболее простые одномерные потенциальные диаграммы. Если выбрать произвольное сечение а-а (рис. 1.17.), то распределение потенциала от катода к аноду, обусловленное приложением напряжения , при холодном катоде можно изобразить прямой линией (рис. 1.18.а).
В общем случае, если заданы потенциалы на электродах, то для определения потенциальной функции используется уравнение Лапласа, которое для рассматриваемого случая, когда потенциал изменяется лишь вдоль координаты x, имеет вид при . При интегрировании этого уравнения принимаются граничные значения потенциалов на электродах лампы.
При нагретом катоде появятся электроны, которые в междуэлектродном пространстве создадут так называемое поле пространственного заряда. Суммарное поле будет результатом наложения на внешнее поле поля пространственного заряда. Последнее можно рассчитать, интегрируя уравнение Пуассона, которое для вакуума, когда потенциал зависит от одной координаты, имеет вид: , где – объемная плотность заряда электронов; – диэлектрическая проницаемость в вакууме.
При нахождении потенциалов поля пространственного заряда следует считать, что потенциалы анода и катода равны нулю. Найденное таким образом распределение потенциала от катода к аноду показано на рис. 1.18.6. По мере удаления от электродов действие положительных зарядов, наведенных электронами на их поверхностях, уменьшается, и потенциал пространства убывает. Асимметрия диаграммы объясняется неравномерным распределением объемной плотности заряда электронов. Объемная плотность заряда электронов больше у катода и отрицательное максимальное значение потенциала находится у его поверхности. Это объясняется тем, что плотность тока в статическом режиме постоянна при всех значениях x, а скорость электронов увеличивается по мере приближения к аноду. Тогда . При малых значениях х, т. е. у катода, скорость мала, а объемная плотность заряда велика. Кривая 1 (рис. 1.18.6) соответствует меньшему электронному потоку с катода, а кривая 2 – большему электронному потоку при более высокой температуре катода.
Результирующий потенциал в диоде получается сложением потенциалов внешнего поля и потенциалов поля пространственного заряда (рис. 1.18. в и г). При этом возможны два случая, определяющие разные режимы работы лампы по току. Если сложить потенциал внешнего поля (рис. 1.18.а) с потенциалом поля пространственного заряда (кривая 1 на рис. 1.18.6), то в результате получим диаграмму рис. 1.18.в, на которой нет отрицательных потенциалов, — поле на всем пространстве катод—анод положительное. Если же сложить потенциал внешнего поля с потенциалом пространственного заряда (кривая 2), то в силу большого электронного потока и большого отрицательного потенциала, который дает поле пространственного заряда, результирующая потенциальная диаграмма имеет на расстоянии от катода область минимального потенциала . Таким образом, последняя кривая показывает, что вблизи катода (до точки ) существует область отрицательных потенциалов, т. е. электроны находятся в тормозящем поле. После прохождения точки электроны попадают в ускоряющее поле и начинают увеличивать свою скорость.
Режимы работы диода по току. Диод может работать в двух режимах: пространственного заряда и насыщения.
Распределение электронов, вылетевших из катода, по энергетическим уровням подчиняется закону Максвелла, согласно которому наибольшее количество электронов имеет малые значения энергии и чем больше энергия, тем меньше электронов имеют эту энергию. Если диод работает в режиме, которому соответствует потенциальная диаграмма рис. 1.18.г, то электроны с начальными скоростями потеряют свою энергию в тормозящем поле и останутся в пространственном заряде у катода, а электроны с энергиями преодолеют область минимального потенциала и, попав в ускоряющее поле, достигнут анода. Следовательно, в режиме пространственного заряда . Таким образом, режимом пространственного заряда в электронной лампе называется такой режим, при котором вследствие наличия слоя минимального потенциала у катода анодный ток образован частью электронов, эмитированных катодом. Анодный ток в этом режиме меньше полного эмиссионного.
В диоде, у которого во всем промежутке катод—анод поле ускоряющее, все электроны, вылетевшие из катода, с любыми значениями энергии попадут на анод. Таким образом, анодный ток будет равен полному току эмиссии . Это условие определяет режим насыщения. Таким образом, режимом насыщения в электронной лампе называется такой режим, при котором анодный ток образован всеми электронами, эмитированными катодом. Анодный ток в этом режиме равен полному току эмиссии.
Электронные лампы работают как в режиме пространственного заряда, так и в режиме насыщения.
Статические вольтамперные характеристики диода. Статической характеристикой диода называется зависимость между действующими в диоде токами и напряжениями, соответствующими статическому режиму. Статическая характеристика может выражаться аналитически или графически. Различают индивидуальные и усредненные статические характеристики. Индивидуальная статическая характеристика соответствует, режиму работы одного индивидуального прибора, а усредненная — среднему значению большого числа индивидуальных характеристик. Отклонение точек индивидуальных характеристик от усредненных не должно превышать 10 – 20%.
Анодный ток в диоде однозначно определяется анодным напряжением и напряжением накала . Для графического изображения этой характеристики требуется трехмерное пространство, что неудобно на практике. Поэтому общую зависимость разбивают на две частные:
при – эмиссионная характеристика; при – анодная характеристика.
Если определяется не одна, а несколько характеристик при различных постоянных значениях или то такая совокупность характеристик называется семейством. Статические характеристики можно снимать по точкам, отсчитываемым приборами (рис. 1.16), или определять в целом на экране электронно-лучевой трубки с помощью специального прибора – характериографа. Характериограф является устройством для автоматического снятия статических характеристик.
Эмиссионная характеристика диода отражает зависимость анодного тока диода от напряжения накала при постоянном анодном напряжении. Семейство эмиссионных характеристик диода с вольфрамовым катодом при и потенциальные диаграммы для ряда точек характеристик этого семейства изображены на рис. 1.19. Экспериментально снятые эмиссионные характеристики отличаются от теоретических, во-первых, тем, что за параметр, определяющий нагрев катода, принята не температура катода , которую трудно измерять на практике, а легко отсчитываемое напряжение накала UH (в ряде случаев ток накала Iн). Во-вторых, теоретическая эмиссионная характеристика показывает полный ток термоэлектронной эмиссии, который способен создать катод при данной температуре нагрева и не учитывает отбор этого тока анодом. Отбор анодного тока зависит от величины анодного напряжения. Таким образом, теоретическая эмиссионная характеристика не учитывает влияние анодного напряжения.
Семейство эмиссионных характеристик в рассматриваемом случае состоит из трех характеристик с постоянными значениями анодного напряжения . Рассмотрим характеристику со значением .
Обозначим на ней ряд характерных точек. Для каждой из этих точек изобразим потенциальные диаграммы диода. При катод холодный и эмиссии электронов нет: . Повышение напряжения накала до приводит к появлению заметного анодного тока. Таким образом, начало характеристики сдвинуто вправо от начала координат на значительное расстояние. При ток мал и пространственный заряд электронов существенно не изменяет линейного распределения потенциала внутри лампы (кривая 1), характерного для плоско-параллельной системы электродов. При эмиссия электронов возрастает, и заряд электронов снижает потенциал в междуэлектродном пространстве (кривая 2). Однако это снижение невелико и результирующее поле на всем протяжении от катода до анода остается для электронов ускоряющим; Все электроны, эмитированные катодом, попадают на анод. В этом случае имеет место режим насыщения анодного тока.
Режим насыщения наблюдается на восходящем участке характеристики до ее перегиба. Далее режим насыщения переходит в режим пространственного заряда. При эмиссия электронов значительна и соответственно значительно снижение потенциала внешнего поля (кривая 3), так что на расстоянии от катода образуется отрицательный потенциал величиной . Этот потенциал является тормозящим для низкоскоростных электронов, и они, не преодолев его, пополняют собою пространственный заряд у катода. Тормозящее поле преодолевают только те электроны, у которых . Эти электроны, попав в ускоряющее поле, образуют анодный ток, который будет представлять собой часть эмиссионного тока.
Дальнейшее увеличение напряжения накала до значения существенно увеличивает количество электронов эмиссии, однако анодный ток увеличивается лишь незначительно, так как увеличение термоэлектронной эмиссии приводит к уменьшению потенциала у катода до величины (кривая 4). Таким образом, благодаря режиму пространственного заряда характеристика идет полого, анодный ток увеличивается незначительно (несмотря на резкое увеличение температуры катода, и термоэлектронной эмиссии). При больших значениях анодного напряжения и переход режима насыщения в режим пространственного заряда происходит при больших значениях напряжения накала, так как внешнее поле имеет высокий потенциал у катода, который снижается до отрицательного при большом токе термоэлектронной эмиссии .
Как правило, лампы работают при постоянном номинальном значении напряжения накала. Поэтому эмиссионные характеристики требуются лишь в тех случаях, когда по каким-либо причинам нужно регулировать напряжение накала или выбирать режим по накалу, отличный от номинального.
Анодная характеристика диода отражает зависимость анодного тока от анодного напряжения при постоянном напряжении накала. Семейство экспериментальных статических анодных характеристик диода для вольфрамового катода при , причем , изображено на рис. 1.20.
Рассмотрим для примера характеристику при и потенциальные диаграммы для нескольких точек. При распределение потенциала между электродами будет определяться только пространственным зарядом электронов, покидающих катод (кривая О). Несмотря на наличие минимума потенциала, часть электронов, вылетающих из катода с большими скоростями, достигнет анода, преодолев этот тормозящий потенциал. Таким образом, при будет существовать небольшой анодный ток. Для прекращения этого тока на анод нужно подать небольшой отрицательный потенциал (доли вольта — несколько вольт). Следовательно, характеристика начинается несколько левее начала координат при небольших отрицательных напряжениях на аноде.
До точки, где характеристика ответвляется, диод работает в режиме пространственного заряда, после этой точки — в режиме насыщения. При поле анода недостаточно для рассасывания облака электронов у катода (кривая 1 на потенциальной диаграмме). После ответвления характеристики, например, при потенциальная диаграмма (кривая 2) не имеет минимума, и лампа работает в режиме насыщения. Дальнейшее увеличение анодного напряжения не должно увеличивать анодный ток, так как термоэлектронная эмиссия при постоянном значении должна быть постоянной, все электроны в режиме насыщения достигают анода. Однако анодный ток несколько увеличивается, что объясняется увеличением термоэлектронной эмиссии из-за эффекта Шоттки, который проявляется при наличии у катода ускоряющего электрического поля анода, снижающего работу выхода. Этот эффект наиболее заметен в полупроводниковых катодах и наименее — в металлических. Поэтому вид анодной характеристики в режиме насыщения сильно зависит от материала катода (рис. 1.21).
У оксидного катода, имеющего полупроводниковую структуру, в режиме насыщения пологий участок характеристики не наблюдается. Это объясняется тем, что оксидный катод благодаря эффекту Шоттки обладает способностью значительно увеличивать эмиссионный ток. Вольфрамовый катод имеет малое приращение эмиссии, поэтому характеристика лампы в режиме насыщения пологая. Вид анодной характеристики для металлопленочных катодов является промежуточным.
Как правило, диод работает при номинальном напряжении накала, поэтому справочники содержат усредненную характеристику, соответствующую номинальному напряжению накала (рис. 1.22). Снятие и использование характеристик допускается до значения тока . Это значение определяется пересечением статической характеристики с кривой допустимой мощности рассеивания на аноде, построенной на графике по уравнению . Задавая ряд значений , получаем значения анодного тока, которые соединяем плавной кривой.
Аппроксимация анодных характеристик. Для анализа работы диода в электронном устройстве часто требуется приближенное аналитическое выражение его анодной характеристики. Степень приближения зависит от характера поставленной задачи и той точности, с которой она должна быть решена. Иногда требуется приближенное выражение не для всей характеристики, а только для отдельных ее участков. В этом случае задача аппроксимации упрощается.
Начальный участок анодной характеристики диода (рис. 1.23) зависит от распределения начальных скоростей электронов, вылетающих с катода, и от контактной разности потенциалов между катодом и анодом. С учетом этих факторов начальный участок характеристики можно аппроксимировать экспоненциальным выражением:,
где – анодный ток при (десятки микроампер); – напряжение, при котором (десятые доли вольта – вольты); – контактная разность потенциалов .
Восходящий участок анодной характеристики (рис. 1.24.а) чаще всего аппроксимируют степенным полиномом: Количество членов полинома зависит от точности приближения. В ряде задач удовлетворительное решение получается при выражении характеристики одним членом полинома (линейная аппроксимация) (рис. 1.24.6). Если анодная характеристика имеет пологий участок в режиме насыщения, то возможна кусочная линейно-ломаная аппроксимация: при , при (рис. 1.24.в).
Иногда уравнение анодного тока диода записывается в виде
. (1.9)
Это уравнение называется «законом степени трех вторых». Здесь — конструктивная постоянная, зависящая от конструкции электродов, их размеров и расстояния между ними; — активная поверхность анода; — расстояние от катода до анода и для плоской конструкции диода; — радиус анода; — поправочный коэффициент, учитывающий конечные размеры катода для цилиндрической- конструкции диода; С = 2,33-10-6 А/В3/2 — постоянный коэффициент.
Закон степени трех вторых справедлив для участка анодной характеристики, соответствующей режиму пространственного заряда. Это выражение существенно отклоняется от реальной характеристики и на практике применяется редко. Однако оно не потеряло полностью своего значения и удобно с методической точки зрения для качественной оценки процессов, протекающих также и в электронных лампах с сетками.
Статические параметры диода. Любой электронный прибор имеет большое число электрических, тепловых, механических и других эксплуатационных параметров. Среди этих параметров важное место занимают статические характеристики диода. Основной из этих характеристик является анодная при . Дифференциальные параметры характеристики следующие:
Крутизна характеристики
, (1.10)
показывает крутизну кривой анодного тока. Чем больше крутизна, тем больше приращение анодного тока при изменении анодного напряжения и тем лучше свойства диода. Практически крутизну характеристики с некоторым приближением можно определить как отношение конечных приращений анодного тока и анодного напряжения (рис. 1.25):
, (1.11)
Чем меньше приращение этих величин, тем ближе значение крутизны к истинному, определяемому производной в точке А. Крутизна имеет размерность проводимости. Однако измерение крутизны в амперах на вольт дает слишком малые значения. Обычно крутизну принято выражать в тысячу раз большей величиной: числом миллиампер на один вольт. Таким образом, крутизна показывает приращение анодного тока в диоде, выраженное в миллиамперах, на один вольт приращения анодного напряжения. Обычно в маломощных диодах S = 0,110 мА/В.
Внутреннее сопротивление диода для переменного тока , Ом – величина, обратная крутизне. Практически внутреннее сопротивление можно определить как отношение малых приращений анодного напряжения и анодного тока (рис. 1.26.а): , Ом.
Физический смысл внутреннего сопротивления диода переменному току заключается в том, что если в цепь анода включить источник постоянного напряжения и наложить на это напряжение еще и переменное напряжение, меняющееся по синусоидальному закону, с малой амплитудой , то внутренним сопротивлением будет как раз то, которое оказывает диод источнику переменного тока с небольшой амплитудой напряжения. Из рис. 1.26.а видно, что на пологом участке характеристики в точке В изменение переменного напряжения вызывает незначительные изменения анодного тока. Следовательно, внутреннее сопротивление диода,
соответствующее этому участку, велико. В точке А кривой внутреннее сопротивление диода имеет меньшую величину. В этой точке приращение тока при том же значении будет больше. Как правило, внутреннее сопротивление диода = 100—10000 Ом. Формула, связывающая внутреннее сопротивление и крутизну характеристики, называется внутренним уравнением диода:
(1.12)
Сопротивление диода для постоянного тока определяется как в точках анодной характеристики диода, где – постоянная составляющая анодного напряжения, а – постоянная составляющая анодного тока в точке А (рис. 1.26.6). Если диод, находящийся в цепи постоянного тока, заменить сопротивлением , то напряжения и токи в такой цепи останутся без изменения; отличается от в реальной характеристике и совпадает с ним при ее линейной аппроксимации.
Емкость диода определяется между катодом и анодом при нагретом катоде.. Ее значение в приемно-усилительных лампах 0,110 пФ. При работе на высоких частотах емкость диода нарушает одностороннюю проводимость.
Зависимость параметров от режима показана на рис. 1.27. Из рисунка очевидно, что при увеличении анодного напряжения производная кривой анодного тока растет, а обратная ей величина падает.
Зависимость параметров от конструкции удобно пояснить с помощью закона степени трех вторых (1.9). Крутизна характеристики
.
Отсюда видно, что для увеличения крутизны и соответствующего уменьшения нужно увеличить активную площадь анода и уменьшить расстояние между электродами.
Эквивалентная схема диода для переменного тока изображена на рис. 1.28. На всех частотах вплоть до диапазона свч сопротивление диода переменному току комплексное, состоящее из внутреннего сопротивления и сопротивления, обусловленного междуэлектродной емкостью.
Устройство и принцип действия. Вакуумный триод имеет три электрода: катод, сетку и анод (рис. 1.1). С помощью сетки осуществляется электростатическое управление анодным током, поэтому эта сетка называется управляющей. Напряжение на аноде всегда положительно, а напряжение на сетке может быть и положительным, и отрицательным. Через анод и сетку протекают анодный и сеточный токи. Сумма этих токов равна катодному току (рис. 1.29):
. (1.1З)
В приемно-усилительных лампах малой мощности сетка часто работает при отрицательном напряжении. Тогда = 0 и в триоде протекает только анодный ток.
Картина электрического поля в триоде из-за наличия витков сетки со своим потенциалом, отличающимся от потенциала поля, в котором находится сетка, очень сложна. Получить точное аналитическое выражение поля не представляется возможным. Поэтому для выяснения картины поля производят моделирование лампы и экспериментально определяют потенциал в различных сечениях с помощью электролитических ванн.
Действующий потенциал электрода. Токи в триоде при постоянной температуре катода зависят от напряжений на аноде и сетке: . Частные зависимости и можно изобразить графически статическими характеристиками. Однако практический интерес представляет получение приближенного аналитического выражения этих зависимостей. Для этого вводят понятие действующего потенциала электрода.
Действующим потенциалом электрода называется эквивалентный потенциал воображаемой сплошной поверхности, помещенной на место данного электрода, обусловливающий такую же напряженность электрического поля в рассматриваемой области междуэлектродного пространства, как та, которая определяется в этой области всеми электродами реального прибора при заданных потенциалах электродов. Применительно к триоду эта общая формулировка означает следующее. Действие сеточного и анодного напряжений на катодный ток можно заменить действием одного напряжения — действующего. Это действующее напряжение (отсчитываемое от катода) можно приложить к сплошному электроду, помещенному в любом месте пространства между катодом и анодом триода. Для каждого места пространства действующее напряжение будет иметь определенное значение. Однако с практической точки зрения сплошной электрод удобнее всего поместить вместо сетки триода. Тогда реальный триод с напряжениями и на его электродах заменяется эквивалентным диодом, анод которого помещается на месте сетки триода, а анодный потенциал эквивалентного диода равен потенциалу, действующему в области сетки; (рис. 1.30). Условием эквивалентности диода триоду является равенство их катодных токов . Для выполнения этого равенства необходимо равенство зарядов, наводимых на их катодах соответствующими напряжениями. При равенстве зарядов напряженности поля у катодов, а, следовательно, и количества вылетевших с них электронов будут одинаковы.
Заряд на катоде реального триода , где – ёмкость промежутка сетка—катод, а – емкость между анодом и катодом. Заряд на катоде эквивалентного диода , где – емкость анод—катод эквивалентного диода. Требование эквивалентности приводит к равенству: . Поделив числитель и знаменатель этого равенства на , получим
.
Полагая приближенно и вводя соответственно обозначение
(1.14)
– проницаемость сетки лампы для поля анода, получаем приближенное выражение для действующего напряжения:
(1.15)
Тогда катодный ток триода в соответствии с формулой (1.9) можно выразить с .помощью закона степени трех вторых:
, где – конструктивная постоянная триода.
Проницаемость сетки триода оценивает сравнительное влияние полей анода и сетки на ток катода. Чем гуще сетка, тем меньше проницаемость и тем меньше влияет через сетку анодное напряжение на анодный ток. Если предположить, что сетка является сплошной поверхностью, то поле анода не может проникнуть к катоду, и проницаемость равна нулю. Если сетка редкая, то проницаемость ее высока. Проницаемость всегда меньше единицы и в практических конструкциях триодов лежит в пределах 0,01 = 0,1.
Проницаемость сетки лампы показывает, какую долю анодного напряжения нужно приложить к аноду эквивалентного диода, чтобы результирующее поле осталось прежним. Допустим для примера, что анодное напряжение = 100 В, а густота сетки такова, что проницаемость D = 0,01. Тогда = = 1 В, т. е. анодное напряжение ослабляется в 100 раз и 100 В анодного напряжения, пересчитанные к плоскости витков сетки, действуют на катод так же, как один вольт сеточного напряжения. Понятие действующего напряжения облегчает рассмотрение физических процессов и характеристик триода.
Статические характеристики триода. Общую зависимость для удобства на практике разбивают на четыре частных уравнения, которые и являются характеристиками триода:
при = const – выходная (анодная) характеристика;
при = const – входная (сеточная) характеристика;
при = const – характеристика прямой передачи (анодно-сеточная);
при = const – характеристика обратной связи (сеточно-анодная).
Целесообразно иметь единые названия характеристик для триода и транзистора. В скобках указаны названия ламповых характеристик, сложившиеся исторически.
При работе триода с отрицательным напряжением на управляющей сетке сеточный ток равен нулю и две характеристики – входная и обратной связи – отсутствуют. В этом случае триод оценивается только характеристиками прямой передачи и выходной.
Характеристики снимаются по точкам при помощи схемы, изображенной на рис. 1.31. Схема позволяет регулировать напряжения в необходимых пределах и получать сеточное напряжение разного знака без переключения. Характеристику следует снимать, изменяя значения токов сетки и анода от нуля до максимальных и , которые при данных напряжениях соответствуют наибольшим допустимым мощностям, рассеиваемым на сетке и на аноде. По достижении этих значений токов снятие характеристик нужно прекратить во избежание перегрева электродов.
Выходные характеристики триода (анодные). Выходные характеристики триода являются наиболее важными. Они чаще всего используются для расчетов, особенно для графического определения режима и эксплуатационных параметров при больших амплитудах сигналов, захватывающих значительный участок характеристики. Семейство усредненных выходных характеристик триода , снятых при различных постоянных значениях напряжений на управляющей сетке, приведено на рис. 1.32.
Выходные характеристики в основном подчиняются закону степени трех вторых. Характеристики, снятые при отрицательных напряжениях на сетке, сдвинуты вправо от начала координат. Анодный ток появляется при значениях анодного напряжения, отличающихся от нуля. И чем большее отрицательное напряжение приложено к сетке, тем больше сдвиг характеристик. При отрицательных напряжениях на сетке сеточный ток отсутствует, а анодный ток равен катодному . Очевидно, что анодный ток появится тогда, когда совместное действие сеточного отрицательного и анодного положительного напряжений будет давать положительное действующее напряжение. В этом случае, например, для точки а, напряжение сдвига характеристик можно определить, приравнивая действующее напряжение нулю: . Отсюда напряжение сдвига выходных характеристик:
(1.16)
Чем гуще сетка, тем меньше и тем больше сдвиг характеристик.
Характеристики при отрицательных напряжениях на сетке и при малых значениях анодного тока имеют значительную кривизну и обращены выпуклостью к оси абсцисс, а при больших токах почти прямолинейны. В прямолинейной части характеристики, снятые при разных , примерно параллельны друг другу.
При положительных напряжениях характеристики начинаются из начала координат, резко возрастают на начальном участке, а затем идут прямолинейно и параллельно характеристикам при отрицательных . Их кривизна меняется, а выпуклость обращена к оси ординат. Резкое возрастание анодного тока объясняется перераспределением в лампе токов между сеткой и анодом. Это поясняется рис. 1.33. При наличии на сетке положительного напряжения появляется сеточный электронный ток. Ток может быть значительным, несмотря на то, что напряжение мало. Одни электроны при малых анодных напряжениях попадают с катода на витки сетки, другие проскакивают витки сетки, но теряют скорость в тормозящем поле между ней и анодом, так как анодное напряжение меньше сеточного, и возвращаются на сетку. Причем электроны, пролетающие вблизи витка сетки, притягиваются ею. Они имеют криволинейную траекторию и попадают на соседние витки. Электроны, двигающиеся в середине межвиткового пространства, притягиваются одинаково обоими витками сетки. Поэтому их траектория прямолинейна, и они, теряя скорость, дойдут до анода. Такой режим токораспределения называется режимом возврата электронов на сетку или просто режимом возврата. Если теперь увеличить анодное напряжение, то при поле между анодом и сеткой из тормозящего превратится в ускоряющее и электроны, проскочившие витки сетки, будут попадать на анод (рис. 1.33.6). Такой режим по току называется режимом перехвата электронов сеткой или сокращенно режимом перехвата. Анодный ток начинает расти, а сеточный за счет этого падает. Имеет место перераспределение токов. «Переключение» электронов с сетки на анод с повышением напряжения происходит не скачком, а плавно.
Таким образом, в режиме возврата характеристика анодного тока имеет большую крутизну, а в режиме перехвата ее крутизна уменьшается. Следует заметить, что рост анодного тока обусловлен не только токораспределением, но и (главным образом) увеличением действующего напряжения при повышении , а, следовательно, увеличением отбора тока от катода.
Характеристики прямой передачи триода (анодно-сеточные). Эти характеристики, как и предыдущие, имеют большое значение при практических расчетах режимов триода. Семейства усредненных характеристик прямой передачи , снятые при различных постоянных напряжениях на аноде, изображены на рис. 1-34. Их называют характеристиками прямой передачи или управления, так как они показывают изменение тока на выходе триода в зависимости от напряжения управляющей сетки.
Начало характеристик определяется отсечкой анодного тока, которая соответствует нулевому действующему напряжению. Приравнивая действующее напряжение нулю , получаем напряжение сдвига характеристик прямой передачи:
. (1.17)
Напряжение сдвига зависит от проницаемости управляющей сетки и от величины анодного напряжения. Чем реже управляющая сетка и чем больше анодное напряжение, тем больше сдвиг характеристик влево от начала координат. Начальный участок характеристик имеет сильное искривление. Это объясняется, во-первых, закономерностью нарастания анодного тока при малых действующих напряжениях в соответствии с законом степени трех вторых и, во-вторых, проявлением «островкового» эффекта.
Островковый эффект заключается в том, что при отрицательных потенциалах сетки положительное ускоряющее поле анода, проникая сквозь витки сетки, действует не по всей длине катода, а только на отдельных его участках, так как участки катода, расположенные непосредственно под витками сетки, подвергаются более сильному прямому воздействию на них отрицательного сеточного напряжения (рис. 1.35) . На катоде образуются «островки», эмит-тирующие большее количество электронов в общий ток, чем участки, расположенные под витками сетки. Островковый эффект сильно проявляется при редких сетках, у которых расстояние между витками в два раза больше, чем расстояние сетки от катода. При островковом эффекте характеристика прямой передачи удлиняется в сторону больших отрицательных напряжений.
Далее с возрастанием анодного тока характеристики подчиняются закону «степени трех вторых», а затем идут почти прямолинейно. При подаче положительного напряжения на сетку лампы появляется сеточный ток, и анодный ток становится меньше катодного на величину . С появлением сеточного тока крутизна характеристики анодного тока уменьшается.
Относительно прямолинейные участки статических характеристик прямой передачи расположены параллельно друг другу. Одинаковые интервалы изменения анодного напряжения (равные разности напряжений при которых снимались близлежащие характеристики) соответствуют одинаковым интервалам изменения , т. е. характеристики сдвигаются параллельно самим себе на одинаковые интервалы при одинаковых интервалах .
По величине проницаемости триоды делят на левые и правые. Такое разделение относится не только к триоду, но и к многосеточным лампам.
Триод, у которого управляющая сетка редкая, проницаемость большая, а рабочий участок характеристики прямой передачи значительно сдвинут влево от начала координат (рис. 1.36.а), называется левым. Правый триод имеет густую управляющую сетку ( мало), а основной рабочий участок его характеристики сдвинут вправо (лежит в основном в области положительных значений , рис. 1.36.6). У левых триодов сдвиг характеристик велик, у правых – мал. На этом же рисунке показаны выходные характеристики левого и правого триодов (рис. 1.36. в, г).
Необходимо отметить, что из характеристик прямой передачи простым графическим построением можно получить выходные (и наоборот).
Входные характеристики триода (сеточные) при = const изображены на рис. 1.37.а. Как и в диоде, начало характеристик здесь смещено влево относительно начала координат по напряжению (десятые доли вольта — несколько вольт) из-за начальных скоростей электронов и контактной разности потенциалов между катодом и управляющей сеткой. Каждая характеристика подчиняется закону степени трех вторых. Характеристики расположены веерообразно. Чем меньше анодное напряжение, тем больше сеточный ток при данном значении . Такое расположение характеристик связано с перераспределением катодного тока между сеткой и анодом. Как уже указывалось, при малых анодных напряжениях анодное поле у катода ослаблено и большая часть электронов попадает на положительно заряженную сетку. При больших значениях поле анода забирает больше электронов и сеточный ток образуется меньшим числом электронов.
Характеристики обратной связи триода (сеточно-анодные) при = const изображены на рис. 1.37.6. Обратная связь в триоде возникает при положительных напряжениях на управляющей сетке и проявляется в том, что выходное напряжение влияет на входной ток . Характеристики обратной связи можно получить из семейства входных соответствующим графическим построением.
На характеристиках обратной связи четко вырисовываются два режима токораспределения. При малых значениях сеточный ток резко падает. В этом случае имеет место режим возврата электронов на сетку. Далее при возрастании крутизна кривой резко уменьшается, сеточный ток мало изменяется. Устанавливается режим перехвата электронов сеткой.
Характеристики обратного тока управляющей сетки. При работе триода с отрицательным потенциалом управляющей сетки в ее цепи возникает ток, направление которого обратно сеточному, в случае положительного . Величина этого тока незначительна: порядка десятых долей микроампера. Однако он оказывает существенное влияние на работу маломощных приемно-усилительных ламп, если в цепи их сеток включен резистор с большим сопротивлением (рис. 1.38). Через этот резистор на сетку подается необходимое питающее напряжение . Сопротивление резистора должно быть большим, чтобы сильно не нагружать источник сигнала. Если, например, положить =1 мкА, а =1МОм, то на резисторе будет падение напряжения =1 В. Такое падение напряжения может оказаться сравнимым с питающим напряжением и нарушит режим работы лампы, так как .
Обратный ток сетки может вызываться следующими причинами: ионизацией остаточного газа в баллоне лампы, термоэлектронной эмиссией с управляющей сетки и утечкой между выводами электродов по поверхности баллона или цоколя. Эти причины обусловливают соответственно составляющие обратного тока; ионный ток , ток термоэлектронной эмиссии сетки на катод и ток утечки между сеткой и катодом (рис. 1.39). Таким образом, суммарный ток . Масштаб обратного тока увеличен. Ток утечки изменяется линейно с изменением . Ток термоэлектронной эмиссии растет с ростом , но уже при малых достигает постоянного значения, определяемого насыщением электронов при данной температуре сетки . Оба эти тока малы по сравнению с ионным током. Ионизация в лампе связана с прохождением анодного тока и пропорциональна его величине. Поэтому ионный ток возникает при том же значении что и анодный. Далее возрастает при и в области спадает до нуля. Результирующая кривая изображена на рисунке сплошной линией и учитывает также прямой сеточный ток при небольших отрицательных сеточных напряжениях.
Характеристика обратного тока имеет падающий участок АВ с отрицательным сопротивлением, которое может быть причиной неустойчивой работы лампы. На практике ограничивают сопротивление . Его величина устанавливается для каждой лампы заводом-изготовителем. Чем мощнее лампа, тем меньшее значение допускается в эксплуатации.
Статические параметры триода. Параметрами триода называются величины, связывающие между собой токи и напряжения анодной и сеточной цепей. Анодный ток является функцией напряжений и при постоянном значении :
при = const. (1.18)
Выражение полного дифференциала для анодного тока можно записать как
(1.19)
Если бесконечно малые приращения токов и напряжений заменить конечными, но малыми величинами, которые не выходят за пределы линейного участка характеристики, то выражение полного дифференциала примет вид
.
Если далее потребовать, чтобы при изменении и , =0, то
(1.20.)
Знак минус в выражении (1-20) показывает, что изменения и противоположны по знаку, при увеличении нужно уменьшать и наоборот. Частные производные в уравнении (1.19), а также отношение являются параметрами статических характеристик триода и имеют следующий смысл.
Крутизна анодно-сеточной характеристики триода
, (1.21.)
есть частная производная анодного тока по сеточному напряжению при постоянном анодном напряжении. Приближенно крутизну характеристики можно определить, задавая конечные приращения тока и напряжения.
Крутизна характеризует абсолютное влияние сеточного напряжения на анодный ток или, другими словами, крутизна показывает величину изменения анодного тока при изменении сеточного напряжения на один вольт при постоянном напряжении анода. Геометрически S определяет наклон характеристики прямой передачи и равна тангенсу угла, образуемого касательной к этой характеристике с осью абсцисс. В современных приемно-усилительных триодах значение крутизны лежит в пределах l30 мА/B.
Внутреннее сопротивление триода переменному току
, (1.22.)
есть частная производная анодного напряжения по анодному току при постоянном сеточном напряжении. Приближенное значение внутреннего сопротивления можно получить из выражения, задавая возможно малые приращения тока и напряжения.
Внутреннее сопротивление триода переменному току характеризует абсолютное влияние анодного напряжения на анодный ток, т. е. показывает сопротивление лампы для малых изменений анодного тока. Величина, обратная внутреннему сопротивлению – выходная проводимость равна крутизне выходной (анодной) характеристики. Чем круче выходная характеристика, тем меньше внутреннее сопротивление триода. Величина внутреннего сопротивления триодов лежит в пределах =0,550 кОм.
Статический коэффициент усиления триода оценивает относительное влияние сеточного и анодного напряжений на анодный ток:
, (1.23)
Коэффициент усиления равен отношению приращений напряжения анода и напряжения сетки вызывающих одинаковое изменение анодного тока. Этот коэффициент показывает, во сколько раз приращение напряжения анода больше, чем равноценное по воздействию на анодный ток приращение напряжения сетки. При определении коэффициента усиления изменения и противоположны по знаку. Например, увеличение приводит к увеличению . Для приведения к прежнему значению нужно уменьшить значение . Коэффициент является безразмерной величиной и имеет в промышленных триодах значение =4100. Подставив в выражение (1.20) , , и , получим уравнение:
, (1.24)
которое называется внутренним уравнением триода. Внутреннее уравнение связывает между собой основные параметры статических характеристик триода и позволяет по двум известным параметрам найти третий. Проницаемость сетки лампы оценивает относительное влияние сеточного и анодного напряжений на катодный ток:
, (1.25)
При отрицательных напряжениях на сетке , поскольку .
При работе с токами управляющей сетки пользуются параметрами сеточной цепи.
Внутреннее сопротивление промежутка сетка–катод для переменного тока
, (1.26)
Крутизна входной характеристики
, (1.27)
равна входной проводимости триода при постоянном напряжении на аноде. Внутреннее сопротивление и крутизна входной характеристики обратно пропорциональны друг другу:
(1.28)
Эквивалентные схемы триодов. Эквивалентные схемы триодов позволяют упростить расчет усилительных устройств. Они содержат те основные элементы, которые существенно влияют на величину полезного переменного сигнала. Для области низких частот эквивалентные схемы можно составлять с некоторым приближением без учета емкостей ламп. Принципиальную схему усилителя на триоде с активной нагрузкой можно заменить одной из эквивалентных схем, изображенных на рис. 1.40.а, б. Схема рис. 1.40.а называется эквивалентной схемой с генератором тока, а схема рис. 1.40.6 — эквивалентной схемой с генератором напряжения. Обе схемы равноправны и отражают существующие в принципиальной схеме соотношения между переменными составляющими токов и напряжений. В эквивалентных схемах отсутствуют источники питания и , так как предполагается, что их сопротивления для переменного тока равны нулю.
Эквивалентная схема с генератором тока является графическим изображением уравнения (1.19), записанного для переменных составляющих тока и напряжения:
. (1.29)
Генератор тока отображает усилительные свойства триода, ток отражает потери на внутреннем сопротивлении лампы, а ток является выходным током лампы.
Если все члены уравнения (1.29) умножить на , то в результате получим и далее . Графическое изображение последнего уравнения дает эквивалентную схему с генератором напряжения , который отражает усилительные свойства лампы, а напряжение равно падению напряжения на внутреннем сопротивлении, лампы.
Эквивалентная схема лампы с учетом ее паразитных емкостей представлена на рис. 1.40.в.
Применение триодов. Триоды применяются для усиления и генерирования гармонических и импульсных сигналов, для преобразования частоты и в ряде других случаев. Рассмотрим особенности работы и конструкции маломощных усилительных триодов, которые делятся на усилители напряжения и усилители мощности.
Усилители напряжения работают в предварительных каскадах усилительных устройств при малой амплитуде входного сигнала. К ним предъявляется требование большого коэффициента усиления напряжения при малой мощности сигнала в нагрузке. Триоды, усиливающие напряжение, следовательно, должны обладать большим статическим коэффициентом усиления (порядка 50-100 единиц). Они имеют густую сетку и правые характеристики. Крутизна характеристики и анодный ток таких триодов небольшие. Габариты ламп невелики.
Усилители мощности, как правило, являются оконечными каскадами усилительных устройств. Они должны выделять на нагрузке значительную мощность. Триоды для усиления мощности, следовательно, должны иметь значительную крутизну характеристики и большой анодный ток. Это требует применения электродов с большой активной площадью. Для получения больших выходных напряжений на вход триода также нужно подавать сигналы значительных амплитуд. В этом случае нужно применять триоды с левыми характеристиками. Чтобы обеспечить сдвиг характеристик, нужно использовать триоды с большой проницаемостью, т. е. с малым статическим коэффициентом усиления (порядка 10—20 единиц).
Главными недостатками триодов являются малый коэффициент усиления и большая проходная емкость. Триод имеет также малое внутреннее сопротивление , которое сильно шунтирует колебательный контур в резонансном усилителе. Вследствие внесения в контур дополнительного затухания, его резонансные свойства ухудшаются. Триод имеет малый коэффициент усиления на низких частотах и еще меньший на высоких, поэтому использование его на высоких частотах невыгодно (на высоких частотах применяют в основном экранированные лампы – тетроды и пентоды) .
Достоинством триода является простота его конструкции и хорошая линейность характеристик.
Общие свойства экранированных ламп. Экранированными называются лампы, имеющие экранирующую сетку. К ним относятся: лампы общего применения, тетрод, пентод, лучевой тетрод, а также частотопреобразовательные – гексод, гептод, и др. Введение экранирующей сетки сильно влияет на активные и реактивные параметры лампы. Изменяется также вид ее статических характеристик.
Проходная емкость экранированной лампы резко уменьшается от единиц пикофарад в тетроде до тысячных долей пикофарады в высокочастотных пентодах . Это объясняется тем, что экранирующая сетка, помещаемая между управляющей сеткой и анодом, экранирует электростатическое поле анода. С уменьшением проходной емкости резко уменьшается входная эквивалентная емкость. Вследствие этого экранированные лампы обладают хорошими частотными свойствами.
Статический коэффициент усиления, , экранированной лампы сильно возрастает. Благодаря экранирующей сетке влияние анодного напряжения на катодный ток, а, следовательно, и на анодный ток ослаблено, поэтому изменение анодного тока, вызванное небольшим приращением сеточного напряжения, можно скомпенсировать лишь очень большими приращениями анодного напряжения. Это соответствует большому коэффициенту , который в высокочастотных пентодах достигает тысяч единиц.
Внутреннее сопротивление экранированной лампы также существенно увеличивается. Из-за малого влияния анодного напряжения на анодный ток необходимо давать очень большие приращения для получения небольшого приращения . Внутреннее сопротивление ряда пентодов достигает единиц мегом.
Крутизна характеристики экранированной лампы имеет тот же порядок, что и в триоде. Из внутреннего уравнения лампы следует, что при одновременном росте и , крутизна не должна сильно изменяться.
Тетроды. Тетрод имеет четыре электрода: катод, управляющую сетку, экранирующую сетку и анод. Экранирующая сетка существенно влияет на реактивные и активные параметры тетрода. Напряжения на его электроды подаются, как показано на рис. 1.41, Положительное напряжение = (0,5l) на экранирующую сетку снимается с источника, питающего анодную цепь. В некоторых случаях экранирующая сетка питается от отдельного источника. Ток экранирующей сетки составляет примерно 2040% анодного тока. Семейство выходных характеристик и характеристик прямой передачи тетрода представлено на рис. 1.42. Из семейства выходных характеристик видно, что при малых значениях анодного напряжения кривая тока имеет провалы. Эти провалы объясняются проявлением динатронного эффекта по аноду.
Динатронный эффект в лампе – это процесс перераспределения токов электродов, связанный с наличием вторичной эмиссии. Если вторичные электроны выбиваются из анода и электрическим полем отводятся на экранирующую сетку, то анодный ток уменьшается, а ток экранирующей сетки увеличивается. Такое явление носит название динатронного эффекта по аноду. При выбивании электронов из экранирующей сетки и отводе их на анод ток экранирующей сетки уменьшается, а анодный ток увеличивается. В этом случае имеет место динатронный эффект по экранирующей сетке.
Рассмотрим характеристики анодного тока и тока экранирующей сетки при = 0 (рис. 1.42.а). Если =0, то =0, а = значительный, так как действующее напряжение в тетроде определяется приложенным к экранирующей сетке напряжением и в силу этого является положительным, что обусловливает большой катодный ток . С увеличением анодный ток растет, а ток экранирующей сетки падает. Происходит «переключение» электронов с экранирующей сетки на анод, соответствующее режиму возврата электронов.
При = (порядка 1020 В) энергия электронов, падающих на анод, оказывается достаточной для выбивания вторичных электронов . Вторичные электроны с анода отводятся на экранирующую сетку, так как в данном случае > и существует ускоряющее поле в направлении от анода к экранирующей сетке. Вследствие такого перехода вторичных электронов анодный ток уменьшается и соответственно увеличивается ток экранирующей сетки. Этот процесс токораспределения, являющийся следствием динатронного эффекта по аноду, продолжается до тех пор, пока анодное напряжение не увеличится до . Тогда в силу равенства этих напряжений ускоряющее поле, направленное к экранирующей сетке, исчезнет, и отвод вторичных электронов прекратится. Далее, при > анодный ток начнет возрастать из-за проявления динатронного эффекта по сетке, а ток экранирующей сетки будет соответственно уменьшаться.
Динатронный эффект является основным недостатком тетрода. Он обусловливает большую нелинейность характеристик. Наличие на характеристике участка с отрицательным сопротивлением от до на рис. 1.42.а может при определенных условиях привести к паразитной генерации цепи с тетродом . Поэтому тетроды не получили широкого распространения и используются, главным образом, как мощные лампы.
Характеристики прямой передачи тетрода (рис. 1.42.6) —веерообразные. При малом анодном токе анодное напряжение меньше влияет на величину действующего напряжения и на процесс токораспределения, чем при больших значениях . Напряжение сдвига характеристик зависит лишь от экранного напряжения и практически не зависит от анодного: . При изменении характеристики сдвигаются параллельно самим себе так же, как и в триоде при изменении анодного напряжения. В целом характеристики подобны триодным, если экранирующую сетку тетрода принять за анод триода.
Характеристика тока экранирующей сетки показана на рис. 1.42.6 пунктирной линией. Ее начало совпадает с началом характеристики анодного тока. Особенностью характеристик является то, что при увеличении анодного напряжения ток уменьшается. Катодный ток перераспределяется между анодным током и током экранирующей сетки. С увеличением ток увеличивается, а уменьшается.
Пентоды. Помимо управляющей и экранирующей сеток, у пентода имеется защитная сетка, устраняющая динатронный эффект. Пентод является весьма распространенной лампой, обладающей хорошими усилительными и частотными свойствами.
Схема питания пентода показана на рис. 1.44. Управляющая сетка питается от. источника , а экранирующая – от источника питания анода. В зависимости от назначения лампы и ее конструкции напряжение экранирующей сетки лежит в пределах =(0,51,0) . Ток экранирующей сетки при этом составляет = (0,20,3) . Защитная сетка соединена с катодом и, следовательно, имеет относительно него нулевой потенциал. В ряде ламп она не имеет отдельного вывода и соединена с катодом внутри лампы.
В общем случае сумма токов всех электродов равна току катода. Чаще всего токи первой и третьей сеток равны нулю и катодный ток распределяется между анодом и экранирующей сеткой. Потенциальная диаграмма пентода для двух сечений лампы (рис. 1.45) показывает роль защитной сетки в устранении динатронного эффекта. Если рассмотреть сечение лампы, проходящее через виток защитной сетки, то распределение потенциала между экранирующей сеткой и анодом будет определяться кривой а. Путь электронов будет лежать между витками защитной сетки. Кривая б показывает распределение потенциала для сечения, проходящего через середину междувиткового расстояния. Наличие в этом сечении потенциала, отличного от нуля, обусловлено влиянием поля и . Как видно из рисунка, здесь образуется потенциальный барьер для вторичных электронов величиной . В различных сечениях тормозящий потенциал будет лежать в пределах от до 0. Благодаря защитной сетке динатронный эффект будет отсутствовать.
Основные характеристики. Основными статическими характеристиками пентода, как и у триода, являются выходные характеристики и характеристики прямой передачи. Кроме того, у пентода появляется ряд специфических характеристик, связанных с наличием экранирующей и защитной сеток.
Выходные статические характеристики пентода показаны на рис. 1.46. Эти характеристики обычно снимаются при =const, = 0 и номинальном напряжении накала . Каждая из характеристик снимается при постоянном напряжении на первой сетке , интервалы изменения, которого выбираются одинаковыми. Чем меньше напряжение , тем меньше анодный ток. Однако строгого соответствия между и ,Д/а не наблюдается. Чем меньше анодный ток, тем меньшее значение Д/а получается при том же интервале . В этом проявляется нелинейность между и , которая очень наглядна на семействе характеристик прямой передачи.
Каждая характеристика имеет два участка, резко отличающихся по изменению тока. Участок ОА соответствует малым анодным напряжениям ( = 050 В) и характеризуется резким изменением тока от нуля до некоторой величины. Он обусловлен режимом токораспределения, называемым режимом возврата электронов к экранирующей сетке. При нулевом анодном напряжении почти все электроны, получив большую скорость под воздействием высокого напряжения экранирующей сетки и прошедшие между ее витками, возвращаются к ней из околоанодной области, не преодолев тормозящего поля анода. Небольшое увеличение анодного напряжения приводит к резкому увеличению анодного тока за счет электронов, преодолевших тормозящее поле и «переключающихся» с экранирующей сетки на анод. Ток экранирующей сетки соответственно резко уменьшается. При анодном напряжении, соответствующем точке А, процесс токораспределения между экранирующей сеткой и анодом в основном заканчивается.
При дальнейшем увеличении анодного напряжения все электроны, пролетающие между витками сетки, попадают на анод. Пологий участок АВ характеризуется очень малым изменением анодного тока. Этот режим называется режимом перехвата электронов экранирующей сеткой. Изменение анодного тока объясняется двумя причинами. Во-первых, изменение анодного напряжения продолжает влиять на токораспределение, но уже незначительно. Повышение анодного напряжения приводит к тому, что несколько увеличивается количество электронов, пролетающих плоскость экранной сетки. Незначительно возрастает анодный ток; на такую же величину уменьшается ток экранирующей сетки. Во-вторых, увеличение анодного тока связано с повышением действующего напряжения, которое для пентода можно приближенно записать как
, (1.30)
где – проницаемость первой сетки, характеризующая влияние напряжения экранирующей сетки на область катода; – проницаемость экранирующей сетки, оценивающая влияние напряжения защитной сетки на область управляющей сетки; – проницаемость защитной сетки, показывающая влияние анодного напряжения на область экранирующей сетки .
Каждая из этих величин существенно меньше единицы. В выражении (1.30) значение помножено на общую проницаемость , которая является величиной третьего порядка малости, и, следовательно, увеличение почти не влияет на действующее напряжение и на катодный ток . Здесь – конструктивный коэффициент пентода. Поскольку катодный ток изменяется .мало, то соответственно мало меняются токи и . Чем меньше проницаемость сеток, тем меньше изменение анодного тока. У высокочастотных пентодов с целью получения малой проходной емкости экранирующую сетку выполняют с малыми расстояниями между витками, т. е. с малой проницаемостью. Поэтому у таких пентодов участок АВ почти параллелен оси абсцисс.
Экранно-анодные характеристики пентода, выражающие зависимость , показаны на рис. 1.46.6. Они снимаются при постоянных напряжениях на всех сетках пентода. Ход этих характеристик связан с ходом анодных. В режиме возврата наблюдается значительное изменение тока экранирующей сетки, а в режиме перехвата – незначительное.
Характеристики прямой передачи и экранно-сеточные характеристики пентода приведены на рис. 1.46.в. В соответствии с выражением (1.30) напряжение сдвига по управляющей сетке зависит только от напряжения экранирующей сетки и проницаемости управляющей, так как влиянием анодного напряжения и напряжения защитной сетки можно пренебречь . Характеристики приведены для различных значений , а значение на них не указывается, так как при работе лампы в режиме перехвата электронов характеристики для различных значений анодного напряжения практически сливаются в одну. Поэтому нагрузочные характеристики прямой передачи при работе в режиме перехвата практически также сливаются со статическими. Нелинейность характеристик слабо выражена при больших токах и значительна на их начальных участках.
Входные характеристики и характеристики обратной связи пентода при работе в области положительных напряжений на управляющей сетке не имеют существенных особенностей.
В ряде случаев, например, при преобразовании частоты пентод используется как лампа с двойным управлением анодного тока.
Помимо первой сетки, анодным током управляет также и третья. В этих случаях необходимо знать зависимости анодного тока и тока экранирующей сетки от напряжения на защитной сетке (рис. 1.47). При большом отрицательном напряжении на защитной сетке анодный ток лампы отсутствует: поток электронов, прошедших экранирующую сетку, возвращается на нее. С увеличением напряжения на защитной сетке анодный ток растет, а ток экранирующей сетки падает. Сумма этих токов равна катодному току, который почти не зависит от . При небольшом положительном напряжении на защитной сетке управляющее действие ее незначительно. Обычно для управления используется область отрицательных значений напряжений защитной сетки.
Параметры пентода. Как уже отмечалось, ряд параметров пентода значительно изменился в связи с введением экранирующей сетки. Резко возросли его статический коэффициент усиления и внутреннее сопротивление из-за малой проницаемости лампы и, следовательно, малого влияния анодного напряжения на анодный ток. Величина в пентодах лежит в пределах сотен и тысяч единиц. Определение графическим путем по статическим характеристикам практически невозможно. Его можно вычислить из внутреннего уравнения лампы: = , или воспользоваться значением, взятым из справочника. Внутреннее сопротивление пентода лежит в пределах 104 106 Ом и так же, как и графическим путем его определить трудно. Значение можно взять из справочника. Параметры и в режиме прямого перехвата почти не зависят от параметров режима. Крутизна статической характеристики в пентодах имеет тот же порядок, что и в триодах, и от введения дополнительных сеток увеличивается незначительно. Значение крутизны легко определяется из статических характеристик методом двух отсчетов. При этом второй параметр, например , берется из справочника, а третий подсчитывается с помощью внутреннего уравнения лампы = . Следует заметить, что вследствие совпадения нагрузочной характеристики прямой передачи в квазистатическом режиме со статическими характеристиками нагрузочная крутизна .
Протекающий через экранирующую сетку ток нагревает ее. Поэтому для пентода вводится дополнительный тепловой параметр – допустимая мощность, рассеиваемая экранирующей сеткой. При эксплуатации пентода необходимо выполнить условие: .
У пентода сильно уменьшается проходная емкость. В зависимости от размеров лампы и густоты ее сеток значение проходной емкости лежит в пределах С = 0,0031 пФ. Вследствие этого эквивалентная емкость пентода несущественно отличается от входной статической емкости. Таким образом, в пентоде . Входная емкость, например, для схемы с общим катодом . Соответственно выходная емкость . Значения входной и выходной емкостей в приемно-усилительных пентодах составляет около 315 пФ.
2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
В электронно-лучевых приборах создается тонкий пучок электронов (луч), который управляется электрическим или магнитным полем либо обоими полями. К этим приборам относятся электронно-лучевые трубки индикаторных устройств радиолокаторов, для осциллографии, приема телевизионных изображений (кинескопы), передачи телевизионных изображений, а также запоминающие трубки, электронно-лучевые переключатели, электронные микроскопы, электронные преобразователи изображений и др. Большинство электронно-лучевых приборов служит для получения видимых изображений на люминесцентном экране; их называют электронно-графическими. В этой главе рассматриваются наиболее распространенные осциллографические и приемные телевизионные трубки, к которым также близки индикаторные трубки радиолокационных и гидроакустических станций.
Трубки могут быть с фокусировкой луча электрическим или магнитным полем и с электрическим или магнитным отклонением луча В зависимости от цвета изображения на люминесцентном экране бывают трубки с зеленым, оранжевым или желто-оранжевым свечением – для визуального наблюдения, синим – для фотографирования осциллограмм, белым или трехцветным – для приема телевизионных изображений. Кроме того, трубки изготовляются с различной длительностью свечения экрана после прекращения ударов электронов (так называемым послесвечением). Трубки различаются также по размерам экрана, материалу баллона (стеклянные или металлостеклянные) и другим признакам.
2.2. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ
Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) с электростатическим управлением, т. е. с фокусировкой и отклонением луча электрическим полем, называемые для краткости электростатическими трубками, особенно широко применяют в осциллографах.
На рис. 2.1 показаны принцип устройства электростатической трубки простейшего типа и ее изображение на схемах. Баллон трубки имеет цилиндрическую форму с расширением в виде конуса или в виде цилиндра большего диаметра. На внутреннюю поверхность основания расширенной части нанесен люминесцентный экран ЛЭ – слой веществ, способных излучать свет под ударами электронов. Внутри трубки расположены электроды, имеющие выводы, как правило, на штырьки цоколя (для упрощения на рисунке выводы проходят непосредственно через стекло баллона).
Катод К обычно бывает оксидный косвенного накала в виде цилиндра с подогревателем. Вывод катода иногда совмещен с одним выводом подогревателя. Оксидный слой нанесен на донышко катода. Вокруг катода располагается управляющий электрод, называемый модулятором (М), цилиндрической формы с отверстием в донышке. Этот электрод служит для управления плотностью электронного потока и для предварительной фокусировки его. На модулятор подается отрицательное напряжение (обычно десятки вольт). С увеличением этого напряжения все больше электронов возвращается на катод. При некотором отрицательном напряжении модулятора трубка запирается.
Следующие электроды, также цилиндрической формы, являются анодами. В простейшем случае их два. На втором аноде А2 напряжение бывает от 500 В до нескольких киловольт (иногда 10 — 20 кВ), а на первом аноде А1 напряжение в несколько раз меньше. Внутри анодов перегородки с отверстиями (диафрагмы). Под действием ускоряющего поля анодов электроны приобретают значительную скорость. Окончательная фокусировка электронного потока осуществляется с помощью неоднородного электрического поля в пространстве между анодами, а также благодаря диафрагмам. Более сложные фокусирующие системы содержат большее число цилиндров.
Система, состоящая из катода, модулятора и анодов, называется электронным прожектором (электронной пушкой) и служит для создания электронного луча, т. е. тонкого потока электронов, летящих с большой скоростью от второго анода к люминесцентному экрану .
На пути электронного луча поставлены под прямым углом друг к другу две пары отклоняющих пластин и . Напряжение, подведенное к ним, создает электрическое поле, отклоняющее электронный луч в сторону положительно заряженной пластины. Поле пластин является для электронов поперечным. В таком поле электроны движутся по параболическим траекториям, а, выйдя из него, далее движутся по инерции прямолинейно, т. е. электронный луч получает угловое отклонение. Чем больше напряжение на пластинах, тем сильнее отклоняется луч и тем больше смещается на люминесцентном экране светящееся, так называемое электронное пятно, возникающее от ударов электронов.
Пластины Пу отклоняют луч по вертикали и называются пластинами вертикального отклонения (пластинами «игрек»), а пластины Пх – пластинами горизонтального отклонения (пластинами «икс»). Одна пластина каждой пары иногда соединяется с корпусом аппаратуры (шасси), т. е. имеет нулевой потенциал. Такое включение пластин называется несимметричным. Для того чтобы между вторым анодом и корпусом не создавалось электрическое поле, влияющее на полет электронов, второй анод обычно также бывает соединен с корпусом. Тогда при отсутствии напряжения на отклоняющих пластинах между ними и вторым анодом не будет никакого поля, действующего на электронный луч.
Поскольку второй анод соединен с корпусом, то катод, имеющий высокий отрицательный потенциал, равный напряжению второго анода, должен быть хорошо изолирован от корпуса. При включенном питании прикосновение к проводам катода, модулятора и цепи накала опасно. Так как на электронный луч могут влиять посторонние электрические и магнитные поля, то трубку часто помещают в экранирующий чехол из мягкой стали.
Свечение люминесцентного экрана объясняется возбуждением атомов вещества экрана. Электроны, ударяя в экран, передают свою энергию атомам экрана, в которых один из электронов переходит на более удаленную от ядра орбиту. При возвращении электрона обратно, на свою орбиту, выделяется квант лучистой энергии (фотон) и наблюдается свечение. Это явление называется катодолюминесценцией, а вещества, светящиеся под ударами электронов, называются катодолюминофорами или просто люминофорами.
Электроны, попадающие на экран, могут зарядить его отрицательно и создать тормозящее поле, уменьшающее их скорость. От этого уменьшится яркость свечения экрана и может вообще прекратиться попадание электронов на экран. Поэтому необходимо снимать отрицательный заряд с экрана. Для этого на внутреннюю поверхность баллона наносится проводящий слой. Он обычно бывает графитовым и называется аквадагом. Аквадаг соединяется со вторым анодом. Вторичные электроны, выбиваемые из экрана ударами первичных электронов, летят к проводящему слою. После ухода вторичных электронов потенциал экрана обычно близок к потенциалу проводящего слоя. В некоторых трубках имеется вывод от проводящего слоя (ПС на рисунке), который можно использовать в качестве дополнительного анода с более высоким напряжением. При этом электроны дополнительно ускоряются после отклонения в системе отклоняющих пластин (так называемое послеускорение).
Проводящий слой исключает также образование на стенках баллона отрицательных зарядов от попадающих туда электронов. Эти заряды могут создавать дополнительные поля, нарушающие нормальную работу трубки. Если в трубке проводящего слоя нет, то вторичные электроны уходят с экрана на отклоняющие пластины и второй анод.
Все электроды трубки обычно монтируют с помощью металлических держателей и изоляторов на стеклянной ножке трубки.
Цепи питания. Цепи питания электростатической трубки показаны на рис. 2.2. Постоянные напряжения подаются на электроды от двух выпрямителей Е1 и Е2. Первый должен давать высокое напряжение (согни и тысячи вольт) при токе в единицы миллиампер, источник Е2 — напряжение, в несколько раз меньшее. От этого же источника питаются и другие каскады, работающие совместно с трубкой. Поэтому он рассчитан на ток в десятки миллиампер.
Питание электронного прожектора осуществляется через делитель, состоящий из резисторов , , и . Их сопротивление обычно большое (сотни кОм), чтобы делитель потреблял небольшой ток. Сама трубка также потребляет малый ток: в большинстве случаев десятки или сотни микроампер.
Переменный резистор является регулятором яркости. Он регулирует отрицательное напряжение модулятора, которое снимается с правого участка . Увеличение этого напряжения по абсолютному значению уменьшает число электронов в луче и, следовательно, яркость свечения.
Для регулирования фокусировки луча служит переменный резистор , с помощью которого изменяют напряжение первого анода. При этом изменяется разность потенциалов, а следовательно, и напряженность поля между анодами. Если, например, понижать потенциал первого анода, то разность потенциалов между анодами возрастет, поле станет сильнее и его фокусирующее действие увеличится. Поскольку напряжение первого анода не следует уменьшать до нуля или увеличивать до напряжения второго анода , в делитель введены резисторы и .
Напряжение второго анода , лишь немного меньше, чем напряжение (разница — падение напряжения на резисторе ). Следует помнить, что скорость электронов, вылетающих из прожектора, зависит только от напряжения второго анода, но не от напряжения модулятора и первого анода. Некоторое число электронов попадает на аноды, особенно если аноды с диафрагмами. Поэтому в цепях анодов протекают токи в доли миллиампера и замыкаются через источник . Например, электроны тока первого анода движутся в направлении от катода к аноду, затем через правый участок резистора и через резистор к плюсу источника , далее внутри него и через резистор к катоду.
Для начальной установки светящегося пятна на экране служат переменные резисторы и , подключенные к источнику . Движки этих резисторов через резисторы и с большим сопротивлением подключены к отклоняющим пластинам. Кроме того, с помощью резисторов и , имеющих одинаковое сопротивление, устанавливается точка нулевого потенциала, соединенная с корпусом. У резисторов и на концах получаются потенциалы + 0,5 и – 0,5, а их средние точки имеют нулевой потенциал. Когда движки резисторов и находятся в среднем положении, то на отклоняющих пластинах напряжение равно нулю. Смещая движки от среднего положения, можно подавать на пластины различные напряжения, отклоняющие электронный луч по вертикали или горизонтали и устанавливающие светящееся пятно в любой точке экрана.
На отклоняющие пластины через разделительные конденсаторы и подается также переменное напряжение, например исследуемое напряжение при использовании трубки для осциллографии. Без конденсаторов отклоняющие пластины шунтировались бы по постоянному напряжению внутренним сопротивлением источника переменного напряжения. При малом внутреннем сопротивлении постоянное напряжение на отклоняющих пластинах резко уменьшилось бы. С другой стороны, источник переменного напряжения иногда дает и постоянное напряжение, которое нежелательно подавать на отклоняющие пластины. Во многих случаях недопустимо также, чтобы в источник переменного напряжения попадало постоянное напряжение, имеющееся в цепях отклоняющих пластин.
Резисторы , и включают для того, чтобы увеличить входное сопротивление отклоняющей системы для источников переменного напряжения. Без таких резисторов эти источники были бы нагружены на значительно меньшее сопротивление, создаваемое только резисторами , и резисторами , . При этом резисторы , и не понижают постоянное напряжение, подаваемое на отклоняющие пластины, так как через них не протекают постоянные токи.
Полезным током является ток электронного луча. Электроны этого тока движутся от катода к люминесцентному экрану и выбивают из последнего вторичные электроны, которые летят на проводящий слой и далее движутся в направлении к плюсу источника , затем через его внутреннее сопротивление и резистор к катоду.
Питание электродов трубки может быть выполнено и по другим вариантам, например от одного источника высокого напряжения.
Электронные прожекторы. Электронный прожектор представляет собой электроннооптическую систему, состоящую из нескольких электростатических электронных линз. Каждая линза образована неоднородным электрическим полем, которое вызывает искривление траекторий электронов (напоминающее преломление световых лучей в оптических линзах), а также ускоряет или тормозит электроны.
Простейший прожектор содержит две линзы. Первая линза, или линза предварительной фокусировки, образована катодом, модулятором и первым анодом. На рис. 2.3 изображено поле в этой части прожектора. Эквипотенциальные поверхности показаны сплошными линиями, а силовые линии – штрихами. Как видно, часть силовых линий от первого анода идет к объемному заряду около катода, а остальные к модулятору, который имеет более низкий отрицательный потенциал, нежели катод. Линия ББ' условно делит поле на две части. Левая часть поля фокусирует поток электронов и придает им скорость. Правая часть поля дополнительно ускоряет электроны и несколько рассеивает их. Но рассеивающее действие слабее фокусирующего, так как в правой части поля электроны движутся с большей скоростью.
Рассматриваемое поле аналогично системе двух линз — собирающей и рассеивающей. Собирающая линза сильнее рассеивающей, и в целом система является фокусирующей. Однако движение электронных потоков происходит по иным законам, нежели преломление световых лучей в линзах.
На рис. 2.4 показаны траектории электронов для крайних электронных пучков, выходящих из катода. Электроны движутся по криволинейным траекториям. Их потоки фокусируются и пересекаются в небольшой области, которая называется первым пересечением или скрещением и в большинстве случаев находится между модулятором и первым анодом.
Первая линза короткофокусная, так как скорость электронов в ней сравнительно невелика, и их траектории искривляются достаточно сильно.
С увеличением отрицательного напряжения модулятора по абсолютному значению повышается потенциальный барьер около катода и все меньшее число электронов способно его преодолеть. Уменьшается катодный ток, а, следовательно, ток электронного луча и яркость свечения экрана. Потенциальный барьер повышается в меньшей степени у центральной части катода, так как здесь сильнее влияет ускоряющее поле, проникающее от первого анода через отверстие модулятора. При некотором отрицательном напряжении модулятора потенциальный барьер у краев катода повышается настолько, что электроны уже не могут его преодолеть. Рабочей остается только центральная часть катода. Дальнейшее увеличение отрицательного напряжения уменьшает площадь рабочей части катода и, в конце концов, сводит ее к нулю, т. е. трубка запирается. Таким образом, регулирование яркости связано с изменением площади рабочей поверхности катода.
Рассмотрим фокусировку электронного луча во второй линзе, т. е. в системе двух анодов (рис. 2.5, а). Линия ББ' делит поле между анодами на две части. В левую часть поля поступает расходящийся электронный поток, который фокусируется, а в правой части поля происходит рассеивание потока. Рассеивающее действие слабее фокусирующего, так как скорость электронов в правой части поля выше, чем в левой. Все поле подобно оптической системе, состоящей из собирающей и рассеивающей линз (рис. 2.5, б) . Поскольку скорости электронов в поле между анодами высокие, то система оказывается длиннофокусной. Это и требуется, так как необходимо сфокусировать электронный пучок на экран, находящийся довольно далеко.
При повышении разности потенциалов между анодами (уменьшении напряжения первого анода) напряженность поля увеличивается и фокусирующее действие усиливается. Принципиально можно регулировать фокусировку изменением напряжения второго анода, но это неудобно, так как будет изменяться скорость электронов, вылетающих из прожектора, что приведет к изменению яркости свечения на экране и повлияет на отклонение луча отклоняющими пластинами.
Недостаток описанного прожектора – взаимное влияние регулирования яркости и фокусировки. Изменение потенциала первого анода влияет на яркость, так как этот анод своим полем воздействует на потенциальный барьер около катода. А изменение напряжения модулятора сдвигает вдоль оси трубки область первого пересечения электронных траекторий, что нарушает фокусировку. Кроме того, регулирование яркости изменяет ток первого анода, а так как в его цепь включены резисторы с большими сопротивлениями, то меняется напряжение на нем, что приводит к расфокусировке луча. Изменение тока второго анода не влияет на фокусировку, так как в цепь этого анода не включены резисторы и, следовательно, напряжение на нем не может изменяться.
В настоящее время применяют прожекторы, в которых между модулятором и первым анодом поставлен дополнительный, ускоряющий (экранирующий) электрод (рис. 2.6). Он соединен со вторым анодом, и напряжение на нем постоянно. Благодаря экранирующему действию этого электрода изменение потенциала первого анода при регулировании фокусировки практически не изменяет поле у катода.
Фокусирующая система, состоящая из ускоряющего электрода и двух анодов, работает следующим образом. Поле между первым и вторым анодом такое же, как показано на рис. 2.5, а. Оно осуществляет фокусировку так, как было объяснено ранее. Между ускоряющим электродом и первым анодом имеется неоднородное поле, подобное полю между анодами, но не ускоряющее, а тормозящее. Электроны, влетающие в это поле расходящимся потоком, в левой половине поля рассеиваются, а в правой — фокусируются. При этом фокусирующее действие сильнее рассеивающего, так как в правой половине поля скорость электронов меньше. Таким образом, на участке между ускоряющим электродом и первым анодом также происходит фокусировка. Чем ниже напряжение первого анода, тем выше напряженность поля и сильнее фокусировка.
Чтобы регулирование яркости меньше влияло на фокусировку, первый анод делают без диафрагм (рис. 2.6). На него электроны не попадают, т. е. ток первого анода равен нулю. Современные электронные прожекторы дают на экране светящееся пятно с диаметром, не превышающим 0,002 диаметра экрана.
Электростатическое отклонение луча. Отклонение электронного луча и светящегося пятна на экране пропорционально напряжению на отклоняющих пластинах. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называется чувствительностью трубки. Если обозначить отклонение пятна по вертикали через у, а напряжение на пластинах «игрек» через , то
, (2.1)
где – чувствительность трубки для пластин «игрек».
Подобно этому отклонение пятна по горизонтали
, (2.2)
Таким образом, чувствительность электростатической трубки есть отношение отклонения светящегося пятна на экране к соответствующему отклоняющему напряжению:
и (2.3)
Другими словами, чувствительность есть отклонение светящегося пятна, приходящееся на 1 В отклоняющего напряжения. Выражают чувствительность в миллиметрах на вольт. Иногда под чувствительностью понимают величину, обратную или , и выражают ее в вольтах на миллиметр. Чувствительность бывает в пределах 0,1 — 1,0 мм/В. Она зависит от режима работы и некоторых геометрических размеров трубки (рис. 2.7):
, (2.4)
где – длина отклоняющих пластин; – расстояние от середины пластин до экрана; – расстояние между пластинами; – напряжение второго анода.
Эту формулу нетрудно объяснить. С увеличением электрон дольше летит в отклоняющем поле и получает большее отклонение. При одном и том же угловом отклонении смещение светящегося пятна на экране возрастает с увеличением расстояния . Если увеличить , то напряженность поля между пластинами, а, следовательно, отклонение уменьшится. Повышение напряжения приводит к уменьшению отклонения, поскольку возрастает скорость, с которой электроны пролетают поле между пластинами.
Рассмотрим возможность повышения чувствительности исходя из формулы (2.4). Увеличение расстояния нежелательно, так как чрезмерно длинная трубка неудобна в эксплуатации. Если увеличить или уменьшить , то нельзя получить значительного отклонения луча, так как он будет попадать на пластины, Чтобы этого не произошло, пластины изгибают и располагают относительно друг друга так, как показано на рис. 2.8. Можно увеличить чувствительность, понижая напряжение . Но это связано с уменьшением яркости свечения, что во многих случаях недопустимо, особенно при большой скорости движения луча по экрану. Понижение анодного напряжения ухудшает также фокусировку. При более высоком напряжении электроны движутся с большими скоростями, меньше сказывается взаимное отталкивание электронов. Их траектории в электронном прожекторе располагаются под малым углом к оси трубки. Такие траектории называются параксиальными. Они обеспечивают лучшую фокусировку и меньшие искажения изображения на экране.
Уменьшение яркости свечения при понижении анодного напряжения компенсируется в трубках с послеускрением. В этих трубках электронный прожектор сообщает электронам энергию не более 1,5 кэВ. С такой энергией они пролетают между отклоняющими пластинами, а затем попадают в ускоряющее поле, созданное третьим анодом. Последний представляет собой проводящий слой перед экраном, отделенный от остального слоя, соединенного со вторым анодом (рис. 2.9, а). При этом >. Поле между этими двумя слоями образует линзу, которая ускоряет электроны. Но вместе с тем происходит некоторое искривление траекторий электронов. Вследствие этого чувствительность снижается и возникают искажения в изображении. Эти недостатки в значительной степени устраняются при многократном послеускорении, когда имеется несколько проводящих колец с постепенно возрастающим напряжением: > > > (рис. 2.9, б).
Чтобы уменьшить паразитные емкости между пластинами и выводы от них иногда делают непосредственно через стекло баллона и между парами пластин ставят экран. Из тех же соображений не размещают обе пары пластин в одном месте трубки. За счет неодинакового расстояния пластин и до экрана чувствительность по осям и несколько различна.
Если отклоняющее напряжение изменяется с очень высокой частотой, то в изображении возникают искажения, так как время пролета электронов в поле отклоняющих пластин становится соизмеримым с периодом колебаний отклоняющего напряжения. За это время напряжение на пластинах заметно изменяется (даже может изменить свой знак). Для уменьшения таких искажений отклоняющие пластины делают короткими и применяют более высокие ускоряющие напряжения. С повышением частоты, кроме того, все больше сказывается влияние собственной емкости отклоняющих пластин.
В настоящее время для осциллографии на СВЧ применяют специальные трубки с более сложными отклоняющими системами.
Измерение и наблюдение переменных напряжений. Если к отклоняющим пластинам «игрек» подведено переменное напряжение, то электронный луч совершает колебания и на экране видна вертикальная светящаяся черточка (рис. 2.10, а). Ее длина пропорциональна двойной амплитуде подведенного напряжения 2. Зная чувствительность трубки и измерив у, можно определить по формуле
(2.5)
Например, если = 0,4 мм/В, а = 20 мм, то = 25 В.
Если чувствительность трубки неизвестна, ее определяют. Для этого нужно подвести к пластинам известное переменное напряжение и измерить длину светящейся черточки. Напряжение можно подвести от сети и измерить вольтметром. Следует помнить, что вольтметр покажет действующее значение напряжения, которое надо пересчитать в амплитуду, умножив на 1,4.
Как видно, ЭЛТ можно использовать в качестве амплитудного вольтметра. Достоинство такого измерительного устройства — большое входное сопротивление и возможность измерений на весьма высоких частотах.
Описанный метод позволяет измерять пиковые значения несинусоидальных напряжений, а также амплитуды положительной и отрицательной полуволн переменного напряжения. Для этого запоминают положение светящегося пятна при отсутствии измеряемого напряжения, затем его подают и измеряют расстояния и от начального положения пятна до концов светящейся черточки (рис. 2.10, б). Амплитуды полуволн при этом
и (2.6)
Для наблюдения переменных напряжений к пластинам подводят исследуемое напряжение, а к пластинам – напряжение развертки, имеющее пилообразную форму (рис. 2.11) и получаемое от специального генератора. Это напряжение осуществляет временную развертку. В течение времени , когда напряжение растет, электронный луч равномерно движется по горизонтали в одном направлении, например, слева направо, т. е. делает прямой, или рабочий, ход. При резком уменьшении напряжения в течение времени , луч делает быстрый обратный ход. Все это повторяется с частотой напряжения развертки.
Когда исследуемое напряжение отсутствует, на экране видна горизонтальная светящаяся черточка, играющая роль оси времени. Если подать исследуемое переменное напряжение на пластины , то пятно на экране одновременно будет совершать колебание по вертикали и повторяющееся равномерное движение с обратным ходом по горизонтали. В результате наблюдается светящаяся кривая исследуемого напряжения (рис. 2.12). На рисунке показаны осциллограммы синусоидального напряжения, но можно наблюдать напряжение любой формы.
Чтобы кривая была неподвижной, период развертывающего напряжения должен быть равен периоду исследуемого напряжения или в целое число раз больше его:
, (2.7)
где – целое число.
Соответственно частота развертки должна быть в целое число раз меньше частоты исследуемого напряжения:
(2.8)
Тогда за время пройдет целое число колебаний исследуемого напряжения и в конце обратного хода пятно на экране окажется в том месте, откуда оно начало двигаться во время прямого хода. На рисунке показаны наблюдаемые осциллограммы при = 1, или , и = 2, т. е. . Время обратного хода желательно иметь, возможно, меньшим, так как за счет него часть кривой не воспроизводится (штрихи на рисунке). Кроме того, чем меньше , тем быстрее обратный ход луча и тем слабее он виден. Следует установить не менее 2, чтобы было видно полностью хотя бы одно целое колебание. Подбор значения производится изменением частоты генератора развертки. Если не будет целым числом, то осциллограмма не остается неподвижной и вместо одной кривой наблюдается несколько, что неудобно. На рис. 2.13 показаны осциллограммы синусоидального напряжения при =1/2 и = 3/4. Для упрощения здесь принято, что время обратного хода = 0. Стрелки с цифрами на рисунке указывают последовательность движения пятна на экране.
Подобранное целое число обычно сохраняется лишь короткое время, так как генератор развертки имеет нестабильную частоту, да и частота исследуемого напряжения также может изменяться. Для сохранения выбранного в течение длительного времени применяют синхронизацию генератора развертки исследуемым напряжением. Синхронизация состоит в том, что исследуемое напряжение подводится к генератору развертки, и он генерирует пилообразное напряжение с частотой, меньшей в целое число раз, нежели частота исследуемого сигнала.
Исследуемые напряжения обычно подают на отклоняющие пластины через разделительные конденсаторы (см. рис. 2.2). Поэтому на пластины не попадает постоянная составляющая и наблюдается лишь переменная. Ось времени (нулевая ось) этой составляющей представляет собой ту горизонтальную линию, которая остается на экране, если прекратить подачу исследуемого напряжения. Для получения истинной осциллограммы напряжения, содержащего постоянную составляющую, его необходимо подавать на пластины непосредственно, а не через конденсаторы.
Если нужно наблюдать осциллограмму тока, то в его цепь включают резистор . Напряжение на нем, пропорциональное исследуемому току, подводят к пластинам . По известной чувствительности трубки определяют это напряжение. Разделив его на сопротивление , находят ток. Чтобы ток заметно не изменился при включении резистора , последний должен иметь относительно малое сопротивление. Если напряжение будет недостаточным, то его придется подавать через усилитель с известным коэффициентом усиления.
Искажения изображений. В электростатических трубках искажения осциллограмм наблюдаются главным образом при несимметричном включении отклоняющих пластин, т. е. когда одна пластина каждой пары соединена со вторым анодом (см. рис. 2.2). Пусть при таком включении на пластины , подано переменное напряжение с амплитудой . Тогда на одной пластине потенциал равен нулю относительно корпуса, а на другой пластине он меняется от + до – (рис. 2.14, а). Соответственно меняются и потенциалы различных точек в пространстве между пластинами. При положительной полуволне напряжения электроны пролетают через точки с потенциалами более высокими, чем . За счет этого скорость их увеличивается, а чувствительность трубки уменьшается. При отрицательной полуволне электроны уменьшают скорость, так как потенциалы точек между пластинами ниже . Это приведет к увеличению чувствительности трубки. В результате отклонение при положительной полуволне будет меньше, чем отклонение при отрицательной полуволне. Осциллограмма синусоидального напряжения станет несинусоидальной, т. е. возникнут нелинейные искажения.
При симметричном включении ни одна из отклоняющих пластин не соединяется непосредственно с корпусом и вторым анодом, а точки нулевого потенциала находятся в средней плоскости между пластинами (рис. 2.14, б). Потенциалы пластин в любой момент одинаковы по значению и противоположны по знаку. На одной пластине потенциал принимает крайние значения 0,5, а на другой соответственно 0,5. Отклонение электронного луча к любой из пластин происходит в одинаковых условиях, и поэтому = . На рис. 2.15 показан вариант симметричного включения отклоняющих пластин. Постоянное напряжение для начальной установки пятна снимается со сдвоенного резистора , . При одновременном перемещении их движков с помощью одной ручки потенциалы отклоняющих пластин изменяются одинаково по значению, но противоположно по знаку.
Симметричное включение пластин уменьшает и другие неприятные явления, например ухудшение фокусировки при смещении пятна к краю экрана.
Несимметричное включение пластин, более удаленных от прожектора, создает трапецеидальные искажения. Они возникают вследствие наличия поля на пути электронов от одной пары пластин к другой. Пусть, например, на ближайшие к прожектору пластины и включенные любым образом, подано переменное напряжение, а на пластинах и включенных несимметрично, напряжение равно нулю. Тогда на экране видна вертикальная светящаяся черточка 1 (рис. 2.16).
Если подать на пластину и , не соединенную с корпусом, положительный потенциал, то черточка сместится в сторону этой пластины (линия 2), но станет несколько короче. Это объясняется тем, что между положительно заряженной пластиной и пластинами образовалось дополнительное ускоряющее поле, которое несколько искривляет траектории электронов и уменьшает их отклонение, вызванное напряжением на пластинах . При отрицательном потенциале той же пластины на электроны, вылетевшие из пластин , действует дополнительное тормозящее поле, которое несколько увеличит их отклонение; черточка на экране сместится влево и станет длиннее (линия 3). Рассмотренные светящиеся черточки образуют фигуру в виде трапеции, что объясняет название данных искажений. Для уменьшения искажений устанавливают экраны между пластинами , и придают более удаленным от прожектора пластинам специальную форму.
В настоящее время применяют, как правило, симметричное включение пластин, так как оно уменьшает многие виды искажений. Несимметричное включение можно применять в том случае, когда отклонение луча будет производиться только в одну сторону.
Магнитные электронно-лучевые трубки, т. е. ЭЛТ с магнитной фокусировкой и магнитным отклонением луча, получили большое распространение, в частности, в качестве приемных телевизионных трубок (кинескопов) и индикаторных трубок радиолокаторов. Так как фокусирующая и отклоняющая системы в виде катушек находятся снаружи трубок, конструкция магнитных трубок проще, нежели электростатических (рис. 2.17). Электронный прожектор имеет катод, модулятор и анод. Иногда анодом является проводящий слой. В некоторых трубках между анодом и управляющим электродом есть еще экранирующий электрод, на который подается положительное постоянное напряжение в несколько сотен вольт. Питание прожектора осуществляется так же, как в электростатической трубке, но при этом не требуется регулировки анодного напряжения для целей фокусировки. Расходящийся поток электронов подается из прожектора в магнитное поле фокусирующей катушки ФК, которая питается постоянным током. На рисунке она показана в разрезе. Возможна магнитная фокусировка длинной или короткой катушкой. В первом случае поток электронов проходит однородное магнитное поле внутри длинной катушки (рис. 2.18) и электронные траектории являются винтовыми линиями. Если электроны выходят из точки Б на оси катушки, то после каждого оборота они снова пересекут ось, т. е. сфокусируются в точках Б1, Б2 и т. д. Это показывают проекции траекторий на плоскость, перпендикулярную оси катушки. Они являются окружностями, выходящими из точки Б и возвращающимися в эту же точку. (На рисунке показаны траектории только двух электронов.)
Фокусировка длинной катушкой встречается в некоторых специальных электронных приборах. В ЭЛТ применяют неоднородное магнитное поле короткой катушки — в качестве короткой магнитной линзы (рис. 2.19). Движение электронов в таком поле сложно, и мы рассмотрим его приближенно. Разделим поле на две половины (/ и II) плоскостью, проходящей через середину катушки перпендикулярно ее оси. По обе стороны от этой плоскости магнитная индукция убывает вдоль оси катушки. Когда из точки Б в первую половину поля входит расходящийся поток электронов, то их траектории искривляются. В однородном поле траектории были бы винтовыми линиями, но в данном случае вследствие неоднородности поля они более сложны.
В первой половине поля магнитная индукция возрастает. Поэтому искривление траекторий усиливается и становится наибольшим на границе областей / и //. Далее магнитная индукция убывает и искривление траекторий ослабевает. Когда электроны выходят за пределы поля, они продолжают свой путь по инерции — по прямым линиям, которые пересекают ось трубки в точке Б1. Как видно, электроны летят по сложным пространственным кривым, которые условно можно назвать винтовыми линиями с переменным радиусом. Чтобы лучше представить себе траекторию электрона, на рис. 2.19 даны проекции траектории на три взаимно перпендикулярные плоскости. Так как скорость электронов велика, то эти траектории являются лишь небольшой частью одного оборота винтовой линии.
Для магнитного отклонения электронного луча служат две пары отклоняющих катушек, расположенные под прямым углом друг к другу. На рис. 2.17 для упрощения показана только одна пара катушек Lx с вертикально направленным вектором поля. Это поле отклоняет луч по горизонтали. Другая пара катушек Ly создает поле с горизонтально направленным вектором магнитной индукции и отклоняет луч по вертикали.
Если считать приближенно, что поле каждой пары катушек внутри трубки однородно, то электроны в этом поле движутся по дуге окружности с центром в точке О, а выйдя из поля,— по прямой линии (рис. 2.20). Электронный луч получает угловое отклонение а, и светящееся пятно на экране смещается на расстояние у. Чувствительностью магнитной трубки можно назвать отношение отклонения светящегося пятна на экране к намагничивающей силе, вызвавшей это отклонение.
Чувствительность магнитных трубок меньше зависит от анодного напряжения, нежели у электростатических. Не следует сравнивать чувствительность электростатических и магнитных ЭЛТ, так как она выражается в различных единицах .
Для усиления магнитного поля применяют замкнутые сердечники из мягкой стали или других ферромагнитных материалов. На более высоких частотах сердечники обычно не применяют и делают катушки специальной формы. Они охватывают трубку и создают более однородное поле. Для уменьшения магнитного рассеяния катушки помещают в ферромагнитный экран.
В прошлом магнитная фокусировка давала лучшие результаты, нежели электростатическая. Но в современных трубках электростатическая фокусировка по качеству не уступает магнитной фокусировке. Сравним обе системы.
Электростатическая фокусировка экономична, так как не требуется мощности на создание тока в фокусирующей катушке. При магнитном же отклонении источники, питающие отклоняющие катушки, должны иметь довольно большую мощность. Но зато магнитное отклонение позволяет упростить конструкцию трубки (поскольку фокусирующая катушка или фокусирующий магнит устанавливается снаружи трубки, а не монтируется внутри в вакууме) и дает возможность отклонять луч на очень большие углы. Это приводит к значительному уменьшению длины трубок даже при больших размерах экрана. При магнитном отклонении отсутствуют также искажения изображений. Следует, однако, отметить, что индуктивность отклоняющих катушек увеличивает инерционность процесса отклонения, и поэтому магнитная отклоняющая система не может хорошо работать на очень высоких частотах. Кроме того, входное сопротивление отклоняющих катушек мало на низких частотах, а на высоких частотах оно снижается из-за влияния собственной емкости катушек. А входное сопротивление электростатической отклоняющей системы достаточно велико даже на высоких частотах.
Для получения нужной яркости, цвета свечения и длительности послесвечения к люминофору добавляют активаторы. Ими обычно служит серебро, марганец или медь. Длительное послесвечение у радиолокационных трубок достигается применением меди в качестве активатора. Активация серебром обеспечивает в кинескопах среднее послесвечение.
Наиболее часто применяемые люминофоры имеют следующие свойства. Оксид цинка дает фиолетовое или зеленое свечение и обладает коротким послесвечением, что необходимо для осциллографии. Различные смеси сернистого цинка и сернистого кадмия дают яркое свечение любого цвета, в частности белого, с послесвечением от долей микросекунды до минут. Для визуального наблюдения служат люминофоры из искусственного или естественного (минерал виллемит) кремнекислого цинка с марганцем в качестве активатора. Они имеют цвет свечения от зеленого до желто-оранжевого и небольшое послесвечение. Сине-фиолетовое свечение с коротким послесвечением дают экраны из вольфрамово-кислого бария, кальция, магния, кадмия, цинка и стронция (вольфраматы).
Яркость свечения приблизительно пропорциональна квадрату разности потенциалов между экраном и катодом, т. е. возрастает при увеличении скорости электронов в луче. Существует некоторая минимальная энергия электронов, необходимая для возникновения свечения. Она составляет десятки – сотни электрон-вольт. При меньших энергиях электроны не проникают в кристаллическую решетку люминофора. При энергиях электронов в несколько кило-электрон-вольт глубина проникновения не превышает 1 мкм. Для малых токов луча яркость пропорциональна плотности тока, но с увеличением последней выше некоторого значения яркость не возрастает (эффект насыщения).
Коэффициент полезного действия люминофора, т. е. отношение энергии видимого излучения к общей энергии бомбардирующих электронов, не превышает нескольких процентов. Большая часть энергии луча расходуется на нагревание экрана, выбивание вторичных электронов и испускание ультрафиолетовых и рентгеновских лучей.
Люминесцентный экран характеризуется светоотдачей, т. е. силой света на I Вт мощности электронного луча. Светоотдача максимальна при температуре люминофора от 0 до 80 °С. С дальнейшим повышением температуры светоотдача падает; при 400°С свечение вообще прекращается.
Нарастание свечения, или разгорание экрана, после начала его бомбардировки электронами происходит не мгновенно. После прекращения бомбардировки наблюдается постепенное затухание люминесценции, т. е. послесвечение экрана. В начале затухания резко уменьшается яркость свечения, а затем спад ее замедляется. Временем послесвечения экрана считают интервал между моментом прекращения электронной бомбардировки и моментом, когда яркость свечения уменьшается до 1 % начального значения. Различают очень короткое послесвечение – меньше 10-5 с, короткое - от 10-5 до 0,01 с, среднее – от 0,01 до 0,10 с, длительное - от 0,1 до 16 с и очень длительное - свыше 16 с.
Важную роль играет вторичная электронная эмиссия люминесцентного экрана. Коэффициент вторичной эмиссии зависит от энергии первичных электронов, которая определяется потенциалом экрана относительно катода и достигает максимума при энергии электронов в сотни электрон-вольт, а затем уменьшается (рис. 2.21). Свечение экрана будет постоянным, если потенциал экрана не меняется, а это возможно при условии, что число электронов, поступающих на экран, равно числу вторичных электронов, уходящих с экрана. Такой режим является установившимся. Ясно, что люминофоры с < 1 непригодны для экранов. Люминофор должен иметь > 1. При начальном потенциале экрана ниже работа невозможна, так как при < 1 потенциал экрана при попадании на него электронов будет уменьшаться . Если потенциал экрана находится в пределах между и , то > 1 и экран имеет в установившемся режиме потенциал на несколько вольт больше потенциала второго анода и соединенного с ним проводящего слоя. Тогда для вторичных электронов создается тормозящее поле, которое возвращает часть их на экран. Остальные электроны благодаря более высоким начальным скоростям уходят на проводящий слой. Ток вторичных электронов равен току электронного луча. Поскольку потенциалы проводящего слоя и экрана относительно катода обычно высокие, то, пренебрегая разницей между ними в несколько вольт, можно считать, что они равны.
Если же начальный потенциал выше, чем , то при попадании на экран электронов его потенциал будет понижаться и установится близким к потенциалу второго анода , так как тогда число приходящих первичных электронов равно числу уходящих вторичных. Потенциал является наивысшим возможным для данного люминофора, и его называют критическим. Для разных люминофоров он неодинаков и находится в пределах 5 — 35 кВ. Роль критического потенциала весьма существенна для трубок. Чем он выше, тем больше может быть скорость электронов в луче, а значит, и яркость изображения на экране.
Очевидно, что нет никакого смысла устанавливать значение выше критического потенциала , так как скорость электронов при ударе об экран определяется значением , а не . Например, если = 10 кВ и = 6 кВ, то электроны вылетят из второго анода с энергией около 10 кэВ, но на пути в тормозящем поле от анода до экрана они потеряют 4 кэВ и будут ударять в экран с энергией 6 кэВ. Но то же было бы и при = 6 кэВ.
Под влиянием электронной бомбардировки наблюдается постепенное уменьшение светоотдачи экрана. Но после «отдыха» прежняя светоотдача восстанавливается. При длительной эксплуатации возникает необратимое снижение светоотдачи — выжигание экрана. Места экрана, которые сильнее бомбардировались электронами, темнеют и тем больше, чем больше мощность электронного луча. Увеличение плотности тока луча влияет на выжигание сильнее, нежели повышение скорости электронов. Поэтому лучше применять более высокое анодное напряжение при меньшем токе луча. Напомним, что повышение напряжения улучшает также фокусировку.
Желательно иметь изображение с достаточной, но наименьшей яркостью. Не следует получать на экране неподвижное пятно большой яркости, так как это приводит к выжиганию экрана. Электронный луч значительной мощности может также расплавить стекло.
Люминофор разрушается от бомбардировки его отрицательными ионами, которые вместе с электронами выделяются из оксидного катода. Ионы, имея большую массу, почти не искривляют свои траектории под действием магнитных полей. Поэтому в магнитных трубках ионы летят несфокусированным потоком и бомбардируют все время одну и ту же центральную часть экрана, на которой образуется темное ионное пятно. Для его устранения применяют специальные электронные прожекторы с ионными ловушками.
В ионном пятне выжженным является поверхностный слой люминофора. Если повысить анодное напряжение, то электроны проникают глубже в люминофор и вызывают интенсивную люминесценцию. Таким путем можно полностью или частично устранить на некоторое время ионное пятно. Конечно, при этом нельзя превышать допустимое анодное напряжение. В электростатических трубках ионы фокусируются и отклоняются так же, как электроны. У таких трубок ионное пятно не наблюдается. Но с течением времени уменьшается коэффициент вторичной эмиссии экрана, а, следовательно, критический потенциал и яркость свечения.
Для улучшения свойств экрана поверхность люминофора со стороны луча покрывают алюминиевой пленкой толщиной 0,1—2,0 мкм. Эта пленка соединена с проводящим слоем трубки. Металлизированные экраны имеют ряд преимуществ. Вторичная эмиссия люминофора уже не нужна. Проводимость алюминиевого слоя обеспечивает уход электронов с экрана в цепь второго анода. Поэтому критический потенциал экрана может быть много выше, чем без металлизации. Следовательно, возможны большие скорости электронов, что увеличивает яркость свечения. Увеличению яркости способствует отражение световых лучей от алюминиевой пленки. Ионы, имеющие сравнительно небольшую скорость, не пробивают алюминиевую пленку, и ионного пятна не возникает. А электроны, обладая большой скоростью, проникают сквозь металлическую пленку в люминофор, хотя и расходуют часть энергии на пробивание пленки.
Металлизированные экраны применяют в трубках, работающих с высокими анодными напряжениями. При низких анодных напряжениях применение таких экранов нецелесообразно, так как слишком большая часть энергии электронов будет теряться (расходоваться на пробивание металлической пленки).
Литература
1. Кушманов И. В., Васильев Н. Н., Леонтьев А. Г. Электронные приборы. Учебное пособие для вузов. М.:«Связь», 1973.(стр. 11 – 100, стр. 243 - 277).
2. Жеребцов И. П. Основы электроники.- 5-е изд. перераб. и доп.- Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1990. (стр. 206 – 284).
3. Булычев А. Л., Лямин П. М., Тулинов Е. С. Электронные приборы. Учебник для вузов. Мн.: «Высшая школа», 1999. (стр. 224 – 306).