ЭЛЕКТРОДЫ, БАЛЛОНЫ, ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ДЕТАЛИ 2 страница

Экранирующая сетка экранирует катод от воздействия поля анода. На сетке выделяется значительное количество тепла, так как она работает при положительном напряжении и имеет значительный ток. Для нее устанавливается наибольшая допустимая мощность рассеивания . Для изготовления сетки используется проволока из сплавов никеля. Траверсы выполняют из никеля или железа, покрытого никелем.

Защитная сетка расположена близко к аноду, витки ее редки, и к ней особых требований не предъявляется.

Баллоны и вспомогательные детали электронных ламп.В качестве материала для баллонов ламп наиболее широкое применение получило стекло (натриевое, боросиликатное, свинцовое, кварцевое) как по своим физическим свойствам (малая электропроводность, малое газовыделение), так и из-за более низкой стоимости по сравнению со стоимостью других материалов. Применяются также комбинированные оболочки – металлокерамические и металлостеклянные. Для комбинированных оболочек используют сталь, медь, алюминий и титан, а керамические оболочки изготавливают из окиси алюминия, кремнезема, форстерита и стеатита.

Недостатками стекла являются невысокая механическая прочность и небольшая термостойкость. Максимальная рабочая температура стекла не должна превышать 200°С. Стекло не выдерживает большого перепада температур. Эти недостатки отсутствуют в высокопрочной металлокерамической конструкции, которая выдерживает перепад температур до 400°С. Кроме того, керамика имеет на порядок меньшие диэлектрические потери, что очень важно при работе на свч.

Для поддержания в лампе высокого вакуума применяют геттер. Геттером называется поглотитель из материала, который активно и необратимо адсорбирует газы, выделяющиеся из электродов в связи с их нагревом или электронно-ионной бомбардировкой. Наиболее распространенным геттером является барий с примесью других веществ. В процессе производства бариевую таблетку, запрессованную в пластинку небольших размеров, помещают на одном из держателей электродов. После откачки воздуха и отпайки лампы таблетка распыляется токами высокой частоты. Барий, связывая остаточный газ, осаждается в виде окислов и чистого бария на стенках колбы и окрашивает ее в серовато-зеркальный цвет. При работе лампы свободный барий связывает выделяющиеся из электродов и баллона газы и, таким образом, поддерживает постоянство давления в лампе.

ВАКУУМНЫЕ ДИОДЫ

Физические явления в диоде.Вакуумный диод является двухэлектродной электронной лампой, имеющей катод и анод (рис. 1.15). Диод проводит электрический ток при положительном по отношению к катоду напряжении на аноде и не проводит его при отрицательном напряжении.

Величина анодного тока, протекающего через диод, зависит от тока эмиссии катода, пространственного заряда электронов в промежутке катод-анод и от анодного напряжения. В общем случае не все электроны, эмитируемые катодом, попадают на анод. Для изучения зависимости анодного тока от напряжений анода и накала следует рассмотреть потенциальные диаграммы диода, включенного по схеме рис. 1.16. В анодную цепь включен источник постоянного напряжения . Точка 0 называется общей точкой схемы. Принято все потенциалы схемы отсчитывать от нее, а источник напряжения накала включать так, чтобы его минусовой зажим был присоединен к -этой общей точке.

Потенциальные диаграммы. Для изучения потенциальных диаграмм удобно рассмотреть диод с плоскопараллельными электродами значительных размеров. В таком диоде будут получаться наиболее простые одномерные потенциальные диаграммы. Если выбрать произвольное сечение а-а (рис. 1.17.), то распределение потенциала от катода к аноду, обусловленное приложением напряжения , при холодном катоде можно изобразить прямой линией (рис. 1.18.а).

В общем случае, если заданы потенциалы на электродах, то для определения потенциальной функции используется уравнение Лапласа, которое для рассматриваемого случая, когда потенциал изменяется лишь вдоль координаты x, имеет вид при . При интегрировании этого уравнения принимаются граничные значения потенциалов на электродах лампы.

При нагретом катоде появятся электроны, которые в междуэлектродном пространстве создадут так называемое поле пространственного заряда. Суммарное поле будет результатом наложения на внешнее поле поля пространственного заряда. Последнее можно рассчитать, интегрируя уравнение Пуассона, которое для вакуума, когда потенциал зависит от одной координаты, имеет вид: , где – объемная плотность заряда электронов; – диэлектрическая проницаемость в вакууме.

При нахождении потенциалов поля пространственного заряда следует считать, что потенциалы анода и катода равны нулю. Найденное таким образом распределение потенциала от катода к аноду показано на рис. 1.18.6. По мере удаления от электродов действие положительных зарядов, наведенных электронами на их поверхностях, уменьшается, и потенциал пространства убывает. Асимметрия диаграммы объясняется неравномерным распределением объемной плотности заряда электронов. Объемная плотность заряда электронов больше у катода и отрицательное максимальное значение потенциала находится у его поверхности. Это объясняется тем, что плотность тока в статическом режиме постоянна при всех значениях x, а скорость электронов увеличивается по мере приближения к аноду. Тогда . При малых значениях х, т. е. у катода, скорость мала, а объемная плотность заряда велика. Кривая 1 (рис. 1.18.6) соответствует меньшему электронному потоку с катода, а кривая 2 – большему электронному потоку при более высокой температуре катода.

Результирующий потенциал в диоде получается сложением потенциалов внешнего поля и потенциалов поля пространственного заряда (рис. 1.18. в и г). При этом возможны два случая, определяющие разные режимы работы лампы по току. Если сложить потенциал внешнего поля (рис. 1.18.а) с потенциалом поля пространственного заряда (кривая 1 на рис. 1.18.6), то в результате получим диаграмму рис. 1.18.в, на которой нет отрицательных потенциалов, — поле на всем пространстве катод—анод положительное. Если же сложить потенциал внешнего поля с потенциалом пространственного заряда (кривая 2), то в силу большого электронного потока и большого отрицательного потенциала, который дает поле пространственного заряда, результирующая потенциальная диаграмма имеет на расстоянии от катода область минимального потенциала . Таким образом, последняя кривая показывает, что вблизи катода (до точки ) существует область отрицательных потенциалов, т. е. электроны находятся в тормозящем поле. После прохождения точки электроны попадают в ускоряющее поле и начинают увеличивать свою скорость.

Режимы работы диода по току. Диод может работать в двух режимах: пространственного заряда и насыщения.

Распределение электронов, вылетевших из катода, по энергетическим уровням подчиняется закону Максвелла, согласно которому наибольшее количество электронов имеет малые значения энергии и чем больше энергия, тем меньше электронов имеют эту энергию. Если диод работает в режиме, которому соответствует потенциальная диаграмма рис. 1.18.г, то электроны с начальными скоростями потеряют свою энергию в тормозящем поле и останутся в пространственном заряде у катода, а электроны с энергиями преодолеют область минимального потенциала и, попав в ускоряющее поле, достигнут анода. Следовательно, в режиме пространственного заряда . Таким образом, режимом пространственного заряда в электронной лампе называется такой режим, при котором вследствие наличия слоя минимального потенциала у катода анодный ток образован частью электронов, эмитированных катодом. Анодный ток в этом режиме меньше полного эмиссионного.

В диоде, у которого во всем промежутке катод—анод поле ускоряющее, все электроны, вылетевшие из катода, с любыми значениями энергии попадут на анод. Таким образом, анодный ток будет равен полному току эмиссии . Это условие определяет режим насыщения. Таким образом, режимом насыщения в электронной лампе называется такой режим, при котором анодный ток образован всеми электронами, эмитированными катодом. Анодный ток в этом режиме равен полному току эмиссии.

Электронные лампы работают как в режиме пространственного заряда, так и в режиме насыщения.

Статические вольтамперные характеристики диода.Статической характеристикой диода называется зависимость между действующими в диоде токами и напряжениями, соответствующими статическому режиму. Статическая характеристика может выражаться аналитически или графически. Различают индивидуальные и усредненные статические характеристики. Индивидуальная статическая характеристика соответствует, режиму работы одного индивидуального прибора, а усредненная — среднему значению большого числа индивидуальных характеристик. Отклонение точек индивидуальных характеристик от усредненных не должно превышать 10 – 20%.

Анодный ток в диоде однозначно определяется анодным напряжением и напряжением накала . Для графического изображения этой характеристики требуется трехмерное пространство, что неудобно на практике. Поэтому общую зависимость разбивают на две частные:

при – эмиссионная характеристика; при – анодная характеристика.

Если определяется не одна, а несколько характеристик при различных постоянных значениях или то такая совокупность характеристик называется семейством. Статические характеристики можно снимать по точкам, отсчитываемым приборами (рис. 1.16), или определять в целом на экране электронно-лучевой трубки с помощью специального прибора – характериографа. Характериограф является устройством для автоматического снятия статических характеристик.

Эмиссионная характеристика диода отражает зависимость анодного тока диода от напряжения накала при постоянном анодном напряжении. Семейство эмиссионных характеристик диода с вольфрамовым катодом при и потенциальные диаграммы для ряда точек характеристик этого семейства изображены на рис. 1.19. Экспериментально снятые эмиссионные характеристики отличаются от теоретических, во-первых, тем, что за параметр, определяющий нагрев катода, принята не температура катода , которую трудно измерять на практике, а легко отсчитываемое напряжение накала U_H (в ряде случаев ток накала I_н). Во-вторых, теоретическая эмиссионная характеристика показывает полный ток термоэлектронной эмиссии, который способен создать катод при данной температуре нагрева и не учитывает отбор этого тока анодом. Отбор анодного тока зависит от величины анодного напряжения. Таким образом, теоретическая эмиссионная характеристика не учитывает влияние анодного напряжения.

Семейство эмиссионных характеристик в рассматриваемом случае состоит из трех характеристик с постоянными значениями анодного напряжения . Рассмотрим характеристику со значением .

Обозначим на ней ряд характерных точек. Для каждой из этих точек изобразим потенциальные диаграммы диода. При катод холодный и эмиссии электронов нет: . Повышение напряжения накала до приводит к появлению заметного анодного тока. Таким образом, начало характеристики сдвинуто вправо от начала координат на значительное расстояние. При ток мал и пространственный заряд электронов существенно не изменяет линейного распределения потенциала внутри лампы (кривая 1), характерного для плоско-параллельной системы электродов. При эмиссия электронов возрастает, и заряд электронов снижает потенциал в междуэлектродном пространстве (кривая 2). Однако это снижение невелико и результирующее поле на всем протяжении от катода до анода остается для электронов ускоряющим; Все электроны, эмитированные катодом, попадают на анод. В этом случае имеет место режим насыщения анодного тока.

Режим насыщения наблюдается на восходящем участке характеристики до ее перегиба. Далее режим насыщения переходит в режим пространственного заряда. При эмиссия электронов значительна и соответственно значительно снижение потенциала внешнего поля (кривая 3), так что на расстоянии от катода образуется отрицательный потенциал величиной . Этот потенциал является тормозящим для низкоскоростных электронов, и они, не преодолев его, пополняют собою пространственный заряд у катода. Тормозящее поле преодолевают только те электроны, у которых . Эти электроны, попав в ускоряющее поле, образуют анодный ток, который будет представлять собой часть эмиссионного тока.

Дальнейшее увеличение напряжения накала до значения существенно увеличивает количество электронов эмиссии, однако анодный ток увеличивается лишь незначительно, так как увеличение термоэлектронной эмиссии приводит к уменьшению потенциала у катода до величины (кривая 4). Таким образом, благодаря режиму пространственного заряда характеристика идет полого, анодный ток увеличивается незначительно (несмотря на резкое увеличение температуры катода, и термоэлектронной эмиссии). При больших значениях анодного напряжения и переход режима насыщения в режим пространственного заряда происходит при больших значениях напряжения накала, так как внешнее поле имеет высокий потенциал у катода, который снижается до отрицательного при большом токе термоэлектронной эмиссии .

Как правило, лампы работают при постоянном номинальном значении напряжения накала. Поэтому эмиссионные характеристики требуются лишь в тех случаях, когда по каким-либо причинам нужно регулировать напряжение накала или выбирать режим по накалу, отличный от номинального.

Анодная характеристика диода отражает зависимость анодного тока от анодного напряжения при постоянном напряжении накала. Семейство экспериментальных статических анодных характеристик диода для вольфрамового катода при , причем , изображено на рис. 1.20.

Рассмотрим для примера характеристику при и потенциальные диаграммы для нескольких точек. При распределение потенциала между электродами будет определяться только пространственным зарядом электронов, покидающих катод (кривая О). Несмотря на наличие минимума потенциала, часть электронов, вылетающих из катода с большими скоростями, достигнет анода, преодолев этот тормозящий потенциал. Таким образом, при будет существовать небольшой анодный ток. Для прекращения этого тока на анод нужно подать небольшой отрицательный потенциал (доли вольта — несколько вольт). Следовательно, характеристика начинается несколько левее начала координат при небольших отрицательных напряжениях на аноде.

До точки, где характеристика ответвляется, диод работает в режиме пространственного заряда, после этой точки — в режиме насыщения. При поле анода недостаточно для рассасывания облака электронов у катода (кривая 1 на потенциальной диаграмме). После ответвления характеристики, например, при потенциальная диаграмма (кривая 2) не имеет минимума, и лампа работает в режиме насыщения. Дальнейшее увеличение анодного напряжения не должно увеличивать анодный ток, так как термоэлектронная эмиссия при постоянном значении должна быть постоянной, все электроны в режиме насыщения достигают анода. Однако анодный ток несколько увеличивается, что объясняется увеличением термоэлектронной эмиссии из-за эффекта Шоттки, который проявляется при наличии у катода ускоряющего электрического поля анода, снижающего работу выхода. Этот эффект наиболее заметен в полупроводниковых катодах и наименее — в металлических. Поэтому вид анодной характеристики в режиме насыщения сильно зависит от материала катода (рис. 1.21).

У оксидного катода, имеющего полупроводниковую структуру, в режиме насыщения пологий участок характеристики не наблюдается. Это объясняется тем, что оксидный катод благодаря эффекту Шоттки обладает способностью значительно увеличивать эмиссионный ток. Вольфрамовый катод имеет малое приращение эмиссии, поэтому характеристика лампы в режиме насыщения пологая. Вид анодной характеристики для металлопленочных катодов является промежуточным.

Как правило, диод работает при номинальном напряжении накала, поэтому справочники содержат усредненную характеристику, соответствующую номинальному напряжению накала (рис. 1.22). Снятие и использование характеристик допускается до значения тока . Это значение определяется пересечением статической характеристики с кривой допустимой мощности рассеивания на аноде, построенной на графике по уравнению . Задавая ряд значений , получаем значения анодного тока, которые соединяем плавной кривой.

Аппроксимация анодных характеристик. Для анализа работы диода в электронном устройстве часто требуется приближенное аналитическое выражение его анодной характеристики. Степень приближения зависит от характера поставленной задачи и той точности, с которой она должна быть решена. Иногда требуется приближенное выражение не для всей характеристики, а только для отдельных ее участков. В этом случае задача аппроксимации упрощается.

Начальный участок анодной характеристики диода (рис. 1.23) зависит от распределения начальных скоростей электронов, вылетающих с катода, и от контактной разности потенциалов между катодом и анодом. С учетом этих факторов начальный участок характеристики можно аппроксимировать экспоненциальным выражением: ,

где – анодный ток при (десятки микроампер); – напряжение, при котором (десятые доли вольта – вольты); – контактная разность потенциалов .

Восходящий участок анодной характеристики (рис. 1.24.а) чаще всего аппроксимируют степенным полиномом: Количество членов полинома зависит от точности приближения. В ряде задач удовлетворительное решение получается при выражении характеристики одним членом полинома (линейная аппроксимация) (рис. 1.24.6). Если анодная характеристика имеет пологий участок в режиме насыщения, то возможна кусочная линейно-ломаная аппроксимация: при , при (рис. 1.24.в).

Иногда уравнение анодного тока диода записывается в виде

. (1.9)

Это уравнение называется «законом степени трех вторых». Здесь — конструктивная постоянная, зависящая от конструкции электродов, их размеров и расстояния между ними; — активная поверхность анода; — расстояние от катода до анода и для плоской конструкции диода; — радиус анода; — поправочный коэффициент, учитывающий конечные размеры катода для цилиндрической- конструкции диода; С = 2,33-10^-6 А/В^3/2 — постоянный коэффициент.

Закон степени трех вторых справедлив для участка анодной характеристики, соответствующей режиму пространственного заряда. Это выражение существенно отклоняется от реальной характеристики и на практике применяется редко. Однако оно не потеряло полностью своего значения и удобно с методической точки зрения для качественной оценки процессов, протекающих также и в электронных лампах с сетками.

Статические параметры диода.Любой электронный прибор имеет большое число электрических, тепловых, механических и других эксплуатационных параметров. Среди этих параметров важное место занимают статические характеристики диода. Основной из этих характеристик является анодная при . Дифференциальные параметры характеристики следующие:

Крутизна характеристики

, (1.10)

показывает крутизну кривой анодного тока. Чем больше крутизна, тем больше приращение анодного тока при изменении анодного напряжения и тем лучше свойства диода. Практически крутизну характеристики с некоторым приближением можно определить как отношение конечных приращений анодного тока и анодного напряжения (рис. 1.25):

, (1.11)

Чем меньше приращение этих величин, тем ближе значение крутизны к истинному, определяемому производной в точке А. Крутизна имеет размерность проводимости. Однако измерение крутизны в амперах на вольт дает слишком малые значения. Обычно крутизну принято выражать в тысячу раз большей величиной: числом миллиампер на один вольт. Таким образом, крутизна показывает приращение анодного тока в диоде, выраженное в миллиамперах, на один вольт приращения анодного напряжения. Обычно в маломощных диодах S = 0,1 10 мА/В.

Внутреннее сопротивление диода для переменного тока , Ом – величина, обратная крутизне. Практически внутреннее сопротивление можно определить как отношение малых приращений анодного напряжения и анодного тока (рис. 1.26.а): , Ом.

Физический смысл внутреннего сопротивления диода переменному току заключается в том, что если в цепь анода включить источник постоянного напряжения и наложить на это напряжение еще и переменное напряжение, меняющееся по синусоидальному закону, с малой амплитудой , то внутренним сопротивлением будет как раз то, которое оказывает диод источнику переменного тока с небольшой амплитудой напряжения. Из рис. 1.26.а видно, что на пологом участке характеристики в точке В изменение переменного напряжения вызывает незначительные изменения анодного тока. Следовательно, внутреннее сопротивление диода,

соответствующее этому участку, велико. В точке А кривой внутреннее сопротивление диода имеет меньшую величину. В этой точке приращение тока при том же значении будет больше. Как правило, внутреннее сопротивление диода = 100—10000 Ом. Формула, связывающая внутреннее сопротивление и крутизну характеристики, называется внутренним уравнением диода: