§ 5. Фізичні основи роботи електронних ламп

Взаємодія рухаючихся електронів з електричним полем являєть ся основним процесом в електронних та іонних приладах.

Основні властивості електрона. У відповідності з електронною теорією речовина має атомну будову. Атом будь-якої хімічної ре­човини складається з позитивно зарядженого ядра, навколо якого обертаються на визначених орбітах електрони, електроном нази­вається дуже мала частка, яка має негативний електричний за­ряд. Ядро кожного атому, окрім атома відаю, складається із визначеної кількості елементарних часток - нейтронів та прото­нів. Нейтрон електрично нейтральний, протон має позитивний за­ряд, який за величиною дорівнює заряду електрона. Кількість протонів в ядрі відповідає атомному номеру елемента.

Електрони мають слідуючі основні властивості:

1. в електричному полі електрони зазнають вплив сили і самі можуть утворювати електричне поле;

2. електрони відштовхуються один від одного;

3. під час руху електрони утворюють електричний струм. Отже, подібно до електричного струму, проходячому по проводу потік електронів створює магнітне поле і в поперечному магнітному полі сам відчуває вплив сили;

4. знаходячись у русі, електрон володіє кінетичною енергією, ари зіткненні електронів з яким-небудь тілом їх

5. 5. Завдяки великому заряду електрон володіє великою рухо­містю.

Рух електрона в електричному полі. Для того, щоб створити в електронній лампі направленний потік електронів необхідна наяв­ність електричного поля. Таке поле можна створити між двома пластинами, на які подають напругу U (рис. І, а). До пластин під'єднують батарею (плюс до аноду, а мінус до катоду). Якщо відстань сі між пластинами мала в порівнянні а їх лінійними розмірами, то електричне поле між пластинами можна вважати однорідним. Його напруженість при цьому дорівнюй E=U/D, а силові лінії направлені від аноду до катоду. Із катоду К вилітають електрони, володіючі деякою початковою швидкістю U₀. На електрод, який знаходиться в електричному полі, діє сила F= е * Е, прогнуча перемістити електрон назустріч елек­тричному полю, При русі швидкість електрона зростає. Робота, ЯКЙІ витрачаються на" переміщення одного електрона від катоду до аноду рівняється добутку діючої сили г «а відстань між електродами d, таким чином А = е Еd = еU.

Якщо відома відстань між катодом і анодом, то можна знайти час прольоту електрона між ними. Цей параметр характеризує частотні властивості лампи. Звідси знаходимо швидкість електро­на в кінці шляху

U= 2 ^e\ m_{o U,}

де е = 1,6-10¹⁹ к заряд електрона ; m_o = 9,1* І0 ²⁸ г маса .

_{Підставив значення відношення E\mo , отримуємо U = 600 \/ .}

Час прольоту електрона від катода до анода буде t 2 d/u = 2 .d / ( 600 V ) . Якщо відстань d визначити в міліметрах, швидкість – в км/с, а час - в с, то формула для розрахунку часу прольоту електрона буде мати такий вигляд:

T = 0,33 ∙ 10^-8 d / √U.

Таким чином, швидкість, набута електроном під час руху в прискорюючому полі, залежить тільки від різниці потенціалів. Так, наприклад, при U= 10 В швидкість рівняється V= 1800 км/c; при U= 100 В – V=6000 км/с і т. д.

При таких великих швидкостях електронів, всі процеси в при­ладах, пов'язані з рухом електронів, протікають дуже швидко і складають долі мікросекунди. Тому роботу більшості електронних приладів можна вважати практично безінерційною.

Фізична сутність електронної емісії.

Процес виходу електронів із твердих та рідких тіл в навко­лишнє середовище називається електронною емісією. В металах, з яких виготовляють катоди електровакуумних ламп, є велика кіль­кість вільних електронів, які знаходяться в хаотичному русі. Бони володіють визначеною кінетичною енергією, яка залежить від температури катоду, ари звичайній температурі для більшості електронів власної енергії недостатньо для їх виходу з металу. Виходу електронів перешкоджає, по-перше, сила притягнення по­зитивних зарядів усередині металу, створених після вильоту швидких електронів, і по-друге, гальмуюче поле електричного шару (так званої електричної хмари), створеного в безпосеред­ній близькості до поверхні металу вийшовшими в нього найбільш швидкими електронами.

Таким чином, для того, щоб залишити метал, електрон повинен здійснити відповідну роботу з подолання сил зворотнього притягнення до металу. Ця робота носить назву роботи виходу. Вона залежить від властивостей метилу і звичайно виміряється в електроновольтах (ЕВ). Робота характеризує емісійну здатність металів та виготовлення з них катодів. В залежності від спо­собу надавання електронам додаткової енергії розрізняють такі види електронної емісії: термоелектронну; фотоелектронну, електростатичну (автоелектронну) та вторинну електронну емі­сію.

Термоелектронною називають емісію, обумовлену виключно теп­ловим станом (температурою) твердого тіла, випускаючого елек­трони. При кімнатній температурі емісія електронів з металу практично не спостерігається, так як тільки деякі електрони во­лодіють енергією, достатньою для виходу з металу. При нагрі­ванні металу швидкість та енергія електронів зростає і стає достатньою для звершення ними роботи виходу і електрони зали­шають метал. На явищі термоелектронної емісії засновано принцип дії термокатодів, які широко використовуються з електровакуум­них приладах.

Фотоелектронною називається емісія, яка виникає під діянням променевої енергії, падаючої на поверхню катода. Фотоелектронна емісія може бути викликана як променями видимого світла, так і інфрачервоними, ультрафіолетовими, рентгенівськими, а також гама-променями, виникаючими від радіоактивного випромінювання. Явище фотоелектронної емісії застосовується в електровакуумних фотоелементах, фоторезісторах та інших приладах. Електростатичною (автоелектронною] електронною емісією на­зивають емісію електронів з металу під цією потужнього електро­статичного поля, цей вид емісії знаходить застосування в ртут­них вентилях та деяких газорозрядних приладах.

Вторинною електронною емісією називають емісію електронів, які вибиваються із металу при бомбардуванні іншими електронами. Електрони, вдаряючись об метал (їх називають первинними), на­дають свою енергію електронам, які знаходяться в поверхневому шарі метала. Ці електрони {їх називають вторинними) вилітають з металу, створюючи роботу виходу. Відношення кількості вто­ринних електронів до кількості первинних електронів характери­зує інтенсивність емісії і називаеться коефіцієнтом вторинної електронної емісії. Вторинна електронна емісія знаходить за­стосування в деяких електровакуумних приладах: фотопомножувачах, передаючих телевізійних трубках і т. ін.

Короткі відомості про катоди. Катоди розрізняють в залеж­ності від матеріалів, з яких вони виготовлені (катоди з чистих металів; плівочні, або активовані, напівпровідникові катоди), та по способу нагрівання прямого тю зварювання, непрямого роз­жарювання . Різні метали володіють різною роботою виходу, а відповідно і різною емісійною здатністю. Найбільш вигідними є ті метали, які володіють малою роботою виходу та можуть ви­тримувати високі робочі температури.

Катоди з чистих металів, до цієї групи відносяться катоди, виготовлені із вольфраму (рідше з танталу). Вольфрам - туго­плавкий метал з температурою плавлення біля 3600 °С. Емісія електронів забезпечується при температурі 2000 °С. Основною позитивною якістю вольфрамового катоду є стійкість його емісії та змога парів вольфраму вступати а хімічні з'єднання з газами які залишаються в лампі після відкачки, що покращуй вакуум лам пи. вольфрамовий катод застосовується головним чином у високо­вольтних випрямляючих та потужних генераторних лампах.

Активовані катоди. Недоліком вольфрамового катоду « велика робота виходу. Для зменшення роботи виходу вольфрамовий дріт покривають активним шаром. Раніше застосовуватися торовані ка­тоди, в яких до вольфраму додавалася невелика кількість торія. Недоліком ціх катодів - чутливість до перегріву, що призводе до різкого зменшення струму емісії і скорочення терміну служ­би катоду. Нині застосовуються карбідовані катоди, в якіх до вольфраму додається торій та вуглець. Вони можуть працювати пр більш високих температурах без руйнування активного шару. Їх застосовують у потужних лампах, працюючих при напрузі до де­кількох тисяч вольт.

Напівпровідникові катоди. В ціх катодах основа виконується у вигляді вольфрамової або нікелевої основи, котру покривають тонким шаром оксидів та солей барія, стронція та кальція (та­кі катоди наливають оксидними/. Оксидні катоди володіють мена­дою роботою виходу. Це дозволяє отримати більшу термоелектрони; емісію при порівняно невисоких температурах (630...830 ⁰С).

Конструкція катодів. По конструктивному виконанню всі катоди можна розділити на дві

великі групи: прямого розжарювання та непрямого.

В катодах прямого розжарювання струм тече безпосередньо по нитці, яка випускає електрони. Катоди прямого розжарювання ви­конуються звичайно у вигляді тонкого дроту або стрічки, які гнуться відповідно з формою інших електродів плоскої або ци­ліндричної конструкції. Катоди закріплюються на струмопроводячих тримачах і розтягуються пружинами, закріпленими на ізоляторах (рис. 2).

Недоліком катоду прямого розжарювання є те, що при живленні розжарювача змінним струмом при тонких нитках, маючим малу теплову інерцію, пульсує температура катоду і як наслідок, і струм емісії, і я навантаженнях електронних приладів з'явля­ються низькочастотний "фон"»

В катодах непрямого розжарювання поверхня, яка випускає електрони, електрично ізольована від нитки розжарювання (підігрівача). Найбільш поширень в лампах конструкція непрямого катоду, являючого собою пустотілий нікелевий циліндр І (рис.3) з ок­сидним покриттям 2, усередині якого є підігрівач у вигляді пет­лі або спіралі з вольфрамового дроту 3, ізольованого від ци­ліндра алундовим покриттям 4 (окислом алюмінія Al₂0₃ циліндра робиться третій відвід, ізольований від виводів нитки розжарювання. Недоліки таких катодів полягають в тому, що для нагрівання витрачається велика потужність та більш тривалий час розігрівання (16 ...20 с). Достоїнство непрямих катодів - у тому, що вони мають у всіх точках однаковий потенціал та во­лодіють великою тепловою інерцією, тому вони практично не дають пульсацій СТРУМУ емісії при живленні розжарювача змінним стру­мом.

§ 6. Двоелектродні лампи Будова діода. Діод являє собою найпростішу електровакуумну лампу, яка має тільки два електроди: анод та катод. Катод мо­же бути прямого чи непрямого розжарювання. Анод 3 може бути циліндричним (рис. 4), її або плоскої (рис. 4,б) форми, вико­нується з нікеля і має ребра для збільшення поверхні охолод­ження.

Катод 2 розміщується усередині аноду. Обидва електроди за­кріплюються на тримачах (траверсах: 4 в скляній ніжці 5, яка впаюється в скляний або металевий балон І. Від тримача через скляну ніжку проходять виводи 6електродів до металевих штирків 9 карболітового цоколя 8. В балоні створюється вакуум

1,3∙10^-4…1,3∙10^-5 Па.

При виготовленні лампи відкачується не тільки повітря, яке було в балоні, але із скла барону та електродів вилучаються гази, які були в порах речовини. Для цього балон прогрівають у спеціальній печі до температури 400...450 °С, а електроди розігрівають до червоного каління струмоми високої частоти, які індуктуються в них спеціально створеним магнітним полем. Гази, які виділяються при високої температури з деталей лампи, відкачують насосами, після чого балон запаюють.

Для видалення залишків газу, не відкачаних насосами, слу­жить газопоглинач - гетер 7. В якості газопоглинача викори­стовується хімічно активна речовина (звичайно барій або його сполуки)яке розміщується на спеціальній поличці при зби­ранні електродів лампи та після відкачки нагрівається і роз­порошується усередині балону. При цьому гетер з'єднується з залишками газу та осідає на стінках балону, утворюючи темний наліт. ^ ' ' ,

Ланцюги діода, діод з катодом прямого розжарювання має

три Виводи - два рід катоду (нитки розжарювання) та один від аноду (рис. 5, а,), а при непрямому катоді - чотири виводи: два від нитки розжарювання, один від катоду та один від ано­ду (рис. 5, б)

В процесі робити діоду на нитку розжарювання подається напруга для розігріту термоелектронного катоду, а на анод - напруга для створення усередині лампи електричного поля та керування потоком електронів_, вилітаючих з катоду. На рис. 6 зображені схеми ввімкнення в електричний ланцюг діода з катодом прямого розжарювання та з катодом непрямого розжарювання.

Як видно з рис. 6 схема ввімкнення діода складається з двох ланцюгів:

1) ланцюг розжарювання створюється джерелом розжарювання, ниткою розжарювання та з’єднуючими проводами; в цьому ланцюзі тече струм розжарювання І _н, а це кінцях нитки розжарювання діє напруга U_н; в лампі з катодом прямого розжарювання (рис. 6, а) для живлення ланцюга розжарювання використовується джерело постійного струму; в лампі з катодам непрямого розжа­рювання ірис. 6, б) - джерело змінного струму;

2) ланцюг аноду складається з джерела анодної напруги Е_а , проміжна в лампі "анод - катод лампи» та з'єднувальних проводів.

Щоб електрони, вилітаючі з катоду, попали на анод, елек­тричне поле в лампі повинно бути для них прискорюючим; тому на анод подається позитивна напруга від джерела живлення відносне аноду.

Різниця потенціалів між анодом та катодом називаються анодною напругою U_a .

Електрони, які попадають на анод, утворюють в його ланцю­гу струм, так званий анодний струм І_a.

Принцип роботи діода заснований на явищі термоелектронної емісії та рухові електронів в електричному полі. При розжарю­вані до необхідної температури катод починає емітувати елек­трони. Якщо ввімкнути анодну батарею Е_а позитивизм полюсом до аноду, а негативним до катоду, то під дією електричного поля між анодом та катодом вилітаючої з катоду електрони поч­нуть перемінятися до аноду. У результаті цього я проміжку катод—анод виникає струм, який і в зовнішньому ланцюгу викликає електричний струм. Цей струм називають анодним струмом.

Якщо змінити полярність анодного джерела живлення, тобто підключили його позитивний полюс до катоду, а негативний по аноду, то електрони, відштовхувані негативним полем анода, вертаються на катод. Внаслідок цього струм в лампі відсутній, тобто вона "вичинена*. Отже, усередині діода струм може текти тільки в одному напрямку - від анода до катода. Спроможність пропускати струм лише в одному напрямку називається випрямляючою властивістю електровакуумного діода.

Характеристики та параметри діода.

При виборі електронних ламп для роботи в різних схемах ке­руються їх характеристиками та параметрами, які наводяться в довідниках.

Анодна характеристика діода показує собою залежність анодного струму І_а від анодної напруги U_а (рис. 7 б) при не­змінній напрузі розжарювання. Для виявлення цієї залежності використовується схима, яка зображена на рис. 7_a . Напругу розжарювання регулюють змінним резістором RI та виміряють вольтметром Р√I . Струм розжарювання контролюють амперметром РАЇ, У ланцюг,⁵' аноди за допомогою резістора R2 встановлюють різні значення анодної напруги, які виміряють вольтметром Р√2. Анодний струм виміряють міліамперметром РА2.

При U_a ⁼ 0 анодний струм також рівен нулю, так як нема прискорюючого електричного поля, а негативний об’ємний заряд гальмує рух електронів і вони повертаються на катод.

З збільшенням анодної напруги струм спочатку росте поволі, а потім прискорюється. В нижній частині характеристики (рис. 7 б )це пояснюється впливом негативного об'ємного заряду. В міру збільшення анодного струму йде розсмоктування об*ємного заряду (відрійок ОА). Цей відрізок приблизно можна зважати лінійним.

ІІри подальшому збільшенні анодної напруги прискорююче поле аноду отав настільки великим, що об'ємний заряд зовсім розсмоктується, і всі електрони, які вилетіли з катоду, попадають на анод. Цей режим роботи лампи відповідає похилій частині харак­теристики АВ, яки; мав назву режиму насиченості. В цьому режи­мі ступінь збільшення анодного струму залежить від матеріалу катода. Для вольфрамових катодів анодний струм в режимі наси­чення значно не змінюється; у активованих катодів робота ви­ходу меньше і режим насичення характеризується більшою залеж­ністю струму від напруги та більш крутим нахилом відрізка на­сичення; для оксидованих катодів емісія грає велику роль при створювані анодного струму, який вельми залежний бід напруги навіть в режимі насичення, крім того, анодний струм дуже зале­жить від температури катоду, тобто від напруги або струму роз­жарювання. Чим вища напруга розжарювання, тим більше анодний струм в режимі насичення. Це викликано тим, що з підвищенням температури катоду зростає емісія електронів з його поверхні.

Важливою властивістю анодної характеристики діода є її не ЛІНІЙНІСТЬ.

Для якісної оцінки властивостей діода служить його парамет­ри, які характеризуються сукупністю різних фізичних величин та технічних показників. Такими параметрами є:

Крутість характеристики S показує, як міняється анодний струм при зміні анодної напруги на І В

S= ∆ I _a / ∆ U_a MA/B

Крутість визначають, користуючись анодною характеристикою Рис. 8. Відмітимо на прямолінійному відрізку цієї характерне тики будь-яку точку А. Для цієї точки анода напруга буде Uаi, a струм І aі. Збільшимо напругу на аноді до величини U_a2 . При цьому анодний струм збільшиться до значення І_a2 .

Звідси крутість рівняється :

Крутість характеристики для багатьох діодів лежить в межах І...50 мА/В.

Внутрішній опір, Параметр лампи, який показує на скільки вольт треба змінити анодну напругу, щоб анодний струм змінився на І А.

Його можна знайти по заданій характеристиці для заданої точки А (рис. 8) як відношення приросту анодної напруги до приро­сту анодного струму.

Внутрішній опір являється величиною, зворотньою крутості лампи:

Не слід змішувати величину R_i з внутрішнім опіром діода для постійного струму R₀, яке визначається по закону Ома як відношення величини постійної анодної напруги до відповідної величини анодного струму

Потужність розсіювана анодом. Електрони, які рухаються до аноду, набувають кінетичну енергію. Ударяючись об поверхню аноду, вони віддають йому свою кінетичну енергію, яка виділя­ється у вигляді тепла. Потужність, яка виділяється на аноді рівняється

^{Ра = І а ∙Uа}

Цю потужність називають потужністю, яка розсівається на аноді або потужністю витрат. Якщо потужність Ра перевершує по­тужність, яку анод розсіває в навколишнє середовище, темпера­тура аноду збільшується. Це призводе до деформації аноду та руйнуванню активного шару катоду, який знаходиться поблизу нагрітого аноду, щоб лампа не вийшла з ладу, потужність Р не повинна перевищувати максимально допустиму потужність розсію­вання Р а _макс . Для того, щоб анод допускав розсіювання біль­шої потужності, приймають міри по покращенню його охолодження: чорнять поверхню аноду для підвищення розсіювання теплової енергії променепусканням, обладнують ребрами для збільшення поверхні охолодження, в лампах великої потужності застосовують примусове охолодження проточною водою або повітрям.

Допустима зворотня напруга. При роботі діоду у випрямля­чах анодна напруга змінює знак. Коли вона позитивна, анодний струм проходе і внутрішній опір діода не перевищує сотень ом. Послідовно з діодом ввімкнено навантажуючий резистор, опір якого значно більший, ніж внутрішній опір діоду. Тому падіння напруги на діоді не велике, так як більша частина напруги дже­рела живлення падає на опір навантаження.

При негативній напрузі анодного струму в лампі нема. Внут­рішній опір діоду бізкінцево великий і вся напруга джерела

прикладена до діода. Така напруга називається зворотньою напругою. При великому значенні U_зв може настати пробій ділянки анод-катод. Кожен діод характеризується величиною максимально допустимої зворотньої напруги, при якій пробія в лампі не буде.; Тому при роботі діоду завжди повинно виконуватися умова U= U_{зв. доп.}

Застосування електровакуумні діоди застосовують в основному для випрямлення змінного струму промислової частоти (50 Гц) та ж ланцюгах високої напруги. Часто електровакуумні діоди, які призначені для випрямлення, називають кенотронами. На рис. 9 наведено зовнішній вид кенотрона 5Ц4С та його умовне позначення. На рис. І0 приведені діоди різного призначення, на рис.10, а приведено зовнішній вид детекторного подвійного діода (6Х2П) в скляному балоні мініатюрного виконання. Ця лампа у радіоприймачах працює як амплітудний детектор один діоді, а другие - як детектор у схемі автоматичного регулювання підсилення. В телевізорах та радіоприймачах з частотною модуляцією подвійні діоди знаходять застосування у схемах частотних детекторів. На рис.10, б наведено зовнішній вид детекторного діода (6Д6А) в скляному балоні надмініатюрного виконання, над рис. 10, в - телевізійний демпферний діод (бЦІОП) на рис. 10, г - телевізійний високовольтний кенотрон (ІЦ7С). Конструктивно всі лампи складаються із: І - балона; 2 - цоколя; 3 - виводів; 4 - катода; 5 ^ підігрівача; 6 -"анода; 7 - газопоглинача.

Відповідна до державних стандартів застосовуються такі позначення:

д - одинарний детекторний діод;

_{х - подвійний діод;}

_{ц – кенотрон.}

В позначенні ламп перед буквою ставиться число, яке пока­зує напругу розжарювання (округлено), а після букви - поряд­ковий номер типу лампи. Після порядкового номера ставляться букви:

С - лампа зі скляним балоном;

П - мініатюрна лампа зі скляним балоном пальчикова;

Б - надмініатюрна лампа зі скляним балоном (ф =10 мм);

А - надмініатюрна лампа зі скляним балоном (ф = 6 мм).

Лампи зі спеціальним замковим цоколем мають на кінці позна­чення букву Л. В лампах з підвищеною надійністю та механічною міцністю на кінці позначення додатково ставиться тире та буква Е, а в лампах з підвищеним строком служби - буква І.