Газоразрядные приборы (04.06.20)

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 4Следующая ⇒

Их принцип действия основан на физических процессах, протекающих в газах при пропускании тока. Прохождение тока через газ называется газовым разрядом. Различают самостоятельный и не самостоятельный газовый разряд. Если заряженные частицы в разрядном промежутке образуются за счет внешних факторов (нагрев катода, радиоактивное излучение), то газовый разряд называется не самостоятельным. Если газовый разряд поддерживается за счет энергии электрического поля, возникающего при подаче напряжения на электроды, то разряд называется самостоятельным.

С увеличением напряжения на электродах газоразрядной трубки, ток через нее увеличивается. При напряжении в несколько воль (точка а) уже все носители заряда участвуют в образовании тока и дальнейшее увеличение напряжения не вызывает увеличение тока (участок а-б)., при дальнейшем увеличении напряжения скорость дрейфа электронов к аноду увеличивается и они приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа при столкновении. Количество заряженных частиц в газовой среде растет, что приводит к новому увеличению тока (участок б-в). Точка в соответствует такому состоянию процесса, когда излученные катодом электроны, порождают столько ионов, что они падают на катод и выбивают не меньшее количество электронов. При этом разряд из несамостоятельного переходит в самостоятельный и способен поддерживаться в отсутствии внешней ионизации. Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд зависит от многих факторов. Чтобы снизить это напряжение катод покрывают веществами, уменьшающими работу выхода электронов (например, оксид бария). На участке в-г ток возрастает при постоянном напряжении за счет размножения носителей заряда. Участок г-д – лавинообразный рост количества заряженных частиц. Он приводит к тому, что увеличение тока сопровождается уменьшением напряжения. Участок а-б-в-г соответствует темному разряду. На участке г-д осуществляется переход к тлеющему разряду. Вблизи поверхности катода очень много положительных ионов. И в этой области электроны приобретают значительную энергию и интенсивно ионизируют газ. Часть ионов захватывает электроны и превращаются в нейтральные молекулы. Процесс рекомбинации сопровождается излучением квантов света и газ начинает светится. Тонкий слой светлого газа образует катодного пятна. Участок д-е – нормальный тлеющий разряд, то есть рост тока происходит за счет увеличения площади катодного пятна. Точка е – катодное пятно захватывает всю площадь катода и для дальнейшего увеличения тока необходимо вновь увеличивать напряжение (участок е-ж). Разряд, соответствующий этому интервалу называется аномальным тлеющим разрядом. В точке ж происходит выравнивание электрическим полем электронов из анода. Возникает дуговой разряд, при котором увеличение тока происходит при уменьшении напряжения. Образуется яркое катодное пятно дугового разряда. И точка з – последующее увеличение тока происходит за счет увеличения площади катодного пятна.

Существует два вида разрядов: коронный и искровой.

Газотрон (газотронный вентиль)

Это двухэлектродный газоразрядный прибор, работающий в режиме несамостоятельного дугового разряда.

Катод газотрона подогревается от постоянного источника и обеспечивает термоэлектронную эмиссию электронов. Материалом для катода служит вольфрам. Анод выполняют из металла или графита. Электроды размещаются в баллоне, заполненным инертным газом или парами ртути.

Под действием напряжения эмитированные электроны разгоняются и приобретают энергию для ионизации молекул газа. Образовавшиеся при ионизации электроны вместе с эмитированными движутся к аноду, а положительные ионы к катоду. Попадая на катод ионы выбивают вторичные электроны. Резкое увеличение ионного тока может привести к разрушению оксидного слоя катода. Газотроны применяются для выпрямления переменных токов в высоковольтных цепях.

Недостатком является большая тепловая инерция (далее разогревание).

Тиратрон

Это прибор, имеющий три-четыре электрода, материалом зажигания которого можно управлять. Различают тиратрон с горячим нагреваемым катодом (несамостоятельный дуговой разряд), с холодным катодом (самостоятельный тлеющий разряд).

С горячим катодом

Пусть к аноду подано положительное напряжение, на сетку – отрицательное, которое создает потенциальный барьер в таком положении. Так анода равен нулю, то есть тиратрон насыщен. При подаче на сетку управляющего сигнала электроны движутся от

баллон

катод

сетка

катода к аноду, ионизация на пути молекулы газа. Возникает дуговой разряд, ток которого практически ограничивается только сопротивлением нагрузки цепи анода.

Таким образом, с помощью управляемого электрода можно регулировать момент зажигания тиратрона.

Если снова на сетку подать отрицательно напряжение, то это никак не повлияет на ток дугового разряда, т.к. положительные ионы газа притягиваются к сетке компенсируя ее отрицательный потенциал.

Чтобы погасить тиратрон достаточно выключить анодное напряжение.

С холодным катодом

Ток анода равен нулю, в исходном состоянии тиратрон погашен. Если на анод подано положительное напряжение, то она будет меньше напряжения зажигания, но больше напряжения горения. Если же на управляющий электрод подать положительное напряжение, то вспыхивает тлеющий разряд, который обеспечивает протекание анодного тока. Для гашения тиратрона нужно отключить анодное напряжение.

Тиратроны используются как преобразователи тока (выпрямители, инверторы) и как бесконтактное реле.

Стабилитрон

I_min

I_max

Это двухэлектродная газонаполненная лампа тлеющего разряда с холостым ходом.

К катоду приваривается проволочка, свободный конец которой находится около анода, но не задевает его. Эта проволочка – поджигающий электрод.

Вольт-амперная характеристика.

Рабочий режим лампы соответствует линейному участку в-г. Напряжение стабилизации в точке а – 150 В.

Стабилитроны применяют для стабилизации напряжений маломощных источников питания, переносные РЭ. Так же к газоразрядным приборам относятся газоразрядные лампы и индикаторы.

Условное обозначение:

Стаби-литрон

Сигнальная лампа

Трех-электродный тиратрон

четырех-электродный тиратрон с холодным катодом

Тиратрон с раскаленным катодом

Маркировка приборов

Первая буква – тип элемента

ТХ – тиратрон с холодным катодом

ТГ – тиратрон с горячим катодом

СГ – стабилитрон газоразрядный

ИН – индикаторная газоразрядная лампа

СН – сигнальная газоразрядная лампа.

Вторая цифра – определяет группу прибора

Третье число – указывает некоторые параметры

Четвертая буква – характеризует конструктивное оформление прибора

Пример, ТГ1-0,1/0,3 Тиратрон с горячим катодом, заполненный аргоном, максимальный ток 0,1А, максимальное напряжение 0,3 кВ.

Электронно-лучевые трубки

Это электро-вакуумные приборы, в которых образовавшийся электронный пучок малого поперечного сечения, причем пучок может отклоняться в желаемом направлении и попадая на люминесцентный экран, вызывать его свечение.

Катод

Горизонтальная отклоняющая пластина

экран

Электронный пучок

Вертикальная отклоняющая пластина

Анод 2

модулятор

Анод 1

ЭЛТ является электронно-оптическим преобразователем, превращающим электронный сигнал в соответствующий ему изображение в виде импульсного колебания, воспроизводимого на экране.

Электронный пучок образуется из катода и фокусирующих электродов. Первый электрод – модулятор, который выполняет роль сетки с отрицательным смещением, направляющий электроны к оси трубки.

За модулятором расположен следующие электроды, задачей которых является фокусирование электронов. Они действуют по принципу электронных линз.

Фокусирующие ускоряющие электроды – это аноды. На них подается положительное напряжение. Для отклонения пучка используются вертикальные и горизонтальные пластины. Экран трубки внутри покрыт люминофором, который светится под влиянием бомбардировке электронами.

ЭЛТ применяется в измерительных приборах (осциллографах) в качестве трубок, воспроизводящих ток и напряжение в радиолокационной технике, телевизорах и в качестве приемных трубок.

Кинескоп

Это ЭЛТ, предназначенная для воспроизведения телевизионного изображения подводимого к трубке в виде электрического сигнала.

Электрический видеосигнал представляет изображение, подводится к катоду. Он определяет яркость свечения точки на экране в данный момент. А сигналы, подводимые к отклоняющим катушкам (горизонтальные и вертикальные) определяют положение этой точки в тот же момент времени. Время после свечения кинескопа подбирается таким образом, чтобы свечение каждой точки длилось настолько долго, чтобы одновременно набиралось все высвечиваемые точки изображения.

Кинескопы для телевизоров применяют только магнитные отклонения с помощью катушек, расположенных снаружи трубки.

В кинескопах цветного изображения применяют три типа люминофора (зеленый, синий и красный).

Они в виде таблеток расположены друг с другом на экране трубки.

Запоминающие трубки

Они применяются для накопления (запоминания информации и воспроизведения этой информации по исключении длительного времени).

С этой целью в трубке имеется дополнительный электрод на который электронный пучок обретает определенное новое распределение заряда, представляющее записываемую информацию. В качестве запоминающих трубок используются запоминающие с большим временем после свечения.

Перебегающие трубки

Это преобразователи, заменяющие оптическое изображение с соответствующим ему электрическим сигналом. Они работают на принципе использования явления фотоэмиссии или фотоэлектронной проводимости.

Изображение с помощью объектива проецируется на пластину из светоцветного материала.

Под влиянием света на пластине возникает плоское распределение электронных зарядов соответствующее распределению света и тени в проекционно-оптическом изображении.

Электронный пучок из катода вызывает преобразование зарядного изображения мишени в ток, зависящий от эти зарядов, то есть от света, падающего в данном месте мишени.

Электронные приборы СВЧ

Существует много различных специальных приборов для СВЧ, работа которых основана на том, что электроны преобразуют кинетическую энергию от постоянного электрического поля, созданного источником питания и передают часть своей энергии электрическому полю СВЧ, так как тормозятся в этом поле.

Приборы для СВЧ делятся:

1) О – типа

2) М – типа

В приборах О-типа постоянное магнитное поле отсутствует или применяется только для фокусировки электронного потока.

Для приборов М-типа характерно наличие скрещенных, то есть взаимно-перпендикулярных постоянных электрических или магнитных полей. Именно совместное действие этих полей в значительной степени определяет траекторию движения электрона.

Первыми представлениями приборов О-типа являлся клистрон.

Основные типы клистронов

1) Пролетные (двух и многорезонаторные, пригодные для радиоаппараты с генерацией и усиления колебаний).

2) Отражательные (однорезонаторные, работают в качестве генераторов)

К приборам О-типа относятся ЛБВ (лампы бегущей волны), ЛОВ (лампы обратной волны). Существуют и М-типа ЛВБ и ЛОВ.

Первым в истории прибором М-типа являлся магнетрон.

В последнее время разработаны М-типа: 1) амплитроны, 2) стабилитроны.

05.06.20

Магнетроны

Они используются для генерации колебаний СВЧ большой мощности. Применяются в передатчиках радиолокационных станций, ускорителях заряженных частиц, для высокочастотного нагрева. Широкое применение получили многорезонаторные магнетроны.

Устройство магнетрона.

Они представляют собой диод с анодом особой конструкции. Катод – оксидный, подогревный с большой площадью поверхности. На торцах катода расположены диски, препятствующие движению электронов вдоль оси. Анод сделан в виде массивного медного блока. Вакуумное пространство между анодом и катодом называется пространством взаимодействия. В толще анода расположено четное число резонаторов, представляющих собой цилиндрические отверстия, соединенные щелью с пространством взаимодействия. Щель выполняет функцию конденсатора.

На поверхности щели образуются переменные электронные заряды, а в самой щели возникает электрическое поле. Индуктивностью резонатора служит цилиндрическая поверхность отверстия, которая эквивалентна одному витку. В некоторых типах магнетронов резонаторы делают в виде щели с глубиной в четверть волны. Все резонаторы магнетрона сильно связаны друг с другом, т.к. переменный магнитный поток одного резонатора замыкается через соседние резонаторы.

Кроме того резонаторы соединяют друг с другом посредством проводов, называемых связками. Наружная часть анода обычно делается в виде ребристого радиатора для лучшего охлаждения. С боковых сторон к аноду припаяны медные диски, образующие вместе с анодом баллон, необходимый для сохранения вакуума. Выводы от подогревателя проходят в стеклянных трубках, связанных с анодом, а катод подключен к одному из выводов подогревателя.

Рассмотрим случай движения электронов в магнетроне, предполагая, что колебаний в резонаторе нет. Для упрощения изобразим анод без щелей.

1 2 4 3

Под влиянием ускоряющего электрического поля электроны стремятся лететь по силовым линиям по радиусам к аноду. Но как только они набирают некоторую скорость, магнитное поле начинает искривлять их траекторию. Т.к. скорости электронов увеличиваются, то радиус искривления постепенно увеличивается. На рисунке показаны траектории движения электронов для разных значений магнитной индукции. Если В=0, то электрон полетит по траектории 1. При В<Bкр электрон полетит к аноду по 2. Если В=B_кр, то по 3, если В> Bкр, то по 4.

Магнетроны работают при индукции, немного большей Bкр. Траектория движения близка к 3.

Т.к. движется большое число электронов, то вокруг катода вращается объемный заряд в виде кольца – электронное облако. Электроны не находятся в нем постоянно: некоторые возвращаются на катод, а на их место вылетают новые электроны.

Скорость вращения облака зависит от анодного напряжения, с возрастанием которого электроны пролетают около анода с большей скоростью.

Чтобы электроны не попадали на анод, нужно увеличить магнитную индукцию В. Электрический заряд взаимодействует с переменными электрическими полями резонатора и поддерживает в них колебания. Этот процесс приближенный.

Выясним сначала, как возникают колебания в резонаторе. Т.к. все резонаторы связаны друг с другом, то они представляют собой сложную систему, имеющую несколько собственных частот. Когда электронный поток начинает вращаться около щелей резонаторов, в них появляются импульсы наведенного тока, и возникают затухающие колебания. Они могут иметь разную частоту и фазу. Основной тип колебаний, дающий наибольшую полезную мощность и высокий КПД (колебания в соседних резонаторах с фазовым сдвигом 180º).

2 3 ++ - + 1 - - - 4 ++ - - - Б + А

Это изображение силовых линий переменных электрических полей для таких колебаний и знаки переменных потенциалов на сегментах анода, а также направления токов, протекающих по поверхности резонатора. Переменное электрическое поле сортирует электроны на полезные и вредные, причем вредные электроны удаляются из пространства и возвращаются на катод.

Для электронов, движущихся по часовой стрелке, электрическое поле для резонаторов 1и 2 является ускоряющим, а для 2 и 4 – тормозящим. Через ½ периода поля поменяются местами. На рисунке показаны поля двух электронов. Электрон А попадает в ускоряющее поле и отбирает энергию от резонатора, т.е. представляет вредный электрон. Он пролетает далеко от щели и возвращается на катод. При наличии одного постоянного поля электрон летел бы по траектории, показанной штрихами, но поле резонатора 1 усиливает искривление пути электрона и усиливает энергию: он преодолевает действие постоянного поля и возвращается на катод. Вредные электроны бомбардируют катод и увеличивают его нагрев. Чтобы понизить нагрев катода уменьшают напряжение накала. Более сложным оказался путь полезного электрона Б, попавшего в тормозящее переменное поле резонатора 2. такой электрон отдает часть своей энергии резонатору и не имеет энергии, достаточной для того, чтобы вернуться на катод. Он теряет полностью свою энергию в пространстве взаимодействия, не долетая до катода, а затем снова ускоренно летит к аноду, и траектория его искривляется. Если в магнетроне правильно подобрать U_A, то время пролета полезного электрона от одной щели до другой составляет ½ периода. У щели 3 электрон опять оказывается в тормозящем поле, т.к. через ½ периода ускоряющее поле становится тормозящим. Отсюда следует, что электрон опять отдаст часть энергии резонатору, и еще меньше будет его путь к катоду. В конце израсходовав всю энергию, электрон попадает на анод. передача электронами энергии резонатора способствует модуляции электронного потока. В результате скоростной модуляции и изменения траектории электронов, электронное облако из кольцевого превращается в зубчатое.

Число электронных спиц равно половине числа резонаторов. Спица – это сгустки электронного потока, между ними находятся разряженные области. При правильном режиме магнетрона электронное облако вращается с такой скоростью, что спицы проходят мимо щелей, когда там существует тормозящее поле. А промежутки – через ускоряющее поле. В итоге происходит отдача электронным облаком энергии резонаторам и потеря энергии на разогрев катода и анода от бомбардировки электронами. Вся энергия потребляется от анодного источника. Магнитная индукция связана с U_A формулой

b – постоянная величина,

N – число резонаторов, В – индукция, а – коэффициент зависимости от конструкции, f – частота.

Из формул видно, что для более высоких частот нужно иметь большее число резонаторов с большими B и U_A.

11.06.2020

Дата добавления: 2021-06-02; просмотров: 158; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 4 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!