Электронные вакуумные приборы

Электронные лампы

Первыми в радиоэлектронной технике начали использовать вакуумные электронные приборы — электронные лампы. Конструкции и внешний вид наиболее распространенных электронных ламп (диодов и триодов) показаны на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Схемы диода (а), триода (б) и их внешний вид (в): 1— стеклянный баллон; К — катод; А — анод; С — управляющая сетка

Работа электронной лампы основана на создании потока электронов в вакууме и управлении им с помощью электрических полей, формируемых специальными электродами. Электронная лампа состоит из нескольких металлических электродов, за­ключенных в стеклянный, керамический или металлокерами­ческий баллон, внутри которого создан высокий вакуум. Один из электродов — катод — нагревают спиралью до температуры 500…700°С.

Под действием высокой температуры электроны покидают металлическую поверх­ность катода и образуют вокруг него электронное облако.

В простейшей электронной лампе диоде второй элек­трод — анод, имеет форму цилиндра, охватывающего катод. Если к диоду подвести постоянное напряжение, как в полупроводниковом диоде на рис. 1.1, в (плюс — на анод и минус — на катод — прямое включе­ние), электроны под действием элек­три­ческого поля устремятся от катода к аноду, создавая электриче­ский ток в цепи. Если в цепь включить резистор R, то при появлении тока в лампе на нем появится перепад напряжений.

При малом анодном напряжении только небольшая часть электронов притягивается анодом, а остальные электроны образуют пространственный заряд вокруг катода. По мере возрастания анодного напряжения увеличивается число электронов, достигающих катода, и ток в цепи растет, а плотность пространственного заряда уменьшается. Когда напряжение и ток возрастают настолько, что пространственный заряд полностью «рассасывается» и все электроны, испускаемые катодом, достигают анода, рост тока с ростом анодного напряжения замедляется и наступает режим насыщения.

Измеряя зависимость тока от напряжения, получают ВАХ ди­ода, как в полупроводниковом диоде рис. 1.2.

Если поменять полярность подключаемого к диоду напряжения, т.е. к аноду подвести минус, а к катоду — плюс (обратное включение), ток в электронной лампе не пойдет, так как анод при этом остается «холодным» и не испускает электроны. Следовательно, электронная лампа диод обладает односторонней (вентильной) проводимостью.

Это свойство используется при применении электронных ламп в качестве детектора в радиоэлектронных устройствах и в качестве выпрямителя при преобразовании переменного напряжения в постоянное.

Электронная лампа триод имеет третий электрод — сетку, устанавливаемый между анодом и катодом. Располагается он ближе к катоду, поэтому напряжение, подаваемое на него, сильнее влияет на поток электронов между анодом и катодом. Так как третий электрод выполняется действительно в виде сетки или спирали, окружающей катод, то сам он забирает мало электронов, а большая их часть проскакивает к аноду. Из-за близкого распо­ложения сетки к катоду небольшие изменения напряжения на ней сильнее сказываются на потоке электронов к аноду и значении анодного тока. Именно это свойство триода используется для усиления электрических сигналов.

На основе триодов и других электронных ламп разработано множество электронных устройств. Это, прежде всего, электронные усилители разнообразного назначения: резонансные, широкополосные, импульсные, силовые и т.п. Работа триодов во всех усилителях примерно одинаковая, а различие усилителей определяется внешними электрическими цепями.

Ламповый генератор — это устройство, в котором при помощи электронной лампы создаются незатухающие электрические коле­бания. Основными элементами простейшего лампового генера­тора являются электронная лампа (триод) с источниками питания и коле­бательный контур.

Приведем некоторые сведения о модификациях электронных ламп и электровакуумных приборах специального назначения.

Клистрон — это электронный прибор, представляющий собой сочетание многоэлектродной лампы с объемными резонаторами и предназначенный для усиления и генерирования колебаний сверхвысоких частот (в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн.

Отражательный клистрон — это электронный прибор для генерации ультравысоких частот (свыше 100 ГГц), относящихся к миллиметровому диапазону длин волн.

Магнетрон — это многорезонаторный электронный прибор для генерации сверхвысоких частот большой мощности. Анод магнетрона представляет собой массивный цилиндр, в центральной полости которого расположен катод, а в стенках находятся цилиндрические резонаторные полости. Для создания нужной траектории электронов, идущих от катода к аноду, применяется поперечное магнитное поле. Под действием этого поля, вылетающие из катода электроны, искривляют свой путь в соответствии с законом Лоренца. Приближаясь к аноду, электроны движутся почти по касательной к его цилиндрической поверхности с прорезями, на­правленными к резонаторным полостям. Под действием случайных изменений потока электронов в резонаторах возникают колеба­ния, которые модулируют эти потоки электронов, создавая, таким образом, устойчивую генерацию СВЧ колебаний. Часть энергии колебаний отбирается в рабочую линию из одного резонатора коаксиальным волноводом с помощью петли связи.

Лампа бегущей волны (ЛБВ) — это специальная электронная лампа для усиления и генерации колебаний сверхвысоких частот (дециметровых и сантиметровых волн). Внутри этой лампы, выполненной в виде цилиндра диаметром 3 см и длиной 15…20 см, вдоль провода, свитого в длинную спираль, распространяется электромагнитная волна со скоростью света (с» 300000 км/с). Вдоль оси спирали электрическое поле этой волны распространяется с меньшей скоростью (так как эта последняя скорость представляет собой проекцию скорости распространения волн вдоль спирали на направление оси спирали). Одновременно вдоль оси спирали движется пучок электронов приблизительно со скоростью перемещения поля. Взаимодействуя с электрическим полем волны, электроны отдают ему часть своей энергии и тем самым усили­вают волну, распространяющуюся по спирали. При достаточно большом усилении в лампе наступает генерация колебаний. Основные достоинства лампы бегущей волны как усилителя — воз­можность прямого усиления СВЧ сигналов в широкой полосе частот (до 10% от средней частоты) и сравнительно низкий шумо­вой фактор.

Лампа обратной волны (ЛОВ) — это электронная лампа, в которой в отличие от лампы бегущей волны электроны, сконцентрированные в узкий пучок, движутся не в одном направлении с движущимся вдоль замедляющего устройства полем бегущей волны, а встречно. При этом, так же как и в ЛБВ, взаимодействие движущихся электронов с полем бегущей волны приводит к усиле­нию этого поля. Основное применение лампы обратной волны — это генерация колебаний в диапазоне дециметровых и сантимет­ровых волн.

Электронно-лучевые трубки

Модификациями электронных ламп являются такие электровакуумные приборы, как кинескопы телевизоров, электронно-лучевые трубки осциллографов, рентгеновские трубки, электронно-оптические преобразователи и т.п.

В основе действия электронно-лучевых трубок и кинескопов лежит принцип электронной пушки. Это нагреваемый спиралью катод и ряд электродов, формирующих направленный пучок электро­нов, интенсивность которых регулируется сеточным электродом.

Специальные генераторы в осциллографах и телевизорах формируют линейно изменяющееся напряжение, которое подается на отклоняющие электроды и создает развертку изображения по вертикали и горизонтали. В результате на экране получают двумерную картину изображения.

Электронно-лучевые устройства используются и в научных приборах (например, электронных микроскопах), и в технологических установках (например, для высокоточной резки металлов электронным лучом). Также развивается новое направление микросхемотехники — нанотехнология, в которой резисторы, конденсаторы, проводники, диоды и транзисторы рисуются на слоистых полупроводниковых структурах электронным лучом. При этом размеры полученных отдельных элементов составляют десятки нанометров, т.е. они примерно в сто раз меньше аналогичных элементов, изготовленных фотолитографией.