К электровакуумным приборам относятся электрические приборы, дейст- вие которых основано на использовании потока электрических зарядов в ва- кууме или в среде разреженного газа .

Под вакуумом следует понимать состояние газа, в частности воздуха, при давлении ниже атмосферного. Если электроны движутся в пространстве сво- бодно, не сталкиваясь с оставшимися после откачки газа молекулами, то го-

ворят о высоком вакууме.

Электровакуумные приборы делятся на электронные, в которых наблю- дается протекания электрического тока в вакууме, и ионные (газоразрядные), для которых характерен электрический разряд в газе (или парах). В элек- тронных приборах ионизация практически отсутствует, а давление газа не менее 100 мкПа (10-6-10-7 мм рт. cт.).

В ионных приборах давление 133×10-3 Па (10-3 мм рт. cт.) и выше. При

этом значительная часть движущихся электронов сталкивается с молекулами газа и ионизирует их.

Электронные приборы называются электронными лампами.

Классификация электронных приборов производиться по следующим признакам:

Назначение и область применения,

Число электродов,

Тип катода (прямого или косвенного накала),

Метод управления электронным потоком.

Электронные приборы делятся на:

1. Выпрямительные лампы (кенотроны), предназначенные для преобразо-

вания переменного тока в постоянный.

2. Приёмно-усилительные лампы, предназначенные для усиления и преоб-

разования колебаний высокой частоты в приёмниках и для улучшения коле-

баний низкой частоты в приёмниках и усилителях.

В зависимости от количества электродов приёмно-усилительные лампы делятся на:

Двухэлектродные (диоды), имеющие два электрода – катод и анод (диоды применяются для детектирования (выпрямления) высокочастотных токов, преобразования токов низкой частоты и различных автоматических регули-

Трёхэлектродные (триоды), имеющие, кроме катода и анода, третий элек- трод, управляющую сетку (триоды применяются для усиления колебаний низкой частоты и во многих специальных схемах);

Четырёхэлектродные (тетроды), имеющие катод, анод и две сетки (тетроды применяются для мощного усиления колебаний низкой частоты);

Пятиэлектродные (пентоды), имеющие катод, анод, и три сетки (пентоды применяются для усиления колебаний высокой и низкой частоты, мощные пентоды используются для усиления мощности колебаний низкой частоты);

Многоэлектродные (четыре сетки – гексоды, пять сеток – гептоды, шесть сеток - октоды) применяются для преобразования частоты в приёмниках;

Комбинированные, содержащие две и более систем электродов с независи-

мыми потоками электронов. Различают следующие типы комбинированных электронных ламп: двойной диод, двойной триод, двойной тетрод, двойной

диод – триод, двойной диод – тетрод, диод – тетрод, диод – пентод, двойной

диод – пентод, триод – пентод, двойной лучевой тетрод и т.п.

3. Генераторные и модуляторные лампы. Эти лампы более мощные, чем приёмно-усилительные. Применяются они для генерирования колебаний высокой частоты, усиления этих колебаний по мощности и для модуляции.

Генераторные и модуляторные лампы бывают трёхэлектродные, четырёх-

электродные и пятиэлектродные.

4. Ультравысокочастотные лампы, предназначенные специально для работы в диапазоне ультракоротких волн (УКВ). Часть этих ламп работает на том же принципе, что и обычные лампы, и отличается от них лишь размера- ми. Другая часть ламп диапазона УКВ имеет особую конструкцию. Наконец,

в диапазоне УКВ применяются клистроны и магнетроны, работа которых ос- нована на совершенно иных принципах, чем работа обычной электронной лампы.

Рис. 1.1 Внешний вид некоторых типов ламп:

а и б – приёмно-усилительные стеклянные лампы; в – бесцокольная миниа-

тюрная лампа; г – металлическая приёмно-усилительная лампа; д –

стеклянная бесцокольная лампа большой мощности; е –- металлокерами-

ческая импульсная

5. Электронно-лучевые приборы. К ним относятся кинескопы (приём- ные телевизионные трубки), передающие телевизионные трубки, осцилло- графические и запоминающие трубки, электронно-оптические преобразова- тели изображений, электронно-лучевые переключатели, индикаторные труб- ки радиолокационных и гидроакустических станций и др.

Внешний вид ламп некоторых типов представлен на рис. 1.1.

Электровакуумные приборы также классифицируются:

1. По материалу и устройству баллона:

Стеклянный;

Металлический;

Керамический;

Комбинированный.

2. По роду охлаждения:

Естественное, или лучистое;

Принудительное – воздушное, водяное, паровое.

Классификация газоразрядных приборов производится по типу разряда, происходящего в газе. В радиотехнической аппаратуре применяются три типа газоразрядных приборов:

a) Приборы тлеющего разряда. Эти приборы имеют холодный, не накали-

ваемый катод и используют преимущественно для стабилизации напряжения.

б) Приборы дугового разряда с жидким или твердым не накаливаемым катодом.

в) Приборы дугового разряда с искусственно накаливаемым катодом. Эти приборы используются для выпрямления переменного тока в постоянный и в

различных схемах управления и автоматики.

Электровакуумный прибор - устройство, предназначенное для генерации, усиления и преобразования электромагнитной энергии, в котором рабочее пространство освобождено от воздуха и защищено от окружающей атмосферы непроницаемой оболочкой.

К таким приборам относят как вакуумные электронные приборы, в которых поток электронов проходит в вакууме, так и газоразрядные электронные приборы, в которых поток электронов проходит в газе. Так же к электровакуумным приборам относятся и лампы накаливания.

В электровакуумных приборахпроводимость осуществляется посредством электронов или ионов, движущихся между электродами через вакуум или газ.

Начало было положено открытием термоэлектронов. В 1884 г. известный американский изобретатель Томас Альва Эдисон в поисках рациональной конструкции лампы накаливания обнаружил эффект, названный его именем. Вот его первое описание: «Между ветвями нити» лампочки накаливания, на одинаковом расстоянии от обеих, помещена платиновая пластинка, представляющая собой изолированный электрод... Если включить между этим электродом и одним из концов нити гальванометр, то при горении лампы наблюдается ток, который меняет свое направление, смотря по тому, присоединен ли к инструменту положительный или отрицательный конец угольной нити. Кроме того, его интенсивность возрастает вместе с силой тока, проходящего через нить».
Далее следует объяснение: «по-видимому, в этой лампе частицы воздуха (или угля) разлетаются от нити по прямым линиям, уносят электрический заряд».
Эдисон - изобретатель, он не занимается анализом явления. Цитированными фразами, по существу, ограничивается содержание заметки. Это не больше как заявка на приоритет. Попытки Эдисона найти практическое применение эффекта успеха не имели.

Таким образом было открыто явление термоэлектронной эмиссии и создана первая радиолампа–электровакуумный диод.

Термоэлектро́нная эми́ссия (эффект Ричардсона , эффект Эдисона ) - явление испускания электронов нагретыми телами. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям (по энергии) некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растет, и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным.

Исследование закономерностей термоэлектронной эмиссии можно провести с помощью простейшей двухэлектродной лампы - вакуумного диода, представляющего собой откачанный баллон, содержащий два электрода: катод К и анод А.

Рис.3.1 Конструкция вакуумного диода

В простейшем случае катодом служит нить из тугоплавкого металла (например, вольфрама), накаливаемая электрическим током. Анод чаще всего имеет форму металлического цилиндра, окружающего катод. Обозначение диода в схемах электрических принципиальных показано на рисунке 3.2.

Рис. 3.2. Обозначение вакуумного диода в схемах электрических принципиальных.

Если диод включить в цепь, то при накаливании катода и подаче на анод положительного напряжения (относительно катода) в анодной цепи диода возникает ток. Если поменять полярность напряжения, то ток прекращается, как бы сильно катод ни накаливали. Следовательно, катод испускает отрицательные частицы - электроны.

Если поддерживать температуру накаленного катода постоянной и снять зависимость анодного тока от анодного напряжения - вольт-амперную характеристику, то оказывается, что она не является линейной, то есть для вакуумного диода закон Ома не выполняется. Зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения в области малых положительных значений описывается законом трех вторых

где В - коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов, а также их взаимного расположения.

При увеличении анодного напряжения ток возрастает до некоторого максимального значения, называемого током насыщения. Это означает, что почти все электроны, покидающие катод, достигают анода, поэтому дальнейшее увеличение напряженности поля не может привести к увеличению термоэлектронного тока. Зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения приведена на рисунке 3.3.

Рис. 3.3. Зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения

Следовательно, плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода. Плотность тока насыщения определяется формулой Ричардсона - Дешмана, выведенной теоретически на основе квантовой статистики:

где А - работа выхода электронов из катода,

Т - термодинамическая температура,

С - постоянная, теоретически одинаковая для всех металлов (это не подтверждается экспериментом, что, по-видимому, объясняется поверхностными эффектами). Уменьшение работы выхода приводит к резкому увеличению плотности тока насыщения. Поэтому в радиолампах применяются оксидные катоды (например, никель, покрытый оксидом щелочноземельного металла), работа выхода которых равна 1 −1,5 эВ.

На явлении термоэлектронной эмиссии основана работа многих вакуумных электронных приборов.

Эле́ктрова́куумный трио́д , или просто трио́д , - электронная лампа, имеющая три электрода: термоэлектронный катод (прямого или косвенного накала), анод и одну управляющую сетку. Изобретён и запатентован в 1906 году американцем Ли де Форестом. Конструкция вакуумного триода показана на рис.3.4

Рис.3.4 Конструкция вакуумного триода

Триоды были первыми устройствами, которые использовались для усиления электрических сигналов в начале XX века. Схема электрическая принципиальная триода приведена на рис. 3.5

Рис. 3.5 Условное обозначение триода в схемах электрических принципиальных

Вольт-амперная характеристика триода приведена на рисунке 3.6

Рис. 3.6 Вольт-амперная характеристика триода

Вольт-амперная характеристика триода имеет высокую линейность. Благодаря этому вакуумные триоды вносят минимальные нелинейные искажения в усиливаемый сигнал.

В настоящее время вакуумные триоды вытеснены полупроводниковыми транзисторами. Исключение составляют области, где требуется преобразование сигналов с частотой порядка сотен МГц - ГГц большой мощности при небольшом числе активных компонентов, а габариты и масса не столь критичны, - например, в выходных каскадах радиопередатчиков, а также индукционный нагрев под поверхностную закалку. Мощные радиолампы имеют сравнимый с мощными транзисторами КПД; надёжность их также сравнима, но срок службы значительно меньше. Маломощные триоды имеют невысокий КПД, так как на накал тратится значительная часть потребляемой каскадом мощности, порой более половины от общего потребления лампы.

Тетрод-двухсеточная электронная лампа, предназначенная для усиления напряжения и мощности электрических сигналов. Схема электрическая принципиальная тетрода приведена на рис. 3.7

Рис. 3.7 Условное обозначение тетрода в схемах электрических принципиальных

В отличие от триода тетрод имеет между управляющей сеткой и анодом экранирующую сетку, которая ослабляет электростатическое воздействие анода на управляющую сетку. По сравнению с триодом тетрод имеет большой коэффициент усиления, очень малую емкость анод - управляющая сетка и большое внутреннее сопротивление.
По своему назначению подразделяются на тетроды для усиления напряжения и мощности низкой частоты и широкополосные тетроды, предназначенные для усиления видеосигналов. Лучевой тетрод, как и обыкновенный, является двухсеточной лампой, но отличается от последнего отсутствием динатронного эффекта, что достигается применением лучеобразующих пластин, расположенных между экранирующей сеткой и анодом и соединенных внутри баллона с катодом. Лучевые тетроды применяются в основном для усиления мощности низкой частоты в оконечных каскадах приемников, телевизоров и в другой аппаратуре.

Пенто́д (от др.-греч. πέντε пять, по числу электродов) - вакуумная электронная лампа с экранирующей сеткой, в которой между экранирующей сеткой и анодом размещена третья (защитная или антидинатронная) сетка. По конструкции и назначению пентоды делятся на четыре основные типа: маломощные усилители высоких частот, выходные пентоды для видеоусилителей, выходные пентоды усилителей низких частот, и мощные генераторные пентоды .

Экранированные лампы, - тетрод и пентод, - превосходят триод на высоких частотах. Верхняя рабочая частота пентодного усилителя может достигать 1 ГГц. Коэффициент полезного действия усилителя мощности на пентодах (около 35 %) существенно выше, чем у усилителя на триодах (15 %-25 %), но несколько ниже, чем у усилителя на лучевых тетродах.

Недостатки пентодов (и вообще всех экранированных ламп) - более высокие, чем у триода, нелинейные искажения, в которых преобладают нечетные гармоники, острая зависимость коэффициента усиления от сопротивления нагрузки, бо́льший уровень собственных шумов..

Более сложными являются многоэлектродные лампы с двумя управляющими сетками–гептоды, которые появились в связи с изобретением супергетеродинного приема.

Электровакуумными приборами (ЭВП) на­зывают устройства, в которых электрический ток со­здается потоком электронов или ионов, движущихся в высоком вакууме или инертной газовой среде. ЭВП под­разделяются на электронно-управляемые лампы (ЭУЛ), электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), газоразрядные при­боры (ГРП) и фотоэлектрические (фотоэлектронные) приборы.

В ЭУЛ электрический ток создается за счет движения в высоком вакууме (давление газа составляет всего 1,33 () Па ( мм рт. ст.)) электро­нов от одного электрода к другим. Простейшей ЭУЛ является диод.

Диод. В диоде содержится всего два электрода: катод и анод. Катод является источником свободных электронов. Для выхода электронов из катода им необходимо со­общить дополнительную энергию, называемую работой выхода. Эту энергию электроны получают при нагрева­нии катода электрическим током. Испускание нагретым катодом электронов называют термоэлектронной эмиссией.

Отрицательный пространственный заряд, образован­ный вылетевшими из катода электронами, создает у его поверхности электрическое поле, которое препятствует выходу электронов из катода, образуя на их пути по­тенциальный барьер.

На анод подается положительное относительно катода напряжение, которое уменьшает потенциальный барьер у поверхности катода. Электроны, энергия которых до­статочна для преодоления потенциального барьера, уходят из области пространственного заряда, попадают в ускоряющее электрическое поле анодного напряжения и движутся к аноду, создавая анодный ток. С увеличе­нием анодного напряжения увеличивается и анодный ток диода.

При отрицательном анодном напряжении потенциаль­ный барьер у поверхности катода увеличивается, энергия электронов оказывается недостаточной для его преодо­ления, и ток через диод не протекает. В этом заключается важная особенность диода - его односторонняя электри­ческая проводимость.

На рис. 3.1 показаны условные обозначения диодов и схемы их подключения к источнику анодного напря­жения.

Триод. В отличие от диода триод имеет три электрода: катод, анод и сетку (рис. 3.2, а, б). Сетка располагается

между катодом и анодом в непосредственной близости от катода. Если на сетку подать отрицательное напряже­ние (рис. 3.2, в), то потенциальный барьер у катода увели­чится, а анодный ток уменьшится. При некотором отри­цательном напряжении сетки, называемом напряжением запирания U CK .з an , анодный ток уменьшится до нуля. Если же на сетку подать положительное напряжение (рис. 3.2, г), то образованное им электрическое поле между катодом и сеткой приведет к уменьшению потенциального барьера и увеличению анодного тока.

Ввиду того, что сетка расположена к катоду ближе, чем анод, поданное на нее напряжение влияет на потен­циальный барьер и анодный ток триода значительно силь­нее, чем такое же по значению анодное напряжение. Поэтому в триоде управление анодным током осущест­вляют изменением сеточного напряжения, а не анодного.

Основными характеристиками триода являются се­мейства статических анодно-сеточных (передаточных) характеристик , снятых при различных анодных напряжениях U a к (рис. 3.3, а), и анодных (выходных) характеристик I а = f(U ак), снятых при различных напря­жениях сетки (рис. 3.3, б).

Недостатками триода являются большая проходная емкость (емкость между сеткой и анодом) и малый статический коэффициент усиления. Эти недостатки устра­няются введением в ЭУЛ второй сетки.

Тетрод. Это четырехэлектродная электронно-управляе­мая лампа, содержащая катод, анод и две сетки (рис. 3.4, а). Первая сетка, расположенная вблизи катода, используется, как и в триоде, для управления анодным током и называется управляющей. Вторая сетка, рас­полагаемая между первой сеткой и анодом, является своеобразным экраном между этими электродами. В ре­зультате экранирующего действия второй сетки значи­тельно уменьшается проходная емкость лампы и влияние анодного напряжения на

Потенциальный барьер у поверхности катода. Поэтому для создания направленного движения электронов от катода к аноду на вторую сетку, называемую экранирующей, подают положительное напряжение U c 2 k , которое равно или несколько меньше, чем анодное. При этом часть электронов попадает на экранирующую сетку и создает ток I с2 этой сетки.

Электроны, попадающие на анод, выбивают из него вторичные электроны. При (а такие случаи имеют место при работе тетрода) вторичные электроны притягиваются экранирующей сеткой, что приводит к уве­личению тока экранирующей сетки и уменьшению анод­ного тока. Это явление называют динатронным эффектом. Для устранения динатронного эфекта, огра­ничивающего рабочую область ЭУЛ, между анодом и экранирующей сеткой создают потенциальный барьер для вторичных электронов. Такой барьер образуется при увеличении плотности электронного потока за счет его фокусировки в лучевых тетродах (рис. 3.4, б) или при введении между экранирующей сеткой и анодом третьей сетки, имеющей, как правило, нулевой потенциал.

Пентод. Пятиэлектродную ЭУЛ называют пентодом (рис. 3.4, я). Нулевой потенциал третьей сетки, которая называется антидинатронной пли защитной, обеспечи­вается за счет электрического соединения ее с катодом.

Основными характеристиками тетродов и пентодов являются семейства статических анодных (выходных) при и сеточно-анодных при характеристик, которые снимаются при постоянном напряжении U c 2к и строятся на одном графике (рис. 3.5).

Параметрами, характеризующими усилительные свой­ства ЭУЛ, яляются:

крутизна анодно-сеточной характеристики

внутреннее (дифференциальное) сопротивление

статический коэффициент усиления

Параметры S, и , называемые дифференциальными, связаны между собой соотношением .

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ

Электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ) на­зывают электронные электровакуумные приборы, в кото­рых используется сконцентрированный в виде луча поток электронов. Эти приборы имеют форму трубки, вытя­нутой в направлении движения луча. Основными элемен­тами ЭЛТ являются стеклянный баллон, или колба, элект­ронный прожектор, отклоняющая система и экран (рис. 3.6).

Баллон 7 служит для поддержания в ЭЛТ необходи­мого вакуума и защиты электродов от механических и

климатических воздействий. Часть внутренней поверх­ности баллона покрывают графитовой пленкой 8, назы­ваемой аквадагом. На аквадаг подают положительное относительно катода напряжение.

Электронный прожектор предназначен для создания сфокусированного электронного потока (луча) с требуе­мой плотностью тока. Он состоит из термоэлектронного катода 2, внутри которого находится подогреватель 1, управляющего электрода 3, называемого модулятором, первого 4 и второго 5 анодов. Модулятор и аноды выпол­нены в виде полых цилиндров, соосных с цилиндрическим катодом.

Модулятор подключается к источнику отрицательного напряжения, регулируемого в пределах от нуля до не­скольких десятков вольт. На аноды подаются положитель­ные напряжения: несколько сотен вольт на первый и не­сколько киловольт - на второй.

Между модулятором и первым анодом образуется неоднородное электрическое поле, которое фокусирует все электроны, вылетевшие из катода и прошедшие через отверстие модулятора, в некоторой точке на оси ЭЛТ в полости первого анода. Такое электрическое поле на­зывают электростатической линзой.

Между первым и вторым анодами образуется вторая электростатическая линза. В отличие от первой, коротко­фокусной, она является длиннофокусной: ее фокус распо­лагается на оси ЭЛТ в плоскости экрана 9.

Изменение напряжения модулятора приводит к изме­нению числа электронов, способных преодолеть потен­циальный барьер у катода и попадающих в ускоряющее электрическое поле первого анода. Следовательно, на­пряжение модулятора определяет плотность электронного луча и яркость светящегося пятна на экране ЭЛТ. Фокусировка луча на экране ЭЛТ достигается измене­нием неоднородного электрического поля второй электро­статической линзы путем изменения напряжения первого анода.

Отклоняющая система служит для направления сфо­кусированного электронного луча в любую точку экрана. Это достигается воздействием на электронный луч по­перечного электрического или магнитного поля.

При отклонении электронного луча электрическим полем (электростатическое отклонение) отклоняющие на­пряжения подводятся к двум расположенным взаимно перпендикулярно парам параллельных пластин 6. Элект­ронный луч, проходя между пластинами, отклоняется в сторону пластины с большим потенциалом. Пластины, электрическое поле между которыми отклоняет электрон­ный луч в горизонтальном направлении, называют гори­зонтально-отклоняющими или X-пластинами, а в верти­кальном - вертикально-отклоняющими или Y-пластинами.

Основным параметром электростатической отклоняю­щей системы является чувствительность к отклонению S, определяемая как отношение отклонения светящегося пятна на экране ЭЛТ к отклоняющему напряжению. Для современных ЭЛТ S Э = 0,1 ...3 мм/В.

Наряду с электростатическим применяется и магнит­ное отклонение электронного луча. Отклоняющее магнит­ное поле создается током, проходящим через две пары расположенных взаимно перпендикулярно на горловине ЭЛТ катушек.

Экраны 9 электронно-лучевых трубок, используемых для преобразования электрических сигналов в световые, покрыты специальным составом - люминофором, кото­рый светится при попадании на него сфокусированного потока электронов. В качестве люминофоров используются сульфиды цинка и цинка-кадмия, силикат цинка (виллемит), вольфраматы кальция и кадмия. Такие экраны называются люминесцентными.

На свечение люминофора затрачивается лишь часть энергии электронного луча. Остальная энергия луча пере­дается электронам экрана и вызывает вторичную элект­ронную эмиссию с поверхности экрана. Вторичные элект­роны притягиваются аквадагом, который обычно электри­чески соединяется со вторым анодом.

Экраны ЭЛТ, применяемых для получения цветного изображения, содержат зерна люминофоров с синим, красным и зеленым свечениями - триады, расположенные в определенном порядке. В горловине трубки находятся три автономных электронных прожектора. Они располо­жены таким образом, что их электронные лучи пересе­каются на некотором расстоянии от экрана. В плоскости пересечения лучей устанавливается теневая маска, в ко­торой имеется большое количество отверстий. После про­хождения через отверстия в маске каждый из электрон­ных лучей попадает на свой элемент триады (рис. 3.7).

Вследствие смешивания трех цветов различной яркости получается свечение требуемого цвета.

Кроме люминесцентных, бывают диэлектрические экраны. Электронный луч, перемещаясь по такому экрану, создает на его участках различные заряды, т. е. своеоб­разный потенциальный рельеф, который может сохра­няться длительное время. Диэлектрические экраны при­меняются в запоминающих ЭЛТ, получивших название потенциалоскопы.

ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ

Принцип действия газоразрядных приборов (ГРП) основан на электрических явлениях, происходящих в га­зовой среде.

Баллоны ГРП наполняются инертными газами (нео­ном, аргоном, гелием и др.), их смесями, водородом или парами ртути. В обычных условиях большинство атомов и молекул газа являются электрически нейтральными и газ является хорошим диэлектриком. Повышение темпе­ратуры, воздействие сильных электрических полей или частиц с высокими энергиями вызывает ионизацию газа. Ионизация газа, возникающая при соударении быстролетящих электронов с нейтральными атомами газа, называется ударной. Она сопровождается появле­нием свободных электронов и положительных ионов, что приводит к значительному увеличению электропровод­ности газа. Сильно ионизированный газ называют элект­ронно-ионной плазмой или просто плазмой.

Наряду с процессом ионизации газа существует и обратный процесс, называемый рекомбинацией. Так как энергия электрона и положительного иона в сумме больше, чем энергия нейтрального атома, то при рекомби­нации происходит выделение части энергии, которое со­провождается свечением газа.

Процесс прохождения электрического тока через газ называется электрическим разрядом в газе. Вольт-ампер­ная характеристика газоразрядного промежутка приве­дена на рис. 3.8.

При напряжении U 3 , называемом напряжением зажи­гания, ионизация газа приобретает лавинообразный ха­рактер. Сопротивление газоразрядного промежутка анод - катод резко уменьшается, и в ГРП возникает тлеющий разряд (участок CD). Напряжение горения U r , поддерживающее тлеющий разряд, несколько меньше, чем напряжение зажигания. При тлеющем разряде по­ложительные ионы движутся к катоду и, ударяясь о его поверхность, увеличивают число вылетающих из него электронов за счет нагревания и вторич-

ной электронной эмиссии. Поскольку внешний ионизатор при этом не тре­буется, тлеющий разряд называется самостоятельным в отличие от разряда на участке АВ, который требует для своего появления внешнего ионизатора (космического з­лучения, термоэлектронной эмиссии и т. д.) и называется несамостоятельным. При значи­тельном увеличении тока в ГРП возникает дуговой разряд (уча­сток EF). Если дуговой разряд поддерживается термоэлект­ронной эмиссией катода за счет его нагрева ударяющимися о поверхность положительными ионами, разряд называют само­стоятельным. Если же термоэлектронная эмиссия катода создается его нагревом от внешнего источника напряжения, то дуговой разряд на­зывают несамостоятельным.

Тлеющий разряд, сопровождающийся свечением газа, используется в неоновых лампах, газоразрядных знако­вых и линейных индикаторах, стабилитронах и некоторых других ГРП.

Газоразрядные индикаторы. Знаковые газоразрядные индикаторы состоят из газонаполненного баллона, десяти катодов н одного общего анода. Катоды имеют форму цифр, букв или других знаков. К аноду и одному из като­дов через ограничительный резистор подается напряже­ние. Между этими электродами возникает тлеющий раз­ряд, который имеет форму катода. Коммутируя различ­ные катоды, можно высвечивать различные знаки. Более универсальными являются сегментные знаковые индика­торы. Так, сегментный индикатор тлеющего разряда ИН-23, состоящий из 13 сегментов, позволяет при соот­ветствующей коммутации катодов-сегментов высветить любую цифру от 0 до 9, букву русского или латинского алфавита.

Линейные газоразрядные индикаторы (ЛГИ) отобра­жают информацию о напряжении или токе в цепи в виде светящихся точек или линий. Положение точки и длина линии пропорциональны напряжению или току в цепи. Электродная система ЛГИ имеет удлиненную цилиндри­ческую форму.

Газоразрядный стабилитрон. Стабилитрон (рис. 3.9, а) имеет два электрода - катод 1, выполненный в виде полого цилиндра, и анод 3 в виде тонкого стержня, рас­положенного по осп катода. Для уменьшения напряжения зажигания с внутренней стороны катода привари­вается небольшой штырек 2, называемый поджигающим электродом

Работа стабилитрона тлеющего разряда основана на поддержании на его электродах почти постоянного напря­жения горения при изменении протекающего через стаби­литрон тока в значительных пределах (участок CD на рис. 3.8).

Стабилитроны применяются для стабилизации напря­жения в цепях постоянного тока.

Тиратрон. Более сложным ГРП является тиратрон. Он содержит катод, анод и один или несколько управ­ляющих электродов, называемых сетками. Тиратрон мо­жет находиться в двух устойчивых состояниях: непрово­дящем и проводящем. На рис. 3.9, б показано устройство тиратрона с холодным катодом типа МТХ-90. Тиратрон состоит из цилиндрического катода 1, стержневого метал­лического анода 2 и металлической сетки 3, выполненной в виде шайбы. При подаче на сетку небольшого положи­тельного относительно катода напряжения между сеткой и катодом возникает вспомогательный «тихий» разряд. При подаче на анод положительного напряжения разряд переносится на анод. Чем больше ток вспомогательного разряда в цепи сетки, тем меньше напряжение зажигания тиратрона. После возникновения разряда между катодом и анодом изменение напряжения сетки не влияет на силу тока тиратрона, и прекратить ток через тиратрон можно уменьшением анодного напряжения до значения, меньшего напряжения горения.

Тиратроны тлеющего разряда потребляют очень малую энергию, работают в большом интервале температур, не чувствительны к кратковременным перегрузкам, готовы к мгновенному действию. Благодаря этим качествам они применяются в импульсных устройствах, генераторах, не­которых узлах счетно-решающих устройств, в релейной аппаратуре, устройствах индикации и др.

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

К электровакуумным и газоразрядным фотоэлектри­ческим приборам относятся фотоэлементы и фотоумно­жители, принцип работы которых основан на использо­вании внешнего фотоэффекта.

Фотоэлемент (рис. 3.10) имеет стеклянную колбу 2, в которой создан вакуум (электровакуумный фотоэле

мент) или которая заполнена инертным газом (газоразрядный фотоэлемент) Он состоит из анода и фотокатода Фотокатодом является внутренняя по­верхность колбы 3 (за исключением небольшого участка - окна 1), покры­тая слоем серебра, поверх которого на­несен слой оксида цезия. Анод 4 выпол­нен в виде кольца, чтобы не создавать препятствия световому потоку. Анод и катод снабжены выводами 6, прохо­дящими через пластмассовый держа­тель 5 колбы.

При освещении фотокатода свето­вым потоком из него выбиваются элект­роны. Если на анод подано положитель­ное относительно катода напряжение, выбитые из фотокатода электроны будут притягиваться к аноду, создавая в его цепи фототок I ф. Зависимость фототока от светового потока Ф называется световой ха-

рак­теристикой фотоэлемента. Фототок зависит также от на­пряжения U, приложенного между фотокатодом и анодом. Эту зависимость называют анодной ВАХ. В ней имеется ярко выраженный участок насыщения, на котором фототок мало зависит от анодного напряжения (рис. 3.11, а)

У газоразрядных фотоэлементов увеличение напряжения U вызывает ионизацию газа и рост фототока (рис. 3.11, б).

Вследствие малого значения фототока (до нескольких десятков микроампер у вакуумных фотоэлементов и не­скольких единиц микроампер у газоразрядных фотоэле­ментов) фотоэлементы обычно используются с ламповыми или транзисторными усилителями.

Фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) называют ЭВП, в котором ток фотоэлектронной эмиссии усиливается за счет вторичной электронной эмиссии. В стеклянном баллоне ФЭУ (рис 3.12), в котором под­держивается высокий вакуум, кроме фотокатода К и анода А имеются дополнительные электроды, являющиеся эмит­терами вторичных электронов и называемые динодами. Число динодов в ФЭУ может достигать 14. На диноды по­даются положительные напряжения, причем по мере удаления от фотокатода значения напряжений динодов возрастают. Напряжение между соседними динодами составляет около 100 В. При освещении фотокатода с его поверхности вылетают электроны, которые ускоряются электрическим удаления полем первого

динода и попадают на пер­вый динод, выбивая из него вторичные электроны. Число последних в несколько раз превышает число электронов, вылетевших из фотокатода. Под действием электрического поля между первым и вторым динодами электроны, выле­тевшие из первого динода, попадают на второй динод D2, выбивая из него вторичные электроны. Число вторичных электронов, выбитых из динода D2, в несколько раз больше числа попавших на него электронов. Таким об­разом, увеличение числа вторичных электронов происхо­дит на каждом диноде. Следовательно, в ФЭУ происходит многократное усиление фототока катода, что позволяет применять их для измерения очень малых световых по­токов. Выходной ток ФЭУ достигает нескольких десятков миллиампер.

Контрольные вопросы и задания

1. Поясните принцип управления анодным током в ЭУЛ с помощью напряжения управляющей сетки.

2. Назовите основные части ЭЛТ с электростатическим управле­нием лучом и поясните их назначение.

3. Назовите основные тины газоразрядных приборов и области
их применения.

4. Дайте краткую характеристику внешнего фотоэффекта. Каким
образом это явление используется в фотоэлементах и фотоумножителях?

Похожая информация.

Электровакуумные приборы получили широкое распространение. С помощью этих приборов можно преобразовать электрическую энергию одного вида в электрическую энергию другого вида, отличающуюся по форме, величине и частоте тока или напряжения, а также энергию излучения в электрическую и обратно.

При помощи электровакуумных приборов Press wall день рождения Горреклама Воронеж .

можно осуществить регулирование различных электрических, световых и других величин плавно или по ступеням, с большой или малой скоростью и с малыми затратами энергии на сам процесс регулирования, т. е. без значительного снижения КПД, характерного для многих других способов регулирования и управления.

Эти достоинства электровакуумных приборов обусловили их использование для выпрямления, усиления, генерирования и преобразования частоты различных электрических токов, осциллографии электрических и неэлектрических явлений, автоматического управления и регулирования, передачи и приема телевизионных изображений, различных измерений и других процессов.

Электровакуумными приборами называют приборы, в которых рабочее пространство, изолированное газонепроницаемой оболочкой, имеет высокую степень разрежения или заполнено специальной средой (парами или газами) и действие которых основано на использовании электрических явлений в вакууме или газе.

Электровакуумные приборы делятся на электронные приборы, в которых проходит чисто электронный ток в вакууме, и ионные приборы (газоразрядные), для которых характерен электрический разряд в газе или парах.

В электронных приборах ионизация практически отсутствует, а если и наблюдается в небольшой степени, то не оказывает заметного влияния на работу этих приборов. Разрежение газа в этих приборах оценивается давлением остаточных газов менее 10-6мм рт. ст., характерным для высокого вакуума.

В ионных приборах давление остаточных газов бывает 10-3мм рт. ст. и выше. При таком давлении значительная часть движущихся электронов сталкивается с молекулами газа, приводит к ионизации, и, следовательно, в этих приборах процессы являются электронно-ионными.

Действие проводниковых (безразрядных)электровакуумных приборов основано на использовании явлений, связанных с электрическим током в твердых или жидких проводниках, находящихся в разреженном газе. В этих приборах электрического разряда в газе или в вакууме нет.

Электровакуумные приборы подразделяются по различным признакам. Особую группу составляют электронные лампы, т. е. электронные приборы, предназначенные для различных преобразований электрических величин. Эти лампы по своему назначению бывают генераторными, усилительными, выпрямительными, частотопреобразовательными, детекторными, измерительными и т. д. Большинство их рассчитано на работу в непрерывном режиме, но выпускают лампы и для импульсного режима. Они создают электрические импульсы, т. е. кратковременные токи при условии, что длительность импульсов много меньше, чем промежутки между импульсами.

Электровакуумные приборы классифицируются еще и по многим другим признакам: по типу катода (накаленный или холодный), по устройству баллона (стеклянный, металлический, керамический или комбинированный), по роду охлаждения (естественное, т. е. лучистое, принудительное воздушное, водяное).

Введение
Подзаголовок настоящей книги - "Наилучшие способы предотвращения преступлений" - подразумевает в частности: 1) пути избавления от бича ложной тревоги; 2) понимание сотрудниками службы охр...

Схемы питания люминесцентных ламп
Люминесцентные лампы включаются в сеть последовательно с индуктивным сопротивлением (дросселем), обеспечивающим стабилизацию переменного тока в лампе. Дело в том, что электрический разряд в газе...

Научно - техническое обеспечение и обслуживание
Когда я сказал другу, что хочу купить машину, он сказал: "Тебе следует приобрести машину такую-то, потому что у нее нет проблем с ремонтом, всегда можно найти для нее запасные части". &quo ...

Своим появлением современные электровакуумные приборы обязаны американскому изобретателю Томасу Эдисону. Именно он разработал первый удачный способ освещения, используя для этого электрическую лампочку.

История создания лампы

В настоящее время с трудом верится, что электричество существовало далеко не во все исторические периоды. Первые лампочки накаливания появились только в конце девятнадцатого века. Эдисону удалось разработать модель лампочки, в которой располагались угольные, платиновые, бамбуковые нити. Именно этого ученого по праву называют «отцом» современной Им была упрощена схема лампочки, существенно снижена стоимость продукции. В результате на улицах появилось не газовое, а электрическое освещение, а новые осветительные приборы стали именовать лампами Эдисона. Томас на протяжении длительного времени работал над усовершенствованием своего изобретения, в итоге применение свечей стало нерентабельным мероприятием.

Принцип работы

Какое устройство имеют лампочки накаливания Эдисона? В каждом приборе есть тело накала, стеклянная колба, основной контакт, электроды, цоколь. У каждого из них есть свое функциональное предназначение.

Суть работы данного устройства заключается в следующем. При сильном нагревании тела накала потоком заряженных частиц, происходит превращение электрической энергии в световой вид.

Для того чтобы излучение мог воспринимать человеческий глаз, необходимо достичь температуры не меньше 580 градусов.

Среди металлов максимальной температурой плавления обладает вольфрам, поэтому именно из него изготавливается тело накала. Для уменьшения объема проволоку стали располагать в виде спирали.

Несмотря на высокую химическую стойкость вольфрама, для его максимальной защиты от процесса коррозии тело накала размещается в герметичном стеклянном сосуде, из которого предварительно выкачан воздух. Вместо него в колбу закачивается инертный газ, который не дает вольфрамовой проволоке вступать в реакции окисления. Чаще всего в качестве инертного газа применяется аргон, иногда используют азот или криптон.

Суть изобретения Эдисона в том, что испарению, происходящему при длительном нагревании металла, препятствует давление, создаваемое инертным газом.

Особенности лампы

Существует довольно много разных ламп, предназначенных для освещения большой площади. Особенность изобретения Эдисона в возможности корректировать мощность данного прибора с учетом освещаемой площади.

Производители предлагают разные виды ламп, отличающихся по сроку службы, размерам, мощности. Остановимся на некоторых видах этих электрических приборов.

Самые распространенные вакуумные лампы - ЛОН. Они в полной мере соответствуют гигиеническим требованиям, а средний срок их службы составляет 1000 часов.

Среди недостатков ламп общего назначения выделим низкий Примерно 5 процентов электрической энергии переходит в световую, остальные выделяются в виде тепла.

Прожекторные лампы

Они имеют достаточно высокую мощность, предназначены для освещения больших площадей. Электровакуумные приборы подразделяют на три группы:

• кинопроекционные;
• маячные;
• общего назначения.

Прожекторный световой источник отличается длиной тела накала, у него более компактные размеры, что позволяет усиливать габаритную яркость, улучшать фокусировку потока света.

Зеркальные электровакуумные приборы имеют светоотражающий алюминиевый слой, иную конструкцию колбы.

Та ее часть, которая предназначена для проведения света, изготовлена из матового стекла. Это позволяет делать свет мягким, снижать контрастные тени от различных предметов. Такие электровакуумные приборы применяют для интерьерного освещения.

Внутри галогенной колбы находятся соединений брома либо йода. Благодаря их способности выдерживать температуры до 3000 К, эксплуатационный срок ламп составляет около 2000 часов. Но и в этом источнике существуют свои недостатки, например, галогенная лампа, имеет невысокое электрическое сопротивление при остывании.

Основные параметры

В лампе накаливания Эдисона вольфрамовая нить располагается в разной форме. Для стабильной работы такого прибора необходимо напряжение 220 В. В среднем срок ее эксплуатации составляет от 3000 до 3500 часов. Учитывая, что цветовая температура 2700 К, лампа обеспечивает белый теплый либо желтый спектр. В настоящее время предлагаются лампы с разными размерами Е27). При желании можно подобрать в потолочную люстру либо настенный осветительный прибор лампу в виде шпильки, елочки, спирали.

Изобретение Эдисона поделено по числу вольфрамовых нитей на отдельные классы. От этого показателя напрямую зависит стоимость осветительного прибора, его мощность, эксплуатационный срок.

Принцип работы ЭВЛ

Термоэлектронная эмиссия заключается в испускании нагретым телом накала электронов в вакуум или инертную среду, создаваемую внутри колбы. Для управления потоком электронов используется магнитное либо электрическое поле.

Термоэлектронная эмиссия позволяет практически использовать положительные качества электронного потока - генерировать, усиливать электрические колебания различной частоты.

Особенности радиоламп

Электровакуумный диод - основа радиотехники. В конструкции лампы есть два электрода (катод и анод), сетка. Катод обеспечивает эмиссию, для этого слой вольфрама покрывается барием или торием. Анод выполняется в виде пластины из никеля, молибдена, графита. Сетка является разделителем между электродами. При нагревании рабочего тела из движущихся частиц создается мощный электрический ток в вакууме. Электровакуумные приборы данного вида составляют основу радиотехники. Во второй половине прошлого века электровакуумные лампы использовались в разнообразных сферах технической, радиоэлектронной промышленности.

Без них невозможно было изготовить радиоприемники, телевизоры, специальное оборудование, вычислительные машины.

Сферы применения

По мере развития точного приборостроения, радиоэлектроники, эти лампы потеряли свою актуальность, перестали применяться в больших масштабах.

Но и в настоящее время есть такие промышленные направления, в которых требуются ЭВЛ, ведь только вакуумная лампа способна обеспечить работоспособность приборов по заданным параметрам, в определенной среде.

Особый интерес ЭВЛ представляют для военно-промышленного комплекса, поскольку именно вакуумные лампы отличаются повышенной стойкостью к электромагнитным импульсам.

В одном военном аппарате может содержаться до сотни ЭВЛ. Большая часть полупроводниковых материалов, РЭК не может функционировать при повышенной радиации, а также в условиях естественного вакуума (в космосе).

ЭВЛ способствуют повышению надежности и долговечности спутников и космических ракет.

Заключение

В электровакуумных приборах, которые позволяют генерировать, усиливать, преобразовывать электромагнитную энергию, рабочее пространство полностью освобождено от воздуха, отгорожено от атмосферы непроницаемой оболочкой.

Открытие термоэлектронной эмиссии способствовало созданию простой двухэлектродной лампы, названной вакуумным диодом.

При его включении в электрическую цепь внутри прибора появляется ток. При изменении полярности напряжения он исчезает, причем независимо от того, насколько нагревается катод. При поддержании постоянного значения температуры нагретого катода удалось установить прямую зависимость между анодным напряжением и силой тока. Полученные результаты стали применяться при разработке электронных вакуумных приборов.

Например, триод представляет собой электронную лампу, имеющую три электрода: анод, термоэлектронный катод, управляющую сетку.

Именно триоды стали первыми устройствами, применяемыми для усиления электрических сигналов в начале прошлого века. В настоящее время на смену триодам пришли полупроводниковые транзисторы. Вакуумные триоды применяются только в тех областях, где необходимо преобразование мощных сигналов при незначительном количестве активных компонентов, а массой и габаритами можно пренебречь.

Мощные радиолампы сравнимы с транзисторами по коэффициенту полезного действия, надежности, но срок их службы значительно меньше. У маломощных триодов большая часть накала уходит на потребляемую каскадную мощность, иногда ее величина доходит до 50%.

Тетроды представляют собой электронную двухсеточную лампу, которая предназначается для увеличения мощности и напряжения электрических сигналов. Эти устройства имеют больший коэффициент усиления в сравнении с триодом. Подобные конструкционные особенности позволяют применять тетроды для усиления низких частот в телевизорах, приемниках, иной радиоаппаратуре.

Потребители активно используют лампы накаливания, в которых телом накала является вольфрамовая спираль или проволока. Эти приборы имеют мощность от 25 до 100 Вт, их эксплуатационный срок составляет 2500-3000 часов. Производители предлагают лампы с разным цоколем, формой, размерами, поэтому можно подобрать вариант лампы с учетом особенностей осветительного прибора, площади комнаты.

Похожие статьи