книги из ГПНТБ / Князев А.Д. Элементы теории надежности радиоэлектронной аппаратуры учеб. пособие

чёнйе скорости испарения оксидного слоя катода при повы­ шении напряжения накала относительно номинального зна­ чения. Дезактивация — это уменьшение эмиссионной спо­ собности катода вследствие ослабления диффузии бария в оксидном слое и бомбардировки катода молекулами оста­

Поэтому для повышения надежности ЭВП напряжение на­ кальной цепи необходимо стабилизировать.

Зависимость (5-6) основана на опытных данных, соглас­ но которым 60% всех ЭВП выходят из строя вследствие не­ правильного режима накальной цепи, а остальные 40% — вследствие других причин. Те же опытные данные для ЭВП приемно-усилительного типа говорят о том, что понижен­ ное £ЛіРаб н а несколько % сравнительно с UHU0M может уменьшить относительную интенсивность отказов (рис. 38). Вследствие этого можно устанавливать рабочее напряжение

накала на 2—3% ниже UnH0M. Для обеспечения высокой на­ дежности желательна стабилизация напряжения накала при­

мерно в пределах ±2,5%. Высокая стабилизация напряже­ ния накала, например, требуется для ЭВП долговечной серии Е.

Последовательное соединение ЭВП по накальным цепям ненадежно. Величина сопротивлений нити накала ЭВП не нормируется и напряжение накальной цепи каждого при­ бора при последовательном соединении нитей может зна­ чительно отличаться от номинального даже при стабилиза­ ции источника питания.

В генераторных ЭВП средней и малой мощности не сле­ дует превышать максимально допустимые значения тока че­ рез прибор, что, например, важно для обеспечения надеж­ ной работы в импульсном режиме. Оксидный катод может допускать большой ток эмиссии и в ЭВП с таким катодом регламентируется величина постоянной составляющей ка-

80

тодного тока, поскольку надежность зависит от перегрева катода. Вольфрамовый катод в отличие от оксидного имеет ограниченный ток эмиссии. Поэтому в ЭВП с таким като­ дом нельзя превышать определенный ток эмиссии в импуль­ се.

В мощных ЭВП напряжение на накальную цепь подает­ ся ступенчато во избежание «броска тока», поскольку со-

1,0

Рис. 38. Относительная интенсивность от­ казов ЭВП в зависимости от напряжения накала. В пределах заштрихованного участ­ ка возможна стабилизация напряжения накала

противление цепи меньше в холодном состоянии, и только после разогрева катода до необходимой температуры вклю­ чается анодное напряжение. Это правило особенно надо соблюдать в мощных магнетронах, в которых необходимо следить за температурой катода по «макальной характери­ стике».

Уменьшение надежности ЭВП может происходить вслед­ ствие большого числа включений и выключений накальной цепи. На некоторые типы ЭВП (особенно генераторные) в ЧТУ указывается допустимое число включений.

Режим сеточной цепи. При определении параметров сеточной цепи необходимо учитывать, что помимо прямого (электронного) тока сетки может возникать ток сетки об­ ратного направления. Обратный ток имеет несколько со­ ставляющих, из которых главнейшей является ионный ток,

возникающий благодаря ионизации остаточного газа, а так­ же газа, выделяющегося из стекла баллона, деталей элек­ тродной системы и катода. Ионный ток, протекая по сеточ­

вать исходное отрицательное смещение. Возникающее при этом резкое увеличение анодного тока ЭВП может привес­ ти к внезапному отказу прибора. Поэтому для обеспечения надежной работы ЭВП рекомендуется в его сеточной цепи иметь резистор с возможно наименьшей величиной сопро­ тивления, что особенно справедливо для мощных ЭВП при

надежности. Схемы маломощных каскадов с величиной сме­ щения менее 1 вольта и с большими сопротивлениями утеч­ ки сетки имеют невысокую надежность.

Режим анодно-экранной цепи. Превышение анодного и экранного напряжения ЭВП сравнительно с номинальным увеличивает скорость электронов и вызывает вторичную эмиссию у стекла и элементов электродной системы. Это повышает количество газа, усиливает ионизацию и степень бомбардировки катода атомами и молекулами газа. В ре­ зультате снижается надежность ЭВП в соответствии с за­

Во многих случаях нецелесообразно также и заметное снижение величины Ua, поскольку при этом увеличиваются разбросы параметров ЭВП. Низкое напряжение С/э к р умень­ шает величину отсечки анодного тока. Эти факторы сни­ жают надежность ЭВП по признаку постепенных отказов.

Не следует рассеивать на аноде ЭВП мощность больше номинальной, так как это значительно увеличивает интен­ сивность отказов. Уменьшение долговечности, ЭВП, напри­ мер, приемно-усилительного типа, иллюстрируют данные табл. 5-1.

82

При параллельном соединении анодно-экранных цепей двух ЭВП практически нельзя реалкзова/гь удвоенную вели­ чину рассеиваемой мощности по этим цепям из-за разбро­ сов параметров ЭВП. Это обстоятельство также надо учи­

ных и 220°С для генераторных и усилительных ЭВП сред­ ней мощности. Измерения температуры баллона произво­ дятся на его боковой стенке против центра анода.

Тепловой режим ЭВП определяется электрической на­ грузкой (рассеянием мощности на электродах), температу­ рой окружающей среды и эффективностью теплоотвода. Повышенная мощность рассеяния на аноде приводит к пе­

ускоряется электролиз стекла, что может ухудшить герме­ тичность. Повышенное количество газа приводит к допол­ нительной ионизации, что увеличивает бомбардировку ка­ тода и создает ионный ток. Повышенная температура бал­ лона увеличивает интенсивность отказов ЭВП в соответ­ ствии с приближенной зависимостью

(5-8)

Особенно напряжен тепловой режим у сзерхминиатюрных (0,7erі'см2) и миниатюрных (0,6вт/см2) ЭВП, поскольку они имеют относительно небольшую площадь поверхности баллона. У более габаритных ЭВП (например, металличес­ кой серии) рассеяние мощности около 0,3 втісм2.

В подогревных ЭВП приемно-усилителы-юго типа при температуре стеклянного баллона выше 170°С имеет место существенное снижение надежности (рис. 39). Величину

относительной интенсивности отказов можно уменьшить путем снижения мощности рассеяния на аноде ЭВП, что иллюстрируют графики на рис. 40. Эти графики, показы­ вающие влияние температуры окружающей среды, позволя­ ют заключить, что для повышения надежности работы ЭВП необходимо облегчать их температурный режим.

Рис. 39. Зависимость числа безотказно ра­ ботающих ЭВП приемно-уоилительного ти­ па от температуры баллона (усредненные данные)

Неправильным режимом ЭВП является сочетание макси­ мально допустимой температуры баллона и максимально допустимой мощности рассеяния на электродах. Для повы­ шения надежности ЭВП его тепловой режим должен быть облегчен путем снижения коэффициента электрической на­ грузки

где в числителе — мощности, фактически рассеиваемые в накальной, анодной и экранной цепях, а в знаменателе — номинальные мощности в тех же цепях, указанные в ТУ на ЭВП.

Тепловой режим ЭВП должен облегчаться и конструк­ тивными мерами. Механическая конструкция радиоэлект­ ронного аппарата, компановка его узлов, режимы элемен-

84

тов и пр. должны определяться с учетом возможности отво­ да тепла от ЭВП. Широко должны применяться радиа­ торы и другие теплоотводящие элементы констрз'кции, пер­ форация внутренних экранов, тепловой контакт на масс)'

несущих конструкций, на которых укреплен аппарат, обдув и прочие меры. Должен обеспечиваться хороший тепловой контакт держателей (обойм) сверхминиатюрных ЭВП с шасси (рис. 41), а в некоторых устройствах обдув каждого ЭВП (рис. 42).

Конструкцию стандартного экрана для ЭВП приемноусилительного типа (рис. 43) следует признать ненадежной. Экран создает тепловую изоляцию баллона, что в ряде слу­ чаев может повысить температуру последнего на несколько десятков градусов сравнительно с температурой без экрана

85

при естественном охлаждении (рис. 44). В большинстве случаев такие экраны используются для механического крепления ЭВП. Однако для этой цели предпочтительны другие способы, которые оставляют баллон открытым.

мм

Наиболее \ у нагретая

г точка протиб середи­ ны анода

Как вариант конструктивного решения теплоотвода от баллона ЭВП можно отметить экран с гофрированным пат­ роном, описанным в зарубежной литературе (рис. 45). Пат­ рон, имеющий пружинящие свойства, плотно контактирует с баллоном. Цоколь патрона хорошо отводит тепло на шас­ си. Согласно экспериментальным данным, температура бал­ лона ЭВП при использовании такого экрана может быть значительно снижена сравнительно с температурой при ес­ тественном охлаждении (в одном из примеров 9б°С вместо 138°С).

Особенно напряженным является тепловой режим мощ­ ных генераторных ЭВП, электрический режим которых в целях обеспечения к.п.д., близок к номинальному. Темпера­ турный режим мощных ЭВП можно улучшить, укрепив на баллоне обойму с радиатором. В большинстве генератор­ ных СВЧ ЭВП радиаторы предусматриваются конструк­ цией. Нормальная работа мощных ЭВП обеспечивается лишь при обязательном выполнении ряда требований к их тепловому режиму.

Особые режимы. К ним можно отнести дежурный ре­ жим, в котором включен только накал (нет анодного тока)

87

и режим с малым отбором тока. В процессе эксплуатации ЭВП на границе керн-оксидное покрытие катода возникает промежуточный слой из ортосиликата бария, наличие кото­ рого снижает крутизну характеристики прибора, приводя к преждевременному выходу этого параметра за нормы ТУ.

. Пружинный держатель тшп'Ы

\(ощриро6анный патрон из отр­ аженной 5ершілиеЬой оронзы-

Внешний патрон с черной маг тобой отделкой (экран)

Байонетный замок _

цокопь из ffepunftheboß бронзы, отбодящий. теп'по на Шасси.

Рис. 45. Конструкция экрана держателя ЭВП с улучшенным теплоотводом

В нормальном режиме ЭВП промежуточный слой увеличи­ вается медленно. В дежурном режиме и при малом отборе тока он возрастает быстро. Для повышения надежности ЭВП по постепенным отказам рекомендуется в дежурном режиме снижать напряжение накала, поддерживая его ниже номинального на 20% и более. Импульсный режим ЭВП также способствует возрастанию промежуточного слоя, по­ скольку в промежутках между импульсами нет отбора тока.

На надежность ЭВП подогревного типа влияет режим цепи катод—подогреватель. Напряжение между этими элек­ тродами должно быть возможно малым и во всяком случае не превышать норм ТУ. Вероятность пробоя изоляции ка­ тод — подогреватель повышается, если напряжение в этой цепи знакопеременно или положительно относительно ка-

88

тода. Ток утечки в этой цепи возрастает при увеличении разности потенциалов и температуры подогревателя.

Режим механических нагрузок. Надежность ЭВП при механических нагрузках зависит от конструкции, тщатель­ ности изготовления и размеров ЭВП. Принципиально сверхминиатюрные ЭВП более надежны, чем, например, пальчиковые, что объясняется уменьшением размеров и мас­ сы электродов. Показателем механических свойств ЭВП являются «виброшумы», происхождение которых опреде­ ляется перемещением электродов при воздействии вибра­ ции, благодаря чему изменяются токи через электроды.

Имеет значение также и направление сил вибрации и ударов. При размещении ЭВП их целесообразно устанав­ ливать так, чтобы оси совпадали с наиболее вероятным на­ правлением сил. Для повышения механической надежности ЭВП целесообразно амортизировать аппарат (блок), в ко­ тором используется ЭВП.

Полупроводниковые приборы (ППП) более надежны сравнительно с ЭВП. Их À-характеристики примерно на по­ рядок лучше, чем у ЭВП, но, однако, хуже, чем у пассив­ ных элементов, таких, как резисторы и конденсаторы.

Внезапные отказы ППП проявляются в виде резкого увеличения обратного тока /к о, пробоя электронно-дырочно­ го перехода (лавинообразного возрастания неосновных но­ сителей зарядов), механического нарушения контактов внутри прибора, выводов и пр.

Однако более типичным для ППП являются постепен­ ные отказы из-за медленного изменения параметров под влиянием различных случайных процессов старения. По этим признакам надежность ППП в значительной степени зависит от чистоты полупроводникового материала, точно­ сти дозировки акцепторов и доноров и состояния поверх­ ности полупроводника. Последнее обстоятельство оказы­ вает большое влияние на скорость рекомбинации основных и неосновных носителей зарядов, которая влияет на ста­ бильность работы ППП. Состояние поверхности полупро­ водника зависит от ее структуры (например, окисления, на­ личия микротрещин) и степени загрязнения, в том числе молекулами воды. При увеличении влажности на поверхно­ сти полупроводника, например, возрастает обратный ток Л>бр (рис. 46). Поэтому технологический процесс производ­ ства должен обеспечивать как отсутствие абсорбированной влаги на поверхности полупроводника, так и надежную гер-

89