Лекція №
«Електровакуумні прилади»
з дисципліни
"Промислова електроніка та перетворювальна техніка"
Вступ
Електроніка як наука займається вивченням електронних процесів у вакуумі, газах та напівпровідниках. У залежності від мети, якій вона слугує, електроніка підрозділяється на: радіоелектроніку, промислову електроніку та біоелектроніку.
Електронна техніка, яка використовується для розв’язання різноманітних задач виробництва, отримала назву промислової електроніки.
В свою чергу промислова електроніка поділяється на інформаційну та енергетичну. Інформаційна електроніка - електронні системи і пристрої, які пов’язані з вимірами, контролем та керуванням промисловими об’єктами або технологічними процесами. Енергетична електроніка (або перетворювальна техніка) займається перетворенням електричного струму промислової частоти для його більш широкого вжитку в електроприводі, електротермії, в електроенергетиці. Сюди відносяться: випрямлячі – перетворення змінного струму в постійний; перетворювачі частоти – перетворення змінного струму промислової частоти в змінний іншої частоти; інвертори – перетворення постійного струму в змінний тощо.
Етапи розвитку промислової електроніки
Промислова електроніка безперервно розвивається. ЇЇ розвиток визначається вдосконаленням елементної бази.
Розрізняють три основні етапи розвитку промислової електроніки.
Перший етап пов’язаний зі створенням електровакуумних і газорозрядних приладів. Однак низька надійність, складність експлуатації, велика споживана потужність, великі габаритні розміри стали в майбутньому їх гальмівними факторами розвитку. Сьогодні застосовуються газорозрядні прилади (реклама) та електронно променеві трубки.
Другий етап пов’язаний зі створенням у 1948 році транзистора та вдосконаленням напівпровідникових приладів: діодів та тиристорів. Застосування транзисторів дозволило на певному етапі значно підвищити надійність приладів, зменшити споживану потужність, габарити, а також витрати на виробництво і експлуатацію електронної апаратури.
Третій етап пов’язаний з переходом від виготовлення вузлів електронної техніки на дискретних елементах до їх інтегрального виготовлення. Починаючи з 70-х років минулого століття вся електронна апаратура стала виготовлятися на інтегральних мікросхемах.
Сучасний етап енергетичної електроніки характеризується вдосконаленням елементної бази: збільшенням одиничної потужності силових напівпровідникових приладів, покращенням їх експлуатаційних характеристик. Розвиток силової електроніки стимулюється подальшим зростанням споживаної електроенергії на постійному струмі і змінному струмі нестандартної частоти.
Завдання курсу «Промислова електроніка та перетворювальна техніка». В курсі вивчаються основні базові елементи електроніки (електровакуумні прилади, напівпровідниковий діод, транзистор, тиристор) та електронні пристрої на їх основі ( випрямлячі, інвертори, перетворювачі частоти тощо).
Електровакуумні прилади
Електронна емісія. Робота виходу електронів
Для того щоб отримати у вакуумі чи газі потік електронів, використовують спеціальний металевий або напівпровідниковий електрод, який отримав назву катод. За певних умов вільні електрони катоду можуть виходи за його межі. Процес виходу електронів із катоду в навколишнє довкілля називають електронною емісією.
За звичайних температур тільки незначна кількість електронів металу має енергію, яка достатня для його виходу з металу. Тому в таких умовах явище електронної емісії практично не спостерігається в силу наступних причин.
По-перше, ті електрони, які покинули провідник, втрачають значну частину енергії і осідають на його поверхні. Між цими еектронами і позитивними іонами, які знаходяться поблизу поверхні провідника, утворюється електричне поле.
Це поле направлене від провідника до шару електронів. Для наступних електронів це поле буде гальмівним. Нагадаємо, що електрони можуть рухатись лише проти ліній електричного поля.
По-друге. Навіть, якщо певна кількість електронів покинула метал, то він їх буде притягувати до себе, оскільки сам провідник буде позитивно зарядженим.
Таким чином, щоб покинути межі металу, електрон повинен виконати певну роботу, тобто подолати сили притягування електрону до металу. Цей процес називають роботою виходу. Робота виходу залежить від властивостей металу і вимірюється в електрон-вольтах (е·V).
1 е·V – робота, яку повинен виконати електрон для подолання різниці потенціалів в 1 V.
Висновок. Електронна емісія можлива тільки тоді, коли кінетична енергія електрона, який знаходиться в металі більша чи рівна величині роботи виходу
де mo – маса електрона; υ – кінетична швидкість електрона; e·V – робота виходу.
Метал |
Цезій |
Барій |
Торій |
Молібден |
Тантал |
Ртуть |
Вольфрам |
Робота виходу, e·V |
1,81 |
2,0…2,52 |
3,4 |
3,6 |
4,2 |
4,4 |
4,52 |