Вакуумная и плазменная электроника. Вакуумная и плазменная электроника_курс_лекций. Курс лекций Тольятти 2006
 Скачать 1.13 Mb.
|
|
триаду. Число триад около полумиллиона. Триада - элемент изображения. На маске оседает 5/6 пучка без пользы. При планарной системе используется маска щелевая. Сдвиг луча по вертикали не нарушает свечения. Наводить надо по горизонтали. Этот прием реализуется в кинескопах с самосведением, автоматическим сведением лучей. Они лучше, но сложнее и дороже. 3.10 Передающие телевизионные трубки Передающая трубка преобразует оптическое изображение в видеосигнал. В простейшем случае это фотоэлемент, на катод которого попеременно проецируются отдельные элементы передаваемого изображения. Или много фотоэлементов, сигналы от каждого из которых передаются поочередно. Наибольшее распространение получили трубки, в которых электронный луч развертывает оптическое изображение, спроецированное на фоточувствительную поверхность - это трубки без переноса изображения (иконоскоп, ортикон); или луч развертывает электронное изображение, перенесенное с фотокатода на специальную мишень (супериконоскоп, суперортикон). 72 Рис. 3.11 - Суперортикон: 1 - полупрозрачный фотокатод; 2, 5, 6, 7 - ускоряющие электроды; 3 - сетка; 4 - мишень; 8 - фокусирующая катушка; 9 - отклоняющие катушки; 10 - корректирующие катушки; 11 - модулятор, катод; 12 - коллектор вторичных электронов, он же анод электронной пушки; 13 - диноды фотоумножителя; 14 - анод фотоумножителя Суперортикон Колба суперортикона состоит из двух цилиндров разного диаметра (рис. 3.11). На переднюю плоскую поверхность большого баллона с внутренней стороны нанесен сплошной полупрозрачный фотокатод, освещаемый снаружи трубки. В плоское дно меньшего цилиндра вварена электронная пушка. Трубка охвачена длинной катушкой (соленоидом), создающей однородное магнитное поле, силовые линии которого параллельны оси трубки. С помощью стеклянной линзы на катоде создается оптическое изображение. Плотность тока электронов с катода из каждого элемента пропорциональна освещенности. Фотоэлектроны ускоряются электродом 2 и, ведомые магнитным полем, переносятся на мишень 4, выполненную из тонкого стекла. Мишень заряжена по отношению к фотокатоду положительно (в несколько сот вольт). Электроны выбивают вторичные, причем σ > 1. 73 Вторичные электроны, покидая диэлектрическую мишень, оставляют на ней зарядовый рельеф (при σ > 1 - положительный). Светлые места имеют более положительный потенциал, темные - менее. Причем рельеф получается более глубоким, чем если бы электроны осаждались на диэлектрике, идет уже усиление сигнала (электронное). Чтобы вторичные электроны не возвращались обратно, на расстоянии (30+60 мкм) помещают мелкоструктурную сетку 3, положительную относительно мишени. Мишень и сетка образуют конденсатор, накапливающий заряд при записи изображения. Мишень - особенность суперортикона (4 -5 мкм), тонкая пленка из специального стекла, обладающего повышенной электропроводностью. Из-за малой толщины поперечное сопротивление небольшое, и потенциальный рельеф успевает проникнуть и на противоположную сторону. Продольное сопротивление достаточно велико, и нет заметного растекания заряда по поверхности и сглаживания рельефа Теперь потенциальный рельеф необходимо считать, преобразовать в видеосигнал. Этим занимается электронный луч, который обегает мишень по закону телевизионной развертки, строка за строкой. Считывающий луч создается пушкой (катод 11, модулятор 11, анод 12). При токе луча 1-2 мкА диаметр луча у мишени 30 ÷40 мкм. Для получения неискаженного изображения надо, чтобы луч был во всех точках перпендикулярен мишени. Это достигается подбором потенциалов на электродах и магнитными катушками. Для считывания используются электроны малой энергии ( σ < 1). Они замедляются одним из электродов около мишени (5). Если фотокатод затемнен, рельефа нет. При развертывании луча по такой мишени она заряжается электронами до нуля (катода). Электроны луча отталкиваются от мишени и возвращаются. Возвращающиеся электроны ускоряются полем анода 12, который одновременно является первым эмиттером электронного умножителя. Он имеет σ > 1. Первичный ток усиливается в σ раз. Проходя по динодам, ток возрастает 74 в несколько тысяч раз и, стекая по R, создает Δ U R , передаваемое на усилитель. В случае неосвещенной панели сигнал остается постоянным. Спроецируем изображение. При развертке электронный луч покрывает каждый элемент мишени, оставляя на нем ровно столько электронов, сколько надо для нейтрализации его положительного потенциала. Таким образом, отраженный луч будет негативно промодулирован передаваемым изображением. Переменная составляющая этого потока - видеосигнал. Заряд на мишени накапливается, пока луч снова не придет на этот элемент (трубка с накоплением заряда). 4. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ 4.1 Назначение электронных ламп Электронной лампой называется электровакуумный прибор, работа которого основана на управлении током с помощью изменения потенциалов электродов. Выполняемые электронными лампами функции многообразны, однако можно выделить два основных назначения этих приборов. Первое – преобразование электрической энергии, например преобразование постоянного тока источника питания в переменный и, наоборот, переменного в постоянный. Второе — преобразование электрических сигналов: усиление, изменение спектра и т. п. Во многих областях электроники, радиотехники и автоматики электронные лампы были обоснованно вытеснены полупроводниковыми и микроэлектронными приборами, имеющими меньшие габаритные размеры и массу, более высокий коэффициент полезного действия. Однако в ряде случаев электронные лампы обладают преимуществами по сравнению с полупроводниковыми приборами, а иногда являются вообще незаменимыми на данном этапе приборами. Широкий диапазон рабочих температур, доходящий до нескольких сотен градусов, высокая радиационная стойкость, стабильность 75 характеристик, высокие допустимые напряжения обусловливают дальнейшее развитие этих приборов. Устройство электронных ламп Устройство электронных ламп рассмотрим на примере триода, показанного на рис. 4.1. Триод включает в себя следующие узлы и детали: систему электродов, баллон, крепежные детали, ножку и газопоглотитель. Система электродов состоит из катода - источника электронов, анода - приемника электронов и сетки - управляющего электронным потоком электрода. В конструкцию многоэлектродных и специальных ламп могут входить несколько сеток, а также другие электроды. Рис.4.1. Конструкция сверхминиатюрного триода Аноды электронных ламп малой и средней мощности представляют собой боковую поверхность прямого цилиндра либо часть цилиндрической поверхности с основанием различной формы. Материалом анодов служат алюминированные никель или железо, молибден и другие металлы. 76 Электроды и крепежные детали электронных ламп помещаются в баллон, из которого откачивается воздух. Степень разрежения в баллоне составляет 0,001-0,0001 Па. Баллоны электронных ламп изготавливают из газонепроницаемых материалов: стекла, керамики, металла. Для поддержания высокого вакуума в баллоне электронной лампы в процессе ее эксплуатации используется газопоглотитель. При работе лампы происходит сильный нагрев электродов, в результате чего в баллоне могут появиться дополнительные газы, снижающие степень разрежения. Чистая поверхность активного металла газопоглотителя взаимодействует с газовой атмосферой, что приводит к улучшению вакуума в баллоне лампы. В качестве поглощающего материала используются барий, магний, а также сплавы этих металлов с другими металлами. Материалами нераспыляемых газопоглотителей являются тантал, цирконий, титан и др Для соединения электродов с внешней электрической цепью используют металлические проводники — вводы, называемые ножками, которые при изготовлении лампы герметически свариваются с баллоном. Вводы ножки приваривают к соответствующим электродам лампы. Наружные части вводов используют для соединения с электрической схемой. Классификация электронных ламп Электронные лампы классифицируют по различным признакам. 1. По виду преобразования электрической энергии выделяют лампы: выпрямительные (для преобразования переменного тока в постоянный) генераторные и модуляторные (для преобразования энергии источника постоянного тока или напряжения в энергию переменного тока специальной формы); усилительные (для преобразования энергии источника постоянного тока или напряжения в энергию переменного тока, по форме совпадающего с усиливаемым сигналом); 77 частотно-преобразовательные и смесительные (для преобразования спектрального состава сигнала, т. е. энергии переменного тока одной частоты в энергию переменного тока другой частоты). 2. По количеству электродов среди электронных ламп различают: диоды (лампы с двумя электродами); триоды (трехэлектродные лампы); тетроды (четырехэлектродные лампы); пентоды (пятиэлектродные лампы) и т. д. Следует отметить, что электронные лампы имеют разное количество сеток, так как катод и анод обязательно присутствуют в каждой лампе. 3. Различие по мощности обусловлено конструктивными особенностями электронных ламп. Критерием является максимальная допустимая мощность, рассеиваемая анодом лампы. Существуют лампы малой, средней и большой мощности. 4. По конструктивному оформлению лампы могут быть стеклянные, металлические, миниатюрные, сверхминиатюрные и т. д. 5. По частотному диапазону работы электронные лампы делят, на низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные. В справочниках по электронным лампам применяется смешанная классификация по перечисленным признакам, показывающая конкретное назначение данного типа приборов. Каждый тип электронных ламп имеет сокращенное условное обозначение, регламентируемое стандартом. Электрические цепи и режимы работы электронных ламп Управление током в электронной лампе осуществляется путем изменения электрических полей, создаваемых ее электродами. Напряжения между электродами лампы создаются внешними электрическими цепями. Для удобства расчетов потенциал катода принимается равным нулю, а напряжением на каком-либо электроде лампы считается разность потенциалов между этим электродом и катодом (напряжение анода, напряжение сетки и т. 78 д.). Каждый электрод лампы имеет свою электрическую цепь, в которой протекает ток этого электрода (анодный ток, катодный ток и т. д.). Свою электрическую цепь имеет подогреватель катода. С помощью цепи накала, которая обеспечивает нагрев катода, путем изменения температуры катода также можно управлять током через лампу, однако этот принцип управления током практически никогда не используется. 4.2 Двухэлектродные лампы Статические характеристики и параметры диода На рис. 4.2 приведено семейство эмиссионных характеристик, представляющих зависимость анодного тока диода от напряжения накала I а = f(U H ) при неизменном для каждой отдельной характеристики анодном напряжении. При небольших напряжениях накала (до U' H , U н " и U н "') диод работает в режиме насыщения и все эмиттированные катодом электроны попадают на анод, т. е. I а = I э . Анодный ток растет при увеличении напряжения накала по закону, определяющему зависимость тока эмиссии от температуры катода. При напряжениях накала, превышающих U' H , U н " и U н "', диод переходит в режим объемного заряда, характеризующийся слабой зависимостью тока анода от напряжения накала, т. е. I а < I э . Увеличение анодного напряжения приводит к увеличению значения напряжения накала, при котором происходит переход диода в режим объемного заряда. 79 Рис. 4.2 Семейство эмиссионных характеристик Основной характеристикой диода является зависимость анодного тока от анодного напряжения при постоянном напряжении накала — анодная характеристика I а = f(U a ). Анодный ток диода связан с напряжением анода законом степени трех вторых. Закон степени трех вторых обычно записывают в виде 2 / 3 a a GU I = (4.1) где G — сомножитель, зависящий только от конструкции диода, так называемый первеанс лампы. Рис. 4.3 Семейство анодных характеристик идеализированного диода На рис. 4.3 изображено семейство анодных характеристик диода I а = f(U a ) при постоянном для каждой отдельной характеристики напряжении накала. До определенного напряжения анода U a ', U a '', и U a '" характеристики подчиняются закону степени трех вторых. Если анодные напряжения больше указанных 80 значений, диод переходит в режим насыщения и анодный ток не зависит от анодного напряжения. На рис. 4.4 приведены реальная анодная характеристика диода с вольфрамовым катодом 6Д2С (кривая 1) итеоретическая характеристика (кривая 2), рассчитанная по закону степени трех вторых с учетом геометрических размеров электродов этой лампы. Рис.4.4 Реальная (1) и теоретическая (2) характеристики диода с вольфрамовым катодом 6Д2С. Сравнение кривых 1 и 2 показывает, что реальная характеристика отличается от теоретической. Это объясняется тем, что при выводе закона степени трех вторых был сделан ряд предположений, упрощающих задачу. Анодный ток на реальной характеристике начинается при небольшом отрицательном напряжении на аноде, что связано с наличием начальных скоростей электронов. Начальная кинетическая энергия некоторых эмиттированных электронов позволяет им преодолевать небольшое тормозящее поле анода. Более пологий ход реальной характеристики объясняется неравномерным распределением температуры по поверхности катода. Концы катода, находящиеся в местах закрепления в дисках изоляторов, имеют более низкую температуру, чем средняя его часть. Этой же причиной объясняется плавный переход в режим насыщения ламп с вольфрамовым катодом. Участки катода, имеющие различную температуру, переходят в режим насыщения при разных 81 анодных напряжениях. Другой причиной плавного перехода в режим насыщения является неэквипотенциальность поверхности прямонакальных катодов. Падение напряжения на катоде при протекании тока накала приводит к тому, что разность потенциалов между анодом и различными участками катода не будет одинаковой. Для оценки свойств диода при его практическом применении используются два основных параметра, показывающие, как меняются анодный ток при изменении анодного напряжения: крутизна анодной характеристики и внутреннее сопротивление диода. Крутизна S в заданной точке характеристики определяется как тангенс угла α наклона касательной в этой точке к оси абсцисс (рис. 4.5) a a dU dI S = Рис.4.5 Определение статических параметров диода по анодной характеристике Крутизна имеет размерность проводимости и обычно указывается в миллиамперах на вольт. Ввиду того, что анодная характеристика диода нелинейна, крутизна характеристики не является постоянной, а зависит от анодного напряжения. Эта зависимость может быть получена из закона степени трех вторых дифференцированием выражения (4.1) 2 / 1 2 3 a GU S = . 82 Практически крутизна может быть определена по анодной характеристике как отношение приращения тока к приращению напряжения вблизи заданной точки a a a a a a U I U U I I S Δ Δ = − − = // / // / В справочниках крутизна указывается для номинального режима работы лампы. Внутреннее сопротивление R R i - величина, обратно пропорциональная крутизне S R i / 1 = Крутизна и внутреннее сопротивление являются дифференциальными параметрами лампы и указывают проводимость и сопротивление диода переменному току с малой амплитудой. Работа диода с нагрузкой Обычно в анодную или катодную цепь диода включается сопротивление нагрузки. Такой режим работы лампы называется рабочим. Рассмотрим простейший случай, когда нагрузкой диода является активное сопротивление R R ). a (рис. 4.6 Рис. 4.6 Схема включения диода с нагрузкой в анодной цепи Напряжение на диоде в рабочем режиме будет меньше напряжения источника питания на значение падения напряжения на нагрузке при протекании анодного тока a a и a R I E U − = (4.2) 83 При определенном напряжении источника питания Е и падение напряжения на лампе будет зависеть от значения анодного тока. Для определения тока через диод при заданных значениях напряжения источника питания и сопротивления нагрузки построим статическую анодную характеристику диода и нагрузочную прямую. Построить нагрузочную прямую можно с помощью уравнения (4.2) по двум точкам. Эта прямая проходит на оси абсцисс через точку U a = Е и (при I а = 0), а на оси ординат через точку I а = E и /R a (при U а =0). Ток в диоде и нагрузке протекает общий, поэтому рабочей точкой А будет точка пересечения анодной характеристики диода с нагрузочной прямой (рис. 4.7). Эта точка является решением уравнения (4.2). Проекция рабочей точки на ось абсцисс позволит определить падение напряжения на диоде U a и на сопротивлении нагрузки U R = I a R a . Рис. 4.7 Статическая анодная характеристика диода и нагрузочная прямая |