Принцип устройства и работы электро-вакуумных приборов

____Электровакуумными приборами (ЭВП) называют приборы, в которых рабочее пространство, изолированное газонепроницаемой оболочкой, имеет высокую степень разрежения или заполнено специальной средой (пары или газы) и действие которых основано на использовании электрических явлений в вакууме или газе.


____Под вакуумом следует понимать состояние газа, в частности воздуха, при давлении ниже атмосферного. Если электроны движутся в пространстве свободно, не сталкиваясь с оставшимися после откачки газа молекулами, то говорят о высоком вакууме.


____Электровакуумные приборы делятся на электронные, в которых течет чисто электронный ток в вакууме, и ионные (газоразрядные), для которых характерен электрический разряд в газе (или парах). В электронных приборах ионизация практически отсутствует, а давление газа менее 100 мкПа (высокий вакуум). В ионных приборах давление 133 • 10^-3 Па (10^-3 мм рт. ст.) и выше. При этом значительная часть движущихся электронов сталкивается с молекулами газа и ионизирует их.


____Есть еще группа проводниковых (безразрядных) ЭВП. К ним относятся лампы накаливания, стабилизаторы тока (бареттеры), вакуумные конденсаторы и др.


____Особую группу ЭВП составляют электронные лампы, предназначенные для различных преобразований электрических величин. Эти лампы бывают генераторными, усилительными, выпрямительными, частотно-преобразовательными, детекторными, измерительными и др. Большинство их рассчитано на работу в непрерывном режиме. Выпускаются лампы и для импульсного режима. В них протекают кратковременные токи — электрические импульсы.
____В зависимости от рабочих частот электронные лампы подразделяются на низко-, высоко- и сверхвысокочастотные.
____Электронные лампы, имеющие два электрода — катод и анод, называются диодами. Диоды для выпрямления переменного тока в источниках питания называются кенотронами. Лампы, имеющие помимо катода и анода электроды в виде сеток, с общим числом электродов от трех до восьми, — это соответственно триод, тетрод, пентод, гексод, гептод и октод. При этом лампы с двумя и более сетками называются многоэлектродными. Если лампа содержит несколько систем электродов с независимыми потоками электронов, то ее называют комбинированной (двойной диод, двойной триод, триод — пентод, двойной диод — пентод и др.).
____Основные ионные приборы — это тиратроны, стабилитроны, лампы со знаковой индикацией, ионные разрядники и др.


____Большую группу составляют электронно-лучевые приборы, к которым относятся кинескопы (приемные телевизионные трубки), передающие телевизионные трубки, осциллографические и запоминающие трубки, электронно-оптические преобразователи изображений, электронно-лучевые переключатели, индикаторные трубки радиолокационных и гидроакустических станций и др.
____В группу фотоэлектронных приборов входят электровакуумные фотоэлементы (электронные и ионные) и фотоэлектронные умножители. К электроосветительным приборам следует отнести лампы накаливания, газоразрядные источники света и люминесцентные лампы.


____Особое место занимают рентгеновские трубки, счетчики элементарных частиц и другие специальные приборы.


____Электровакуумные приборы классифицируются еще по типу катода (накаленный или холодный), по материалу и устройству баллона (стеклянный, металлический, керамический, комбинированный), по роду охлаждения (естественное, или лучистое, и принудительное — воздушное, водяное, паровое).


.

____Главное назначение диодов — выпрямление переменного тока. Иногда диоды применяются для генерации шумов, т. е. беспорядочно изменяющихся токов и напряжений, для ограничения электрических импульсов и т. д.
____Диод имеет два электрода в стеклянном, металлическом или керамическом баллоне с вакуумом. Один электрод — это накаленный катод, служащий для эмиссии (испускания) электронов. Другой электрод. — анод — принимает электроны, испускаемые катодом. Катод и анод вакуумного диода аналогичны эмиттеру и базе полупроводникового диода. Анод притягивает электроны, если он имеет положительный относительно катода потенциал. Между анодом и катодом образуется электрическое поле, которое при положительном потенциале анода является ускоряющим для электронов. Электроны, вылетающие из катода, под действием поля движутся к аноду.
____Простейший катод делают в виде проволочки, которая накаливается током. Такие катоды называют катодами прямого или непосредственного накала. Большое распространение получил катод косвенного накала (подогревный). Это металлический цилиндр, поверхность которого покрыта активным слоем, эмитирующим электроны. Внутри цилиндра находится подогреватель в виде проволочки, накаливаемой током. В наиболее распространенной цилиндрической конструкции диода (рис. 1) анод имеет форму цилиндра.


____Цепи диода с катодом косвенного накала показаны на рис. 2. Основной является анодная цепь (цепь анода). В нее входят анодный источник Е_а и пространство между анодом и катодом.
____Все электроны, вылетающие из катода, образуют ток эмиссии


где N — число электронов, вылетающих за 1 с; q — заряд электрона.

____Между анодом и катодом образуется отрицательный заряд, называемый объемным или пространственным и препятствующий движению электронов к аноду. При недостаточном положительном потенциале анода не все электроны могут преодолеть действие объемного заряда и часть их возвращается на катод.
____Электроны, ушедшие с катода безвозвратно, определяют катодный ток (ток катода), обозначаемый I_к или i_K:


где n — число электронов, ушедших за 1с. с катода и не возвратившихся.

____Чем выше потенциал анода, тем больше электронов преодолевает объемный заряд и уходит к аноду, т. е. тем больше катодный ток.
____Поток электронов, летящих от катода к аноду и попадающих на анод, называют анодным током (током анода). Он протекает в анодной цепи и обозначается I_а или i_a В диоде катодный и анодный токи равны друг другу:


____Анодный ток является главным током электронной лампы. Электроны этого тока движутся внутри лампы от катода к аноду, а вне лампы — от анода к плюсу анодного источника, затем внутри него и от минуса источника к катоду лампы.
____При изменении положительного потенциала анода изменяется катодный ток и равный ему анодный ток. В этом заключается электростатический принцип управления анодным током.
____Если потенциал анода отрицателен по отношению к катоду, то поле между анодом и катодом тормозит электроны, вылетающие из катода, и возвращает их на катод. В этом случае катодный и анодный токи равны нулю.
____Основное свойство диода — способность проводить ток в одном направлении. Электроны могут двигаться только от накаленного катода к аноду, имеющему положительный потенциал. Если же на аноде отрицательный относительно катода потенциал, то диод заперт, т. е. он размыкает цепь. Такой анод отталкивает электроны, а сам он не накален и не испускает электронов. Диод обладает односторонней проводимостью и подобно полупроводниковому диоду может выпрямлять переменный ток. В отличие от полупроводникового диода в вакуумном при обратном напряжении обратный ток практически отсутствует.
____Анодный ток составляет доли миллиампера в самых маломощных диодах, применяемых в радиоприемниках или измерительной аппаратуре. В более мощных диодах (кенотронах), работающих в выпрямительных установках для питания аппаратуры, анодный ток достигает сотен миллиампер и более.
____Разность потенциалов между анодом и катодом называют анодным напряжением (напряжением анода) и обозначают U_a или u_а.
____В практических схемах, когда в анодную цепь включена нагрузка, на которой падает часть напряжения анодного источника, анодное напряжение меньше E_а. Нередко возникают ошибки от того, что напряжение анодного источника E_а неправильно называют анодным напряжением. Но они равны только в том случае, когда зажимы анодного источника непосредственно присоединены к аноду и катоду лампы (см. рис. 2). Положительное анодное напряжение у маломощных диодов составляет доли вольта или единицы вольт. У кенотронов средней мощности оно достигает десятков вольт, а у мощных кенотронов сотен вольт и более.
____Условились принимать потенциал катода за нулевой, так как от катода электроны начинают свое движение. Потенциал любого электрода определяют относительно катода. У катода прямого накала за точку нулевого потенциала принимают минус источника накала.


____Второй цепью диода является цепь накала. Она состоит из источника E_н и подогревателя (или катода прямого накала). Ток накала обозначают I_н, а напряжение накала, т. е. напряжение между выводами подогревателя (или катода прямого накала), обозначают U_н. Напряжение накала всегда низкое — единицы, реже десятки вольт. Ток накала у маломощных ламп составляет десятки миллиампер, а у мощных — до десятков и даже сотен ампер. Во многих схемах вывод катода соединяют с корпусом (рис. 3, а, б) аппаратуры.


.

____Триоды имеют третий электрод — управляющую сетку, называемую обычно просто сеткой и расположенную между анодом и катодом. Она служит для электростатического управления анодным током. Если изменять потенциал сетки, то изменяется электрическое поле и вследствие этого изменяется катодный ток лампы.
____Катод и анод у триодов такие же, как у диодов. Сетка в большинстве ламп выполняется из проволоки. Катод, сетка и анод электровакуумного триода аналогичны соответственно эмиттеру, базе и коллектору биполярного транзистора или истоку, затвору и стоку полевого транзистора.


____Все, что относится к сетке, обозначается символами с индексом g (от английского слова grid — сетка).
____Триод имеет цепи накала и анода, подобные таким же цепям диода, и цепь сетки (рис. 4), состоящую из промежутка катод — сетка внутри лампы и источника сеточного напряжения Е_g. В практических схемах в цепь сетки включают еще и другие элементы.


____Разность потенциалов между сеткой и катодом называется сеточным напряжением (напряжением сетки) и обозначается U_g или u_g. При положительном напряжении сетки часть электронов попадает на сетку и в ее цепи возникает сеточный ток (ток сетки), обозначаемый I_g или i_g. Часть триода, состоящая из катода, сетки и пространства между ними, подобна диоду.
____Основной и полезный ток в триоде — анодный. Он аналогичен коллекторному току биполярного транзистора или току стока полевого транзистора. Сеточный ток, аналогичный току базы транзистора, бесполезен и даже вреден. Во многих случаях сеточный ток уничтожают. Для этого напряжение сетки должно быть отрицательным. Тогда сетка отталкивает электроны. Возможность уничтожения вредного сеточного тока существенно отличает триод от биполярного транзистора, который всегда работает с током базы.


____В проводе катода протекает суммарный ток, который называется катодным током:


____Катодный ток аналогичен эмиттер-ному току биполярного транзистора или току истока полевого транзистора. В триоде катодный и анодный токи равны только при u_g < 0, так как в этом случае i_g = 0.
____Подобно диодам триоды обладают односторонней проводимостью. Но для выпрямления переменного тока их применять нет смысла, так как диоды проще по конструкции. Возможность управления анодным током с помощью сетки определяет основное назначение триодов — усиление электрических колебаний. Триоды применяются также для генерации электрических колебаний различной частоты.


.

____Основным электродом каждого электровакуумного прибора является катод, эмитирующий электроны.
____Электронной эмиссией называют процесс выхода электронов из твердых или жидких тел в вакуум или газ. Чтобы вызвать электронную эмиссию, надо сообщить электронам добавочную энергию, которую называют работой выхода. Она различна для разных металлов и составляет несколько электрон-вольт. У металлов, имеющих большие по сравнению с другими межатомные расстояния, работа выхода меньше. К ним относятся щелочные и щелочноземельные металлы, например цезий, барий, кальций.
____Если на поверхности основного металла расположены атомы веществ, отдающие электроны данному металлу, то наблюдается усиление эмиссии. Такие вещества называются активирующими. Можно также уменьшить работу выхода путем покрытия поверхности металла слоем оксида щелочных и щелочноземельных металлов.

____Рассмотрим основные виды электронной эмиссии.

____Термоэлектронная эмиссия обусловлена нагревом тела, эмитирующего электроны, и широко используется в электронных приборах. С повышением температуры энергия электронов проводимости в проводнике или полупроводнике растет и может оказаться достаточной для совершения работы выхода. Если вылетевшие электроны не отводятся ускоряющим полем от эмитирующей поверхности, то около нее образуется скопление электронов («электронное облачко»). В нем энергии электронов различны и средняя энергия обычно составляет десятые доли электрон-вольта.
____«Электронное облачко» находится в динамическом равновесии. Новые электроны вылетают из нагретого тела, а ранее вылетевшие падают обратно. Это явление напоминает испарение жидкости в замкнутом сосуде. Насыщенный пар над такой жидкостью находится в динамическом равновесии: одни молекулы возвращаются в жидкость, а другие, получившие при нагреве достаточную энергию, вылетают из жидкости.
____В приборах с накаленным активированным катодом (например, оксидным) наблюдается значительное усиление термоэлектронной эмиссии под влиянием внешнего ускоряющего поля (эффект Шоттки). Если бы катод не был накален, то эмиссия отсутствовала бы. А при высокой температуре и наличии внешнего ускоряющего поля вылетает дополнительно много электронов, которые при отсутствии поля не могли бы выйти. При кратковременном действии сильного поля выход электронов из накаленных оксидных и других активированных катодов очень велик. Такая эмиссия в виде кратковременных импульсов тока используется в некоторых электронных и ионных приборах.
____Электростатическая (или автоэлектронная) эмиссия представляет собой вырывание электронов сильным электрическим полем. Эту эмиссию иногда называют «холодной», что неудачно, так как все виды эмиссии, кроме термоэлектронной, можно причислить к «холодным».
____Выход электронов при нормальной (комнатной) температуре происходит с помощью электрических полей напряженностью не менее 10⁵ В/см.
____Электростатическая эмиссия значительно усиливается при шероховатой поверхности, что объясняется концентрацией поля у микроскопических выступов этой поверхности. При наличии активирующих, особенно оксидных, покрытий электростатическая эмиссия также усиливается. Помимо уменьшения работы выхода, свойственного оксидному слою, здесь играет роль проникновение внешнего поля в полупроводниковый оксидный слой и шероховатость поверхности оксида.
____Вторичная электронная эмиссия обусловлена ударами электронов о поверхность тела. При этом ударяющие электроны называются первичными. Они проникают в поверхностный слой и отдают свою энергию электронам данного вещества. Некоторые из последних, получив значительную энергию, могут выйти из тела. Такие электроны называются вторичными. Вторичная эмиссия обычно возникает при энергии первичных электронов 10—15 эВ и выше. Если энергия первичного электрона достаточно велика, то он может выбить несколько вторичных электронов.
____Вторичная эмиссия характеризуется коэффициентом вторичной эмиссии а, который равен отношению числа вторичных электронов n₂ к числу первичных n₁:


____Коэффициент σ зависит от вещества тела, структуры его поверхности, энергии первичных электронов, угла их падения и некоторых других факторов. Для чистых металлов максимальное значение а бывает в пределах 0,5—1,8. При наличии активирующих покрытий а достигает 10 и более. Для интенсивной вторичной эмиссии применяют сплавы магния с серебром, алюминия с медью, бериллия с медью и др. У них коэффициент σ может быть в пределах 2—12 и больше, причем эмиссия более устойчива, нежели у других веществ. Вторичная эмиссия наблюдается также у полупроводников и диэлектриков.
____На рис. 5 дана зависимость коэффициента σ от энергии первичных электронов W₁ При W₁ < 10 - 15 эВ вторичной эмиссии нет. Затем она с ростом W₁ усиливается, доходя до максимума, после чего ослабевает. Кривая 1 — зависимость для чистого металла, а кривая 2 — для металла с активирующим покрытием. Максимум вторичной эмиссии достигается обычно при энергии W₁ в сотни электрон-вольт. Снижение σ при более высоких значениях W₁ объясняется тем, что первичные электроны проникают более глубоко и передают энергию электронам, находящимся дальше от поверхности. Последние передают полученную энергию другим электронам и не могут дойти до поверхности. Подобно этому камень, падающий в воду с небольшой скоростью, вызывает сильное разбрызгивание воды; тот же камень при большой скорости быстро входит в воду, не создавая брызг.
____Вторичные электроны вылетают в различных направлениях и с различными энергиями. Если они не отводятся ускоряющим полем, то образуют около поверхности тела объемный заряд («электронное облачко»). Энергии большинства вторичных электронов значительно выше, нежели энергии термоэлектронов.


____Использование вторичной эмиссии много лет затруднялось тем, что не обеспечивалась ее устойчивость. В дальнейшем были изготовлены устойчиво работающие вторично-электронные катоды из сплавов металлов и стало возможным создание более совершенных электровакуумных приборов со вторичной эмиссией.
____Электронная эмиссия под ударами тяжелых частиц имеет сходство со вторичной эмиссией. В большинстве случаев испускание электронов происходит от бомбардировки тела ионами. Для характеристики такой эмиссии служит коэффициент выбивания электронов δ, равный отношению числа выбитых электронов n_е к числу ударивших ионов n_i:


____Значение δ зависит от вещества бомбардируемого тела, от массы и энергии бомбардирующих ионов, состояния поверхности, наличия или отсутствия на ней активирующих покрытий, угла падения ионов и других факторов. Обычно коэффициент δ значительно меньше единицы, но для полупроводниковых и тонких диэлектрических слоев наблюдаются значения δ > 1. Наименьшая энергия ионов, необходимая для выбивания электронов, составляет десятки электрон-вольт. При наличии активирующих покрытий коэффициент δ возрастает. Энергии большинства выбитых электронов 1 — 3 эВ.


.

____Термоэлектронный катод должен быть долговечным и обеспечивать устойчивую (стабильную) эмиссию при возможно меньших затратах энергии на накал. Поверхность катода не должна разрушаться от ионной бомбардировки. Даже в высоком вакууме имеется некоторое число положительных ионов. Они ускоренно летят к катоду. Чем выше анодное напряжение, тем с большей силой ионы ударяют в катод.
____Экономичность катода характеризуется его эффективностью. Она показывает, какой ток эмиссии можно получить на 1 Вт мощности накала. У современных катодов в режиме непрерывной работы эффективность может быть от единиц до сотен миллиампер на ватт.
Рабочая температура у разных катодов примерно от 700 до 2300 °С. Долговечность катода определяется сроком, по истечении которого выход электронов уменьшается на 10%. Катоды имеют долговечность от сотен до десятков тысяч часов.
____При увеличении рабочей температуры повышается эффективность, и поэтому для усиления эмиссии иногда несколько повышают накал, но при этом сокращается долговечность.
____Простые катоды, т. е. катоды из чистых металлов, делаются почти исключительно из вольфрама (редко из тантала) и имеют прямой накал. Рабочая температура вольфрамовых катодов 2100 — 2300 °С, что соответствует накалу до светло-желтого или белого цвета. Долговечность этих катодов определяется ослаблением эмиссии из-за уменьшения толщины катода вследствие распыления вольфрама.
____Достоинство вольфрамового катода — устойчивость эмиссии. После временного перекала она не уменьшается. Стойкость вольфрамового катода к ионной бомбардировке делает его особенно пригодным для мощных ламп, работающих с высокими анодными напряжениями. Катоды из вольфрама применяются также в специальных электрометрических лампах, в которых важна стабильность эмиссии. Основной недостаток вольфрамового катода — низкая эффективность (единицы миллиампер на ватт (мA на Вт)). Вследствие высокой температуры интенсивно испускаются тепловые и световые лучи, на что бесполезно расходуется почти вся мощность накала.
____У многих типов сложных катодов на поверхность чистого металла наносится активирующий слой, который обеспечивает интенсивную эмиссию при сравнительно невысоких температурах.
____Достоинство сложных катодов — экономичность. Они обладают эффективностью до десятков и даже сотен миллиампер на ватт. Рабочая температура у некоторых катодов составляет 700 °С. Долговечность достигает тысяч и десятков тысяч часов. К концу этого срока снижается выход электронов из-за уменьшения количества активирующих примесей (например, за счет их испарения). Некоторые сложные катоды обеспечивают сверхвысокую эмиссию в импульсном режиме, т. е. в течение коротких (единицы микросекунд) промежутков времени, разделенных значительно более длительными паузами.
____Основной недостаток сложных катодов — невысокая устойчивость эмиссии. Выход электронов снижается от временного перекала, что объясняется испарением активирующих веществ при повышенной температуре. Кроме того, сложные катоды разрушаются от ионной бомбардировки, поэтому в лампах важно поддерживать высокий вакуум. Это достигается применением специального газопоглотителя (геттера).
____Сложные катоды могут быть пленочными или полупроводниковыми. К первым относится, например, торированный карбидированный катод. Он представляет собой вольфрамовую проволочку с пленкой тория и с примесью углерода. Активный слой этих катодов трудно разрушить ионной бомбардировкой. Их применяют при анодных напряжениях до 15 кВ.
____К полупроводниковым относится оксидный катод. В нем на основание из никеля или вольфрама наносится смесь оксидов щелочноземельных металлов — бария, кальция и стронция. У оксидного катода электронная эмиссия происходит главным образом из атомов бария. Перекал катода усиливает испарение бария и снижает выход электронов. Долговечность оксидного катода определяется тем, что оксидный слой постепенно обедняется атомами бария. Для хорошей работы оксидного катода очень важен высокий вакуум, так как оксидный слой разрушается от ионной бомбардировки. Во избежание чрезмерной ионной бомбардировки нельзя допускать слишком высокое анодное напряжение при работе катода в непрерывном режиме.
____Для оксидного катода опасен не только перекал, но и недокал, при котором могут возникнуть очаги перегрева. Катод прямого накала при этом нередко «перегорает», т. е. вблизи одного из очагов перегрева основной металл катода плавится. Это явление объясняется следующими особенностями:

1. У оксидного слоя, как и у всех полупроводников, при повышении температуры сопротивление уменьшается.
   
   
2. Вследствие большого сопротивления оксидного слоя его нагрев катодным током соизмерим с нагревом от тока накала.
   
   
3. Различные участки оксидного слоя неодинаковы по сопротивлению и эмиссионной способности. Катодный ток распределяется так, что на участки с меньшим сопротивлением и большей эмиссионной способностью идут большие токи. На этих участках нагрев усиливается, уменьшается сопротивление, увеличивается выход электронов и происходит дальнейшее возрастание тока. Такое явление наблюдается при недокале, если катодный ток велик. Возникновению очагов перегрева также способствует ионная бомбардировка катода.
   

____При нормальном режиме накала и без перегрузки катодным током оксидный катод обладает большой долговечностью. Его широко используют в приемно-усилительных и генераторных лампах малой и средней мощности, в электронно-лучевых трубках, в лампах для импульсной работы и многих других приборах.


____В импульсном режиме эмиссия оксидного катода может быть во много раз сильнее, нежели в режиме непрерывной работы. Она происходит под действием сильного внешнего электрического поля, т. е. представляет собой сочетание электростатической эмиссии с термоэлектронной. Однако с течением времени такая эмиссия быстро ослабевает (рис. 6). Говорят, не совсем удачно, что сверхвысокая эмиссия «отравляет» оксидный катод. «Отравление» прекращается, если катод «отдохнет». Тогда он восстанавливает свою эмиссионную способность и может снова дать на короткое время большой выход электронов. Это объясняется тем, что в оксидном слое должно накопиться достаточное число электронов. Длительность импульсов эмиссионного тока обычно не более 20 мкс.
____Оксидный катод в импульсном режиме имеет эффективность до 104 мА/Вт. Импульсы катодного тока могут достигать единиц и даже десятков ампер. При коротких импульсах катод почти не подвергается ионной бомбардировке, и поэтому допустимо анодное напряжение 10-20 кВ.
____Помимо оксидных катодов в последнее время применяются сложные катоды новых типов: ториево-оксидные, синтерированные (губчатые) и др.
____Катоды прямого накала представляют собой проволоку или ленту. Достоинство таких катодов — простота устройства и возможность их изготовления для самых маломощных ламп на ток накала 10 мА и меньше.
____Катод в виде тонкой проволоки после включения накала быстро разогревается (за время менее 1 с), что весьма удобно. Недостаток этих катодов — паразитные пульсации анодного тока при питании цепи накала переменным током. Если, например, ток накала имеет частоту 50 Гц, то в анодном токе будут пульсации с частотой 50, 100, 150 Гц и т. д. Они создают помехи, искажая и заглушая полезный сигнал. При слуховом приеме эти пульсации проявляют себя характерным гудением — фоном переменного тока. Имеются две основные причины таких вредных пульсаций.


____Во-первых, у тонких катодов возникают пульсации температуры, так как масса и теплоемкость этих катодов малы. Когда ток достигает амплитудного значения, температура наивысшая, а при переходе тока через нуль температура наиболее низкая (рис. 7). Частота пульсаций температуры равна удвоенной частоте тока накала. С такой же частотой пульсирует эмиссия и анодный ток.
____Вторая причина фона переменного тока — неэквипотенциальность поверхности катода. Разные точки поверхности катода прямого накала имеют разные потенциалы, и анодное напряжение для этих точек различно. Поэтому при питании катода переменным током анодное напряжение пульсирует с частотой тока накала.
____Недостаток ламп с тонкими катодами прямого накала — так называемый микрофонный эффект. Он состоит в том, что внешние толчки вызывают вибрацию катода. Это приводит к пульсациям анодного тока. За счет микрофонного эффекта нередко возникает акустическая генерация. В этом случае звуковые волны от громкоговорителя вызывают механические колебания лампы и соответственно колебания анодного тока, которые после усиления попадают в громкоговоритель. Возникшие звуковые волны снова воздействуют на лампу. Происходит генерация незатухающих звуковых колебаний, заглушающих полезный сигнал.


____Широко применяются катоды косвенного накала (подогревные). Обычно такой катод представляет собой никелевый цилиндрик с оксидным поверхностным слоем. Внутрь вставлен вольфрамовый подогреватель (рис. 8 ). Для изоляции от катода подогреватель покрывается керамической массой из оксида алюминия — алундом.
____Главное достоинство этих катодов — отсутствие вредных пульсаций анодного тока при питании цепи накала переменным током. Колебаний температуры практически нет, так как масса, а следовательно, и теплоемкость у подогревных катодов значительно больше, нежели у катодов прямого накала. Катод косвенного накала обладает большой тепловой инерцией. От момента включения (выключения) тока накала до полного разогрева (остывания) катода нужны десятки секунд. За четверть периода (0,005 с при частоте 50 Гц) температура катода не успевает заметно измениться и эмиссия не пульсирует.
____Поверхность катода косвенного накала является эквипотенциальной. Вдоль катода нет падения напряжения от тока накала. Анодное напряжение для всех точек поверхности катода одно и то же и не пульсирует при колебаниях напряжения накала.
____Достоинство ламп с катодами косвенного накала, кроме того, — ослабление микрофонного эффекта. Масса катода сравнительно велика, и его трудно привести в состояние колебаний.
____По сравнению с катодами прямого накала катоды косвенного накала сложнее, и их трудно сконструировать на очень малые токи. Поэтому они менее пригодны для маломощных экономичных ламп, рассчитанных на питание от батарей.
____В аппаратуре (например, для двусторонней связи), которая работает с перерывами и после очередного включения должна сразу же действовать, приходится лампы с катодами косвенного накала держать все время под накалом. Это приводит к лишним затратам энергии и сокращению срока службы ламп. В переносных радиостанциях с батарейным питанием применение ламп с катодом косвенного накала неудобно. Для экономии энергии источников питания в этом случае надо выключать накал ламп приемника при работе передатчика и наоборот. Но тогда после включения накала надо ждать 10 — 20 с, пока не разогреются катоды, что значительно замедляет связь.
____Накаленная алундовая изоляция между катодом и подогревателем не выдерживает высоких напряжений. Предельное напряжение между катодом и подогревателем составляет обычно 100 В и лишь для некоторых ламп 200 — 300 В. В ряде схем катод и подогреватель имеют весьма различные потенциалы. Если их разность превысит предельное напряжение, то может произойти пробой изоляции катод — подогреватель и лампа выйдет из строя. Опасность пробоя исчезает, если катод соединен с одним из выводов подогревателя.


.

____Анод лампы принимает на себя поток электронов. Происходит электронная бомбардировка анода, от которой он нагревается. Кроме того, анод нагревается от теплового излучения катода. В установившемся режиме количество теплоты, выделяющееся на аноде, равно количеству теплоты, отводимому от анода.
____Важно, чтобы анод не нагревался выше предельной температуры. При перегреве из анода могут выделяться газы, и тогда ухудшается вакуум. Возможно даже расплавление анода от чрезмерного перегрева. Кроме того, раскаленный анод испускает тепловые лучи, которые могут вызвать перегрев катода.
____У ламп малой мощности и большинства ламп средней мощности анод имеет лучистое охлаждение. Теплота отводится излучением анода. Для усиления теплового излучения увеличивают площадь поверхности анода (часто снабжают ребрами) и делают ее черной или матовой. В лампах средней и большой мощности иногда применяется принудительное охлаждение потоком воздуха. Вывод анода снабжается радиатором, который обдувается вентилятором. У ламп большой мощности применяется также принудительное охлаждение анода проточной водой.
____Различные конструкции сеток (цилиндрическая, плоская и др.) показаны на рис. 9.
____Работа ламп ухудшается, если сетка, нагреваясь от накаленного катода, начинает испускать термоэлектроны. Для устранения этого явления проводники сетки покрывают слоем металла с большой работой выхода, например золота.
____Чтобы эффективно управлять электронным потоком, сетку располагают очень близко к катоду.
____Вакуум в лампах необходим прежде всего потому, что накаленный катод при наличии воздуха сгорит. Кроме того, молекулы газов не должны мешать свободному полету электронов. Высокий вакуум в лампах характеризуется давлением менее 100 мкПа. Если вакуум недостаточный, то летящие электроны ударяют в молекулы газов и превращают их в положительные ионы, которые бомбардируют и разрушают катод. Ионизация газов увеличивает также инерционность и нестабильность работы лампы и создает дополнительные шумы.


____Предварительную откачку воздуха производят форвакуумными насосами, затем продолжают высоковакуумными насосами. Кроме того, обезгаживают электроды путем нагрева их до красного каления. Лампу помещают в переменное магнитное поле, индуцирующее в электродах вихревые токи, которые разогревают металл.
____Для улучшения вакуума в лампу помещают газопоглотитель (геттер), например кусочек магния или бария. При разогреве лампы указанным выше индукционным способом газопоглотитель испаряется и после охлаждения оседает на стекле баллона, покрывая его зеркальным слоем (магний) или коричневато-черным (барий). Этот слой поглощает газы, которые могут выделиться из электродов в процессе работы лампы.
____Размеры баллона лампы зависят от ее мощности. Чтобы температура баллона не стала недопустимо высокой, увеличивают площадь его поверхности. Наиболее часто применяют стеклянные баллоны, но у керамических значительно выше термостойкость и механическая прочность.
____Металлические (стальные) баллоны имеют большую прочность и обеспечивают хорошее экранирование лампы от внешних электрических и магнитных полей. Но они сильно нагреваются, и это приводит к перегреву электродов.
____В последние годы выпуск ламп с металлическими баллонами прекращен.
____В лампах старого типа электроды укреплены на стеклянной ножке в виде трубки, сплющенной на одном конце (рис. 10, а). В эту ножку впаяны проволочки из металла, имеющего одинаковый со стеклом температурный коэффициент расширения. Концы выводных проволочек приварены к проводникам, идущим к контактным штырькам цоколя.
____Держатели электродов крепятся в слюдяных или керамических пластинах-изоляторах, благодаря чему фиксируется расстояние между электродами (рис. 10, б).
____У ламп пальчиковой серии и ряда других электроды монтируются на плоской ножке, представляющей собой утолщенное стеклянное основание баллона. В ножку впаяны проводники (рис. 10, в), которые снаружи выполняют роль контактных штырьков, а внутри лампы являются держателями электродов. Катод прямого накала обычно натягивается с помощью пружинки (рис. 10, г), чтобы он не провисал при удлинении от нагрева.
____В лампах имеются еще некоторые вспомогательные детали. К ним относятся держатели для геттера, электростатические экраны, устраняющие емкостные токи между отдельными частями лампы или защищающие лампу от воздействия внешних электрических полей.


____Особое внимание уделяется точности сборки и прочности крепления электродов. Но все же существует разброс электрических свойств между отдельными экземплярами ламп данного типа. Он объясняется неоднородностью деталей, их случайными деформациями при сборке, неточностью сборки, неодинаковостью эмиссии катодов у различных экземпляров ламп и другими причинами.
____Система выводов от электродов, служащая для подключения лампы к схеме, называется цоколёвкой лампы. Стеклянные лампы с цоколем имеют восемь штырьков, расположенных в вершинах правильного восьмиугольника (рис. 11, а). В центре цоколя находится ключ, т. е. более длинный штырек с выступом, обеспечивающий правильную установку лампы. Штырьки принято нумеровать по часовой стрелке от выступа на ключе. Электростатический экран, имеющийся внутри некоторых ламп, соединен с одним из штырьков. У различных ламп электроды соединяются с разными штырьками. Схемы цоколёвки приводятся в справочниках.
____При анодных напряжениях в сотни вольт все электроды имеют выводы на цоколь. А у ламп на напряжения в тысячи вольт вывод анода часто находится наверху баллона.


____Выводы электродов у пальчиковых ламп сделаны в виде семи, или девяти, или десяти заостренных проводников, впаянных в плоскую ножку и расположенных соответственно в вершинах правильного многоугольника (рис. 11,б). Сверхминиатюрные бесцокольные лампы имеют выводы от электродов в виде проволочек. У мощных ламп выводы от электродов часто делают в разных местах баллона и на удалении друг от друга, так как напряжения между этими выводами могут быть значительными.


.

____Рассмотрим диод с плоскими электродами. Анодное напряжение создает между анодом и катодом электрическое поле. Если нет электронной эмиссии катода, то поле будет однородным. Когда катод испускает большое число электронов, то они в пространстве анод — катод создают отрицательный объемный (пространственный) заряд, препятствующий движению электронов к аноду. Наиболее плотный объемный заряд («электронное облачко») вблизи катода (рис. 1). За счет объемного заряда электрическое поле становится неоднородным.
____Возможны два основных режима работы диода. Если поле на всем протяжении от катода до анода ускоряющее, то любой электрон, вылетевший из катода, ускоренно движется на анод. Ни один электрон не возвращается на катод, и анодный ток будет наибольшим, равным току эмиссии. Это режим насыщения. Ему соответствует анодный ток насыщения


____Второй — режим объёмного заряда (точнее, режим ограничения анодного тока объемным зарядом), когда вблизи катода поле является тормозящим. Тогда электроны, имеющие малую начальную скорость, не могут преодолеть тормозящее поле и возвращаются на катод. Электроны с большей начальной скоростью не теряют полностью свою энергию в тормозящем поле и летят к аноду.


____В этом режиме анодный ток меньше тока эмиссии:


____Наглядное представление о процессах в диоде дают потенциальные диаграммы, показывающие распределение потенциала в пространстве анод — катод (рис. 2). По горизонтальной оси откладывают расстояние от катода, а по вертикальной — потенциал, причем положительный принято откладывать вниз. Потенциал катода принимается за нулевой.
____Когда катод не накален, то объемный заряд отсутствует и поле однородно. Потенциал растет пропорционально расстоянию от данной точки до катода (прямая 1). Если же катод накален, то существует объемный отрицательный заряд, и тогда потенциалы всех точек понизятся, за исключением потенциалов катода и анода, так как анодное напряжение задается внешним источником. Линия распределения потенциала прогнется вверх (кривая 2). Когда объемный заряд небольшой, то во всех точках потенциал остается положительным (кривая 2 находится ниже горизонтальной оси) и поле будет ускоряющим, что соответствует режиму насыщения. При увеличении накала катода объемный заряд также растет и потенциал в различных точках понижается еще больше. Кривая распределения потенциала прогибается сильнее, и отрицательный потенциал вблизи катода может превысить по абсолютному значению положительный потенциал ускоряющего поля анода. Результирующий потенциал становится отрицательным, что наглядно изображает кривая 3, которая вблизи катода расположена выше горизонтальной оси.


____На некотором расстоянии х₀ от катода потенциал становится минимальным (φ_мин) и обычно составляет десятые доли вольта. На этом участке электрическое поле является тормозящим. Около катода образуется потенциальный барьер. На анод попадают только те электроны, у которых начальная скорость достаточна для преодоления потенциального барьера. Электроны с меньшей начальной скоростью теряют энергию, не дойдя до «вершины» потенциального барьера. Они возвращаются на катод. Кривая 3 соответствует режиму объемного заряда. Следующее увеличение накала характеризует кривая 4: потенциальный барьер стал выше и «отодвинулся» от катода.
____Все это иллюстрирует следующая механическая аналогия. Пусть кривые на рис. 2 изображают рельеф местности, а из точки О выкатываются с различными скоростями шарики (электроны, вылетающие из катода). Если от точки О начинается уклон (рельеф 1 и 2), все шарики скатываются вниз. Но если рельеф соответствует кривой 3, то вначале имеется горка и через нее перекатятся только шарики с достаточной начальной скоростью. А шарики с меньшими начальными скоростями скатятся обратно. Именно для удобного перехода к механической аналогии было выбрано положительным направление вниз по оси ординат.
____На рис. 3 даны потенциальные диаграммы при различном анодном напряжении и постоянном напряжении накала. При некотором значении U_a наступает режим насыщения (кривая 1), при меньшем напряжении — режим объемного заряда (кривая 2). Кривая 3 для еще более низкого напряжения показывает, что потенциальный барьер стал выше. Кривая 4 соответствует напряжению U_a = 0. Для получения U_a = 0 надо замкнуть анод с катодом. В этом случае в пространстве анод — катод электроны создают объемный заряд и повышается потенциальный барьер. Электроны, обладающие большими начальными скоростями, преодолевают этот барьер и долетают до анода. Таким образом, при U_a = 0 возникает небольшой анодный ток, называемый начальным (I₀).


____Кривая 5 соответствует разрыву цепи анода. В первый момент после размыкания анод имеет нулевой потенциал, что соответствует кривой 4. Тогда на анод попадают электроны и он заряжается отрицательно. Правый конец диаграммы сдвигается вверх (кривая 5), потенциальный барьер повышается, и на анод попадает все меньше электронов. Когда барьер настолько увеличится, что ни один электрон не сможет его преодолеть, возрастание отрицательного потенциала анода прекратится.




____Таким образом, изменение анодного тока при изменении анодного напряжения в режиме объемного заряда происходит за счет изменения высоты потенциального барьера около катода. Если анодное напряжение увеличивается, то барьер становится ниже, его преодолевает больше электронов и анодный ток возрастает. При уменьшении анодного напряжения потенциальный барьер повышается, меньше электронов может его преодолеть, больше электронов возвращается на катод, т. е. анодный ток уменьшается.


____Для диода, работающего в режиме объемного заряда, анодный ток и анодное напряжение связаны нелинейной зависимостью, которая приближенно выражается законом степени трех вторых:


где коэффициент g зависит от геометрических размеров и формы электродов.

____Анодный ток пропорционален анодному напряжению в степени три вторых (3/2), а не в первой степени, как в законе Ома. Если увеличить, например, анодное напряжение вдвое, то анодный ток возрастет в 2,8 раза (так как 2^3/2 = √2³ ≈ 2,8 ), т.е. станет на 40% больше, чем должен быть по закону Ома. Графически этот закон изображается полу кубической параболой (рис. 4). Закон степени трех вторых неприменим для режима насыщения, когда i_a = = I_s = const. Кривую ОАБ иногда называют теоретической характеристикой диода.
____Для диода с плоскими электродами


где Q_a — действующая площадь анода; d_a-k — расстояние анод — катод.

____Истинная зависимость, между анодным током и анодным напряжением заметно отличается от закона степени трех вторых. Но, несмотря на неточность, закон степени трех вторых в простой форме учитывает нелинейные свойства лампы.


____Анодная характеристика диода выражает зависимость анодного тока от анодного напряжения при постоянном напряжении накала. Действительная характеристика (рис. 5) отличается от характеристики по закону степени трех вторых, которая изображена штрихами на рисунке. Это различие объясняется тем, что закон степени трех вторых является приближенным, так как при его выводе сделан ряд упрощающих предположений. Начальным током I₀ часто пренебрегают и изображают характеристику выходящей из нулевой точки.


____С увеличением напряжения накала точка А сдвигается влево, так как начальная скорость электронов увеличивается. Средний участок (БВ) характеристики приближенно считают линейным. Участок ВГ соответствует плавному переходу от режима объемного заряда к режиму насыщения. В области насыщения (участок ГД) при повышении анодного напряжения анодный ток растет. Это объясняется эффектом Шоттки и дополнительным нагревом катода от анодного тока. У оксидных катодов эффект Шоттки выражен сильно и дополнительный нагрев от анодного тока значителен, так как сопротивление оксидного слоя большое и анодный ток соизмерим с током накала. Рост анодного тока в режиме насыщения у оксидного катода настолько велик, что переход от режима объемного заряда к режиму насыщения по характеристике обычно установить нельзя.


.

____Параметры диодов характеризуют их свойства и возможности применения. Некоторые из этих параметров нам уже известны. Это напряжение накала U_н, ток накала I_н и ток эмиссии катода I_е. Рассмотрим другие параметры.
____Крутизна (S) показывает, как изменяется анодный ток при изменении анодного напряжения на 1 В. Если изменение анодного напряжения Δu_a вызывает изменение анодного тока Δi_a, то крутизна:


____Крутизну выражают в миллиамперах на вольт или амперах на вольт. Если крутизна равна, например, 4 мА/В, это означает, что изменение анодного напряжения на 1 В вызывает изменение анодного тока на 4 мА. По существу, крутизна представляет собой проводимость пространства между анодом и катодом для переменной составляющей анодного тока.
____Термин «крутизна» неудачен, так как для более сложных ламп параметр с тем же названием имеет иной физический смысл.
____Для определения крутизны из характеристики диода (рис. 6) берут приращение анодного напряжения Δu_a на заданном участке АБ и соответствующее ему приращение анодного тока Δi_a (метод двух точек). Крутизна пропорциональна тангенсу угла наклона α касательной в точке Т относительно оси u_a:


где k — коэффициент, выражающийся в единицах проводимости и учитывающий масштаб тока и напряжения.

____Нельзя писать S = tg α, так как тангенс не есть проводимость.
____Если участок АБ нелинейный, то найденная методом двух точек крутизна S_АБ является средней для данного участка. Она приближенно равна крутизне для точки Т посредине участка АБ, т. е. S_АБ ≈ S_T.
____При переходе на нижний участок характеристики крутизна уменьшается и приближается к нулю. Принято указывать, для какой точки или для какого участка характеристики приводится крутизна. Например: S = 1,5 мА/В при u_a = 2 В.
____Современные диоды имеют крутизну в пределах 1 — 50 мА/В. В маломощных диодах она не превышает единиц миллиампер на вольт. В импульсном режиме крутизна достигает сотен миллиампер на вольт. Крутизна зависит от конструкции электродов лампы.
____Внутреннее дифференциальное сопротивление (R_i) диода представляет собой сопротивление пространства между анодом и катодом для переменного тока. Оно является величиной, обратной крутизне:


и обычно составляет сотни, а иногда десятки Ом.

____Меньшее значение R_i у более мощных ламп. При переходе на нижний участок характеристики значение R_i возрастает, стремясь к бесконечности в начальной точке характеристики.
____Определение R_i из характеристики аналогично определению крутизны. Наиболее удобен метод двух точек.
____Не следует смешивать сопротивление R_i с внутренним сопротивлением диода для постоянного тока R_o:


____Обычно сопротивление R_o несколько больше R_i. Из закона степени трех вторых следует, что R_o = 3/2 R_i но практическое соотношение может быть иным. Значение R_i тем меньше, чем меньше расстояние анод — катод и чем больше действующая площадь анода.


.

____Режим работы диода с нагрузкой графоаналитически рассчитывается так же, как и для полупроводникового диода. Однако обычно нельзя пренебрегать падением напряжения на вакуумном диоде, так как оно в зависимости от типа диода составляет единицы, десятки и даже сотни вольт.
____Все сказанное о работе выпрямительных схем с полупроводниковыми диодами можно повторить для схем выпрямления с помощью вакуумных диодов. Особенность вакуумных диодов — отсутствие обратного тока. Вакуумные диоды для выпрямления переменного тока электросети (кенотроны) могут работать при высоких обратных напряжениях — сотни и тысячи вольт. Поэтому нет необходимости в последовательном соединении кенотронов.
____Для кенотронов, работающих в выпрямителях, опасно короткое замыкание нагрузки. В этом случае все напряжение источника будет приложено к кенотрону и анодный ток станет недопустимо большим. Происходит перегрев катода и его разрушение. Анод также перегревается. Ухудшается вакуум за счет выделения газов из перегретых электродов. Газ ионизируется. Положительные ионы бомбардируют катод, способствуя его перегреву и разрушению.
____При выпрямлении токов очень высокой частоты вредно влияет емкость анод — катод диода С_а-к. Она состоит из емкости между электродами и емкости между выводными проводниками. Значение С_а-к достигает единиц пикофарад у маломощных диодов. На низких частотах эта емкость шунтирующего влияния не оказывает, так как ее сопротивление составляет миллионы Ом. А на частотах в десятки мегагерц и выше сопротивление емкости становится соизмеримым с внутренним сопротивлением диода и даже меньше его. Тогда переменный ток проходит через эту емкость и выпрямляющее действие диода ухудшается.
____Например, если диод имеет R_i = = 500 Ом и С_а-к = 4 пФ, то при частоте 200 Гц сопротивление емкости:

х_с = 1/(ω С_а-к) = 10¹²/(2π·200·4) ≈ ≈200·10⁶ Ом = 200 МОм.

где п - число пи.

____Практически через такое сопротивление ток не проходит. Зато при f = 200 МГц сопротивление х_с станет равным 200 Ом и будет сильно шунтировать диод.
____Для диодов надо учитывать максимальные допустимые значения их параметров.
____Если в секунду на анод попадает N электронов и каждый из них обладает энергией mv²/2, то мощность, отдаваемая электронным потоком на нагрев анода,


____Энергию электроны получают от ускоряющего поля. Пренебрегая их начальной энергией, можно считать, что mv²/2 ≈ qu_a. Тогда


____Произведение Nq есть количество электричества, попадающее за 1 с на анод, т. е. анодный ток i_а. Поэтому окончательно


____Мощность Р_а — это потерянная мощность, так как нагрев анода бесполезен и даже вреден. Принято называть Р_а мощностью, выделяемой на аноде, или мощностью потерь на аноде. Не следует эту мощность считать максимальным допустимым параметром лампы, так как она может иметь самые различные значения в зависимости от анодного напряжения. Анод нагревается также за счет теплового излучения катода, но Р_а есть только мощность электронной бомбардировки. Чем больше Р_а, тем сильнее нагрев анода. Он может накалиться докрасна и даже расплавиться.
____Максимальная допустимая мощность P_amax зависит от размеров, конструкции, материала анода и способа его охлаждения и составляет от долей ватта до многих киловатт. Чтобы анод не перегревался, должно соблюдаться условие


____При импульсном режиме мгновенная мощность, выделяемая на аноде, может быть очень большой, но средняя мощность не должна превышать P_amax.
____Анодный ток диодов обычно состоит из отдельных импульсов. Максимальное допустимое значение тока для диодов с оксидным катодом обусловлено разрушением оксидного слоя. Для каждого типа диодов характерен максимальный допустимый импульс анодного тока I_amax В диодах для импульсной работы значение I_amax весьма велико, тем больше, чем меньше длительность импульсов и чем больше паузы между ними.
____Пульсирующий анодный ток диодов имеет постоянную составляющую I_{a ср}, которую называют постоянным выпрямленным током. Важным параметром диода является максимальный допустимый постоянный выпрямленный ток I_{a срmax}.
____При работе диода в выпрямителе в течение некоторого времени (часть периода) к диоду приложено отрицательное анодное напряжение, называемое обратным. Важным параметром является максимальное допустимое обратное напряжение U_обрmax. Обратное напряжение не должно превышать максимального допустимого:


____Если U_обр больше U_обрmax, то возможен пробой изоляции, электростатическая эмиссия из анода и выход диода из строя. Кенотроны для высоковольтных выпрямителей имеют U_обрmax до десятков киловольт, маломощные диоды — не более 500 В.


____Маломощные диоды, как правило, выпускаются с катодами косвенного накала. Диоды для высоких и сверхвысоких частот делают с возможно меньшей емкостью анод — катод. Кенотроны выпускаются с катодами как прямого, так и косвенного накала. Широкое применение имеют двойные диоды (два диода в одном баллоне).
____Наиболее прост диод с катодом прямого накала. К таким лампам можно отнести некоторые высоковольтные кенотроны и большинство мощных кенотронов. У катода косвенного накала вывод делают иногда общим с одним выводом подогревателя. Ряд диодов имеют отдельный вывод катода.
____Двойные диоды с катодами прямого накала обычно изображаются упрощенно — с одним катодом. В действительности они имеют два катода, соединенные параллельно или последовательно.
____Наиболее универсальные двойные диоды с разделенными катодами имеют отдельные выводы от катодов. Эти диоды нередко используются в двух различных частях схемы. В таких случаях показывают в соответствующих местах половинки лампы. У некоторых двойных диодов ставится металлический экран для устранения паразитной емкостной связи между диодами. От экрана делается вывод. При упрощенном схематическом изображении экран часто не показывают.


.