Контрольні питання

1. Структура й принцип дії тиристорів.

2. Методика зняття ВАХ тиристорів.

3. Визначення параметрів тиристора за характеристиками.

Лабораторна робота 6.Анодні характеристики вакуумного діоду

Мета роботи: вимірювання значення анодного струму при різних значеннях

напруги на аноді та при різних напругах нитки розжарювання.

Обладнання: стенд з встановленим ламповим діодом, вольтметр,

міліамперметр, джерела живлення.

Теоретичні відомості

Двохелектродна лампа (діод) має два електроди – катод і анод, електроди містяться у скляному балоні, з якого вилучене повітря. Тиск повітря у балоні електронних ламп не повинен перевищувати 10^–6 – 10^–7 мм рт. ст. Після відкачування насосом повітря із балону залишок повітря поглинають шляхом хімічної реакції спеціальної речовини (гетеру), що розміщують у балоні і яка має властивості хімічно з’єднуватися з повітрям. При прогріві лампи НВЧ випромінюванням протікає хімічна реакція, гетер поглинає гази, розпилюється та осідає на внутрішніх стінках балону у вигляді непрозорого шару.

Нижня частина балону з’єднана з цоколем, до якого впресовані металеві штирі, які з’єднані з внутрішніми електродами лампи, а при встановленні лампи в лампову панель грають роль контактів, що забезпечують підключення електродів к елементам електронної схеми. Для більшості сучасних ламп електроди зі спеціальних сплавів, які мають той же самий коефіцієнт теплового розширення, що і у скла, безпосередньо вварюються у нижню частину скляного балону.

Діоди мають циліндричну або плоску конструкцію електродів. Оксидний катод не прямого розжарювання має пустотілий тонкий циліндр з металу (нікель) з нанесеним шаром оксиду, що оточує нитку розжарювання з вольфраму, яка відокремлена від циліндру шаром окислу алюмінію (алунду). Циліндр з’єднується зі штирем катоду, який оточує циліндричний електрод аноду відокремлений від катоду вакуумом лампи.

Рис. 6.1. Конструкція та схема діодів

В робочому режимі до контактів нитки розжарювання підведена напруга. Струм, що протікає через нитку, нагріває її, а з нею і катод. Нагрів до високих температур призводить до термоелектронної емісії, в результаті чого катод випромінює електрони, які утворюють „електронний газ” навколо катоду.

Якщо до аноду підключити мінус джерела живлення, а до катоду плюс, то електричне поле буде направлено від аноду до катоду. При цьому сила, що діє на електрони буде направлена до катоду, і електрони залишаються біля катоду , не попадають на анод, і струм через діод не йде.

Якщо до аноду підключити плюс анодного джерела живлення, до катоду – мінус, то електричне поле буде направлено від катоду до аноду і сила , яка діє на електрони призведе до їх руху на анод, що створить електронний потік , в результаті чого в анодному ланцюгу з’явиться анодний струм. Напрямок анодного струму в лампі прийнято вважати від анода до катоду – проти руху електронів.

Рис. 6. 2. Включення діодів у зворотному та прямому напрямках

Одним з головних чинників виникнення анодного току є явище термоелектронної емісії. Зовнішній вплив в разі термоелектронної емісії з поверхні тіла пов’язаний з нагрівом його поверхні. Джерелом енергії збудження електронів є енергія теплового руху кристалічної решітки твердого тіла. Кількість електронів, що створюють електронний газ, залежить від температури, від щільності електронів в металі катода, яка складає 10²³ см ^-3, роботи виходу електрону з катоду, а також енергії, яку повинен мати електрон, щоб після виходу рухався перпендикулярно поверхні катоду.

Кількість електронів , що емітуються при фіксованій температурі з одиниці площини поверхні в одиницю часу в перпендикулярному до поверхні напрямку, дорівнює:

_{. (6. 1 )}

Відповідно до квантово-механічної теорії, ні всі електрони виходять у вакуум і є вірогідність їх відбиття від потенціального бар’єру, тому необхідно ввести коефіцієнт прозорості бар’єру D. Щільність струму, який може протікати в діоді визначиться формулою (формула Ричардсона-Дешмена):

(6.2 )

- де індекс Т вказує на термоелектронний характер емісії, а - середній коефіцієнт потенціального бар’єру, А₀ – постійна Зомерфельду:

та - робота виходу.

_{В діоді простір між катодом та анодом заповнений електронами, які рухаються і які знаходяться біля катоду в електронній хмарі, сумарно ці електрони створюють просторий (об’ємний), величина якого залежіть від температури катоду, яка визначає яка кількість електронів імітована. Найбільша щільність і найменша швидкість електронів біля катоду, а найменша щільність і найбільша швидкість біля аноду. Потенціал катоду приймається рівним нулю, тоді потенціал в просторі найбільшого накопичення електронів буде негативним, чим далі к аноду щільність просторого заряду зменшується і потенціал стає позитивним. Електрон, який вилетів з катоду, попадає у гальмуюче поле, об’ємний заряд відштовхує електрони зворотно на катод, до аноду долітають тільки ті електрони, що вилетіли з великою швидкістю, а інші, з малою швидкістю повертаються на катод, це показано на діаграмі рис.6.3:}

Повільні та швидкі

електрони

_{Рис. 6.3. Дія гальмуючого поля просторового заряду між катодом та анодом, 1)холодний; 2), 3) гарячий катод, напруга на аноді відповідно Uа , Us}

_{Чим вище анодна напруга, тим більше вона компенсує дію просторого заряду і тим більше електроні будуть досягати аноду. Ефект зростання анодного току набув назву ефекту Шоттки. Під впливом зовнішнього електричного поля:}

_{Щільність току з урахуванням JT}

Якщо вважати, що катод і анод мають великі лінійні розміри у порівнянні з відстанню між електродами, а розподілення потенціалу у міжелектродному просторі залежить від однієї координати z, то це розподілення: _{. Швидкість електронів між електродами:}

_.

_{З урахуванням граничних умов та допущень, вирішення рівняння Пуассона (при обмеженні струму просторовим зарядом) надає зв’язок між струмом, що протікає через діод, і анодною напругою:}

(6.3 ) Це формула Чайлда-Ленгмюра (закон 3/2). Коефіцієнт P, дорівнює для

струму електронів , Р має розмірність та назву первеанс діоду._{Потенціал у між електродному просторі розподілений за законом:}

_,

_{а просторовий заряд по закону Ленгмюра-Богуславського:}

_{Закон 3/2 діє тільки на початковій частині анодної характеристики діоду, яка визначає залежність анодного току від напруги на аноді, при збільшенні анодної напруги та досягнення величини US ( см. рис.6.3) усі електрони, що випромінюються катодом, попадають на анод. Такий режим характеризується відсутністю просторового заряду і має назву режим насичення. В цьому режимі струм аноду дорівнює струму емісії і буде залежати тільки від емісії катоду за рахунок підвищення його температури (рис. 6.4)}

_{Рис. 6.4. Анодні характеристики діоду при різних температурах розжарення}

_{Емісійна здатність катоду оцінюється двома величинам:}

_{- ефективність катода Н – величина струму емісії на один ват потужності, що витрачається на нагрів при робочій температурі;}

_{- питома емісія Іепит – величина струму емісії з одного квадратного сантиметру поверхні катоду при робочій температурі.}

_{Н = Іе / Рн [мА / Вт] ; Іепит = Іе / Sкат [мА / см}²_],

_{де Іе - струм емісії, Рн – потужність ,що витрачається на нагрів катоду, Sкат – повна поверхня катоду.}

_{Для найбільш поширених типів катодів – оксидних, які мають поверхню з окису ВаО3 (метал Ва має найменшу роботу виходу 2,11 еВ) – Н = 80 – 100 ма / Вт, Іепит = 500 – 1000 ма / см}² _{при робочій температурі 650 – 900} ⁰_{С. Така низька температура забезпечує термін служби 1000 – 1500 годин, нитка розжарювання виготовляється з вольфраму.}

_{Властивості та параметри діоду оцінюються за допомогою експериментально знятих характеристик, які показують залежність струму через лампу від напруги на її електродах. На рис. 6.5 показана схема, що дає можливість провести дослідження залежності анодного струму діоду від напруги нитки розжарювання та від напруги на аноді.}

_{Рис. 6.5. Схема проведення досліджень залежності анодного току}

_{Величини напруги та струму у ланцюгу нитки розжарювання регулює реостат R, тим самим змінюється потужність, що витрачається на нагрів катоду. Потенціометром П встановлюється напруга на аноді при якій вимірюється струм аноду.}

_{Характеристики діоду зображаються у прямокутній системі координат. Залежність анодного струм Іа від величини анодної напруги Uа при постійній напрузі розжарювання називається анодною характеристикою діоду. Для зняття анодної характеристики необхідно встановити обумовлену напругу розжарювання, піднімати анодну напругу потенціометром П від 0 до Еа та записати зміни анодного струму. Значення анодного струму відкладаються по вертикальній осі, а значення анодної напруги по горизонтальній. Основними параметрами діоду є:}

_{- напруга розжарювання Uн , струм розжарювання Ін , струм емісії катоду Іе ,}

_{- Рн = Uн Ін – потужність, що витрачається на нагрів катоду;}

_{- крутизна анодної характеристики S = Δ Іа / Δ Uа [мА / В] (метод двох точок);}

_{- внутрішній диференційній опір діоду це простору між анодом та катодом для змінного струму RI = Δ Uа / Δ Іа = 1 / S [Ом]; S = tg α [Ом} ^-1 _];

_{- внутрішній опір діоду по постійному струму Rа = Uа / Іа [Ом], із закону 3/2 витікає, що приблизно Rа = 3/2 RI. .}

_{Рис. 6.6. Визначення крутизни анодної характеристики методом двох точок}

_{В лабораторній роботі проводиться дослідження анодних характеристик подвійного діоду 6Х2П, який призначений для роботи як детектор або випрямляч перемінного струму для живлення апаратурі з малим струмом споживання.}

_{Рис.6.7. Схема та номера виводів лампи 6Х2П}

_{Катод лампи оксидний з підігрівом ниткою розжарення з вольфраму.}

_{Напруга розжарення – 6,3 В ( 5,7 В ... 7 В).}

_{Струм розжарення – 300 - + 25 мА.}

_{Найбільша амплітуда анодного струму – 90 мА.}

_{Найбільша напруга на аноді – 350 В.}

_{Найбільша зворотна напруга на аноді – 450 В.}

_{Найбільша потужність, що розсіюється на аноді – 0,5 Вт.}

_{Рис.6. 8. Анодна характеристика лампи 6Х2П}