книги из ГПНТБ / Кушманов И.В. Электронные приборы учеб. пособие

требуются большие накальные токи, поэтому сечение катода выби­ рают большим, а для получения требуемого тока эмиссии увеличи­ вают поверхность катода, выполняя его в виде ленты, свернутой в бифилярную спираль. В результате компенсируется магнитное поле катода, которое могло бы нарушить нормальную работу прибора за счет магнетронного эффекта.

Очень мощные газотроны имеют подогревный катод. Примером такой конструкции является катодный узел, показанный на рис. 5.16. Подогреватель из вольфрамовой проволоки свит в бифилярную спираль. Для увеличения поверхности катода’ к катодному ста­ кану приварены молибденовые диски, покрытые оксидом. Тепловые экраны повышают экономичность катода, предохраняют его от ион­ ной бомбардировки и задают требуемый тепловой режим работы прибора. Эта конструкция аналогична конструкции катодов тират­ ронов дугового разряда.

Основной характеристикой газотрона является анодная (рис. 5.17а). Для снятия этой характеристики собирают схему, приведен­ ную на этом же рисунке. При включении газотрона, как и любого ионного прибо­ ра, необходим ограничительный резистор- R в анодной цепи, который ограничивает ток через прибор. Чрезмерное увеличение тока может вывести прибор из строя.

При повышении напряжения на аноде газотрона (участок ОА характеристики) ток определяется электронами, прошед­ шими слой минимального -потенциала ѵ поверхности катода іи ускоренными по­ лем анода. В этом режиме газотрон ра­ ботает аналогично обычному вакуумно­ му диоду, но с меньшим анодным током (порядка сотен микроампер) из-за боль­ шого расстояния между анодом и като­ дом. Как только напряжение на аноде достигнет значения ІІ3, между анодом и катодом возникнет дуга. Она образует плазму, т. е. сильно ионизированную га­ зовую среду, характеризующуюся почти полным равенством концентраций поло­ жительно и отрицательно заряжен­

ных частиц. Образовавшиеся ионы компенсируют пространствен­ ный заряд электронов и резко увеличивают проводимость среды. Поэтому анодное напряжение падает на меньшем промежутке (рис. 5.-18), что увеличивает напряженность поля и снижает мини­ мум потенциала у катода. Ток анода резко возрастает, а напряже­ ние на аноде (напряжение горения Ur) уменьшается, так как уве­ личивается падение напряжения на ограничительном -резисторе R. При этом меньшем напряжении Ur дуга в разрядном промежутке

310

поддерживается за счет увеличения числа ионизации при боль­

Е, которое превышает 100 В. Потенциаль­ ная диаграмма показывает, что поле вблизи анода слабое и анод­

ный ток в основном определяется электронами, попадающими на анод в результате их хаотического теплового движения в плазме. Ионной составляющей тока можно пренебречь из-за значительно меньшей подвижности ионов по сравнению с электронами. Плот­ ность потока электронов /я в плазме через единичную площадку в одном направлении — величина постоянная.

Анодный ток газотрона из-за хаотического движения электро­ нов равен іа= /У7, где П — поверхность анода. Если га больше ве­ личины, определяемой ограничительным резистором, то избыточное количество электронов, попадающих на анод, приведет к тому, что между анодом и плазмой появится тормозящее поле, пропускающее из плазмы на анод только наиболее быстрые из хаотически дви­ гающихся электронов, и потенциал анода уменьшится (кривая 2 •па рис. 5.18). Величина тормозящего поля ДU2 определяет число электронов, попадающих на анод в единицу времени, и устанавли­ вается такой, что ток іа становится равным E/R.

С увеличением Е или уменьшением R ток возрастает, что умень­ шает тормозящее поле между анодом и плазмой. Когда число хао­ тически двигающихся электронов, попадающих на анод в единицу времени, станет недостаточным для поддержания увеличивающего-_ ся тока, потенциал анода возрастет и поле между плазмой и ано-' дом превратится в ускоряющее. Оно будет создавать направленное движение электронов на анод из области прилегающей к нему плазмы (рис. 5.18, кривая 3). При дальнейшем увеличении тока это ускоряющее поле проникнет глубже к катоду и, наконец, достиг­ нет прикатодной области. Это приведет к рассасыванию отрица­ тельного пространственного заряда у поверхности катода. Ток ано­ да станет равным току эмиссии катода (режим насыщения), что соответствует точке С на анодной характеристике (рис. 5.17). Те-

311

перь ничто не мешает ионам бомбардировать катод, и при доста­ точной энергии ионов он выходит из строя. Напряжение на аноде, при котором разрушается катод, называется критическим. Рабочий участок характеристики газотрона лежит в области ВС.

При недокале анодная характеристика примет вид кривой 2 (рис. 5.17) и режим насыщения наступит в точке С', рабочий уча­ сток В'С' сократится. В ртутных газотронах на этом участке из-за увеличения U3 и Ur катод может разрушиться. Поэтому при экс­ плуатации ионных приборов с термокатодами сначала включают накал и только после того, как установится тепловой режим, пода­ ют напряжение на анод. Если напряжение на анод подать раньше, чем на катод, последний может разрушиться. В паспорте таких приборов обычно указывается минимальное время разогрева. У га­ зонаполненных приборов оно меньше, чем у ртутных. Выключение производится в обратном порядке.

При изменении теплового режима газотрона давление газа или пара в баллоне газотрона меняется. Это, в свою очередь, приводит

кизменению коэффициента объемной ионизации и, как следствие,

кизменению U3 и UT. Газотроны должны работать в определенном тепловом режиме; в паспорте для них указывается допустимая

температура окружающей среды: для ртутный газотронов — от + 15 до +50°, для газонаполненных — от —20 до +60°. Минималь­ ная температура ограничивается увеличением U3 и Ur (уменьшает­ ся р), а максимальная — уменьшением напряжения обратного за­ жигания.

При работе газотрона в схеме выпрямления в те полупериоды, когда на аноде отрицательное напряжение, ноны, не успевшие ре­ комбинировать, притягиваются им и при высоком отрицательном потенциале могут приобрести энергию, достаточную для выбива­ ния вторичных электронов с анода. В свою очередь, вторичные электроны ускоряются к катоду и на своем пути ионизируют моле­ кулы наполнителя. Образовавшиеся ионы вновь выбивают электро­ ны с анода, и, таким образом, между анодом и катодом зажигает­ ся обратная дуга, что приводит к двусторонней проводимости газо­ трона и разрушению его катода.

Для увеличения напряжения обратного зажигания U03 материал анода должен иметь минимальный коэффициент вторичной эмис­ сии. С увеличением тока через прибор U03 уменьшается из-за бо­ лее интенсивной бомбардировки анода ионами. Наличие экранов улучшает условия деионизации и повышает напряжение ІІ0-3. В ртутных газотронах допустимое обратное напряжение (определяе­ мое напряжением обратного зажигания) гораздо выше, чем в газо­ вых (до 20 кВ).

Для защиты радиолокационных цепей применяют клипперный (защитный) водородный диод — газоразрядный диод с подогрев­ ным катодом металлокерамической конструкции, допускающий об­ ратное напряжение до 15—20 кВ при среднем токе, не превышаю­ щем единиц ампер, а импульсном токе — сотни ампер.

Ш

ясняется тем, что отрицательно заряженная сетка притягивает ионы из плазмы, которые образуют вокруг нее ионную оболочку и

Рис. 5.20. Характеристики тиратрона:

а) анодно-сеточные (кривые 1, 2), сеточные (кривые 3, 4) и пус­ ковая (кривая 5); б) пусковые области

I — лрн редкой сетке; 2 — при густой сетке

314

нов плазмы может преодолеть тормозящее поле сетки и достичь ее. При положительном напряжении на сетке ее поле компенси­ руется оболочкой электронов, притянутых из плазмы. Электроны создают электронный ток сетки, который может быть очень боль­ шим из-за их большей подвижности і(по сравнению с ионами). Для предотвращения перепрева сетки этим током в ее цепи ставят ограничительный резистор, минимальное сопротивление которого определяется допустимым сеточным током. Погасить разряд мо­ жет только очень большое отрицательное сеточное напряжение, под действием которого ионные оболочки соседних витков сетки сомкнутся. Однако напряжение более ШО В практически не ис­ пользуется и для гашения, разряда снимают напряжение с анода. Если подать меньшее напряжение £ 'ана анод, то разряд возникнет при менее отрицательном напряженки ІІ'эсна сетке. Характеристи­ ки для этого случая приведены на рис. 5.20а.

Пусковая характеристика — основная характеристика тиратро­ на. Она отражает связь между напряжениями на аноде и на сетке н момент зажигания (рис. 5.20а, кривая 5). Положение пусковой характеристики зависит от конструкции и режима работы тиратро­ на, поэтому указывают пусковую область (рис. 5.206), ограничен­ ную двумя крайними пусковыми характеристиками семейства. У тиратронов с более густой сеткой пусковая область смещается вправо (область 2 на рис. 5.206). Ширина пусковой области зави­ сит от сопротивления ограничительного резистора в цепи сетки, ве­ личины тока через тиратрон, плотности газа или паров и частоты питающего анод напряжения.

Предразрядный ионный ток, который протекает в цепи сетки •при положительном полупериоде напряжения на аноде, создает на ограничительном резисторе падение напряжения, уменьшающее реальное отрицательное напряжение между сеткой и катодом ти­ ратрона, поэтому дуга зажигается при меньшем анодном напряже­ нии, т. е. пусковая характеристика смещается влево. При большем сопротивлении характеристика смещается сильнее, что ограничива­ ет его величину. Смещение также увеличивается при большем предразрядном токе, который зависит от .среднего тока, протекавшего ранее через тиратрон, и частоты напряжения, питающего анодную цепь.

ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА ТИРАТРОНОВ

Диапазон рабочих частот тиратрона не превышает де­ сятков килогерц и в основном определяется временем восстановле­ ния управляющего действия сетки. Время восстановления зависит от времени деионизации. После прекращения разряда концентрация ионов в разрядном, промежутке вследствие деионизации в объеме и ухода их на анод и сетку уменьшается. При этом для компенса­ ции заряда сетки требуется больший объем ионной оболочки. По

315.

мере уменьшения концентрации ионов ширина ионных оболочек, •окружающих витки сетки, растет и в тот момент, когда они пере­ крываются, сетка восстанавливает свое управляющее действие.

Если на анод тиратрона положительное напряжение подать раньше, чем сетка восстановит свое управляющее действие, тират­ рон зажжется при меньшем напряжении на аноде, что нарушит его ■нормальную работу. Уменьшение ограничительного сопротивления в цепи сетки увеличивает ее ионный ток, а это уменьшает время деионизации и повышает рабочую частоту. Для нормальной рабо­ ты тиратрона время восстановления управляющего действия сетки должно быть меньше половины периода напряжения, питающего аёпь анода.

Время развития лавинного разряда на порядок меньше времени деионизации и поэтому практически на частотные свойства ионных приборов не влияет. Деионизация происходит быстрее на поверхно­ сти, чем в объеме, поэтому включение в тиратрон дополнительной экранирующей сетки, выведенной на цоколь или соединенной с ка­ тодом, уменьшает время деионизации. В связи с этим экранирован­

ный тиратрон имеет более высокую граничную

■котором напряжение зажигания зависит от напряжения на сетке. Ори большем напряжении на аноде между ним и сеткой возникает тлеющий разряд, образующиеся ионы компенсируют отрицательный заряд управляющей сетки, и между анодом и 'катодом зажигается рабочая дуга.

Тиратроны применяют в управляемых выпрямителях, релейных устройствах, для построения релаксационных генераторов, в авто­ матике и т. д. Простейшая схема управляемого тиратронного вы­ прямителя приведена на рис. 5.23. Переменное напряжение со вто­ ричной обмотки силового трансформатора поступает в анодную ■цепь тиратрона. Момент зажигания определяется по пусковой ха­ рактеристике. Когда тиратрон не проводит ток, напряжение на его ■аноде повторяет напряжение на вторичной обмотке трансформато-

316

pa e. После зажигания напряжение на аноде тиратрона падает и остается, почти постоянным и равным >UT. В это время через тират­ рон и нагрузку протекает ток, повторяющий по форме приложенное

Рис. 5.23. Схема управляемого выпрямителя и ее характерис­ тики

напряжение. Меняя напряжение на сетке, можно регулировать вре­ мя, в течение которого тиратрон проводит ток от полупериода до четверти периода. Таким образом, среднее значение выпрямленного тока можно регулировать от мак­ симального значения до половины этого максимального значения.

Другие схемы обеспечивают более широкие пределы регулировки.

ИМПУЛЬСНЫЙ

ВОДОРОДНЫЙ

317

6 г л а в а

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА

6.1. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

Классификация и основные определения

Ф отоэлектрическим прибором называют электровакуум­

ный или полупроводниковый прибор, электрические свойства котого (сила тока, внутреннее сопротивление или электродвижущая си­ ла) изменяются под действием падающего на него излучения.

В зависимости от вида используемого фотоэффекта различают следующие типы фотоэлектрических приборов.

Электровакуумные фотоэлементы — приборы, в которых ис­ пользуется фотоэлектронная эмиссия, обусловленная исключитель­ но действием излучения, поглощенного твердым телом (внешний фотоэффект).

По степени разреженности газа в электровакуумных фотоэле­ ментах различают высоковакуумные фотоэлементы с электронным разрядом и газонаполненные фотоэлементы с темным разрядом. Высоковакуумный фотоэлемент, в котором ток фотоэлектронной эмиссии усиливается благодаря вторичной электронной эмиссии, на­ зывается фотоэлектронным умножителем (ФЭУ).

Фоторезисторы — полупроводниковые приборы, действие кото­ рых основано на использовании фотѳрезистивного эффекта (внут­ реннего фотоэффекта), т. е. изменения электрического сопротивле­ ния полупроводника в результате поглощения излучения. При этом различают положительный фоторезистивный эффект, если под действием излучения сопротивление уменьшается, и отрицательный фоторезистивный эффект, если сопротивление увеличивается.

Полупроводниковые фотоэлементы, иначе фотогальванические элементы,— полупроводниковые приборы, действие которых осно­ вано на использовании фотогальванического эффекта, т. е. возник­ новения в результате поглощения излучения фотоэдс между двумя разнородными полупроводниками или между полупроводником и металлом, разделенными электрическим переходом. Полупроводни­ ковые фотоэлементы непосредственно преобразуют энергию излу­ чения в электрическую без потребления энергии от источников пи­ тания.

319