Электрический ток в вакууме. Электровакуумные приборы

                                            Ia

                                           Iн   -----------------------------------

     Рис.8                          U1   а        U2         U3   Uн   Uа                                                                                                                                                                                     

     Кривая, показывающая зависимость силы тока в диоде от анодного напряжения, называется вольтамперной характеристикой диода. По мере увеличения анодного напряжения всё большее число вылетающих из катода электронов увлекается электрическим полем и сила анодного тока резко возрастает до тех пор, пока напряжение не достигнет такого значения Uн, при котором все вылетающие из катода за единицу времени электроны будут перемещаться полем к аноду. Сила анодного  тока достигает максимального значения Iн, которое называют силой тока насыщения диода, и дальнейшее увеличение анодного напряжения не ведёт к увеличению силы анодного тока. Анодное напряжение Uн  получило название напряжения насыщения.

     При напряжении  Uа  = 0 сила тока Iо очень мала, значительно меньше силы тока насыщения, поэтому считают, что вольтамперная характеристика проходит через начало координат, то есть пренебрегают силой тока Iо: тогда при Ua = 0 и I0 = 0.

     Обратите  внимание, что вольтамперная характеристика диода нелинейная, как это имеет  место в случае металлических  проводников. Сопротивление диода, найденное как частное от деления анодного напряжения на силу тока, при разных анодных напряжениях будет разным и не может служить параметром диода. Таким образом, электронная лампа является примером проводника, для которого не выполняется закон Ома.

     Поскольку накаливаемый диод лампы испускает  электроны, а не положительные ионы, диод проводит ток только в случае сообщения аноду лампы положительного относительно катода потенциала. Если же аноду сообщить отрицательный потенциал, то термоэлектроны будут отталкиваться от отрицательно заряженного анода и притягиваться к положительно заряженному катоду и ток через лампу не идет – лампа запирается. Это означает, что лампа обладает односторонней проводимостью. Односторонняя проводимость диода широко используется в технике для выпрямления переменного тока. 

     Вакуумный триод 

     Для улучшения действия электронной  лампы в нее вводят дополнительные сетки. Лампу с двумя сетками называют тетродом (т. е. четырехэлектродной), с тремя — пентодом (пятиэлектродной). Появление электронных ламп разнообразных устройств, основанных на их применении, сыграли огромную роль в развитии радио. Триод также применяют, как генератор электрических колебаний. Потоком электронов, движущихся в электронной лампе от катода к аноду можно управлять с помощью электрических и магнитных полей. Простейшим электровакуумным прибором, в котором осуществляется управление потоком электронов с помощью электрического поля, является триод. Баллон, анод и катод вакуумного триода имеют такую же конструкцию, как и у диода, однако на пути электронов от катода к аноду в триоде располагается третий электрод, называемый сеткой. Обычно сетка – это спираль из нескольких витков тонкой проволоки вокруг катода

                         Рис.9                               Рис.10

     Если  на сетку подаётся положительный  потенциал относительно катода (рис.9), то значительная часть электронов пролетает  от катода к аноду, и в цепи анода существует электрический ток. При подаче на сетку отрицательного потенциала относительно катода электрическое поле между сеткой и катодом препятствует движению электронов от катода к аноду (рис.10), анодный ток убывает. Таким образом, изменяя напряжение между сеткой и катодом, можно регулировать силу тока в цепи анода, что и послужило причиной названия сетки управляющей.

      Рис. 11. Схема включения триода 

     Условное  графическое обозначение триода показано на рис.11. Промышленность выпускает широкий ассортимент самых разных триодов, а также двойных триодов с общим и раздельными катодами, которые применялись в разной радиоаппаратуре, еще находясь в эксплуатации.

      К параметрам триода относятся: внутреннее сопротивление  – отношение приращения анодного напряжения к приращению анодного тока, коэффициент усиления – отношение  приращения анодного напряжения к приращению напряжения на сетке, крутизна характеристики анодного тока – отношение приращения анодного тока к приращению напряжения на сетке:

     Внутреннее  сопротивление Ri измеряется в кОм, крутизна характеристики S – в А/В, коэффициент усиления μ – величина безразмерная.

     К предельным  эксплуатационным параметрам триодов относится те же параметры, что и к диодам: минимальное  и максимальное напряжения накала, наибольшее допустимо обратное напряжение анода, наибольшее напряжение между  катодом и подогревателем, наибольший средний анодный ток, предельная мощность, рассеиваемая анодная, а также  дополнительные параметры (наибольшее отрицательное напряжение на сетке и наибольшее сопротивление в цепи сетки). Необходимость ограничения сопротивления в цепи сетки связана с тем, что сетка обычно располагается очень близко к катоду и может им нагреваться. При этом возможно появление термоэлектронной эмиссии с сетки, которая приводит к обратному сеточному току. Хотя эта эмиссия и обратный ток очень малы, но при большем сопротивлении в цепи сетки ток создает на нем ощутимое падение напряжения, которое может нарушить нормальный режим лампы.

     При использовании триодов в схемах, работающих на высокой частоте, приходится учитывать и собственные междуэлектродные емкости лампы: входную емкость  между анодом и катодом, а также  проходную емкость между анодом и сеткой. Если входная и выходная емкости оказываются подключенными  параллельно нагрузкам предыдущего  и данного каскадов, что не очень  страшно, то проходная емкость может приводить к очень неприятным последствиям.  В усилительных схемах слабый сигнал обычно подается на сетку лампы, а на аноде образует усиленный сигнал. Проходная емкость создает путь этому сигналу с анода обратно на сетку, что может  привести к самовозбуждению каскада. Это особенно опасно на высокой частоте, когда сравнительно небольшая емкость обладает небольшим емкостным сопротивлением. 

     Тетрод  – четырехэлектродная лампа 

     Для уменьшения проходной емкости были созданы четырехэлектродные лампы – тетроды (рис.12). У такой лампы между управляющей сеткой и анодом располагается экранная сетка, которая заземляется по переменному току конденсатором большой емкости. Благодаря этому проходная емкость уменьшается в сотни и тысячи раз. По постоянному току на экранную сетку подается положительное напряжение, примерно такое же что и на анод. Так эта сетка увеличивает притягивающее поле, которым электроны из электронного облака вынуждаются лететь к аноду, и часть летящих к аноду электронов попадает на нее. Образуется ток экранной сетки, составляющий примерно 10...20% от анодного тока, с чем приходится мириться.

     Рис. 12. Четырехэлектродная лампа – тетрод. 

     Основной  недостаток тетрода – динатронный  эффект – состоит в следующем. Электроны на пути от катода к аноду  разгоняются до большой скорости. При напряжении на аноде 100 Ват эта скорость достигает 6 000 км/с – в 10 000 раз больше скорости пули при вылете из дула винтовки. Ударяясь о поверхность анода, электроны выбивают из него другие, вторичные электроны. Такое явление называется вторичной электронной эмиссией. Если напряжение на экранной сетке больше сетки на аноде, вторичные электроны с анода направляются на экранную сетку. В результате анодный ток уменьшается, а на анодной характеристике тетрода появляется провал.

       Для борьбы с динатронным эффектом  в конструкцию тетродов вводят  специальные лучеобразующие пластины, которые концентрируют электронный  поток на небольшой части поверхности  анода, где создается пространственный  заряд, препятствующий обратному  потоку вторичных электронов  на экранную сетку. Такие тетроды  называются лучевыми. Другой способ  борьбы с динатронным эффектом  состоит в установке еще одной  сетки между экранной сеткой  и анодом. Она носит название  защитной или антидинотродной  сетки и соединяется с катодом  внутри или снаружи лампы, для чего имеется отельный вывод. Такие пятиэлектродные лампы называются пентодами. Антидинатронная сетка выполняется редкой, на поток быстрых первичных электронов влияния не оказывает, медленные же вторичные электроны отталкиваются ею обратно на анод. К многоэлектродным лампам относятся лампы, имеющие более трех сеток, например, гептоды, у которых пять сеток. Гептоды предназначены для преобразования частоты сигнала и содержат две раздельные управляющие сетки. Очередность расположения сеток при счете от катода следующая: первая сетка является первой управляющей, вторая сетка – экранная, далее следует вторая управляющая сетка, за ней еще одна экранная и, наконец, антидинатронная сетка.

     Экранные  сетки обычно соединены внутри ламп между собой и имеют общий  вывод. Вольт – амперные характеристики гептодов такие же, как у пентодов, а наличие экранной сетки между  управляющими снижает паразитную емкость  между ними. Иногда используется устаревшее название гептода – пентагрид, что  в переводе обозначает - пять сеток. 

     Электронно-лучевая  трубка 

     Электроны, испускаемые нагретым катодом, можно  с помощью электрических полей  разгонять до высоких скоростей. Пучки электронов, движущихся с большими скоростями, можно использовать для  получения рентгеновских лучей, плавки и резки металлов. Способность  электронных пучков испытывать отклонения под действием электрических  и магнитных полей и вызывать свечение кристаллов используется в электронно-лучевых трубках.

     Электронно-лучевая  трубка – прибор с одним или  несколькими управляемыми электронными пучками. Если электронный пучок  попадает на тела, то они нагреваются, что используется для электронного плавления и сварки материалов в вакууме и обеспечивает их сверхвысокую чистоту.

     Некоторые вещества под действием электронных  пучков светятся, что используется в телевидении, радиолокации, осциллографах  и т.п. 

     Рис.13. 

       Очень важным элементом телевизора, осциллографа, радиолокатора и других приборов является электронно-лучевая трубка (рис.13). В узкой части вакуумного баллона расположен цилиндрический катод, подогреваемый металлической спиралью 1, по которой по которой пропускают электрический ток. С помощью диафрагмы 2 из электронов, излучаемых катодом, выделяется узкий электронный пучок 5 (электронный луч). В электрическом поле, созданном между катодом и цилиндрическим анодом, электроны ускоряются до скорости порядка 10⁴ км/с. Катод с подогревом, диафрагма и анод образуют электронную пушку.

     Электронный луч проходит через два конденсатора 3 и 4, пластины которых расположены  во взаимно перпендикулярных плоскостях, и попадает на экран 6, покрытый веществом, которое светится при ударе попадающих на него электронов. На экране можно видеть светящуюся точку в том месте, куда попадает электронный пучок.

     Если  к пластинам конденсатора 3 приложить  постоянное напряжение, направление  электронного пучка изменяется и  светящаяся точка смещается в  вертикальном направлении. В случае приложения переменного напряжения электронный луч начнет колебаться в вертикальной плоскости, а на экране появится светящаяся вертикальная линия, длина которой зависит от значения приложенного напряжения. По длине  этой линии можно  определять значения очень слабых напряжений и сил  токов.  

     Рис.14. 

     С помощью специальной схемы на пластины конденсатора 4 подается переменное напряжение U пилообразной формы (рис.14). Под действием такого напряжения светящаяся точка равномерно перемещается вдоль горизонтали, например вправо, а затем прыжком возвращается в крайнее левое положение. Этот периодически повторяемый процесс, который называют горизонтальной  разверткой, дает на экране горизонтальную светящуюся линию.