Часть 1

7.Как графически построить рабочую (динамическую) анодносеточную характеристику, используя семейство статических анодных характеристик и уравнение нагрузочной прямой?

8.Какими параметрами характеризуется работа триода в режиме усиления напряжения?

9.Какие междуэлектродные емкости существуют в триоде?

Электронно-лучевые приборы [1, c. 282 – 336; 2, c. 201 – 213; 3, c. 107 – 124]

Изучить принцип действия, конструкции прожекторов ЭЛТ с электростатической фокусировкой и прожектора с магнитной фокусировкой луча, экраны электронно-лучевых приборов: устройство и их параметры.

Изучить электронно-лучевые трубки специального назначения: индикаторные, кинескопы.

Вопросы для самопроверки

1.Расскажите об устройстве трубки с электростатической фокусировкой и электростатическим отклонением луча.

2.Расскажите об устройстве трубки с электромагнитной фокусировкой и с магнитным отклонением луча.

3.Как устроен прожектор современной осциллографической

трубки?

4.Каковы преимущества и недостатки системы магнитной фокусировки по сравнению с системой электростатической фокусировки?

5.Как отводится электрический заряд с экрана трубки?

6.Назовите основные параметры экранов ЭЛТ.

7.Как устроен кинескоп? Чем отличаются конструкции монохромных и цветных кинескопов?

Рекомендуемая литература

1.Электронные приборы / А. Л. Булычев [и др.]. – М. : ЛайтЛтд, 2000. – 416 с. : ил.

2.Гусев, В. Г. Электроника : учеб. пособие для приборостроит. спец. вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. – М. : Высш.

шк., 1991. – 622 с. : ил.

3.Ткаченко, Ф. А. Техническая электроника : Учеб. пособие / Ф. А. Ткаченко. – Минск : Дизайн ПРО, 2000. – 352 c. : ил.

321

Тема 17. Электровакуумные и лучевые приборы

Термины: ЭВП, ГРП, баллон, подогреватель, сетка, работа выхо-

да, эмиссия, накал, закон степени трех вторых, триод, проницаемость, ЭЛТ, фокусировка, ускоряющий электрод, люминофор, кинескоп, отклоняющая система.

17.1.Введение в эмиссионную электронику

17.2.Основы эмиссионной электроники

17.3.Электровакуумный диод, устройство и принцип действия

17.4.Основные параметры электровакуумного диода

17.5.Триоды

17.6.Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) с электростатическим управлением

17.7.ЭЛТ с электромагнитным управлением

17.8.Кинескопы

17.9.Цветные кинескопы

17.1. Введение в эмиссионную электронику

Электровакуумным прибором называется устройство, в котором рабочее пространство, изолированное газонепроницаемой оболочкой (баллоном), имеет высокую степень разрежения или заполнено специальной средой (парами или газами) и действие которого основано на электрических явлениях, связанных с движением заряженных частиц в вакууме или газе.

В соответствии с характером рабочей среды электровакуумные приборы подразделяются на электронные и ионные (газоразрядные).

Электронный электровакуумный прибор (ЭВП) – это прибор, в кото-

ром электрический ток обусловлен движением только свободных электронов в вакууме.

Семейство электронных вакуумных приборов весьма обширно и объединяет такие группы приборов, как электронные лампы, электроннолучевые приборы, электровакуумные фотоэлектронные приборы и др.

Ионный электровакуумный прибор – это прибор, принцип действия которого основан на использовании свойств электрического разряда в газе или парах металлов. Эти приборы называют также газоразрядными (ГРП). К ним относятся газоразрядные приборы дугового, тлеющего, высокочастотного разрядов и др.

322

Любой электровакуумный и газоразрядный прибор состоит из системы электродов, предназначенных для управления физическими процессами внутри баллона, отделяющего внешнюю среду от рабочего внутреннего пространства прибора.

В каждом типе электровакуумных и газоразрядных приборов создаются свои специфические системы электродов. Однако ряд электродов имеется во всех типах электровакуумных и большинстве типов газоразрядных приборов. К таким электродам относятся катоды – электроды, испускающие (эмитирующие) электроны, и аноды – электроды, собирающие электроны. Для управления потоками заряженных частиц во многих приборах используются управляющие электроды, которые выполняются в виде сеток или профилированных пластин, и специальные электромагнитные элементы конструкции (катушки). В приборах отображения информации в наглядной (визуальной) форме (электронно-лучевые трубки, индикаторы и др.) широко используются специальные конструктивные элементы, которые называют экранами. С помощью экранов энергия электронного потока или электрического поля преобразуется в оптическое излучение (свечение) тела. Конструкции электродов очень разнообразны и определяются назначением приборов и условиями их работы.

Баллоны электровакуумных и газоразрядных приборов изготавливают самой разнообразной формы из стекла, металла, керамики, а также из различных комбинаций этих материалов. Выводы от электродов делаются через цоколь, торцевые и боковые поверхности баллонов.

17.2. Основы эмиссионной электроники

Работа выхода. Чтобы сформировать поток свободных электронов, перемещающихся в вакууме или газе под действием электрических и магнитных полей, необходимо обеспечить выход электронов из твердого тела, чаще всего металла или полупроводника. Испускание электронов твердым телом называется эмиссией и осуществляется путем подведения к телу энергии от внешнего источника. Энергия, равная разности энергии Е0 электрона, покоящегося в свободном пространстве на расстоянии, где силами, действующими на электрон со стороны поверхности твердого тела, можно пренебречь, и энергии Еф, соответствующей уровню электрохимического потенциала системы электронов в твердом теле (уровню Ферми), А = Е0 – Еф, называется работой выхода (выражается в вольтах).

Для уменьшения работы выхода на поверхность металлической основы (керна) наносят вещество с меньшей работой выхода, электроны которого переходят в керн. Вследствие этого на поверхности катода появля-

323

ются положительные ионы, которые вместе с электронами, ушедшими в керн, формируют внутренний двойной электрический слой. Электрическое поле, создаваемое этим слоем, ускоряет вылетающие электроны, т.е. уменьшает работу выхода электронов. Например, при нанесении одноатомного слоя бария на поверхность вольфрама работа выхода уменьшается с 4,5 (чистый W) до 1,56 эВ (активированный W).

В зависимости от вида энергии, подводимой к веществу, различают тер- мо-, фото-, электростатическую и вторичную электронные эмиссии частиц.

Термоэлектронная эмиссия. Осуществляется за счет нагрева вещества. При некоторой температуре вещества тепловая энергия, полученная электронами, будет достаточной для совершения ими работы выхода.

Зависимость плотности тока термоэмиссии Iэ от температуры тела (катода) Т определяется следующим выражением:

−(E0 −Eф )

2	kT	,
Ie = A0Te

где A0 = 10…300 А/(см2 К2) – константа, зависящая от материала катода; k – постоянная Больцмана.

Фотоэлектронная эмиссия. Обусловлена действием внешнего электромагнитного излучения, воздействующего на поверхность вещества. Катод, использующий фотоэлектронную эмиссию, называют фотоэлектрон- ным или фотокатодом. В основе фотоэлектронной эмиссии лежат законы А.Г. Столетова и А. Эйнштейна. Согласно закону Столетова фототок

Iф = kФ

пропорционален световому потоку Ф, облучающему тело. Здесь k – коэффициент пропорциональности.

Кинетическая энергия эмитированных электронов определяется частотой оптических колебаний ν и в соответствии с законом Эйнштейна может быть вычислена с помощью следующего выражения:

mν2 = hν − A, 2

где h – постоянная Планка; А – работа выхода; ν – скорость эмитированных электронов.

Частота падающего света, при которой кинетическая энергия равна нулю (hνкр = A), называется пороговой частотой фотоэлектронной эмис- сии; νкр – длинноволновая граница фотоэффекта. Поскольку различные

324

вещества имеют различную работу выхода, то фотоэлектронная эмиссия для разных фотокатодов возникает при определенной νкр. Чувствительность фотокатода оценивается отношением числа эмитированных электронов к числу падающих фотонов (квантовый выход).

Электростатическая (автоэлектронная) эмиссия. Обусловлена сильным электрическим полем, воздействующим на поверхность катода. При большом положительном относительно катода потенциале электрода, расположенного рядом с катодом, у поверхности последнего происходит значительное понижение энергетического барьера и его толщины. В результате этого уменьшается работа выхода электронов и при некотором значении напряженности электрического поля может возникнуть значительный ток эмиссии за счет тоннельного перехода через барьер электронов с поверхности катода во внешнее пространство. Это явление называется электростатической (автоэлектронной) эмиссией. Напряженности электрических полей, необходимые для этого вида эмиссии, должны достигать 106 В/см и более.

Вторичная электронная эмиссия. Происходит при бомбардировке поверхности тела потоками быстрых заряженных частиц. Если используются электронные потоки, то отношение общего числа вторичных, выбитых с поверхности тела электронов п2 к числу первичных электронов п1, попадающих на поверхность тела из электронного потока, называют ко-

эффициентом вторичной эмиссии σ . Для большинства металлов и полу-

проводников максимальное значение σ ≈1. У сложных соединений, включающих элементы с малой работой выхода, σ может достигать нескольких единиц.

Катоды электронных ламп. Термокатоды. В большинстве электровакуумных приборов применяют термоэлектронные катоды (термокатоды), использующие термоэмиссию. Наиболее распространенными термокатодами являются однородные металлические, активированные металлические, полупроводниковые и металлополупроводниковые. По способу нагрева термокатоды делятся на прямонакальные и подогревные.

Прямонакальные катоды выполняют различной формы из тонкой проволоки или ленты, которую закрепляют в массивных держателях, подсоединяемых к источнику тока накала. Прямонакальные катоды из чистых металлов используются относительно редко, например, в электрометрических и мощных электронных лампах с высоким анодным напряжением, так как они наиболее стойки к разрушению под действием бомбардировки ионами, возникающими за счет ионизации остаточных газов в рабочем пространстве.

325

Подогревные катоды (косвенного накала) содержат изолированную нить подогрева (подогреватель) и собственно катод, выполняемый обычно в виде металлического цилиндра с активированной внешней поверхностью. Прямонакальные катоды, как правило, запитываются постоянным током накала, а подогревные могут нагреваться и переменным током.

Активированные металлические катоды имеют достаточно много конструктивных модификаций. В любом из них поверхность W или Мо активируется металлами с малой работой выхода: барием, торием, стронцием и др. Для увеличения активированной поверхности и, следовательно, эмиссионной способности поверхностные слои или весь катод изготовляют: из пористого вольфрама; путем прессования или спекания порошков оксида металла (никель, вольфрам и др.) и карбонатов щелочноземельных металлов; путем нанесения гексаборида лантана или гексаборида бария на молибденовую или танталовую подложку. Активированные металлические катоды применяются в самых разнообразных электронных приборах. Они обладают существенно большей плотностью тока эмиссии (до 10 А/см2) и имеют меньшую рабочую температуру: Траб. ≈ 1700 ºС.

17.3. Электровакуумный диод, устройство и принцип действия

Вакуумный диод имеет два основных электрода – катод и анод. Катод – это электрод, с которого происходит термоэлектронная эмиссия. Катоды бывают двух видов – с прямым и косвенным накалом. Катоды с косвенным накалом (рис. 17.1) обычно выполняются в виде трубки, внутри которой расположена спираль, называемая нитью накала (рис. 17.2). На нее подается напряжение накала, она разогревает катод для получения термоэлектродной эмиссии. Катоды прямого накала – это катоды, у которых напряжение накала подается непосредственно на катод.

Рис. 17.1. Конструкция катода	Рис. 17.2. Конструкция нити накала
с косвенным накалом
	326

Анод – это электрод, находящийся обычно под положительным потенциалом, к которому стремятся электроны, вылетевшие из катода.

Принцип действия диода На рис. 17.3 приведены условное обозначение, схема включения и

ВАХ диода.

При подаче на анод положительного напряжения между катодом и анодом создается ускоряющее электрическое поле для электронов, вылетающих из катода. Они прилетают к аноду, и через диод протекает прямой ток анода Iа. При подаче на анод отрицательного напряжения относительно катода для электронов, вылетающих из катода, образуется тормозящее электрическое поле, они будут прижиматься к катоду и ток анода будет равен нулю. Отличие электровакуумных диодов от полупроводниковых заключается в том, что обратный ток в них полностью отсутствует.

	а		б

в

Рис. 17.3. Условное обозначение (а), схема включения (б) и ВАХ (в) диода

1. Нелинейный участок (см. рис. 17.3, в). Ток медленно возрастает, что объясняется противодействием полю анода объемного отрицательного электрического заряда, который образуется электронами, вылетающими из катода за счет эмиссии.

327

2. Линейный участок (см. рис. 17.3, в). При достаточно сильном электрическом поле анода объемный электрический заряд уменьшается и не оказывает значительного влияния на поле анода. На этом участке характер изменения анодного тока описывается законом степени трех-вторых:

3

Iа = GUа 2 ,

где G =	2,33×10−6 S		а	– величина, постоянная для каждой лампы.
	r	2
	а

3. Участок насыщения (см. рис. 17.3, в). Рост тока при увеличении напряжения замедляется, а затем полностью прекращается, т.к. все электроны, вылетающие из катода, достигают анода.

ВАХ анода прямо пропорционально зависит от напряжения накала

(рис. 17.4).

Рис. 17.4 Зависимость ВАХ диода от напряжения накала

17.4. Основные параметры электровакуумного диода

Основными параметрами диодов, характеризующими свойства большинства двухэлектродных ламп, являются крутизна анодной характеристики S, внутреннее сопротивление Ri, сопротивление постоянному току Ro, междуэлектродные емкости, предельное обратное напряжение Uобр. и максимальная мощность, рассеиваемая анодом, Ра max.

· Крутизна ВАХ (рис. 17.5).

S = DIa , мА .

DUa В

328

Рис. 17.5. Определение параметров по ВАХ

Крутизна характеристики лампы показывает, насколько изменится анодный ток при изменении анодного напряжения на 1 В. Для диодов S = l…10 мА/В в наиболее крутом участке вольт-амперной характеристики. Из закона степени трех вторых S = (3/2) GUа1/2.

∙ Дифференциальное внутреннее сопротивление

R = Ua = 1
i	Ia	S

можно рассматривать как сопротивление диода переменному току

(10…105 Ом).

∙ Сопротивление лампы при постоянном токе (статическое сопротивление) R0 = Uа/Iа, где Iа и Uа – ток и напряжение в заданной точке анодной характеристики. Для идеализированного диода

R0 = 32Ri .

Для реального диода R0 может быть как больше, так и меньше Ri.

∙ Междуэлектродные емкости формируются за счет того, что электроды прибора, разделенные вакуумным промежутком, представляют собой пластины эквивалентного конденсатора.

К этой емкости добавляются еще емкость между выводами и емкость, обусловленная наличием неоднородно распределенных в междуэлектродном пространстве зарядов. Междуэлектродную емкость при отсутствии зарядов в междуэлектродном пространстве (катод не накален) называют холодной, а при их наличии – горячей. Согласно расчетам горячая емкость больше холодной на 30…50 %.

329

∙ Наибольшее обратное напряжение Uобр. max определяет предельное (максимальное) значение амплитуды переменного напряжения, подводимого к диоду. При Uобр > Uобр. max возможен электрический пробой между электродами и их выводами.

Максимальная мощность, рассеиваемая анодом, Ра max относится, как и наибольшее обратное напряжение, к параметрам предельно допустимого режима. При бомбардировке анода электронами он разогревается до значительных температур. Общая мощность, получаемая анодом в результате этого процесса, Pa.max = Ia.max ×Ua.max .

Система маркировки

Маркировка представляет собой систему обозначений, содержащую четыре элемента:

6	Д	20	П
1	2	3	4

1.Напряжение накала, округленное до целого числа.

2.Тип электровакуумного прибора. Для диодов:

Д – одинарный диод.

X – двойной диод, т.е. содержащий два диода в одном корпусе с общим накалом.

С – высоковольтный диод или кенотрон.

3.Порядковый номер разработки ЭВП.

4.Конструктивное выполнение:

∙С – стеклянный баллон с пластмассовым цоколем (очень старое исполнение, не менее чем 24 мм – диаметр баллона).

∙П – пальчиковые лампы (стеклянный баллон диаметром 19 или 22,5 мм с жесткими штыревыми выводами без цоколя).

∙Б – миниатюрная серия с гибкими выводами и с диаметром корпуса менее 10 мм.

∙А – миниатюрная серия с гибкими выводами и с диаметром корпуса менее 6 мм.

∙К – серия ламп в керамическом корпусе.

∙Четвертый элемент отсутствует (6К4) – это говорит об отсутствии металлического корпуса.

330