Вакуумная и плазменная электроника. Вакуумная и плазменная электроника_курс_лекций. Курс лекций Тольятти 2006
 Скачать 1.13 Mb.
|
|
Условие : разряд становится самостоятельным, если один из выходящих из катода электронов порождает такое количество ионов, которое, приходя к катоду, вновь выбивает из него не менее одного электрона. Виды разрядов На схеме рис. 5.2 показан диод (катод-анод), на катод падает поток света (h ν ), между катодом и анодом приложено напряжение, которое можно изменять при помощи R R б . Жирная точка в диоде показывает, что это прибор ионный (он 95 наполнен газом). Если менять напряжение Е а , то можно получить полную ВАХ разрядов. По оси X показано изменение I разряда - I а ; по оси Y -U а . Можно выделить 8 областей на характеристике разрядов (рис. 5.2, б). 1 -режим объемного пространственного заряда, 2 - насыщения. Эти области соответствуют режимам обычного диодного вакуумного промежутка и подчиняются тем же законам. Надо отметить, что ток фотоэмиссии невелик и измеряется в микроамперах. 3 - режим газового усиления, образуются лавины, ток растет. Это темновой несамостоятельный разряд. Ток измеряется сотнями микроампер. Этот разряд горит в ионном фотоэлементе. 4 - режим перехода из несамостоятельного разряда в самостоятельный. Ток растет, а напряжение разряда падает. Режим неустойчивый, т.к динамическое сопротивление отрицательное. 5 - режим самостоятельного тлеющего разряда. Ток - мА, причем ток растет при постоянном напряжении между катодом и анодом. 6 - область аномального тлеющего разряда. Ток растет с ростом U а . 7 - переходная область из тлеющего разряда в самостоятельный дуговой. 8 - самостоятельный дуговой разряд, U а ≈U i ток может достигать сотен килоампер. Прибор, как правило, работает в условиях одного разряда, а обеспечивает это R б R , которое не дает перескакивать из одной области характеристики в другую. Рис. 5.2 - Электрическая схема (а), вольт-амперная характеристика разрядов (б). Балластное сопротивление обязательно в схемах ионных приборов. Каждый тип разряда обеспечивает работу целого класса приборов, мы остановимся на тлеющем разряде. 96 5.3 Свойства тлеющего разряда Рис.5.3 - Вольт-амперная характеристика тлеющего разряда (а), распределение потенциала между электродами в тлеющем разряде (б), Точка а на ВАХ - это точка зажигания разряда (U 3 ), после зажигания разряда напряжение падает, а ток возрастает. Участок ВАХ (bс) - область горения нормального тлеющего разряда. Напряжение в этой области равно напряжению горения (U г ). Как правило, U 3 >U г . Причем и U 3 и U г зависят от давления, рода газа, материала электродов, геометрии электродов, расстояния между катодом и анодом. Значит, и U 3 и U г - параметры приборов, а вот ток разряда растет от I 1 до I 2 при почти постоянном напряжении. Кроме постоянного U г , в тлеющем разряде на участке b-с остается постоянной плотность тока на катоде. Ток разряда растет за счет увеличения рабочей катодной поверхности (светящейся поверхности катода). Если в точке b будет светиться малая часть катода, то в точке с будет светиться весь катод. Это важно для понимания работы индикаторных приборов. Напряжение между электродами распределяется тоже неравномерно. Можно выделить три области (рис. 5.3, б). Около катода область d кп - катодного падения. В этой области падает почти все приложенное между катодом и анодом напряжение, здесь электроны и ионы ускоряются, это самая важная область разряда. Вторая область l ст - столб плазмы, в этой области напряженность поля почти не изменяется от точки к точке. Это область квазинейтральной плазмы, которая состоит из электронов, ионов и атомов. Причем все они двигаются 97 хаотически, а n i ≈ n e поэтому плазма нейтральна. В этой области интенсивно идет процесс возбуждения, а он всегда сопровождается выделением света, область светится. Третья область d ап - анодного падения. Величина анодного падения может быть положительной относительно плазмы, может быть равной потенциалу плазмы и может быть отрицательной относительно плазмы и составляет обычно единицы вольт. Потенциал горения тлеющего разряда составляет сотни вольт (100 ÷200 В), ток разряда измеряется в мА. 5.4 Общие сведения о газоразрядных прибороах Газоразрядными называют наполненные газом или паром электровакуумные приборы, в которых движение электронов происходит в условиях ионизации наполнителя. Конструктивно газоразрядные приборы представляют собой систему из двух или более электродов, помещенных в герметизированный стеклянный баллон. Баллон заполняется обычно инертным газом (гелий, неон, аргон, криптон), водородом или парами ртути. Носителями электрических зарядов в газоразрядных приборах являются не только электроны, но и ионы. Газоразрядные приборы делятся на неуправляемые и управляемые. К неуправляемым относятся двухэлектродные приборы (стабилитроны, газотроны), к управляемым -многоэлектродные (тиратроны). По типу катода различают газоразрядные приборы с холодным (ненакаливаемым) катодом, в которых используется нормальный тлеющий или самостоятельный дуговой разряд, и с горячим (накаливаемым) катодом, в которых используется несамостоятельный дуговой разряд. 5.5 Газоразрядные приборы с горячим катодом К газоразрядным приборам с горячим катодом относятся газотроны и тиратроны несамостоятельного дугового разряда. В них применяются оксидные 98 катоды прямого накала или оксидные подогревные катоды. В качестве наполнителя используются инертные газы, пары ртути либо водород. Газотроном называют газонаполненный диод с термоэлектронным катодом. На рис. 5.4 показана схема его включения (а) и вольт-амперная характеристика (б). Рис. 5.4. Схема включения (а) и вольт-амперная характеристика (б) газотрона Резистор R1 ограничивает ток газотрона после возникновения дугового разряда. При напряжении на аноде, соответствующем точке А на характеристике и называемом напряжением зажигания U заж , возникает электрический разряд в газе, сопровождающийся его ионизацией. Увеличение числа положительных ионов приводит к снижению потенциального барьера у катода и лавинному нарастанию тока. Возникает несамостоятельный дуговой разряд, характеризующийся током I д и напряжением горения U гop (обычно 10... 15 В). Следовательно, значение тока I' a может быть определено таким образом: ( ) 1 / / R U E I гор a a − = Основными параметрами газотронов являются следующие: напряжение зажигания; напряжение горения; допустимое обратное напряжение U а.доп.обр - которое определяет возможное значение выпрямленного напряжения (у серийных газотронов достигает 30 кВ, а у специальных секционированных — до 99 300 кВ); средний допустимый анодный ток I а.доп , который не должен превышать значения, определяемого на вольт-амперной характеристике точкой В. Газотроны, наполненные инертными газами, обозначаются буквами "ГГ", а парами ртути - "ГР". В обозначении содержится также дробное число, в числителе которого указывается значение выпрямленного тока в амперах, а в знаменателе - допустимое обратное напряжение в киловольтах (например, ГГ- 0,5/5; ГР-0,125/1,5). Тиратроном называют газоразрядный прибор, в котором возникновение разряда в промежутке анод-катод осуществляется с помощью управляющих электродов или сеток. Тиратроны малой мощности имеют конструкцию, аналогичную конструкции вакуумных триодов. В тиратронах средней и большой мощности конструкция электродов обеспечивает защиту катода от воздействия электрического поля анода. В отличие от вакуумного триода сетка в тиратроне служит не для управления анодным током, а для изменения напряжения зажигания несамостоятельного дугового разряда. Рис. 5.5.Схема включения тиратрона дугового разряда 5.6 Газоразрядные приборы с холодным катодом Стабилитроны Стабилитронами называют газоразрядные приборы, у которых напряжение между электродами на рабочем участке характеристики 100 незначительно возрастает при увеличении разрядного тока. В зависимости от вида используемого электрического разряда в газе различают стабилитроны тлеющего и коронного разрядов. Электродная система стабилитрона состоит из цилиндрического холодного катода, вдоль оси которого располагается в виде стержня анод. Катод, изготавливаемый из никеля, железа или молибдена, активизируется цезием либо редкоземельными элементами, позволяющими получать требуемые параметры стабилитрона. К катоду приваривают поджигающий электрод, улучшающий условия возникновения разряда. В качестве наполнителя используют инертные газы. Основной характеристикой стабилитрона является его вольт-амперная характеристика, изображенная на рис. 5.6, а. Рабочей областью вольт-амперной характеристики стабилитрона является участок АВ, соответствующий нормальному тлеющему разряду. В результате процессов ионизации и деионизации у катода наблюдается характерное тлеющее свечение, расширяющееся при увеличении тока. Таким образом, ширина области АВ пропорциональна площади катода. Рис. 5.6. Вольт-амперная характеристика (а) и схема включения (б) стабилитрона тлеющего разряда Схема включения стабилитрона показана на рис. 5.6, б. Если на анод подано положительное напряжение, большее, чем напряжение зажигания U заж , в стабилитроне возникает тлеющий разряд. При токе, большем I ст тin (точка А на рис. 5.6), устанавливается нормальный тлеющий разряд и падение напряжения на стабилитроне U ст остается практически постоянным, пока вся поверхность 101 катода не покроется свечением (точка В на рис. 5.6). Значение тока стабилитрона при заданном U ст определяется по формуле 1 / ) ( R U E I ст ст − = Резистор R R 1 так же, как и в приборах дугового разряда, является функционально необходимым элементом, ограничивающим значение тока. Параметрами стабилитрона являются: напряжение зажигания U заж , напряжение стабилизации U ст , минимальный ток стабилизации I ст min , максимальный ток стабилизации I ст mах , дифференциальное сопротивление стабилизации на рабочем участке АВ r ст = ΔU ст / ΔI ст Стабилитроны коронного разряда отличаются от стабилитронов тлеющего разряда более высоким давлением наполнителя и отсутствием поджигающего электрода, поэтому они имеют более высокое напряжение стабилизации. Стабилитроны обозначаются буквами "СГ". Например, СПП имеет U CT = 143... 145 В, I ст = 5...30 мА, а СГ304С -U cr = 3800...4200 В, I ст = 0,05... 1 мА. Тиратроны тлеющего разряда Тиратрон тлеющего разряда представляет собой газонаполненный прибор с холодным катодом, в котором для управления моментом зажигания используются дополнительные управляющие электроды (сетки). Примером тиратрона тлеющего разряда с одной сеткой является МТХ-90, устройство электродной системы которого показано на рис. 5.7. Она состоит из катода /, выполненного в виде цилиндра, проволочного анода 2 и металлической сетки 3, изготовленной в виде шайбы. Наполнителем тиратрона является смесь неона с аргоном. На рис. 5.8 показана схема включения тиратрона МТХ-90. Анодная цепь питается от источника Е а , напряжение которого меньше напряжения зажигания при нулевом напряжении сетки. При подаче на сетку положительного напряжения порядка десятков вольт между сеткой и катодом возникает вспомогательный тихий разряд. Вследствие этого уменьшается напряжение зажигания тлеющего разряда между анодом и катодом U а заж - В тот момент, когда напряжение U а заж становится равным напряжению Е а на аноде 102 выключенного тиратрона, зажигается тлеющий разряд, т. е. тиратрон включается и анодная цепь замыкается. Основными параметрами тиратронов тлеющего разряда являются: допустимое анодное напряжение U a max , минимальное напряжение горения U горmin , ширина пусковой области ΔI с Рис. 5.7.Электродная система тиратрона тлеющего разряда Рис. 5.8. Схема включения тиратрона МТХ-90 Тиратроны тлеющего разряда обладают небольшими размерами, высокой механической прочностью и широким диапазоном рабочих температур (от -60 до +100 °С). Эти достоинства наряду с высокой долговечностью и большой экономичностью обусловливают применение их в импульсной технике, радиометрических пересчетных приборах, амплитудных анализаторах и вычислительной технике. Первым элементом обозначения тиратронов с холодным катодом являются буквы "ТХ" или "ТХИ" для импульсных тиратронов. Индикаторные газоразрядные приборы Индикаторными газоразрядными называют приборы, в которых используется свечение газа при тлеющем разряде. Они применяются для сигнализации о наличии напряжения или тока в цепях, а также для отображения различной информации. Широкое распространение в качестве индикаторных газоразрядных приборов получили неоновые лампы, знаковые индикаторы и линейные газоразрядные индикаторы. Простейшими из этих приборов являются неоновые лампы. Конструктивно они оформляются в виде стеклянного баллона, заполненного смесью инертных 103 газов (неона с примесью аргона или гелия), в котором размещаются два электрода: катод и анод. Размеры и форма электродов изменяются в зависимости от назначения лампы. Под действием напряжения сигнала, поступающего на электроды лампы, возникает тлеющий разряд, сопровождаемый характерным свечением. Для исключения дугового разряда неоновые лампы включаются в цепь последовательно с ограничительным резистором, обеспечивающим поддержание тлеющего разряда. Тлеющий разряд в неоне светится красно- оранжевым цветом. Кроме ламп с красно-оранжевым цветом свечения, разработаны цветные индикаторные лампы. В этих лампах ультрафиолетовое излучение тлеющего разряда возбуждает слой люминофора, нанесенный или на специальную подложку, или на внутреннюю поверхность баллона. В результате люминофор светится определенным цветом. Основными параметрами неоновых ламп являются: напряжение зажигания, напряжение горения, сила света, яркость и цвет свечения, а также анодный ток. Примерами индикаторных ламп могут служить МН-3, ТН-0,2, ТЛЖ-3-2 (с желтым цветом свечения). В качестве индикаторных приборов используются также тиратроны тлеющего разряда. Принцип их работы рассмотрен в п. 8.3.2. У индикаторных тиратронов в торце баллона, через который наблюдается свечение, впаиваются линзы. Знаковые индикаторы тлеющего разряда позволяют высвечивать цифры, буквы и другие символы. Конструктивно знаковый индикатор состоит из баллона, наполненного смесью инертных газов, и электродной системы. Электродная система имеет один общий анод, выполненный в виде редкой сетки, и несколько индикаторных катодов, изогнутых в форме цифр или знаков. К аноду и одному из индикаторных катодов через ограничительный резистор подается напряжение, превышающее напряжение зажигания тлеющего разряда. Возникающий при этом тлеющий разряд имеет форму 104 катода. Коммутацией напряжения на разные катоды осуществляется изменение изображений цифр или знаков. Система обозначений знаковых индикаторов состоит из букв "ИН" (индикатор неоновый) и числа, характеризующего порядковый номер разработки (например, ИН-1, ИН-16). Линейные газоразрядные индикаторы (ЛГИ) дают возможность отображать информацию о напряжении или токе в цепи в виде светящихся точек либо линии- Различают аналоговые и дискретные ЛГИ. У аналоговых ЛГИ информация отображается в виде светящейся линии (или ряда точек) длина которой пропорциональна приложенному напряжению или току в цепи. Конструктивно аналоговый ЛГИ представляет собой заполненный смесью инертных газов стеклянный баллон, внутри которого расположена электродная система, состоящая из длинного цилиндрического анода, вдоль оси которого расположен катод. Свечение наблюдается через прорезь, сделанную по всей длине анода. При подаче на ЛГИ напряжения между анодом и катодом возникает тлеющий разряд. Зажигание разряда у начала катода обеспечивается сближением в этой части анода и катода или использованием специального поджигающего электрода. Изменение длины линии свечения (участка катода, охваченного тлеющим разрядом) в зависимости от проходящего тока происходит линейно. Таким образом, по длине светящейся линии на нанесенной шкале можно непосредственно отсчитывать значение напряжения или тока. Примерами аналоговых ЛГИ являются ИН-9 и ИН-13. В дискретных ЛГИ аноды выполнены в виде группы элементов. Под действием импульсов, поступающих на схему управления, возникает тлеющий разряд между катодом и одним из анодов. Схема управления обеспечивает перемещение разряда вдоль линейки анодов. Считывание информации осуществляется по расположению светящейся точки. Примерами дискретных ЛГИ являются приборы типа ИН-20 и ИН-26. 105 Индикаторные панели Газоразрядные индикаторные панели (ГИП) называют матричными, т.к. они представляют множество светоизлучающих элементов, образуемых на пересечениях ортогональных элементов. ГИПпостоянного токаизображена на рис. 5.9. Рис. 5.9 - ГИП постоянного тока: 1 - подложки прозрачные, диэлектрические; 2 - катоды в виде полос металла, нанесенных на под- ложки распылением; 3 - диэлектрическая матрица; 4 - отверстия связи; 5 - полоски металла - аноды Отверстия связи совмещены с местами пересечения электродов. Пространство между подложками заполнено газом, цвет свечения зависит от газа. 106 Рис. 5.10 - Схема включения ГИП постоянного тока с внешней адресацией ГИП с внешними резисторами в цепях столбцов (R R к ) U a - напряжение строк и U к - напряжение столбцов. По столбцу все ячейки включаются одновременно. Ток в ячейках, подключенных в строках, может ограничиваться разными резисторами, и они могут включаться одновременно. ГИП не обладает внутренней памятью и работает в режиме регенерации изображения. Нормальное формирование изображения в схеме обеспечивается, когда при совпадении импульсов по строке и столбцу промежуток пробивается, т.е. з a к см U U U E ≥ + + , а при подаче импульсов только по строке или столбцу разряд не зажигается. з к см з a см U U E U U E < + < + ; ГИП с самосканированием (рис. 5.11) обеспечивает устойчивое зажигание разряда от импульса к импульсу. Рис. 5.11 - Устройство ГИП с самосканированием: а - вид сбоку; б - вид сверху 107 На рис. 5.11 цифрами обозначены: 1 - прозрачная, диэлектрическая подложка; 2 - канавки; 3 - аноды сканирования; 4 - дежурные электроды; 5 - катод сброса, он один и не имеет отверстий связи; 6 - катоды; 7 - отверстия связи; 8 - диэлектрическая матрица с отверстиями связи; 9 - индикаторные аноды; 10 - диэлектрическая подложка. Сейчас изготовляют ГИПС 222x7. В этой панели 222 катода и 7 анодов. Цифры, показанные на схеме (рис. 5.12), соответствуют электродам на рис. 5.11. Дежурные электроды (4) имеют отдельные выводы, запитаны через R R н от источника питания Е д . Между дежурными электродами горит постоянно разряд с током в несколько микроампер. Рядом с дежурными электродами расположен катод сброса (5), он имеет отдельный вывод (U КС )- Катоды (222) подсоединены к трем шинам. Катоды 1, 4, 7, 10 и т.д. имеют выводы U к1 катоды 2, 5, 8, 11 и т.д. имеют вывод U к2 ; катоды 3, 6, 9, 12 и т.д. имеют вывод U к3 . Аноды сканирования и индикаторные аноды имеют выводы и подсоединяются к источникам питания через R н R Рис. 5.12 - Электрическая схема ГИПС Напряжения в виде прямоугольных импульсов подаются в определенные отрезки времени (рис. 5.13). В течение времени (t 0 - t 1 ) подается отрицательный импульс на катод сброса, около катода сброса расположен дежурный разряд, его электроны помогают зажечь разряд на катод сброса. Во время (t 1 - t 2 ) подается импульс напряжения на катоды U К1 (1, 4, 7 и т.д.). Разряд зажигается на первый катод, т.е. около него находится катод сброса и соответственно электроны, помогающие зажечь разряд. Во время (t 2 - t 3 ) разряд переходит на 108 катод 2, (t 3 – t 4 ) - на катод 3, (t 4 - t 5 ) - на катод 4 и т.д. На все 222 катода сканирует разряд, происходит шаговое перемещение разряда. Когда разряд доходит до последнего катода, чтобы начать сканирование, надо снова подать импульс на катод сброса. При этом движение сканирующего разряда не видно оператору, он находится со стороны индикаторных анодов. Рис. 5.13 - Импульсы напряжений, подаваемых на электроды Для формирования изображения используется индикаторный разряд, возникающий в отверстиях диэлектрической матрицы при подаче положительных импульсов U аи на аноды индикации. Выборка индикаторной ячейки основана на том, что разряд возникает в ячейках, если совпадают два события: на анод индикации поступает импульс U аи , а разряд сканирования находится в том же столбце, что и данная ячейка индикации. В системе индикации, так же как при сканировании, разряд одновременно происходит только на одном катоде. Наиболее часто эти ГИПы применяются для воспроизведения буквенно- цифровой информации. 109 Источники информации для изучения дисциплины 1. Соболев В.Д. Физические основы электронной техники. – М.: Высшая школа, 1979. 2. Батушев В.А. Электронные приборы. – М.: Высшая школа, 1969 (1980). 3. Каганов И. Л. Ионные приборы. – М.: Энергия, 1972. 4. Гуртовник А.Г. Электровакуумные приборы и основы их конструирования. – М.: Энергоатомиздат, 1988. 5. Электронные приборы / под ред. Шишкина Г.Г.– М.: Энергоатомиздат, 1989. – 494с. 6. Абрамян Е.А. и др. Интенсивные электронные пучки: физика, техника, применение. – М.: Энергоатомиздат., 1984. – 232с. 7. Епифанов Г.И. Физические основы микроэлектроники. – М.: "Сов. радио", 1971. 8. Яблонский Ф.М., Троицкий Ю. В. Средства отображения информации. – М.: Высшая школа, 1985. 9. Василевский А.М., Тихонов В.В. Оптическая электроника. – Л.: Энергоиздат, 1990. 10. Яблонский Ф.М. Газоразрядные приборы для отображения информации. – М.: Энергия, 1979. 11. Симкин С.А. Физические явления в электровакуумных и газоразрядных приборах: Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Физические основы электронной техники» - Тольятти: ТолПИ, 1989. |