Исследование электровакуумного триода в рамках виртуального эксперимента (стр. 2 из 6)

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

Электровакуумные приборы классифицируются еще и по другим признакам: 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).

Устройство и принцип работы диода

Главным назначением диодов является выпрямление переменного тока. Иногда диоды применяются для генерации шумов, т.е. беспорядочно меняющихся токов и напряжений, для ограничения электрических импульсов и т. д.

Диод имеет два электрода в стеклянном, металлическом или керамическом баллоне с вакуумом. Одним электродом является накаленный катод, служащий для эмиссии (испускания) электронов. Другой электрод – анод – служит для притяжения электронов испускаемых катодом, т. е. для создания потока свободных электронов. Анод притягивает электроны, если он имеет положительный относительно катода потенциал. В пространстве между анодом и катодом образуется электрическое поле, которое при положительном потенциале анода является ускоряющим для электронов, испускаемых катодом. Электроны, вылетающие из катода, под действием поля движутся к аноду. В простейшем случае катод делают в виде проволочки, которая накаливается током. С ее поверхности вылетают электроны. Такие катоды называют катодами прямо, или непосредственного накала. Большое распространение получили катоды косвенного накала (подогревные). Они имеют металлический цилиндр, у которого поверхность покрыта активным слоем, эмитирующим электроны. Внутри цилиндра находится подогреватель в виде проволочки, накаливаемой током.

Все электроны, вылетающие из катода, образуют ток эмиссии.

Где N – число электронов, вылетающих за одну секунду, и e – заряд электрона.

В пространстве между анодом и катодом электроны образуют отрицательный заряд называемый объемным или пространственным и препятствующий движению электродов 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_k или i_k:

Где n – число электронов, ушедших за одну секунду с катода и не возвратившихся на него.

Чем выше потенциал анода, тем больше электронов преодолевает объемный заряд и уходит к аноду, т. е. тем больше катодный ток.

Поток электронов, летящих внутри лампы от катода к аноду и попадающих на анод, называют анодным током (током анода). Он протекает в анодной цепи и обозначается I_a или i_a. В диоде катодный и анодный токи всегда 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 относительно катода, 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.

Основным свойством диода является его способность проводить ток в одном направлении. Электроны могут двигаться только от накаленного катода к аноду, имеющему положительный потенциал относительно катода. Если же на аноде отрицательный относительно катода потенциал, то диод заперт, т. е он размыкает цепь. Такой диод обладает односторонней проводимостью и подобно полупроводниковому диоду может выпрямлять переменный ток. В отличие от полупроводникового диода в вакуумном диоде при обратном напряжении обратный ток практически отсутствует. При выпрямлении переменного тока анодный источник имеет переменную ЭДС.

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.

Анодный ток существует при выполнении двух условий: при накале катода, достаточном для электронной эмиссии, и при положительном потенциале анода относительно катода.

Разность потенциалов между анодом и катодом называют анодным напряжением (напряжением анода) и обозначают U_a или u_а Положительное анодное напряжение создает ускоряющее электрическое поле, под действием которого электроны движутся от катода к аноду.

В практических схемах, когда в анодную цепь включена нагрузка, на которой падает часть напряжения анодного источника, анодное напряжение меньше Е_а.. Следует различать эти напряжения. Нередко возникают ошибки от того, что напряжение анодного источника Е_а неправильно называют анодным напряжением. Но они равны только в том случае, когда зажимы анодного источника непосредственно присоединены к аноду и катоду лампы

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 Е_н и подогревателя (или катода прямого накала) лампы. 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 обычно больше анодного тока. У маломощных ламп он составляет десятки миллиампер, а у мощных доходит до десятков и даже сотен ампер. Если напряжение Е_н выше нормального) напряжения накала лампы U_н то в цепь включают реостат или постоянный поглотительный резистор. Реостат применяют также для регулирования накала. Для контроля накала параллельно нити накала включают вольтметр.

Устройство и принцип работы триода

Триоды имеют третий электрод – управляющую сетку называемую обычно простой сеткой и расположенную между анодом и катодом. Она служит для электростатического управления анодным током. Если изменять потенциал сетки относительно катода, то будет изменяться электрическое поле и вследствие этого станет изменяться катодный ток лампы.

Катод и анод у триодов такие же как у диодов. Сетка у большинства ламп выполняется из проволоки.

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, цепь сетки (рис 1). Цепь сетки состоит 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 и_g или U_g. При положительном напряжении сетки часть электронов попадает на сетку, и в ее цепи образуется сеточный ток (ток сетки), обозначаемый i_g или 1_g Часть триода, состоящая из катода, сетки и пространства между ними, подобна диоду.

Основным и полезным током в триоде является анодный ток. Он аналогичен коллекторному току биполярного транзистора или току стока полевого транзистора. Сеточный ток аналогичный току базы транзистора, бесполезен и даже вреден. Обычно он значительно меньше анодного тока. 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 эмиттерному току биполярного транзистора или току истока полевого транзистора. Напомним, что в диоде катодный ток всегда равен анодному току, а в триоде эти 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 и дешевле. Возможность управления анодным током с помощью сетки определяет основное назначение триодов - усиление электрических колебаний. Триоды применяются также для генерации электрических колебаний различной частоты. Работа триодов в генераторах и других специальных схемах в большинстве случаев сводится к усилению.

Электронная эмиссия.

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. Работа выхода различна для разных металлов и составляет несколько электрон-вольт. Чем она больше, тем труднее вызвать электронную эмиссию. У металлов, имеющие большие по сравнению с другими межатомные расстояния, работа выхода меньше. К ним относятся щелочи и щелочноземельные металлы, например цезий, барий, кальций.