7ReBHL2QE8
.pdfнагрев. В ходе выполнения контрольной работы студенты должны выбрать общую конструкцию разрабатываемого прибора; определить по исходным данным его параметры; построить в масштабе графическое изображение режима использования прибора; рассчитать катодный, сеточный и анодный узлы прибора.
Исходными данными для расчета являются: назначение прибора; вы-
ходная полезная мощность Рвых ; напряжение источника анодного питания
Еа ; коэффициент усиления по мощности K p (или коэффициент обратной
связи для приборов, работающих в схемах с самовозбуждением).
Примерные темы контрольных работ
1.Расчет мощного генераторного триода для радиовещания.
2.Расчет мощного генераторного тетрода для телевидения.
3.Расчет мощного генераторного триода для промышленного нагрева.
5.2.Общие требования к содержанию и оформлению
контрольной работы
Контрольная работа (КР) должно содержать пояснительную записку и графическую часть. Пояснительная записка должна включать титульный лист установленного образца, оглавление, задание, перечень принятых обозначений, основную часть и список использованных источников.
Основная часть КР должна содержать краткое введение с постановкой задачи, обоснование выбора конструкции прибора в целом, подробный расчет основных узлов и деталей, описание материалов для них, заключение.
Пояснительная записка выполняется на одной стороне листа бумаги формата А4. Объем пояснительной записки, как правило, не должен превышать 25 страниц. Оформление пояснительной записки должно быть выполнено в соответствии со стандартами.
Графическая часть КР должна состоять из эскизов основных узлов прибора (катодного, сеточных, анодного), выполненных в одной проекции (вид спереди) с полным разрезом и дополненных в случае необходимости видом сверху; сборочного чертежа прибора в целом (вид спереди) с разрезом, позволяющим определить взаимное расположение узлов друг относительно друга, а также графического изображения режима использования прибора.
11
5.3. Указания по рациональному выполнению контрольной работы
Порядок расположения материала в этом разделе соответствует рекомендуемой последовательности выполнения КР.
5.3.1.Выбор общей конструкции разрабатываемого прибора
иконструкций его основных узлов
Для МЭПЭСУ выбирается преимущественно цилиндрическая конструкция, как наиболее простая и позволяющая обеспечить большую мощность и высокую электрическую прочность; легко сочетающаяся с коаксиальной системой выводов; обладающая малой индуктивностью, развитой контактной поверхностью и придающая всей конструкции большую прочность и жесткость. Цилиндрическая конструкция используется в большом диапазоне рабочих длин волн: от длинноволнового (ДВ) до ультракоротковолнового (УКВ). При переходе в диапазон дециметровых волн (ДЦВ) начинают сказываться пролетные явления и межэлектродные емкости, что заставляет использовать планарные и ячейковые конструкции [7].
Выбор цилиндрической конструкции прибора в целом влечет за собой как следствие выбор цилиндрических конструкций основных узлов прибора: катодного, сеточных и анодного. При этом наблюдается большое разнообразие структур электродов. Катоды могут быть подогревными оксидными с гладкой и с профильной эмитирующими поверхностями либо вольфрамовыми торированными карбидированными (ВТКК) петлевого и решетчатого типов; сетки – стержневые с упрочняющей навивкой, спиральные с траверсами, решетчатые типа «беличье колесо», одинарные или двойные; аноды – гладкие или камерные с продольными и с поперечными ребрами камер. Выбор той или иной структуры определяется уровнем мощности прибора, тепловыми нагрузками, необходимостью подавления побочных эффектов (например, динатронного), прочностью, технологичностью и стоимостью изготовления и в большой мере зависит от опыта разработчика и наличия аналога. Некоторые рекомендации по выбору структур электродов даются в настоящих методических указаниях.
Большое значение имеет выбор триодной или тетродной конструкции, наиболее часто применяемых в мощном генераторном приборостроении в силу простоты, возможности получения мощных электронных потоков,
12
обеспечивающих заданную полезную мощность на выходе, универсальности применения. Выбирая между триодной и тетродной конструкциями следует иметь в виду, что в триоде обеспечивается лучшее токопрохождение и его применение целесообразнее с увеличением требуемой выходной мощности и тепловых нагрузок на электродах. Лучевые тетроды, применяемые в мощных электронных приборах, имеют более высокий коэффициент усиления по мощности, однако их сложнее изготовить, а также обеспечить необходимое токопрохождение и отвод тепла от сеток.
5.3.2. Расчет МЭПЭСУ по исходным данным режима использования
Расчет параметров МЭПЭСУ. При выполнении данного раздела нужно использовать методики, изложенные в [7] в зависимости от назначения разрабатываемого прибора: радиосвязь и радиовещание, телевидение, промышленный нагрев.
Расчет катода. Так как в МЭПЭСУ используются в основном вольфрамовый торированный карбидированный (ВТКК) и оксидный (ОК) катоды, то дальнейшее рассмотрение проводится раздельно по каждому из них. Расчеты этих катодов базируются на условии теплового баланса: при установившейся рабочей температуре катода T подводимая мощность накала Pн равна мощ-
ности, отводимой от катода за счет излучения
Расчет вольфрамового торированного карбидированного катода. В ка-
честве исходных предпосылок берутся напряжение накала Uн, максималь-
ный анодный ток и определяется с запасом необходимый ток эмиссии
β, где β = (0,3...0,7) - коэффициент использования катода по току
эмиссии.
При расчете геометрии ВТКК для наиболее часто применяемой рабочей температуры T = 2000 K задают удельную мощность накала Pн = 30 Вт/ см2 ,
эффективность H = J э 
Рн = (0,04…0,07) А/Вт и удельное сопротивление ρ,
используя значения, приведенные ниже для известной или задаваемой степени карбидирования К, % [11]:
К, % |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
r×106 Ом×см |
62,4 |
66,0 |
70,4 |
75,3 |
80,8 |
|
|
|
13 |
|
|
Степень карбидирования К, %, определяется необходимой долговечно-
стью катода tсл и может быть найдена из рис. 5.1, где 1 − 5 %; 2 – 10 %; 3 –
20 %; 4 – 30 %; 5 – 40 %.
tсл, тыс. ч
40 |
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
20 |
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
2 |
|
8 |
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
0 |
200 |
400 |
600 |
800 |
1000 |
1200 D, мкм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 5.1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для катода круглого сечения К = 0,04 t D , % , где t |
− толщина карбид- |
|||||||||||||||||||||||||||
ного слоя, мкм; |
|
D − диаметр катода, см. Наиболее часто используемые зна- |
||||||||||||||||||||||||||
чения t лежат в пределах 10…40 |
мкм в зависимости от диаметра. При |
|||||||||||||||||||||||||||
меньших значениях t |
из-за декарбидирования и потери эмиссии снижается |
|||||||||||||||||||||||||||
долговечность, при больших − растет хрупкость катода. |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
Длина L и диаметр D цилиндрического ВТКК определяются из формул |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
I э2ρ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
D = 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
L = |
3 |
|
IэUн |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iэ |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
π2 U н2 Н 2 Рн |
; |
|
|
|
|
π НРнD . |
(5.1) |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
4π НР |
2ρ = |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
н |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
В случае ленточной формы ВТКК необходимо задать толщину ленты v и |
||||||||||||||||||||||||||||
определить ширину w и длину ленты L по формулам: |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
w = |
|
|
Iн |
|
|
|
|
L = |
|
|
U н |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 . |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
2НРнL |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рнρ |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Для расчета решетчатого ВТКК (см. рис. 5.2) требуется задание дополнительных исходных данных. Чаще всего задаются число пар нитей решетки
14
n (равное числу лево- и правозаходных нитей); угол наклона нитей к обра-
зующей решетки α ; отношение высоты решетки к ее диаметру H реш 
Dреш .
Лево- и правозаходные нити навиваются с одинаковым шагом, поэтому, перекрещиваясь, они делят поверхность катода на ячейки, имеющие форму ромба. После определения тока эмиссии всего катода рассчитывают ток эмиссии одной нити: Iэ.н = I э 
2n . Затем по формулам (5.1) находят длину и диаметр одной нити (L и D), задавая в них в качестве тока эмиссии значение
Iэ.н. Размеры решетчатой структуры определяются соотношениями
Hреш = L cos α; Dреш =
Hреш
Dреш
Рис. 5.2
Нреш
.
Нреш
Dреш
α |
|
|
p |
a |
hяч |
|
|
|
|
b |
|
Далее находят геометрию ячейки: диагонали a и b , сторону p и вы-
соту ячейки |
hяч, число ячеек M : |
|
|
|
|
|
|
||
a = |
πDреш |
; b = a ctg α ; p |
= |
a |
; hяч = p sin 2α ; |
M = |
L |
n . |
|
|
|
||||||||
|
n |
2sin α |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
p |
|||
Рассмотренная методика справедлива для одиночных нитей или нитей, значительно удаленных друг от друга. В отличие от одиночной нити температура в решетчатом катоде определяется не только подводимой мощностью, но и многократным отражением лучистых потоков. Влияние этого эффекта характеризуется коэффициентом самооблученности ψк.к , представляющим собой излучаемую катодом мощность, которая в результате многократных отражений поглощается им обратно. Теоретическое определение ψк.к требу-
ет решения трехмерной задачи, поэтому в [10] предложена методика
15
экспериментального определения ψк.к , что приводит к следующей эмпириче-
ской зависимости:
ψк.к =1,155 Kг - 0,1616 Hреш + 7,366 ×10−3 ,
Dреш
где Kг - коэффициент густоты решетки, равный отношению поверхности,
занятой нитями в решетке Fн, ко всей цилиндрической поверхности решетки
Fк : K г = Fн 
Fк . Учет ψк.к приводит к уменьшению поверхности излуче-
ния в (1 − ψк.к ) раз. Следовательно, величины D и L в формулах (5.1) при этом будут иметь вид
|
4 |
|
I |
2ρ |
(1 − ψ |
к.к |
) |
|
|
|
I U |
2 |
|
|
|
|
I |
э |
|||
D = 3 |
|
|
|
э |
|
|
|
|
; L = 3 |
э |
н |
|
|
|
= |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
||||||||
π |
|
|
U |
2 |
Н2 Р |
|
|
4pНР2ρ(1- ψ |
к.к |
) |
pНРн (1 - ψк.к ) D |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
н |
|
н |
|
|
|
|
н |
|
|
|
|
|
|
|
|
Для повышения эффективности или долговечности ВТКК можно использовать и другие рабочие температуры в диапазоне 1950…2050 К [10].
Расчет подогревного оксидного катода. Для расчета подогревного ок-
сидного катода, состоящего из покрытого оксидом керна и расположенного внутри керна подогревателя, необходимо задать напряжение накала Uн ,
среднее значение катодного тока за период I0 |
и значения |
|
удельных пара- |
||||||||
метров: для керна – |
удельной |
мощности |
накала |
pн = (2,0...3,5) Вт см2 |
|||||||
и постоянной составляющей тока катода |
J0 = (0,05…0,2) |
|
A см2 ; для по- |
||||||||
догревателя – удельной мощности накала |
pн/ |
и удельного электрического |
|||||||||
сопротивления материала ρ (табл. 5.1). |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 5.1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Подогреватель |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
Удельное сопротивление ма- |
Удельная мощность нака- |
||||||||
Материал |
|
териала ρ×106 Ом×см при |
ла pн/ , |
Вт см2 |
при тем- |
||||||
|
|
|
|
|
|
пературе, К |
|
|
|||
|
|
температуре, К |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1300 |
|
1400 |
1500 |
1300 |
|
1400 |
|
1500 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вольфрам |
|
34,1 |
|
37,2 |
|
40,3 |
2,57 |
|
3,83 |
|
5,5 |
Сплав ВМ-50 (50 % − Мо) |
|
35,7 |
|
38,7 |
|
41,0 |
3,8 |
|
5,2 |
|
6,8 |
Сплав ВР-20 (21 % − Re) |
|
56,3 |
|
59,1 |
|
61,8 |
− |
|
3,56 |
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
16 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Расчет керна начинается с определения его поверхности, покрытой ок-
сидом, т. е. испускающей электроны: F = I0 
J0 . Далее, задав форму керна,
исходя из общей формы системы электродов лампы, находим размеры частей керна, покрытых оксидом (обычно весь керн оксидом не покрывают). Это прежде всего охлажденные участки вблизи держателей из-за отвода тепла через них, а также поверхности, эмиссия с которых не нужна (а часто бывает и вредна) для работы лампы. В наиболее часто применяемых цилиндрических конструкциях такими участками являются края протяженностью
= (0,3...0,5) cм и торцы керна.
Таким образом, для цилиндрического керна, задаваясь отношением высоты участка, покрытого оксидом h , к его диаметру D , можно рассчитать
размеры керна и его поверхности, не покрытой оксидом F / :
|
|
= |
π |
h |
|
|
h |
|
/ |
|
D |
к |
|
|
|
|
|
|
|
F = πDк (2 + 0,5Dк ) . |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
, |
h = |
D |
Dк ; |
||
|
|
|
F |
Dк |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
к |
|
||
Принимая во внимание, что излучение с неоксидированной поверхности керна примерно вдвое меньше, чем с оксидированной, можно найти потребляемую мощность накала:
Pн = (F + 0,5F / )Pн.
Для определения рабочей температуры и удельной мощности подогрева-
теля pн/ (табл. 5.1) следует учесть большое количество факторов: материал подогревателя и состояние его поверхности, теплопередачу от подогревателя к керну, самоэкранирование витков или петель подогревателя и т. д. Все это приводит к значительному разбросу значений удельной мощности. Строгое решение данной задачи требует детального анализа тепловых процессов в системе «подогреватель−керн катода» и не поддается аналитическим мето-
дам. Для упрощения можно задать значение Pн/ , в котором перечисленные ранее факторы в определенной мере учитываются исходя из опыта разработчика и имеющихся аналогов. После этого определяют развернутую длину l и диаметр d проволоки подогревателя:
l = |
U |
2 |
Р |
|
d = |
P |
|
|
н |
н |
|
н |
|||
|
; |
|
. |
||||
4π(Рн/ )2 ρ |
π Pн/ l |
||||||
|
|
|
17 |
|
|
|
|
Внутри керна катода подогреватель в мощных электронных лампах обычно свертывается в спираль, которая крепится в пазах изоляторовгребенок из алундовой керамики.
Число витков монофилярной (однозаходной) спирали подогревателя приближенно может быть определено по формуле
nсп = |
H сп |
|
(l H сп )2 -1 |
, |
|
p(Dк - d ) |
|||
|
|
|
||
где Hсп − высота спирали подогревателя (выбирается равной полной высоте катода h + 2 ); Dк − диаметр керна катода. Шаг спирали подогревателя находят из соотношения hсп = Hсп 
nсп .
Проверка на самоэкранирование витков подогревателя проводится по формуле d ≤ 0,4hсп .
Расчет геометрических размеров системы электродов (СЭ). Методика расчета геометрических размеров СЭ приводится для наиболее часто применяемых триодных и тетродных систем электродов электронных ламп.
Расчет межэлектродных расстояний. Для плоской конструкции рас-
стояние «катод−сетка» в триоде и «катод−сетка первая» в тетроде zc(1):
|
|
|
1 2 |
1 4 |
|
|||
z |
( ) |
= 2,9×10 |
−3 (Fd) |
|
I a max |
, |
||
|
(1+ kD) |
|
S |
3 4 |
||||
|
c 1 |
|
3 4 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где F = wh − площадь активной части катода, эмитирующей электроны ( w − |
|
ширина катода; h − высота активной части катода); |
δ − коэффициент токо- |
прохождения, равный отношению тока анода к току катода (Ia Iк ), в первом |
|
приближении может быть задан выражением δ = 1 – |
σ, где σ − коэффициент |
заполнения сетки, равный отношению диаметра |
проводников сеточной |
структуры dc |
к расстоянию между соседними проводниками (шагу) сетки a |
|||||
(s = dc |
a); |
κ − постоянная объемного заряда (постоянная Гринберга). Для |
||||
триода |
κ = (za zc)4 3 |
, для тетрода |
κ = (zc2 zc1 )4 3 |
. Отношение расстояний |
||
«катод−анод» za и «катод −сетка» |
zc в триоде («катод−сетка вторая» |
zc2 и |
||||
«катод−сетка первая» zc1 в лучевом тетроде) выбирается в пределах |
2…6; |
|||||
|
|
|
|
18 |
|
|
D − проницаемость сетки (в лучевом тетроде проницаемость сетки первой
D1 ); Ia max − максимальный анодный ток в рабочем режиме, А; S − кру-
тизна статической анодно-сеточной характеристики в точке, соответствую-
щей |
Ia max , А/В. Величины D, Ia max , S |
определяются режимом использо- |
||||||||
вания лампы; геометрия катода рассчитана ранее. |
|
|||||||||
|
Для цилиндрической конструкции лампы |
|
||||||||
|
|
|
= |
1 + |
|
|
, |
|
||
|
|
zc(1) |
1 + 2HDк |
(5.2) |
||||||
где H = 3,7 ×104 (1 + κD)3 2 |
|
2H |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
S 3 2 |
|
; D - диаметр катода (решетки или керна). |
||||||||
|
|
|||||||||
|
hd |
1 2 |
|
|
к |
|
|
|
|
|
|
|
Ia max |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для подогревного оксидного катода найденное расстояние zc(1) являет- |
|||||||||
ся |
окончательным. Для |
решетчатого |
ВТКК производится |
проверка: |
||||||
2zc(1) ³ hяч . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если 2zc(1) < hяч , то решетчатый катод при расчете zc(1) не может пред-
ставляться, как это требуется в формуле (5.2), сплошной поверхностью. В данном случае необходимо считать его действующую поверхность, которая будет меньше, чем у сплошного катода (рис. 5.3, область между штриховыми линиями) [9].
Расстояние |
zc(1) с учетом реального |
|
|
|||||||||||
размера действующей поверхности может |
p |
2zс(1) |
||||||||||||
быть рассчитано по формуле |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
z |
= |
|
|
|
|
hяч |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 2 |
|
|
|
3 2 |
, |
|
|
||||
|
c 1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
+ |
(1 |
+ kD) |
|
sin 2a |
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
1,7 ×10 |
−6 |
Md |
1 2 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
Ia max |
|
|
|
|
|||
где hяч, α, |
M |
- высота ячейки, |
|
угол |
|
hяч |
||||||||
наклона нитей и число ячеек в решетке |
|
|||||||||||||
|
|
|||||||||||||
соответственно. После определения zc(1) |
|
|
||||||||||||
находят другие межэлектродные расстоя- |
|
|
||||||||||||
ния: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 5.3 |
19
в триоде za , в тетроде zc2 . Для цилиндрической конструкции рассчитывают диаметры сетки Dc и анода Da в триоде или сетки первой Dc1 и сетки вто-
рой Dc2 в тетроде:
Dc = Dк + 2zc , |
Da = Dк + 2za (триод); |
Dc1 = Dк + 2zc1, |
Dc2 = Dк + 2zc2 (тетрод). |
Расчет сеточной структуры. Методика расчета зависит от типа сетки, однако наиболее распространенные конструкции стержневой и спиральной сеток [7] можно рассчитывать по единой методике.
Шаг сетки триода определяют следующим образом:
a = ( )π Dc ln (Dа 
Dc ) .
1 D ln ct h πσ + ln ch πσ
Аналогичным образом находят шаг первой сетки тетрода:
a1 = |
π Dc1 ln (Dc2 Dc1 ) |
|
|
. |
||
(1 D) ln ct h πσ |
1 |
+ ln ch πσ |
1 |
|||
|
|
|
|
|
||
После этого рассчитывают диаметр |
сеточных проводников |
|||||
dc(1) = a(1)σ(1) и задают высоту сеточной структуры исходя из соотношения
Hc(1) ³ h . Для стержневой сетки определяют число сеточных проводников
(стержней) Nc(1) = πDc(1) 
a(1) и задают диаметр dу и число витков Nу упроч-
няющей навивки для обеспечения необходимой жесткости сеточной кон-
струкции. |
Для |
спиральной сетки находят число витков спирали |
Nв(1) = Hc(1) |
a(1) , |
а также выбирают и уточняют в ходе тепловых расчетов |
диаметр dт и число N т траверз для наиболее эффективного отвода тепла.
Приведенная методика расчета межэлектродных расстояний основана на использовании закона «степени трех вторых», что, как указывалось в [2], [5], справедливо лишь для конструкций с равномерным распределением электростатического поля вдоль катода, когда возможно сведение лампы с сетками к эквивалентному диоду. Поэтому после расчета структуры управляющей сетки систему электродов проверяют на сводимость:
zc >> dc , zc ³ 0,8a , za - zc ³ 0,8a (триод);
20