Оптоэлектронные приборы. Знакосинтезирующие индикаторы. Электровакуумные приборы, страница 5

 где k - постоянная Больцмана, Wo - работа выхода, А - величина, для разных материалов имеющая значения от 10 до 300 А/(см²- К²). В лампах чаще используют катоды косвенного накала (подогревные), в которых нить накала находится внутри цилиндрического катода. Подогревные катоды имею большую тепловую инерционность, поэтому их накаливают переменным током. Катоды прямого накала нагревают постоянным током во избежать пульсаций тока эмиссии. Кроме плотности тока эмиссии катоды характеризуются рабочей температурой, долговечностью и эффективностью. Эффективность - это отношение тока эмиссии к мощности, затраченной на нагрев нити накала, т.е. H=I_э/Р_н.

Параметры катодов показаны в таблице 8.1

8.2. Вакуумный диод

Вакуумный диод - двухполюсный прибор, основные элементы его конструкции схематично показаны на рис. 8.1. Там же показано условное обозначе
ние диода.

Схема включения диода в статическом режиме без нагрузки показана на рис. 8.2. К выводам нити накала подключают напряжение накала L/н (в маломощных  лампах - единицы вольт). Ток накала раскаляет нить накала и нагрева

ет катод. Начинается термоэлектронная эмиссия. Если анодное напряжение U_ак=0, то выходящие из катода электроны заполняют междуэлектродное пространство. При этом потенциал пространства понижается. Распределение потенциала в пространстве соответствует кривой 1на рис. 8.3.Между анодом и катодом создается объемный (пространственный) заряд. Потенциал пространства везде отрицателен, анодного тока нет (I_a1 =0).

При положительном анодном напряжении, равном U_ак2, распределение потенциала соответствует кривой 2. Объемный заряд сохраняется, но область отрицательного потенциала уменьшается в пространстве. Потенциальный барьер уменьшается по величине. Некоторые электроны, выходящие из катода, преодолевают барьер, проходят за точку минимального потенциала, попадают в область, где градиент потенциала положителен, т. е. d(p/dx)>t. Эти электроны ускоряются полем, летят к аноду и создают анодный ток I_a1 =0 >0. Однако, часть электронов не может преодолеть потенциальный барьер, ибо вблизи катода поле замедляющее (d(p/dx<0). Эти электроны возвращаются обратно к катоду. Такой режим работы называется режимом объемного заряда. При этом ток анода меньше тока эмиссии I_a1<I_э. В режиме объемного заряда увеличение анодного напряжения приводит к росту анодного тока.

При большом анодном напряжении Uа3 распределение потенциала cooтветствует кривой 3. В этом случае объемного заряда практически нет, во всех точках пространства (d(p/dx)>0, т.е. поле везде ускоряющее. Все электроны, выходящие из катода, устремляются к аноду. Теперь анодный ток равен току эмиссии: I_a1=I_э. Такой режим называется режимом насыщения. В режиме насыщения дальнейший рост анодного напряжения не приводит к росту анодного тока.

Анодной характеристикой диода называется зависимость I_а=f(U_ак) при Uн= const. Полагая, что скорость электрона у поверхности катода равна нулю, запишем систему уравнений:

уравнение                                      d²U/dx² = -qn/ε₀,                           (8.1)

уравнение непрерывности                   j = -qnv ,                               (8.2)

уравнение движения                         v²=2qU/m                                 (8.3)

В этих уравнениях х - расстояние от катода, п - плотность электронов, j плотность тока, v - скорость электронов, q и т - заряд и масса электрона.

Решение этой системы уравнений дает выражение для теоретической вольт-амперной (анодной) характеристики диода:

Iа=GU^3/2                                                                     (8.4)

Здесь G =2,33 10^-6 S/r², S - площадь анода, г - расстояние анод-катод. Параметр G - величина постоянная для данного диода, называется первеансом лампы Выражение (8.4) называют законом степени трех вторых. Заметим, что закон (8.4) справедлив только для режима объемного заряда. Характеристики реальных диодов по ряду причин идут более полого. На рис. 8.4 показаны теоретическая (пунктир) и реальная характеристики диода.

 Параметрами диода являются сопротивление постоянному току Rо=U_ак/I_а и сопротивление переменному току (внутреннее сопротивление) R_i=dU_a/dI_а. При отрицательных анодных напряжениях анодного тока практически нет, т.е. диод обладает односторонней проводимостью.

8.3. Триод

Триод - трехполюсный прибор. От диода он отличается тем, что имеет еще один электрод-управляюшую сетку. Сетка расположена между анодом и катодом, ближе к катоду. Сетка выполняется обычно в виде проволочной спирали, реже в виде проволочной сетки. В любом случае это не сплошной электрод т.е. электронный поток может проникать сквозь сетку к аноду. Все, что говорилось в разделе 1, о трехполюсных приборах, их схемах включения и общих свойствах трехполюсных приборов - все это справедливо для вакуумного триода.

Управляющее действие сетки поясним, рассматривая распределение потенциалов в пространстве между анодом и катодом (рис. 8.5). При больших отрицательных напряжениях сетки распределение потенциалов соответствует кривой 1 на рис. 8.5. В пространстве между сеткой и катодом d(p/dx)<0, т.е. поле замедляющее. Электроны, выходящие из катода, не могут преодолеть потенциальный барьер. Они замедляются, останавливаются и возвращаются обратно к катоду. За сетку электроны не проходят и на анод не попадают. Лампа заперта, I_а=0. Тока сетки тоже нет, I_c=0. При небольших отрицательных напряжениях сетки потенциальный барьер снижается (кривая 2) и часть электронов проникает между витками сетки, попадая за сеткой в ускоряющее поле. Эти электроны попадают на анод и образуют ток во внешней цепи анода. Появляется анодный ток I_а2 >0. Сеточного тока нет, поэтому катодный ток равен анодному I_к=I_а. Принцип работы триода сводится к тому, что меняя напряжение сетки Ucк, т.е., изменяя высоту потенциального барьера, мы управляем анодным током. При этом малые изменения сеточного напряжения (слабый входной сигнал) приводят к большим изменениям анодного тока.