Вакуумный диод: принцип действия и особенности конструкции
Сегодня мы окружены электроникой: компьютерами, телефонами, телевизорами, микроволновками, холодильниками и многими другими устройствами, которые облегчают нам жизнь. Но знаете ли вы, что электроника начиналась с простого устройства, которое называется вакуумным диодом? В этой статье мы расскажем вам, что такое вакуумный диод, как он устроен, как он работает и зачем он нужен.
Что такое вакуумный диод?
Вакуумный диод — это электронная лампа, которая состоит из двух электродов: катода и анода. Катод — это отрицательно заряженный электрод, который нагревается до высокой температуры и испускает электроны. Анод — это положительно заряженный электрод, который притягивает электроны от катода. Оба электрода находятся в стеклянном или металлическом баллоне, из которого выкачан воздух, то есть создан вакуум. Поэтому такой диод называется вакуумным.
Вакуумный диод обладает интересным свойством: он пропускает электрический ток только в одном направлении — от катода к аноду. Если подать на анод положительное напряжение относительно катода, то ток будет течь через диод. Если же подать на анод отрицательное напряжение, то ток течь не будет. Таким образом, вакуумный диод выполняет функцию выпрямителя, то есть преобразует переменный ток в постоянный. Это свойство вакуумного диода используется для выпрямления переменного тока и детектирования сигналов высокой частоты.
История вакуумного диода
Вакуумный диод был изобретён в начале XX века. Его предшественником была лампа накаливания, которую изобрёл Томас Эдисон в 1879 году. Эдисон заметил, что если в лампе накаливания поместить третий электрод, то он будет притягивать электроны от накалённой нити. Это явление он назвал эффектом Эдисона и запатентовал в 1883 году, но не нашёл ему практического применения.
Первым, кто использовал эффект Эдисона для создания вакуумного диода, был английский учёный Джон Флеминг, который работал в компании Маркони по развитию радиосвязи. Флеминг искал способ преобразовать высокочастотные радиосигналы в низкочастотные звуковые сигналы, которые можно было бы услышать в наушниках. Он обнаружил, что вакуумный диод может выполнять эту функцию, так как он пропускает ток только при положительных импульсах напряжения, а при отрицательных импульсах ток не течёт. Таким образом, вакуумный диод детектирует радиосигналы и превращает их в звуковые сигналы. Флеминг запатентовал своё изобретение в 1904 году и назвал его вентилем Флеминга.
В 1906 году американский учёный Ли де Форест добавил к вакуумному диоду третий электрод, который называется сеткой. Сетка расположена между катодом и анодом и служит для управления током, который течёт через диод. Таким образом, де Форест создал первый триод, который не только выпрямлял и детектировал радиосигналы, но и усиливал их. Триод стал основой для развития радио, телевидения, телефонии и других областей электроники.
Устройство вакуумного диода
Вакуумный диод состоит из двух основных частей: баллона и электродов. Баллон — это стеклянный или металлический корпус, в котором находятся электроды. Баллон имеет герметичное отверстие, через которое подаётся напряжение на электроды. Баллон также имеет ножки, которые служат для крепления диода к цоколю или плате.
Электроды — это проводящие элементы, которые образуют электрическую цепь внутри баллона. Электроды бывают двух типов: катод и анод. Катод — это электрод, который нагревается до высокой температуры и испускает электроны. Катод может быть изготовлен из разных материалов, таких как вольфрам, торий, оксид бария или оксид стронция. Катод может быть непосредственно нагреваемым или косвенно нагреваемым. Непосредственно нагреваемый катод имеет нить, которая подключается к источнику постоянного тока и нагревается за счёт прохождения тока. Косвенно нагреваемый катод имеет нить, которая подключается к источнику переменного тока и нагревается за счёт индукции тока в катоде.
Анод — это электрод, который притягивает электроны от катода. Анод может быть изготовлен из разных материалов, таких как медь, железо, никель или сталь. Анод может иметь разную форму, такую как пластина, цилиндр, конус или сетка. Анод подключается к положительному полюсу источника напряжения, который обеспечивает разность потенциалов между катодом и анодом.
Принцип работы вакуумного диода
Принцип работы вакуумного диода основан на явлении термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия — это явление, при котором нагретый электрод испускает электроны в окружающее пространство. Это происходит потому, что при нагревании электродов электроны получают дополнительную энергию и могут преодолеть силу притяжения к атомам электрода. Чем выше температура электрода, тем больше электронов он испускает.
Когда вакуумный диод подключён к источнику напряжения, то между катодом и анодом возникает электрическое поле. Это поле воздействует на электроны, которые испускаются катодом, и ускоряет их в сторону анода. Таким образом, вакуумный диод пропускает электрический ток от катода к аноду. Этот ток называется анодным током.
Если же поменять полярность источника напряжения, то анод станет отрицательным, а катод положительным. В этом случае электрическое поле будет препятствовать движению электронов от катода к аноду. Электроны будут отталкиваться от анода и возвращаться к катоду. Таким образом, вакуумный диод не пропускает электрический ток от анода к катоду. Этот ток называется обратным током.
Сравнение вакуумных диодов с полупроводниковыми диодами
Вакуумные диоды и полупроводниковые диоды имеют общее свойство: они пропускают ток только в одном направлении. Однако они имеют и много различий, которые определяют их преимущества и недостатки:
— Вакуумные диоды требуют нагрева катода, чтобы испускать электроны, а полупроводниковые диоды не требуют нагрева, так как они основаны на переходе между двумя типами полупроводников: p-типа и n-типа.
— Вакуумные диоды имеют большее сопротивление динамическое, чем полупроводниковые диоды, то есть они хуже пропускают переменный ток. Это связано с тем, что вакуумные диоды имеют большее расстояние между электродами, чем полупроводниковые диоды, и электроны теряют часть своей энергии при прохождении через вакуум.
— Вакуумные диоды имеют большее напряжение насыщения, чем полупроводниковые диоды, то есть они могут работать при более высоких напряжениях. Это связано с тем, что вакуумные диоды имеют большую площадь анода, чем полупроводниковые диоды, и могут принимать больше электронов от катода.
— Вакуумные диоды имеют больший размер, массу и стоимость, чем полупроводниковые диоды, так как они требуют более сложной конструкции, материалов и технологии. Полупроводниковые диоды могут быть изготовлены в микроскопических размерах и интегрированы в электронные схемы.
Заключение
Вакуумный диод — это электронное устройство, которое пропускает ток только в одном направлении. Вакуумный диод состоит из двух электродов: катода и анода, которые находятся в вакууме. Вакуумный диод работает на основе термоэлектронной эмиссии, то есть испускания электронов нагретым катодом.
Вакуумный диод имеет вольт-амперную характеристику, которая показывает, как меняется ток в зависимости от напряжения. Вакуумный диод бывает разных типов и моделей, в зависимости от его конструкции, назначения и характеристик. Вакуумный диод имеет свои преимущества и недостатки по сравнению с полупроводниковым диодом.
Вакуумный диод был изобретён в начале XX века и стал первым элементом электроники. Вакуумный диод лёг в основу развития радио, телевидения, телефонии и других областей электроники. Вакуумный диод сыграл важную роль в истории науки и техники. Сегодня вакуумный диод уступил место полупроводниковым диодам, но он всё ещё используется в некоторых специализированных областях, таких как микроволновая техника, лазерная техника и аудиотехника.
Все что нужно знать о вакуумном диоде
Собирая различные электрические приборы в своей домашней лаборатории, многие люди не только экономят деньги на приобретении новой техники, но и чинят вышедшие из строя электроизделия. Для полноценной работы многих приборов требуются диоды, которые сегодня представлены самыми разнообразными экземплярами. В сегодняшней статье речь пойдет о таком элементе, которые довольно часто встречается в электрических схемах – вакуумный диод.
Чтобы правильно использовать такую детальку, необходимо знать ее устройство, а также какая схема и принцип работы для нее характерны. Обо всем этом вы узнаете из этой статьи.
Что представляет собой устройство
Современный диод вакуумного типа представляет собой баллон, выполненный из металлокерамики или стекла, лишенный воздуха. Их этого баллона выкачивают воздух до давления, находящегося на уровне 10-6 — 10-7 мм рт. ст. Отсюда и название данного элемента электросхем.
Строение диод вакуумного типа
Внутри такой баллон размещены два электрода. Одним из них является катод. Он имеет вид металлического вертикального цилиндра, который покрыт слоем оксида щелочно-земельных металлов (кальция, стронция, бария). Благодаря такому напылению данный элемент получил название оксидный катод.
Обратите внимание! При его нагревании с поверхности происходит значительно большее испускание электродов, чем с обычного металлического элемента аналогичного вида.
Катод внутри содержит изолированный проводник, нагреваемый переменным или постоянным током. При нагревании, катод испускает электроны, которые движутся и достигают второго элемента вакуумного диода – анода.
Анод имеет вид овального или круглого цилиндра. Он с катодом имеет общую ось. Схема диода вакуумного типа имеет следующий вид.
Схема диода вакуумного типа
Кроме вакуумного диода существует еще такое понятие, как электровакуумный диод.
Под собой электровакуумный диод подразумевает двухэлектродную вакуумную электронную лампу. Ее строение аналогично диоду вакуумного типа. По сути это одно и тоже. Здесь катод представляет собой W-образную или прямую нить. Он, в процессе работы такой лампы, нагревается до определенной температуры. В результате нагрева возникает термоэлектронная эмиссия. В ходе подачи на анод отрицательного напряжения относительно катода, электроны возвращаются обратно на катод. Когда на анод подается положительное напряжение, часть из эмитированных электронов начинает двигаться в нему. В результате возникает ток.
В результате своей работы вакуумные диоды и их аналоги способны на выпрямление приложенного к ним напряжения. Таким основным своей свойством обладают вакуумные выпрямители, поэтому они используются в качестве детекторов сигналов высокой частоты и выпрямления переменного тока.
Такое устройство характерно для всех изделий подобного типа. При этом данное устройство и определяет основные характеристики изделия, а также то, какое применение оно будет иметь.
Обратите внимание! Частотный диапазон для диода вакуумного типа несколько ограничен и не превышает 500 МГц. При этом интегрированные в волноводы дисковые диоды, способны на детектирование частоты до 10 ГГц.
Формы основных элементов диода
Форма катода и анода
Катод, входящий в состав диода вакуумного типа, зачастую имеет вид латинских букв W или V. Такая форма используется для увеличения длины изделия. В тоже время анод будет более выгодным, если станет изготавливаться в виде коробки, лишенной боковых граней. В сечении анод имеет форму прямоугольника с закругленными углами.
Такая форма анода определяется необходимостью для того, чтобы он во всех направлениях по возможности находился на одинаковом расстоянии от нагреваемого катода. По этой причиной наиболее выгодной формой для обоих элементов является эллиптическая.
Чтобы снизить степень нагрева анода в его устройстве часто фигурируют ребра (крылышки). Благодаря их наличию, анод имеет более качественное отведение тепла.
И катод и анод в баллоне крепятся при помощи специальных держателей. Для большего удобства в эксплуатации, внизу лампы устанавливается цоколь, состоящий из изоляционного материала. Он оснащен металлическими ножками-штырьками. Эти штырьки обеспечивают контакт лампы при включении ее в гнезда ламповой панели.
Вот такое устройство имеет электровакуумная лампы или диод вакуумного типа.
Принцип функционирования диода вакуумного типа
Чтобы схема, в которую входит выпрямитель вакуумного типа, работала как надо, следует понимать принцип работы такой детали.
Принцип работы диода
Принцип работы вакуумных диодов представляет собой следующую картину:
- в ходе разогрева катода, электроны с его поверхности начнут отделяться;
- их отделение происходит за счет формирования термоэлектронной эмиссии;
- освобожденные с поверхности электроны начинают препятствовать вылету других электронов. В следствии этого вокруг поверхности катода образуется облако электронов;
- часть электронов этого облака, обладающие наименьшими скоростями, опускается обратно на поверхность катода;
- в ситуации, когда задается определенная температура, облако электронов стабилизируется. Это означает, что с катода вылетает столько же электронов, сколько потом на него опускается;
- при наличии нулевого напряжения, например, при ситуации короткого замыкания анода на катоде, в лампе начинает течь ток электронов по направлению от катода к аноду. В данной ситуации наиболее быстрые электроны способны преодолеть имеющуюся потенциальную яму, из-за чего они и притягиваются к аноду. Отсечка тока происходит в той ситуации, когда на анод подается отрицательное запирающее напряжение. Это напряжение должно иметь один вольт или ниже.
- в ситуации подачи положительного напряжения на анод, в диоде формируется ускоряющее поле, которое способствует возрастанию на аноде тока. Когда ток на этом элементе достигает значений, которые близки в пределу эмиссии катода, происходит замедление роста тока и его стабилизация. Т.е. наблюдается эффект «насыщения».
Вот по такому принципу работают диоды вакуумного типа.
Важная характеристика диодного элемента – ВАХ
Все диоды, в не зависимости от того, вакуумные оны или нет, обладают таким параметром, как вольт амперная характеристика или сокращенно ВАХ.
ВАХ вакуумного диода
Чтобы разобраться, что же это за вольт амперная характеристика, рассмотрим график на примере происходящих в лампе процессов.
В самом начале, когда на аноде отсутствует напряжения, вокруг катода в следствие его нагрева формируется электронное облако. Когда на аноде возникает положительное небольшое напряжение, самые быстрые электроны, входящие в электронное облако катода, начинают устремляться к аноду. В результате можно регистрировать анодный ток небольшой величины. В ситуации, когда анодное напряжение будет продолжать увеличиваться, из электронного облака все большее число электронов будут перетекать к аноду в плоть до полного «рассасывания» катодного электронного облака. Это состояние соответствует точке В на графике, приведенном выше. Такое напряжение означает, что всех вылетающие из катода электроны будут немедленно притягиваться к аноду.
Обратите внимание! Дальнейшее нарастание анодного тока при сохранении величины накала не происходит. Чтобы добиться увеличение данного показателя необходимо использовать дополнительные электроны. А они здесь отсутствуют. Для этого увеличения показателя можно повысить накал катода, но такой способ не используется поскольку приводит к уменьшению срока службы катодного элемента.
Таким образом вся эмиссия катода при конкретной температуре накала будет исчерпана. В результате анод достиг ситуации «насыщения током».
Все эти процессы, поэтапно, отращены на вольт амперной характеристики, приведенной выше. Такой параметр, как вольт амперную характеристику в высшей точке, можно рассматривать как предел возможностей диода.
Как видим принцип работы изделия неотделим от ВАХ. При этом последняя является его отражением.
Где используются такие изделия
Применение электровакуумных ламп определяется их основными возможностями или свойствами, а именно способностью пропускать ток только в одном направлении. Это связано с тем, что в диоде движение электронов возможно только от катода к аноду. Иногда такое свойство диодных выпрямителей называется односторонней проводимостью. Благодаря такому свойству, вакуумные диоды применяются в качестве преобразователя постоянного тока в переменный (его выпрямления). Такие способности данного рода изделий обеспечили им обширное применение в радиоаппаратуре.
Обратите внимание! Использование диода вакуумного типа позволит решить проблему питания радиоаппаратуры от промышленной сети переменного тока.
Схема, по которой можно использовать диода в качестве выпрямителя для переменного тока, довольно проста.
Схема диода, работающего как выпрямитель
В данной ситуации между анодом и катодом следует включить источник переменного тока. Вверху графика отражено напряжение источника переменного тока. Здесь имеется периодическое его изменение с определенной частотой по типу синусоиды. С такой же чистотой меняется напряжение на аноде по отношению к катоду. Часть времени анод будет положительным (верхняя часть графика), а часть – отрицательным (нижняя часть графика).
При положительных полупериода на аноде будет положительное напряжение. В такой ситуации ток будет течь, а при противоположном значении полупериода – он будет отсутствовать. В результате получаться импульсы, равные по частоте переменному току.
Заключение
Зная особенности функционирования диодов вакуумного типа, можно максимально полно использовать их особенности в работе радиоэлектронных приборов. Помните, что каждый вид диодов имеет свои особенности и способен оптимально работать в определенных условиях. Учет всех параметров его работы, а также ВАХ, позволит выжать из изделия максимум без нарушения принципов его функционирования.
Для чего обеспечивается вакуум в подобных диодах
Когда говорят о токе в вакууме, обычно имеют в виду электронный ток, возникающий в вакуумированных объемах с введенными внутрь металлическими электродами. Промежуток между электродами включен в электрическую цепь. Электроны образуются в промежутке в результате электронной эмиссии, обусловленной различными физическими процессами. Различают следующие виды эмиссии:
термоэлектронную (под действием повышенной температуры катода);
фотоэлектронную (под действием облучения катода светом);
автоэлектронную (под действием высокой напряженности электрического поля вблизи катода);
вторичную (под действием бомбардировки электродов быстрыми частицами).
Однако ток в вакууме может быть и ионным. В этом случае в вакуумный промежуток вводят электроды, на которые нанесены специальные вещества (сподумены), способные эмитировать ионы одного или обоих знаков заряда под действием нагревания. Иногда ионы вводят в вакуумный промежуток с помощью специальных капилляров.
Вакуумный диод
Простейший вакуумный прибор — диод — имеет два электрода, расположенных в вакуумированной колбе: катод и анод (рис. 1). Катод предназначен для создания электронного потока за счёт термоэмиссии. По принципу действия термокатоды бывают прямого и косвенного накала (подогревные катоды). У прямонакальных приборов катодом служит сама нить накала. Для подогревных катодов нить накала служит лишь подогревателем, а сам катод — это проводящий электрод, на который нанесён оксидный слой, служащий для уменьшения работы выхода электронов. В этом случае катод электрически может быть либо соединен с одним из концов нити накала внутри лампы (как диод 2ДЗБ), либо (как диод 6Д6А) изолирован от подогревателя и выведен отдельно (рис. 1,а).
Конструкция системы электродов может быть плоской, цилиндрической или сферической. В частности, используемый в наших работах диод 2ДЗБ имеет прямонакальный катод с нитью накала из торированного карбидированного вольфрама и цилиндрическую систему электродов. Параметры диода 2ДЗБ.
Проблемы применения вакуумных электронных приборов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Акимов Александр Александрович, Горячев Николай Владимирович, Дерябин Денис Викторович, Прошин Алексей Анатольевич, Рыжов Александр Алексеевич
Данная статья представляет из себя энциклопедическую заметку, несущую в себе информацию об электронных вакуумных приборах . Материал разделен на четыре смысловых раздела. В первом, введении, рассказано об устройстве электронных вакуумных приборов в общем виде, описаны основные элементы, из которых состоит типовой прибор , и вкратце охвачены вопросы производства и эксплуатации. Второй раздел, классификация, дает нам понять, что вакуумных электронных приборов существует великое множество, большинство из которых приведены в разделе в виде списка, а на некоторых авторы решили заострить особое внимание. В частности, внимания удостоились электронные лампы , а также их подвиды: диод, триод, тетрод, пентод. Приведены их условные графические обозначения и формулы, дающие представление об их основных параметрах, таких как крутизна и внутреннее сопротивление. Третий раздел сосредоточен на особо востребованной в наши дни разновидности электронных вакуумных приборов , вакуумном реле. Охвачен вопрос их применения, на примерах показаны области, в которых устройства нашли себе место. Дан обзор производящих компаний и списка их продукции. В четвертом разделе, заключении, сделаны выводы по всему сказанному в данной статье.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Акимов Александр Александрович, Горячев Николай Владимирович, Дерябин Денис Викторович, Прошин Алексей Анатольевич, Рыжов Александр Алексеевич
Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 42: электроника: ретроспектива, успехи и перспективы ее развития
К вопросу о подготовке студентов в связи с развитием новых направлений микроэлектроники
О современном состоянии сверхвысокочастотных вакуумных электронных и микроэлектронных приборов с управляемой эмиссией
Системы формирования электронных пучков в электровакуумных СВЧ-приборах: современное состояние и тенденции развития
Структура и схемотехническая реализация модуля автоматической накачки азота
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
APPLICATION PROBLEMS OF VACUUM ELECTRONIC DEVICES
This article is an encyclopedic note that carries information about electronic vacuum devices. The material is divided into four semantic sections. In the first, introduction, it is told about the device of electronic vacuum devices in a general form, describes the main elements that make up a typical device , and briefly covered issues of production and operation. The second section, the classification, gives us to understand that there are a great many vacuum electronic devices, most of which are listed in the section as a list, and for some the authors decided to focus on special attention. In particular, attention was paid to electron tubes, as well as their subspecies: diode, triode, tetrode, pentode. Given their conventional graphics, and formulas that give an idea of their basic parameters, such as slope and internal resistance. The third section focuses on the currently popular variety of electronic vacuum devices, vacuum relays. The question of their application is covered, examples show areas in which devices have found a place for themselves. A review of manufacturing companies and their product list is given. In the fourth section, the conclusion, conclusions are drawn on everything said in this article.
Текст научной работы на тему «Проблемы применения вакуумных электронных приборов»
А. А. Акимов, Н. В. Горячев, Д. В. Дерябин, А. А. Прошин, А. А. Рыжов ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ВАКУУМНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
А. А. Akimov, N. V. Goryachev, D. V. Deryabin, A. A. Proshin, A. A. Ryzov APPLICATION PROBLEMS OF VACUUM ELECTRONIC DEVICES
Аннотация. Данная статья представляет из себя энциклопедическую заметку, несущую в себе информацию об электронных вакуумных приборах. Материал разделен на четыре смысловых раздела. В первом, введении, рассказано об устройстве электронных вакуумных приборов в общем виде, описаны основные элементы, из которых состоит типовой прибор, и вкратце охвачены вопросы производства и эксплуатации. Второй раздел, классификация, дает нам понять, что вакуумных электронных приборов существует великое множество, большинство из которых приведены в разделе в виде списка, а на некоторых авторы решили заострить особое внимание. В частности, внимания удостоились электронные лампы, а также их подвиды: диод, триод, тетрод, пентод. Приведены их условные графические обозначения и формулы, дающие представление об их основных параметрах, таких как крутизна и внутреннее сопротивление. Третий раздел сосредоточен на особо востребованной в наши дни разновидности электронных вакуумных приборов, вакуумном реле. Охвачен вопрос их применения, на примерах показаны области, в которых устройства нашли себе место. Дан обзор производящих компаний и списка их продукции. В четвертом разделе, заключении, сделаны выводы по всему сказанному в данной статье.
Ключевые слова: вакуум, электрон, прибор, электрод, анод, катод, лампа.
Abstract. This article is an encyclopedic note that carries information about electronic vacuum devices. The material is divided into four semantic sections. In the first, introduction, it is told about the device of electronic vacuum devices in a general form, describes the main elements that make up a typical device, and briefly covered issues of production and operation. The second section, the classification, gives us to understand that there are a great many vacuum electronic devices, most of which are listed in the section as a list, and for some the authors decided to focus on special attention. In particular, attention was paid to electron tubes, as well as their subspecies: diode, triode, tetrode, pentode. Given their conventional graphics, and formulas that give an idea of their basic parameters, such as slope and internal resistance. The third section focuses on the currently popular variety of electronic vacuum devices, vacuum relays. The question of their application is covered, examples show areas in which devices have found a place for themselves. A review of manufacturing companies and their product list is given. In the fourth section, the conclusion, conclusions are drawn on everything said in this article.
Keywords: vacuum, electron, device, electrode, anode, cathode, lamp.
Вакуумные электронные приборы являются разновидностью электровакуумных приборов [1]. Основным их отличием является движение электронов в безвоздушной среде (вакууме). Их конструкция достаточно проста. Такие приборы представляют из себя герметично запаянные сосуды из самых разных материалов (стекло, металл, керамика), из которых, насколько это возможно, удаляется весь воздух, тем самым создавая искомый вакуум. Внутри сосуда располагаются электроды, имеющие связь с внешними контактами прибора путем использования стеклянных или керамических изоляторов. В процессе откачки воздуха из сосуда его внутренняя поверхность и находящиеся там компоненты прогреваются в целях максимально полного удаления абсорбированных газов, так как экспериментально проверено и подтверждено, что чем больше газов останется внутри, тем меньший срок службы будет у вакуумного прибора.
Выше было сказано об электродах, находящихся внутри сосуда, каждый вакуумный прибор несет их в себе. Количество электродов может варьироваться от прибора к прибору, однако основных электродов всегда два. Одним из них является катод с прямым или косвенным нагревом (однако встречаются и холодные, без нагрева), часто покрываемый специальным составом для лучшей эмис-
© Акимов А. А., Дерябин Д. В., Горячев Н. В., Прошин А. А., Рыжов А. А., 2019
сии электронов к рабочей зоне, а также анод, второй электрод, принимающий отработанные электроны. Нетрудно догадаться, что рабочим веществом всех приборов подобного типа является поток электронов, летящих в вакууме от катода к аноду и вступающих на своем пути во взаимодействие с простыми и сложными электродами.
Вакуумные электронные приборы подразделяются на несколько основных классов:
1. Электронные лампы (диоды, триоды, тетроды, пентоды).
2. Вакуумные приборы СВЧ (магнетроны, клистроны, лампы бегущей и обратной волн) [2].
3. Электронно-лучевые приборы (электронно-лучевые трубки, кинескопы).
4. Ускорители заряженных частиц (рентгеновские трубки).
5. Фотоэлектронные приборы (фотоэлектронный умножитель, вакуумные фотоэлементы, электронно-оптический преобразователь).
6. Вакуумные индикаторы (магический глаз, вакуумно-люминесцентные индикаторы.
Остановимся на некоторых их них поподробнее.
Электронные лампы. Данный тип представляет из себя электровакуумный прибор, обладающий термоэлектронным катодом и электростатическим управлением потоком электронов [3]. Все вместе обеспечивают определение, генерацию и преобразование электрических сигналов. Для контроля электронного потока применяется разное количество электродов. Те, что не являются препятствием для потока электронов, именуют сетками. Число электродов и определяет конкретный подтип электронной лампы. Различают диоды, триоды, тетроды, пентоды и др.
Диод — вакуумный прибор, имеющий строго два электрода, анод и катод (рис. 1). Основной особенностью диода является то, что он способен проводить ток только в одном направлении, от катода к аноду, и применяется для преобразования переменного тока в постоянный. Испускаемые катодом электроны создают пространственный заряд между анодом и катодом [4]. В случае присутствия на аноде положительного потенциала, отрицательный барьер объемного заряда преодолевают самые быстрые электроны, создающие анодный ток во внешней цепи. Ток анода находится в жесткой зависимости от его напряжения, а также от катодного тока эмиссии. В процессе роста напряжения на аноде, возникают электроны, без труда преодолевающие отрицательный потенциал электронного заряда. В данных обстоятельствах ток эмиссии значительно превосходит ток анода. Важнейшими параметрами диода являются крутизна
и внутреннее сопротивление лампы
являющееся величиной, обратной крутизне. В режиме пространственного заряда анодный ток растет в соответствии с законом степени трех вторых:
где ё — постоянная диода, зависящая исключительно от типа диода и размера его электродов [5, 6].
Рис. 1. Условное обозначение вакуумного диода
Триод — прибор, представляющий собой вакуумную лампу с тремя электродами, в центре которой, между анодом и катодом, располагается управляющая сетка (рис. 2).
Рис. 2. Условное обозначение вакуумного триода
Значением тока анода в триоде возможно управлять, меняя значение потенциала сетки. Данная сетка делает возможным применение триодов в качестве усилителя или генератора электромагнитных колебаний. Основными параметрами триода можно назвать: 1) крутизну
2) внутренне сопротивление
3) статический коэффициент усиления
Соотношение между параметрами принимает вид = ц .
Параметры 8, ц определяют влияние напряжений электродов на анодный ток. Ток катода
зависит от проницаемости лампы Б =
Основным недостатком триода можно назвать небольшой коэффициент усиления и слишком большую проходную емкость, формирующую обратную связь между входом и выходом лампы [7]. Падение характеристик обусловлено самовозбуждением в определенный период времени. Данного недостатка лишены тетроды и пентоды, у которых присутствуют дополнительные сетки, берущие на себя управление потоком электронов.
Тетрод — электровакуумная лампа, имеющая четыре электрода, одним из которых является вторая экранная сетка С2, дающая возможность снижения проходной емкости (рис. 3).
Если тетрод находится в усилительной цепи, экранная сетка принимает на себя положительное постоянное напряжение. Электроны, проходящие через нее, отчасти перехватываются ею, формируя ток [8, 9]. Принимая это во внимание, стоит учитывать, что при этом может на два порядка уменьшиться проходная емкость лампы и увеличиться статический коэффициент усиления. При создании потока электронов в ленточной форме благодаря увеличению плотности пространственного заряда около анода образуется маленький потенциальный барьер, отражающий выпускаемые анодом вторичные электроны, что в свою очередь дает возможность не использовать еще одну, третью, сетку. Такой тип конструкции называют лучевым тетродом.
Рис. 3. Условное обозначение вакуумного тетрода
Говоря более конкретно, к тетродам можно отнести нувистор — небольшую приемно-усилительную лампу с цилиндрически расположенными электродами, состоящую из металлокера-мического материала. Использование данного материала и такой конструкции дает повышенную стойкость к вибрациям и термическому воздействию.
Пентод имеет уже пять электродов (рис. 4). Благодаря наличию защитной сетки С3, располагающейся между анодом и сеткой, служащей экраном, образуется поле, делающее невозможным попадание вторичных электронов на сетку С2. Данная особенность минимизирует количество электронов, проникающих от анода к экранной сетке. Присутствующий у тетродов провал на анодной характеристике у пентода отсутствует.
Рис. 4. Условное обозначение вакуумного пентода
На этом обзор электронных ламп можно завершить, переключившись на более востребованный в наши дни вакуумный прибор, вакуумный переключатель, или вакуумное реле.
Вакуумное реле — прибор, рассчитанный в первую очередь на применение в электрических цепях с высоким напряжением [10]. Своим названием он обязан особому типу используемой конструкции, представляющей из себя вакуумную камеру, за счет наличия которой становится возможным мгновенное гашение электрической дуги. Применяется также название «вакуумные высокочастотные коммутирующие устройства» (ВВКУ).
В основе принципа действия реле лежат физические свойства газа, располагающегося внутри корпуса прибора в разряженном состоянии. В данных обстоятельствах электрическая прочность газа, являющаяся одним из основных его свойств, заметно увеличивается [11].
Ток, протекающий по контактам устройства в момент разрыва, формирует дугу, электрический разряд. Высокая температура внутри запускает процесс ионизации паров металла, что неизбежно вызывает горение дуги. Ток не прекращает течь от контакта к контакту по образовавшейся плазме, пока он не перейдет к нулевой шине. В момент наступления этого перехода электрическая дуга гаснет, причем весь процесс занимает не больше 10 микросекунд [12, 13].
Ведущими производителями вакуумных переключателей по всему миру являются несколько компаний. В США это «Jennings Technology», «Kilovac Corporation» и «Gigavac», в Германии «Siemens», в России же АО «НИИЭМП» (г. Пенза), на нем и сосредоточим свое внимание [14].
Рис. 5. Вакуумные реле, выпускаемые АО «НИИЭМП»
Номенклатура не сказать, что очень широка, но и скудной ее назвать сложно. Пройдемся по ней в виде списка:
1) вакуумные коаксиальные реле однополюсные на два направления П1Г-1В (рис. 5,а). Применяются при бестоковой коммутации высокочастотных цепей с волновым сопротивлением 75 Ом. Диапазон частот колеблется от 1,5 до 800 МГц;
2) вакуумные коаксиальные реле однополюсные на два направления П4Г-2В (рис. 5,6). Применяются при бестоковой коммутации высокочастотных цепей с волновым сопротивлением 50 Ом при прохождении через них непрерывно генерируемой мощности и мощности импульсного типа. Диапазон рабочих частот от 30 до 600 МГц;
3) вакуумные коаксиальные реле однополюсные на два направления П5Г-2В (рис. 5,в). Применяются при бестоковой коммутации высокочастотных цепей с волновым сопротивлением 75 Ом в технических устройствах КВ и УКВ диапазона, обладающих большой мощностью. Рабочая частота от 1,5 до 500 МГц;
4) вакуумные реле однополюсные на два направления (рис. 5,г). Применяются в высокочастотных цепях в режиме бестоковой коммутации. Диапазон частот от 1 до 80 МГц;
5) вакуумные реле однополюсные на два направления поляризованные (рис. 5,д). Применяются в высокочастотных цепях в режиме бестоковой коммутации. Частота варьируется от 0,15 до 80 МГц;
6) вакуумные реле однополюсные на два направления поляризованные П1Д-5В, П2Д-4В-12, П2Д-4В-27, П2Д-5В-12, П2Д-5В-27 (рис. 5,е). Применяются в высокочастотных цепях в режиме бестоковой коммутации. Диапазон частот от 1,5 до 120 МГц;
7) вакуумные реле однополюсные на одно направление (рис. 5,ж). Применяются в высокочастотных цепях в режиме бестоковой коммутации. Работают на частоте 2-80 МГц;
8) вакуумные реле однополюсные на одно направление поляризованные (рис. 5,^). Применяются в высокочастотных цепях в режиме бестоковой коммутации. Диапазон частот от 1,5 до 120 МГц.
Представленная номенклатура выпускаемой АО «НИИЭМП» продукции практически полностью покрывает потребности радиотехнической отрасли в вакуумных переключателях.
В заключение стоит сказать, что хоть история вакуумных приборов насчитывает уже не один десяток лет, но, несмотря на переход электронной промышленности к миниатюризации радиотехники, вакуумные приборы (в частности переключатели) до сих пор не потеряли своей актуальности. Не изобрели пока прибора, который мог бы потягаться с ними в надежности, точности и скорости работы. Возможно, когда-нибудь это и произойдет и промышленность забудет такое понятие, как «вакуумное реле», но это явно перспектива очень далекого будущего. А до тех пор, пока этого не случилось, такие предприятия, как АО «НИИЭМП», «Kilovac Corporation», «Siemens» и другие, всегда будут иметь заказы на производство таких комплектующих.
1. Зоркин, А. Я. Парциальные давления газовой фазы при наличии оксидов и карбидов в вакуумных электронных приборах / А. Я. Зоркин, С. В. Семенов, Н. А. Вавилина // Перспективы развития технических наук : сб. науч. тр. по итогам Междунар. науч.-практ. конф. «Инновационный центр развития образования и науки». — Челябинск, 2016. — С. 6-10.
2. Лебедев, И. В. Механизмы преобразования энергии в твердотельных и вакуумных СВЧ-приборах / И. В. Лебедев // Радиотехника. — 2017. — № 3. — С. 13-26.
3. Зоркин, А. Я. Газовыделение углерода и кислорода в вакуумных электронных приборах / А. Я. Зоркин, С. В. Семенов, Н. А. Вавилина, К. А. Ильин // Актуальные проблемы современной науки в 21 веке : сб. материалов XIV Междунар. науч.-практ. конф. — Махачкала, 2017. — С. 13-15.
4. Влияние геометрии катодов на усиление электрического поля в вакуумных приборах холодной эмиссии / А. А. Голишников, А. В. Емельянов, В. А. Жигалов, А. Ю. Красюков, В. А. Петухов, М. Г. Путря // Интеллектуальные системы и микросистемная техника : сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф. — Нальчик, 2018. — С. 112-119.
5. Попов, А. А. Структурная оптимизация нечетких регрессионных моделей с минимизацией ошибки прогноза на обучающей и тестовой выборке / А. А. Попов, А. А. Холдонов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. — 2018. — № 2 (46). — С. 5-17.
6. Металлопористый катод вакуумного электронного прибора магнетронного типа с повышенной долговечностью и мгновенной готовностью / О. Д. Тищенко, А. Я. Зоркин, И. В. Родионов, И. В. Белова, А. А. Тищенко, С. В. Семенов // Фундаментальные исследования. — 2018. — № 3. — С. 18-23.
7. Лукша, О. И. Исследование влияния неоднородности эмиссии с катода на качество электронного потока в электронно-оптической системе гиротрона / О. И. Лукша, П. А. Трофимов // Электроника и микроэлектроника СВЧ. — 2018. — № 1 (1). — С. 165-169.
8. Структура и схемотехническая реализация модуля автоматической накачки азота / А. А. Акимов, Д. В. Дерябин, В. П. Буц, Н. В. Горячев, Г. П. Разживина // Надежность и качество сложных систем. -2018. — № 1 (21). — С. 72-78.
9. Вакуумная электроника: ренессанс или стагнация / А. Григорьев, А. Иванов, В. Ильин, В. Лучинин // Наноиндустрия. — 2018. — Т. 11, № 5 (84). — С. 356-368.
10. Ольховой, А. А. Средства испытания на износостойкость вакуумных реле / А. А. Ольховой, А. Н. Винча-ков // Труды Международного симпозиума Надежность и качество. — 2014. — Т. 1. — С. 360-362.
11. Штейзель, А. С. Вакуумная микроэлектроника: преимущества, проблемы, перспективы / А. С. Штейзель, И. Н. Карманов // Интерэкспо Гео-Сибирь. — 2018. — Т. 9. — С. 19-24.
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
12. Федотов, А. Ю. Моделирование процессов образования и свойств наноструктур и нанопленок, сформированных в газовой среде / А. Ю. Федотов // Химическая физика и мезоскопия. — 2017. — Т. 19, № 2. -С. 230-249.
13. Смирнов, Э. Н. Вакуумные емкостные делители высоких напряжений : монография / Э. Н. Смирнов. -Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. — 312 с.
14. АО «НИИЭМП». Официальный сайт. — URL: http://niiemp.ru/ (дата обращения 19.12.2018).
1. Zorkin A. Ya., Semenov S. V., Vavilina N. A. Perspektivy razvitiya tekhnicheskikh nauk: sb. nauch. tr. po itogam Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. «Innovatsionnyy tsentr razvitiya obrazovaniya i nauki» [Prospects for the development of technical Sciences : collection of scientific works. Tr. on the results of international. science.-prakt. conf. «Innovation center of education and science development»]. Chelyabinsk, 2016, pp. 6-10. [In Russian]
2. Lebedev I. V. Radiotekhnika [Radiotechnics]. 2017, no. 3, pp. 13-26. [In Russian]
3. Zorkin A. Ya., Semenov S. V., Vavilina N. A., Il’in K. A. Aktual’nyeproblemy sovremennoy nauki v 21 veke: sb. materialov XIV Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. [Actual problems of modern science in the 21st century : proceedings of the XIV Intern. science.-prakt. conf.]. Makhachkala, 2017, pp. 13-15. [In Russian]
4. Golishnikov A. A., Emel’yanov A. V., Zhigalov V. A., Krasyukov A. Yu., Petukhov V. A., Putrya M. G. In-tellektual’nye sistemy i mikrosistemnaya tekhnika: sb. tr. Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. [Intelligent systems and Microsystem technology : sat. Tr. International. science.-prakt. conf.]. Nalchik, 2018, pp. 112-119. [In Russian]
5. Popov A. A., Kholdonov A. A. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki [University proceedings. Volga region. Engineering sciences]. 2018, no. 2 (46), pp. 5-17. [In Russian]
6. Tishchenko O. D., Zorkin A. Ya., Rodionov I. V., Belova I. V., Tishchenko A. A., Semenov S. V. Fundamen-tal’nye issledovaniya [Fundamental study]. 2018, no. 3, pp. 18-23. [In Russian]
7. Luksha O. I., Trofimov P. A. Elektronika i mikroelektronika SVCh [Electronics and microelectronics microwave]. 2018, no. 1 (1), pp. 165-169. [In Russian]
8. Akimov A. A., Deryabin D. V., Buts V. P., Goryachev N. V., Razzhivina G. P. Nadezhnost’ i kachestvo slozhnykh system [Reliability and quality of complex systems]. 2018, no. 1 (21), pp. 72-78. [In Russian]
9. Grigor’ev A., Ivanov A., Il’in V., Luchinin V. Nanoindustriya [Vacuum electronics: Renaissance or stagnation]. 2018, vol. 11, no. 5 (84), pp. 356-368. [In Russian]
10. Ol’khovoy A. A., Vinchakov A. N. Trudy mezhdunarodnogo simpoziuma Nadezhnost’ i kachestvo [Proceedings of the international Symposium Reliability and quality]. 2014, vol. 1, pp. 360-362. [In Russian]
11. Shteyzel’ A. S., Karmanov I. N. Interekspo Geo-Sibir’ [Interexpo Geo-Siberia]. 2018, vol. 9, pp. 19-24. [In Russian]
12. Fedotov A. Yu. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya [Chemical physics and mesoscopy]. 2017, vol. 19, no. 2, pp. 230-249. [In Russian]
13. Smirnov E. N. Vakuumnye emkostnye deliteli vysokikh napryazheniy: monografiya [High voltage vacuum capacitance dividers : monograph]. Penza: Izd-vo PGU, 2012, 312 p. [In Russian]
14. AO «NIIEMP». Ofitsial’nyy sayt [JSC «NIIEM». Official site]. Available at: http://niiemp.ru/ (accessed Dec. 19, 2018). [In Russian]
Акимов Александр Александрович
Пензенский научно-исследовательский институт электронно-механических приборов (440000, Россия, г. Пенза, ул. Каракозова, 44) E-mail: info@niiemp.ru
Горячев Николай Владимирович
кандидат технических наук, доцент, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет (440026, Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: ra4foc@yandex.ru
Дерябин Денис Викторович
заместитель генерального директора, Пензенский научно-исследовательский институт электронно-механических приборов (440000, Россия, г. Пенза, ул. Каракозова, 44) E-mail: info@niiemp.ru
Прошин Алексей Анатольевич
аспирант, инженер, кафедра конструирования
Akimov Aleksandr Aleksandrovich
Penza Research Institute
of Electronic and Mechanical Devices
(440000, 44 Karakozova street, Penza, Russia)
Goryachev Nikolay Vladimirovich
candidate of technical sciences, associate professor,
sub-department of radio equipment design
Penza State University
(440026, 40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Derjabin Denis Viktorovich
deputy general director, Penza Research Institute of Electronic and Mechanical Devices (440000, 44 Karakozova street, Penza, Russia)
Proshin Alexey Anatolevich
postgraduate student, engineer,
sub-department of radio equipment design
Penza State University
(440026, 40 Krasnaya street, Penza, Russia)
и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет (440026, Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: engineer.psu@yandex.ru
Рыжов Александр Алексеевич
кандидат технических наук, начальник НПК-1, Пензенский научно-исследовательский институт электронно-механических приборов (440000, Россия, г. Пенза, ул. Каракозова, 44) E-mail: pgufr@mail.ru
Ryzhov Alexander Alekseevich
candidate of technical sciences, head of NPK-1, Penza Research Institute of Electronic and Mechanical Devices (440000, 44 Karakozova street, Penza, Russia)
Проблемы применения вакуумных электронных приборов / А. А. Акимов, Н. В. Горячев, Д. В. Дерябин, А. А. Прошин, А. А. Рыжов // Надежность и качество сложных систем. — 2019. — № 1 (25). — С. 62-69. — БОТ 10.21685/2307-4205-2019-1-7.