konspekt_vpe

21

Найбільш серйозною причиною виходу з ладу осередків катода є електричний пробій між вістрями і керівником електродом. Він виникає у тому випадку, коли частина катодного струму перехоплюється керуючим електродом. Тому надзвичайно важливою є оптимізація (математична) геометричних розмірів осередків, що виключає перехоплення катодного струму керуючим електродом.

1.4.4. Фотокатоди

Залежність кількості фотоелектронів, що виходять із фотокатода, тобто фотоемісійного струму jfe від величини світлового потоку Ф (від кількості квантів) при відповідній частоті v світлового потоку визначається законом Столетова Г.О.

де коефіцієнт пропорційності ( ) називається спектральною віддачею фотокатода.

Очевидно, що ( ) пропорційний квантовому виходу Y і характеризується тієї ж частотною залежністю. Якщо світловий потік складається з коливань різних частот, у (1.12) ( ) замінюють на інтегральну віддачу . Величина світлового потоку виміряється в люменах, струм фотоемісії у мікроамперах, то коефіцієнти ( ) і мають розмірність мкА/лм.

На (рис. 1.13) представлена будова основних фотокатодів, які виконуються по типу оксидних катодів. Кисневоцезієвий фотокатод (рис. 1.13а) наноситься на шар срібла, яким звичайно покривається скло балона. Він складається з напівпровідного покриття окислів цезію й срібла, усередині і на поверхні якого розташовуються атоми чистого цезію. Останні виконують роль атомів барію в оксидному катоді.

Рисунок 1.13 Будова фотокатодів: а) киснево-цезієвого; б) сурмяно-цезієвого.

Cs

Cs2O3Ag2O

Ag

скло

а)

Cs

SbCs3

скло

б)

Киснево-цезієвий фотокатод характеризується низькою роботою виходу (мінімальна величина 0,72 еВ) і малою квантовою чутливістю (порядку 0,005—0,05). Цей катод має досить високу термоемісійну здатність, що приводить до необхідності врахування емісії електронів навіть при кімнатній температурі. Чутливість вакуумних киснево-цезієвих фотоелементів дорівнює 2030 мкА/лм, доходячи в деяких зразках до 50 - 60 мкА/лм, у газонаповнених фотоелементах робочий струм внаслідок іонізації газу збільшується і чутливість дорівнює в середньому 150-200 мкА/лм.

На рис.1.14 показана залежність спектральної віддачі киснево-цезієвого фотокатода від частоти або спектральна характеристика. Як видно, вона має два максимуми. Низькочастотний максимум лежить в інфрачервоній частині спектра, а високочастотний – в ультрафіолетовій (у видимій частині спектра характеристика має провал). Ультрафіолетовий максимум визначається вириванням електронів зі срібної підкладки фотокатода, а довгохвильової – з напівпровідника.

22

Cs2O3Ag

SbC

Рисунок 1.14 Залежність спектральної віддачі киснево-цезієвого і сурмяно-цезієвого фотокатодів від частоти

Киснево-цезієвий фотокатод чутливий до іонного бомбардування, перегріву і легко окисляється. Крім того, його фотоемісійна здатність залежить від часу опромінення. Чим більше часу фотокатод опромінюється, тим менше його фотоемісійний струм (явище стомлюваності). У процесі роботи інтегральна віддача також падає.

Сурм'яно-цезієвий фотокатод (рис.1.13б) складається з напівпровідного шару, що складається із сполуки сурми і цезію (імовірний склад SbСs3). Він наноситься безпосередньо на скло.

Емісійні властивості сурм'яно-цезієвого катода значно гірші, ніж у киснево-цезієвого, а значить вплив термоемісії на фотострум практично відсутній. Робота виходу його порядку 1,4 еВ. Зате квантова чутливість досягає 0,25-0,3 і катод має інтегральну віддачу більше 100 мкА/лм.

Максимум спектральної характеристики (рис.1.14) лежить у видимій області спектру. Сурм'яно-цезієві катоди більш стабільні і менше чутливі до перегрівів ніж киснево-цезієві. Проте вони більш чутливі до іонного бамбардуванн і працюють при понижених напругах на аноді. У сурм'яно-цезієвих фотоелементах чутливість дорівнює 60 - 90 мкА/лм, досягаючи в газонаповнених фотоелементах величини 150-200 мкА/лм.

1.4.5Конструкції катодів

Взагалі, не враховуючі складні катоди представлені на рис.1.12, принципово катоди можна розділити на катоди з безпосереднім, або прямим розжаренням (струм розжарення проходить безпосередньо по дроту керна або катоду), і катоди з непрямим розжаренням (безпосередньо емітер розігрівається за допомогою спеціального додаткового електричного підігрівача). Форма катода прямого розжарення залежить від його розмірів і від конструкції інших електродів. У лампах невеликої потужності із циліндричними анодом і сіткою катод роблять у вигляді прямолінійної нитки і розміщують уздовж осі зазначених електродів; нитку зміцнюють (приварюють) кінцями до тримачів, які використовуються в той же час для підведення струму розжарення до нитки. При великій довжині нитки їй надають ломану форму ( наприклад літери ―V‖), розміщуючи верхню точку спеціальному кріпленні – гачок спіральної пружинки (рис. 1.15а,б), що служить для пом‘якшення струсів та компенсатором для натягнення катода при температурному розширенні.

Рисунок 1.15 - Конструкції катодів прямого розжарення.

23

При плоскій конструкції анода звичайною є V-подібна форма нитки і W-подібна при довгих катодах ламп (рис. 1.15а,б). В останньому випадку іноді від катода назовні роблять три виводи, що дозволяє або використовувати середню точку нитки для підключення анодного ланцюга, або застосувати понижену напругу розжарення, включаючи половини нитки паралельно.

У потужних підсилювальних і генераторних лампах з більшим струмом емісії катоди повинні мати більшу робочу поверхню. Для цього катоди прямого розжарення роблять спіральної форми, застосовуючи одинарну або подвійну (типу біфілярної) спирали (рис. 1.15в,г), або виготовляють катод з декількома паралельними петлями, розташованими на загальному кріпленні по окружності.

Дуже розповсюдженими в лампах є катоди непрямого розжарення (рис. 1.16а-г). З порошку Аl2О3 готують суспензію якою покривають вольфрамові дроти, що мають V-подібну форму. Після просушки ці дроти вставляють (як електричні нагрівачі) у нікелеву оболонку циліндричного або плоского перетину, покриту оксидним шаром. Більша стійкість при високих температурах і можливість застосовувати декілька підігрівачів дозволяють використовувати катод непрямого розжарення у потужних лампах з великими значеннями струму емісії.

Катоди непрямого розжарення виготовляють на напруги розжарення від 2 В до 30 В та широко використовують у підсилювальних лампах радіоприймачів, розрахованих на живлення як змінним, так і постійним струмом.

Рисунок 1.16 - Конструкції катодів непрямого розжарення.

Ефективність оксидних катодів непрямого розжарення виходить завжди меншою, ніж у оксидних катодів прямого розжарення через додаткові втрати при передачі тепла від підігрівача до емітера.

Необхідна при живленні катода змінним струмом більша теплова інерція катодів непрямого розжарення вимагає більшого часу на розігрів після включення. Це властиво не тільки катодам з непрямого розжарювання але і із прямим розжаренням, якщо вони мають велику масу (великий діаметр нитки) та працюють при низькій температурі нагрівання. Але в катодів непрямого розжарення теплова інерція проявляється значно сильніше, ніж у катодів прямого розжарення. На розігрів катодів непрямого розжарення в приймально-підсилювальних лампах потрібно 15–20 с, а катодів прямого розжарення — 1–2 с.

Вакуумний діод

Діод -- вакуумна лампа, що складається з двох електродів: катода і анода. Принцип дії діода заснований на:

--наявності в лампі хмари вільних електронів, що генеруються катодом;

--однобічна провідність, що обумовлена негативним зарядом електронів.

24

S = dI a/dUa - статична крутизна характеристики діода

Ri = 1/S = dUa / dIa – внутрішній опір лампи

R0 = Ua / Ia - опір постійному струму

Ia = GUa3/2

Рис. Схема одноперіодного випрямлювача

Рис. Часові діаграми роботи одноперіодного випрямлювача

Лампи для детектування напруг радіочастот діапазонів включно УКХ Лампи для детектування напруг радіочастот в дециметровому і сантиметровому діапазонах

Лампи для випрямлення змінного струму частотою 50...400 Гц та потенціалом до 250...500 В

25

Лампи (діоди) спеціального призначення - генератори шумів, чутливі датчики та інш. Лампи для випрямлення високої напруги Лампи для демпфування вільних коливань у системах телевізійних розгорток

Лампи для стабілізації вихідної напруги випрямлячів

Рис. Амплітудно-модульований сигнал

Рис. Схема детектора АМ – сигналу.

Вакуумний тріод

Був винайдений Д.А. Флемінгом у 1904р.

Вакуумний тріод – триелектродна лампа, що складається з: катоду -- джерела прикатодного об‘ємного заряду; аноду – колектора електронів; керуючої сітки – електрода керування анодним струмом.

Сітка відрізняється більшою ефективністю дії на прикатодний об‘ємний заряд ніж анод, тому що знаходиться ближче до катоду ніж анод.

Другою причиною є часткове екранування поля анода в прикатодній області за рахунок:

-виготовлення сітки з металу;

-виготовлення сітки у вигляді спіралей , сіток та металевої тканини.

Рис. Конструктивні схеми тріодів.

Статичні параметри тріода : а) крутість характеристики

S = дIa /дUc Ua = const

б) внутрішній опір тріода

Ri = дUa / дIa Uc = const

в) статичний коефіцієнт підсилення по напрузі

= S ri = дUa / дUc Ia = const

27

Рис. Схема блокінг-генератора на тріоді.

Вакуумний тетрод

Тетрод -- чотириелектродна вакуумна лампа, яка конструктивно від тріоду відрізняється наявністю між керуючою сіткою та анодом додаткової сітки – екрану.

Сучасні тетроди використовуються як підсилювачі напруги та потужності високої частоти в приймачах та передавачах, підсилювачі потужності в підсилювачах звукової частоти, генератори та кінцеві підсилювачі схем строкової та кадрової розгортки, кінцеві широкосмугові підсилювачі напруги.

Рис. Схема включення тріоду з поясненням впливу прохідної ємності на збудження ВЧ сигналів у колі А-С та схема включення екрануючої сітки тетрода.

Формула Сифорова В.І., яка визначає максимальний динамічний коефіцієнт посилення каскаду

Рис. Розрахункові (а) та експериментальні (б) анодні і анодно-сіточні

характеристики тетроду

29

Рис. Проліт електронів скрізь сітки зі змінною густиною в пентодах – варимю (з подовженою характеристикою) при різних потенціалах на сітці, подовжені анодно-сіткові характеристики та типові анодно-сіткові характеристики пентодів типу Ж.

Потужні електровакуумні лампи

Генераторні лампи використовуються для підсилення та генерування електричних коливань різних частот з потужністю від декількох десятків ват до декількох сотень кіловат.

Модуляторні лампи використовуються для підсилення сигналів низької частоти та формування імпульсів напруги для роботи НВЧгенераторів й інших пристроїв.

Потужні генераторні лампи з вихідною потужністю від 1,5 до 3500 кВт у діапазоні частот до 250 Мгц призначені для роботи у зв'язкових, телевізійних і радіолокаційних передавачах і установках ВЧ нагрівання.

Потужні модуляторні лампи й тиратрони зі струмом комутації до 5000 А призначені для роботи в модуляторах радіотехнічних пристроїв, медичній апаратурі і у прискорювачах елементарних часток.

Потужні електровакуумні прилади НВЧ: клістрони, магнетрони, лампи хвилі, що біжить, призначені для роботи в радіолокаційних станціях, станціях супутниковому зв'язку, лінійних прискорювачах, телевізійних передавальних пристроях, різноманітних технологічних установках.

Основна вимога до генераторних ламп -- віддача максимальної коливної потужності Ркол до навантаження при високих значеннях ККД схеми .

25 Вт Ра 1 кВт – лампи середньої потужності. 70% енергії джерела живлення перетворюється в коливну, решта -- на розігрів аноду. Працюють при Ua 20 кВ, застосовується примусове охолодження електродів (повітряне, водяне, вапатронне).

Ра 1 кВт – великої потужності (до 500 кВт). Виконуються, як правило, розбірними з постійною відкачкою газів, або напів-розбірними, застосовується примусове охолодження електродів (водяне, вапатронне).

Режими роботи ламп Режим А – режим лінійного підсилення

Використовується в приймально-підсилювальних та модуляторних лампах Напруга зміщення Езм відповідає проходженню струму скрізь лампу протягом всього періоду сигналу на

сітці.

30

Чим нижче амплітуда сигналу на сітці, тим менші нелінійні спотворення та ККД. ККД 50% (20-30%). Майже не використовується в потужних генераторних лампах.

Рис. Режим класу А

Режим В

Напруга зміщення Езм дорівнює напрузі відсічки Uзап. Іа проходить тільки при позитивному значенні напруги сигналу.

Тривалість імпульсу Іа визначається кутом відсічки = 90 і відповідає половині періоду.

- дорівнює половині різниці фаз гармонійного сигналу від початку проходження Іа до запирання лампи. Зменшується постійна складова Іа0 та підвищується коефіцієнт використання анодної напруги (UmR/Uдж)

збільшується ККД.

Амплітуда імпульсів Іа може значно перевищувати Іа0.

Рис. Режим класу В Режим АВ -- проміжний режим

Лампа закрита протягом часу, що менший за половину гармонійного сигналу. Кут відсічки відповідає умові:

90 180

Рис. Режим класу АВ

Режим С

Використовується переважно в генераторних лампах

Напруга зміщення Езм по абсолютному значенню перевищує напругу відсічки Uзап. Імпульс Іа стає більш гострим, що зменшує складову Іа0.

Кут відсічки 90 .

Дозволяє отримувати максимальні ККД.