Термоэлектронная эмиссия. Электрический ток в вакууме. Вакуумные диоды

В электронике широко используются электронные вакуумные лампы. (Следует отметить, что в современной электронике электронные лампы вытесняются их полупроводниковыми аналогами.) Под вакуумом здесь следует понимать такое состояние вещества, при котором средняя длина свободного пробега его частиц соизмерима с линейными размерами того пространства, которое занимает это вещество. Это так называемый «высокий» вакуум

Средства современной техники – высоковакуумные разряжающие насосы позволяют получить высокий вакуум в запаянных стеклянных или металлических баллонах.

Для получения носителей тока в вакууме – электронов используется явление термоэлектронной эмиссии – вылета электронов с поверхности нагретых до высокой температуры металлов (до температуры «красного каления»). Опишем это явление более подробно.

Поскольку в металле существуют свободные электроны, составляющие электронный газ, то те из них, которые расположены вблизи поверхности металла, могут покидать металл, образуя слой электронов, обтекающий поверхность металла. При этом поверхность металла заряжается положительно, т. к. нарушается баланс между количеством электронов и зарядом ионной решётки металла. Вследствие этого вылетевшие из металла электроны стремятся вернутся в металл. Но их место занимают другие электроны, покидающие металл вследствие теплового движения. Таким образом вокруг металла образуется электронная плёнка, толщиной в несколько атомных расстояний (десятые доли нанометра), а поверхность металла оказывается заряженной положительно. Говорят, что поверхность металла представляет собой «двойной электрический слой» - слой электронов над слоем ионов поверхности решётки. В пределах этого слоя существует электрическое поле – «поверхностное» электрическое поле, препятствующее удалению электронов за пределы электронного слоя. Количественно поверхностное поле характеризуется разностью потенциалов между электронным и ионным слоями .

Чтобы уйти за пределы поверхностного слоя электрон должен иметь энергию W_э е , где е – заряд электрона.

При низких температурах таких электронов ничтожное количество. Величина е = А_вых (1) называется работой выхода. Для разных металлов она различна. Наименьшая работа выхода у металлов I группы таблицы Менделеева: натрия, цезия и др. Они называются оксидными. Она приблизительно равна 1 - 2 эВ.

Если нагреть металл до температуры 1000 К и выше, то количество электронов, энергии которых становится больше работы выхода, резко возрастает, и возникает интенсивная эмиссия электронов с поверхности металла. Это явление называется термоэлектронной эмиссией. Оно используется для работы электронных ламп.

В баллон, из которого выкачан воздух до уровня высокого вакуума, впаивается проволочка (или пластинка) из оксидного металла, концы которой выведены наружу. к концам этой проволочки подключают полюса источника постоянного или переменного тока с небольшой ЭДС, примерно 10 В.

Тогда проволочка ведёт себя как спираль электроплитки, включённой в сеть. То есть нагревается до высокой температуры (обычно до температуры красного каления). Возникает интенсивная термоэлектронная эмиссия.

Вокруг металла образуется электронное облако из электронов, эмитировавших из него. При установлении термодинамического равновесия (Т = const) количество электронов в электронном облаке остаётся неизменным. Число электронов, покидающих металл в единицу времени сравнивается с числом электронов в единицу времени возвращающихся в металл.

Такое поведение электронов в баллоне аналогично поведению молекул насыщенного пара.

Интенсивность термоэлектронной эмиссии для данного металла – это число электронов, эмитирующих из металла в единицу времени. Обозначим эту величину n. Интенсивность термоэлектронной эмиссии для данного металла зависит только от температуры и с увеличением температуры возрастает.

Итак, для электрического тока в вакууме выполнено одно из условий: есть свободные носители тока – электроны.

Теперь следует обеспечить второе условие: создание электрического поля, превращающего электронное облако в поток электронов. С этой целью в баллоне должны быть впаяны два электрода: анод и катод. Анод присоединяется к положительному полюсу источника, а катод к отрицательному. ЭДС источника тока примерно от 100 до 200 В.

В качестве катода модно использовать описанную выше металлическую проволоку, которая эмитирует электроны. Так устроена двухэлектродная электронная лампа – диод.

На рисунке 3а изображена схема такого диода.

Он называется диодом с катодом прямого накала.

Рис.3а

На рисунке 3 б изображена схема диода с катодом косвенного накала.

Рис. 3 б

В таких диодах катод представляет собой металлический цилиндр, Внутри этого цилиндра расположен нагреватель: металлическая спираль, через которую пропускают ток от источника с малой ЭДС, называемую нитью накала. Чаще всего используется цилиндрическая конструкция лампы и электродов.

Так примерно выглядит конструкция вакуумного диода с катодом косвенного накала.

Основным свойством диода является его односторонняя проводимость. Электроны в диоде могут двигаться только от катода к аноду и только в случае, если катод присоединён к отрицательному полюсу источника, а анод к положительному. В противном случае, если на аноде отрицательный потенциал относительно катода, то эмитирующие из катода электроны тормозятся электрическим полем и обратно загоняются в катод. В этом случае говорят: «диод заперт», т.е. ток через лампу не идёт.

Рис. 4а Рис. 4б

На рисунках 4а и 4б изображены схемы подключения диодов с катодом прямого и косвенного накала к источнику тока. Е_п – источник тока, обеспечивающий накал катода, Е_а – источник тока, создающий электрическое поле между анодом и катодом.

Если собрать цепь по схеме. изображённой на рисунке 5, то можно получить так называемую «вольтамперную характеристику» диода, то есть график зависимости силы тока через диод от напряжения между анодом и катодом.

Рис. 5

Реостат 1 позволяет менять силу тока через нить накала, потенциометр 2 напряжение между анодом и катодом (анодное напряжение).Сила тока измеряется миллиамперметром. Анодное напряжение вольтметром. С помощью потенциометра анодное напряжение меняется от 0 до Е_а. В результате эксперимента получаются графики, изображённые на рисунке 6

Рис. 6

На рисунке изображены графики зависимости силы тока от анодного напряжения при различных температурах катода.

Анодное напряжение считается положительным, если анод подключён к положительному полюсу анодной батареи, а катод к отрицательному. Если полюса поменять местами, тока не будет. Лампа заперта. Из графиков видно, что при постоянной температуре катода с ростом напряжения ток сначала возрастает, затем при достижении некоторого напряжения возрастание тока замедляется, а затем почти полностью прекращается.

Режим работы диода, при котором ток практически перестаёт возрастать называется насыщением. А величина установившегося тока – током насыщения.

Такая зависимость объясняется так. С появлением анодного напряжения часть электронов из электронного облака под действием электрического поля достигает анода и, следовательно, появляется электрический ток. Чем выше анодное напряжение, тем больше количество электронов в единицу времени достигает анода и, следовательно, сила тока возрастает. С ростом напряжения электронное облако всё более преобразуется в поток электронов и при достижении режима насыщения все электроны в единицу времени, эмитирующие из катода достигают анода, т.е. все электроны в диоде движутся направлено. И сила тока практически перестаёт увеличиваться несмотря на рост анодного напряжения. (Незначительный рост силы анодного тока насыщения, наблюдаемый на практике, объясняется причинами, суть которых выходит за пределы школьного курса физики).

Величину тока насыщения можно приблизительно оценить так. I_нас = en, где e – заряд электрона, n – количество электронов, эмитирующих с катода за единицу времени. При установившейся температуре катода n – величина постоянная и ток насыщения не должен меняться.

Чем больше температура катода Т, тем больше интенсивность эмиссии и значит больше ток насыщения I_нас, который возникает при этой высокой температуре и при большом анодном напряжении.

Кроме описанных выше конструкций диодов, часто используют так называемый кенотрон – двойной диод. Схема кенотрона такова:

Рис. 7

По этой схеме в одном баллоне совмещены два диода.

Зависимость анодного тока от анодного напряжения не является линейной. Она приближённо выражается так называемым «законом трёх вторых» , где α – зависит от геометрических размеров и формы электродов. Используют же диоды в том режиме, где эта зависимость мало отличается от линейной.

В этом случае для характеристики свойств диода вводят две взаимно обратные величины: Крутизна характеристики и внутреннее сопротивление .

Здесь - изменение тока, которое возникает при изменении анодного напряжения

Для вычисления крутизны характеристики на графике I(U_a) выделяют участок кривой, где она мало отличается от прямой линии.

Рис. 8

Свойства односторонней проводимости диода используется для превращения переменного тока в постоянный. Такое устройство называется выпрямителем электрического тока.

Простейшая схема такого выпрямителя приведена на рисунке 9.

Рис. 9

Рис. 10а

Переменное напряжение на полюсах источника подчиняется синусоидальной зависимости от времени. U = U₀ sin ωt и на графике эта зависимость выглядит так:

Ток через нагрузку идёт только в течение тех промежутков времени (равных ), когда на аноде положительный потенциал. а на катоде отрицательный, а следующую половину периода диод заперт – тока нет. Зависимость тока от времени выглядит так:

Рис. 10 б

Такой ток ещё нельзя назвать постоянным. Скорее это импульсы переменного тока одного направления. Однако с помощью некоторых дополнительных деталей можно дополнить эту схему так называемыми «сглаживающими фильтрами», с помощью которых в такой цепи можно получить ток постоянный не только по направлению, но и почти постоянный по величине. (Эти схемы приводятся во второй части пособия).

Можно использовать для выпрямления кенотрон. Тогда схема выпрямления такова:

Рис. 11

Здесь Тр - трансформатор со средней точкой на вторичной обмотке, R – нагрузка, 1а – первый анод, 2а – второй анод кенотрона.

По такой схеме в течение первой половины периода, когда на первом аноде «+», а на втором «-», электроны движутся от катода к первому аноду (второй анод заперт). В течение второй половины периода аноды меняют знаки и электроны движутся от катода к второму аноду. В течение всего периода направление тока сохраняется неизменным.(Указано на рисунке стрелкой.)

Рис. 12

В этом случае график зависимости i(t) выглядит так как указано на рисунке 12.

Такой ток с помощью сглаживающих фильтров легче привести к постоянному.

§ 3. Трёхэлектродная электронная лампа (триод). Её статические характеристики и параметры.

Рис. 13

В электронике часто применяются трёхэлектродные электронные лампы (триоды). Триоды используются как основные детали схем усилителей и генераторов электромагнитных колебаний, а также различных релейных устройств. Триод отличается от диода наличием третьего электрода кроме катода и анода, размещённого между катодом и анодом – сеткой. Схема триода изображена на рис.13. Сетка выполнена в виде металлической решётки, в которой линейные размеры отверстий значительно превышают размеры металлических звеньев. Сетка расположена очень близко к катоду.

Катод и анод у триода работают также, как у диода и создают ток через триод. Он называется анодным током I_а. Описанная выше конструкция сетки не мешает электронам, эмитировшим из катода достигать анода. Из-за близости сетки к катоду небольшие изменения потенциала сетки вызывают значительные изменения напряжённости электрического поля вблизи катода, т.е. в области электронного облака, что порождает значительные изменения анодного тока. (Из курса физики известно, что , здесь E – напряжённость поля, U – разность потенциалов между сеткой и атодом, d – расстояние между ними.)

Сетку часто называют управляющим электродом. Это название соответствует назначению сетки. с её помощью можно управлять величиной анодного тока. вольтамперные характеристики триода, работающего на постоянном токе и без нагрузки называют статическими.

Статические характеристики триода.

Различают два вида статических характеристик: сеточные и анодные. Сеточная статическая характеристика – это график зависимости анодного тока от напряжения на сетке (разность потенциалов между сеткой и катодом) при постоянном напряжении на аноде (разность потенциалов между анодом и катодом) I_a= f (U_c) при U_a= const.

Анодная статическая характеристика – график зависимости анодного тока от напряжения на аноде при постоянном напряжении на сетке I_a= f (U_а) при U_с= const.

На рис. 14 приведена схема опыта. с помощью которого можно получить вольтамперные характеристики триода.

Рис. 14

Здесь вольтметр V₁ показывает напряжение на сетке (U_c), а вольтметр V₂ напряжение на аноде (U_a). По показаниям миллиамперметра определяют анодный ток (I_a).

Если полюса источника тока с ЭДС равной Е_с менять местами, то можно менять знак потенциала сетки относительно катода с положительного на отрицательный и наоборот.

Потенциометры П₁ и П₂ позволяют изменять величины напряжений на сетке и аноде.

На рис. 15а приведено примерное семейство сеточных вольтамперных характеристик.

Рис. 15а

Напряжение на сетке, при котором анодный ток исчезает (I_a=0) называется запирающим (U_з). Например, при U_a= 50 В U_з= - 2 В. Это означает, электрическое поле между сеткой и катодом при U_з= - 2 В компенсирует электрическое поле, создаваемое напряжением между анодом и катодом U_a= 50 В. На рис. 15б приведено примерное семейство анодных статических характеристик.

Рис. 15б

С помощью статических характеристик определяют параметры триода.

Статической крутизной характеристики триода (S_i) называется величина, измеряемая отношением анодного тока к изменению сеточного напряжения, которое его вызывает при постоянном напряжении на аноде.

Здесь Δ I_a и ΔU_c выбираются на линейном участке одной из сеточных характеристик.

Внутренним сопротивлением триода называется величина, измеряемая отношением изменения напряжения на аноде к изменению анодного тока, которое происходит вследствие этого при постоянном напряжении на сетке.

Для вычисления этой величины используется линейный участок одной из семейства анодных характеристик триода.

Статическая крутизна (S_i) и внутреннее сопротивление (R_i) являются его постоянными параметрами, так как в линейной области характеристики семейства параллельны.

Применяются также ещё один параметр триода – статический коэффициент усиления (μ_i) – величина измеряемая отношением изменения анодного напряжения к изменению сеточного напряжения, вызывающих одинаковое изменение анодного тока.

Из этих уравнений μ_i=S_i R_i

§ 4. Динамический режим работы триода. Усилитель электромагнитных колебаний на триоде.

Вакуумный триод может быть использован в качестве основной детали в схеме усилителя электромагнитных колебаний. В этом случае он работает в динамическом режиме, что означает, что все параметры его состояния: анодный ток, напряжение на сетке и напряжение на аноде меняются одновременно. Простейшая схема работы триода приведена на рис. 16. Схему можно мысленно разбить на 2 контура: анодная цепь и сеточная цепь.

Рис. 16

В сеточной цепи - источник переменного тока, в анодной цепи нагрузка с сопротивлением R_a и источник постоянного тока – анодная батарея. (Её можно заменить выпрямителем переменного тока).

Из закона Ома для замкнутой цепи следует U_a = Е_a – I_a R_a

Если за промежуток времени напряжение на сетке увеличилось, то анодный ток тоже увеличился, тогда анодное напряжение уменьшится.

Таким образом, все три величины, характеризующие режим триода: анодный ток, анодное и сеточное напряжение меняются одновременно.

Из уравнения (10) следует:

(11)

График такой зависимости изображён на рис. 17

Рис. 17

То есть зависимость анодного тока от анодного напряжения выражается линейной функцией. График соответствующей зависимости называется анодной динамической характеристикой триода. Чем больше R_a, тем меньше угол наклона эта характеристика составляет с осью «U_a».

Обычно анодную динамическую характеристику рисуют на картине семейства статических анодных характеристик триода, как это изображено на рис. 18а.

Рис. 18а

С помощью такого графика, зная один из параметров состояния триода, можно определить два других. Например: Пусть потенциал сетки U_c= - 2 В. Находим по графику точку пересечения статической анодной характеристики с динамической анодной характеристикой (·) А. Теперь находим координаты этой точки по оси I_a и по оси U_a. Получаем I_a= 8 мА, U_a = 80 В. С помощью графика, изображённого на рис. 18б можно пояснить, каким образом происходит усиление электромагнитных колебаний.

Рис. 18б

Пусть входное напряжение U_вх= 2 sin ωt, амплитуда U_{вх 0}= 2 В. Это означает, что напряжение на сетке меняется в течение периода от - 2 В до 2 В. Изобразим график функции U_вх(t), расположим ось времени на продолжение статической анодной характеристики при нулевом напряжении на сетке. а ось сеточного напряжения перпендикулярно оси времени.

Тогда, расположив ось тока в графике зависимости U_a(t) вертикально и так, чтобы обе эти оси проходили через точку А (точке пересечения динамической анодной характеристики со статической, соответствующей U_с= 0), можно нарисовать эти графики.

Тогда увидим, что при изменении сеточного напряжения от -2 В до +2 В, анодный ток меняется от 8 мА до 11,5 мА, а анодное напряжение от 20 до 40 В. В отличие от напряжения на сетке анодный ток и анодное напряжение всегда положительные величины. Однако характер изменения этих величин (форма сигнала) аналогичен.

Можно построить сеточную динамическую характеристику триода, если иметь только анодные статические и динамические характеристики с помощью так называемого метода переноса.

Такое построение изображено на рис. 19а и 19б

Рис. 19а Рис. 19б

Введём величину S_д – крутизну динамической характеристики триода.

(12), где ΔІ_а – изменение анодного тока в динамическом режиме, ΔU_c – изменение сеточного напряжения, которое послужило причиной изменения анодного тока на величину ΔІ_а.

Представим ΔІ_а как сумму двух величин ΔІ_а = ΔІ_a^’ + ΔІ_a^”, где ΔІ_a^’ – изменение анодного тока, которое вызывается изменением только сеточного напряжения, ΔІ_a^” – изменение анодного тока, которое вызвано только изменением анодного напряжения.

ΔІ_a^’ = S_i ΔU_c

ΔІ_a^” = ΔU_a,

где S_i – статическая крутизна характеристики триода, R_i – его внутреннее сопротивление.

но из уравнения (10) следует, что

(13)

Из уравнения (13) следует, что динамическая крутизна характеристики триода всегда меньше её статической крутизны.

Уравнение (13) можно записать в таком виде (14), где μ_i – статический коэффициент усиления. Из формулы (14) следует, чем меньше R_а, тем больше динамическая крутизна характеристики.

Работа триода в динамическом режиме, описанная выше, может быть использована для усилительных и релейных схем при условии, что токи во входной цепи (цепи сетки) значительно превышают так называемый «паразитный ток сетки», который возникает вследствие того, что в те половины периода, когда потенциал сетки относительно катода положителен, наибольшая часть электронов притягивается сеткой.

Если ток, идущий через входное сопротивление схемы (r_вх) соизмерим с «паразитным сеточным током», то форма его искажается, что крайне нежелательно в тех случаях, когда усилитель используется в радиотехнических схемах (радиоприёмниках, телевизорах. музыкальных центрах и т.д.). Чтобы избежать искажений входного сигнала «паразитными» токами во входную цепь включают источник тока, называемый «батареей смещения». Положительный полюс батареи смещения подключают к катоду, а отрицательный полюс через входное сопротивление к сетке. ЭДС батареи смещения должна быть всегда меньше амплитуды входного сигнала (E_см>U_0вх).

Вследствие этого потенциал сетки будет всегда отрицательным и «паразитного» тока во входной цепи не будет, и, следовательно, при усилении сигнала не будет происходить его искажения.

Схема такого усиления изображена на рис.20

Рис. 20

Чтобы подать на вход сигнал с максимально возможной амплитудой, выбирают ЭДС смещения для данного триода с помощью динамической сеточной характеристики.

Рис. 21

С этой целью линейный участок динамической сеточной характеристики в области отрицательных значений U_c делят пополам точкой А (она называется «рабочей точкой характеристики»).

координаты рабочей точки – U_c=E_см, а I_a0 ток рабочей точки. Тогда максимальная амплитуда входного сигнала, в дальнейшем неискажённого при усилении, равна по модулю ЭДС смещения.

Рис. 22

На рис. 22 изображено графическое представление работы триода с помощью динамической сеточной характеристики.

График переменного напряжения сетки изображён под характеристикой. Его ось времени перпендикулярна оси напряжения и направлении вниз. На нагрузке видно, что так как амплитуда входного сигнала (U_0вх) меньше ЭДС смещения напряжение на сетке всегда отрицательно. Наименьшее и наибольшее значение напряжения на сетке соответствует точкам В и С на характеристике.

Участок ВС называется «рабочим участком». Точки В и С определяют минимальное и максимальное значения анодного тока.

График зависимости анодного тока от времени изображён справа. Здесь ось времени совпадают с осью сеточного напряжения.

Благодаря тому, что рабочий участок характеристики – линейный, форма зависимости анодного тока от времени аналогична форме зависимости сеточного напряжения от времени. Так как зависимость анодного напряжения от анодного тока представляет собой линейную функцию (см. уравнение 10), то и анодное напряжение меняется по такому закону зависимости от времени, как и напряжение на сетке.

Рис. 23

На рис. 23 изображены графики зависимости от времени тех переменных величин, которые характеризуют режим работы усилителя на вакуумном триоде.

Анодный ток и анодное напряжение имеют только положительные значения. Входное же напряжение принимает как положительные, так и отрицательные значения.

Пусть уравнение зависимости входного напряжения от времени U_вх=U_0вхsin ωt (1). Тогда уравнение зависимости анодного напряжения от времени U_a= - U₀sin ωt + U_a0(2) это уравнение содержит постоянную составляющую (В уравнении (1) такой составляющей нет). Чтобы её убрать и сделать кривую зависимости симметричной относительно оси времени, можно подключить к аноду последовательно с нагрузкой конденсатор, тогда можно получить входное напряжение, график зависимости которого от времени изображён на рис. 23д.

Для оценки действия усилителя вводят величину, которую называют динамическим коэффициентом усиления.

Динамическим коэффициентом усиления называют отношение амплитуды выходного напряжения к амплитуде напряжения входного сигнала

(15)

следовательно: (16)

Но известно, что

(17)

Если μ_i =24, а R_a =2R_i? тогда μ_д= 16.

Это означает, что амплитуда выходного сигнала больше в 16 раз амплитуды входного сигнала.

Применяют так называемый коэффициент усиления по мощности

(18)

Мощность переменного тока определяется по формуле

Тогда

Во входных схемах радиоприёмников входные токи очень малы, порядка несколько микроампер. Чтобы получить на сетке триода напряжения порядка несколько вольт, входное сопротивление должно быть очень велико: порядка нескольких мегаомов (МОм). Внутреннее сопротивление триода около 1 кОм. Такого же порядка анодное сопротивление.

Вернёмся к нашему примеру. Пусть μ_д= 16. r_вх =1 МОм R_a =1 кОм, тогда μ_р = 16² · 1000 = 256000. То есть мощность выходного сигнала в 256000 раз больше мощности входного. Для ещё более значительного увеличения мощности используют каскады, описанных в этом параграфе схем. Тогда коэффициент мощности таких n – каскадных усилителей μ = (μ_р)ⁿ

Итак, в схеме усилителя на вакуумном триоде за счёт энергии, отбираемой от анодной батареи, незначительные по амплитуде напряжения и по мощности переменные сигналы, подаваемые на сетку триода, превращаются в выходные сигналы с большими амплитудами напряжения и значительными по мощности в анодной цепи. При этом форма сигнала не искажается.

Целесообразно заменить лишний источник тока «батарею смещения» простым малогабаритным устройством, которое называется «автоматическим смещением».

Автоматическое устройство состоит из параллельно соединённых резистора (r_k) и конденсатора (С_к), которые присоединяются последовательно к катоду так как это изображено на рис. 24, на котором изображена схема одного каскада на вакуумном триоде.

Рис. 24

При этом r_k подбирается таким образом, чтобы оно было равно (19)

Ёмкость конденсатора С_к подбирается из того расчёта, чтобы при всех изменениях анодного тока зарядки и разрядки конденсатора на резисторе r_k поддерживалось на нём постоянное напряжение, равное ε_см.

Таким образом эта R - C цепочка функционально заменяет батарею смещения. При работе на токах высокой частоты проявляются и определённые недостатки триода, и его заменяют более сложными многоэлектронными лампами: тетродом или пентодом. Но устройство и принцип действия этих ламп – предмет изучения специальной науки – радиотехники.

§ 5. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ТРУБКА.

Для получения осциллограмм – графиков зависимости исследуемых периодически меняющихся величин от времени приборах, называемых осциллографами, в качестве основной детали используется электронно-лучевая трубка. Электронно-лучевые трубки используются также для приёма телевизионных изображений (кинескопы), в качестве индикаторов радиолокационных установок, мониторов компьютеров и во многих других электронных устройствах.

Электростатическая электронно-лучевая трубка состоит из трёх основных частей:

1) стеклянный баллон, из которого выкачан воздух до высокого вакуума, форма которого изображена на рисунке 25а, с экраном, покрытым изнутри слоем люминофора (вещество, способное излучать свет под ударами движущихся с большой скоростью электронов);

2) «электронная пушка» - система электродов, которая создаёт и формирует узкий пучок (электронный луч) быстрых электронов, создающих в центре экрана яркое и резкое световое пятно малого диаметра;

3) На пути электронного пучка после электронной пушки располагаются две пары, поставленных под прямым углом отклоняющих пластин: пластины «X» (П_X) и пластины «Y» (П_Y).

Когда напряжение на них равны нулю, то они не влияют на электронный луч. Если подать на пластины «X» или пластины «Y» напряжение, то электронный луч сместится в сторону положительно заряженной пластины и будет вызывать свечение какой-либо нецентральной точки экрана. Отклонение электронного луча от центральной точки, принимаемой за начало координат, наложенной на экран координатной сетки, зависит от величины приложенного к отклоняющим пластинам напряжения. Используя уравнения механики и электростатики, легко доказать, что эта зависимость прямая пропорциональная.

x = k_xU_x

y = k_yU_y

Здесь x и y – координаты проекции электронного луча на экран, U_x и U_y – напряжение на отклоняющих пластинах, k_x и k_y – константы, определяемые геометрическими параметрами конструкции трубки.

На рисунках 25а и 25б изображены устройство простейшей электростатической термоэлектронной трубки и её условное изображение в схемах.

Рис. 25а

Рис. 25б

Здесь н.н. – нить накала

к – катод, эмитирующий электроны в следствии термоэлектронной эмиссии

у.э. – управляющий электрод

IA – первый анод

IIA – второй анод

П_X – горизонтально отклоняющие пластины

П_Y – вертикально отклоняющие пластины

На рисунке 26 изображена примерная цепь питания электронной пушки.

Рис. 26

Нить накала подсоединена к источнику переменного тока стандартного действующего напряжения 6,3 В. Катод заземлён. На управляющий электрод подаётся регулируемый потенциометром R1 отрицательный потенциал относительно катода, примерно равный -10 В. Меняя величину напряжения на управляющем электроде от 0 до -10 В, регулируют плотность электронного пучка, проходящего через осевое отверстие управляющего электрода.

Управляющий электрод представляет собой открытый со стороны катода горизонтально расположенный цилиндр с осевым отверстием в противоположном катоду основанием. Следовательно, с помощью скользящего контакта потенциометра R1 управляют яркостью изображения на экране.

Направление и ускорение движения электронов в электронном пучке осуществляется электрическим полем между II анодом и катодом. Напряжение между этими электродами составляет десятки тысяч вольт, что обеспечивает возбуждение атомов люминофора и излучение света.

На I анод подаётся регулируемое с помощью потенциометра R3 напряжение примерно от 100 до 400 В. Это позволяет с помощью электрического поля, образованного в пространстве между анодами фокусировать электронный луч в центральную точку экрана. Аноды представляют собой горизонтальные цилиндры с отверстиями в центре их оснований. Отверстия в основаниях анодов расположены на одной оси с отверстием в основании цилиндра управляющего электрода и центральной точкой экрана.

Цилиндр I анода имеет открытое основание вблизи II анода. Открытое основание II анода расположено сразу де за I анодом.

Управляя картиной электрического поля между анодами, можно сфокусировать электронный луч в центральную точку экрана. Это электрическое поле принято называть электростатической линзой. Следовательно, с помощью подвижного контакта потенциометра R3 можно менять резкость изображения.

§ 6. Устройство и принцип действия электронного осциллографа.

Для исследования периодических процессов в электрических цепях переменного тока различных частот, для настройки различной радиоэлектронной аппаратуры используются электронные осциллографы.

На экране электронно-лучевой трубки, которая является основной деталью осциллографа, получают осциллограмму исследуемого сигнала, то есть график зависимости напряжения от времени.

Для наблюдения осциллограмм исследуемых переменных напряжений к отклоняющим пластинам Y подводят исследуемое напряжение, а на пластины X подают напряжение развёртки U_разв, имеющее пилообразную форму зависимости от времени. (рис. 27)

Рис. 27

Под влиянием напряжения развёртки проекция электронного луча на экране медленно и равномерно движется вдоль горизонтальной оси в одном направлении, например, слева направо, когда напряжение развёртки растёт в течение времени t₁, затем, когда напряжение резко падает в течение времени t₂, проекция электронного луча делает обратный ход. Всё это повторяется с частотой напряжения развёртки. Время обратного хода t₂ много меньше периода развёртки Т_разв. Когда работает только генератор развёртки, а на пластины Y исследуемое напряжение не подано, на экране видна светящаяся горизонтальная прямая линия, расположенная вдоль оси X, играющая роль оси времени, если частота развёртки превышает 25 Гц. Если же частота меньше, то мы наблюдаем равномерное скольжение проекции электронного луча вдоль горизонтальной оси; при этом скорость такого движения прямо пропорциональна скорости возрастания напряжения развёртки.

Такое поведение проекции электронного луча на экране объясняется прямой пропорциональной зависимостью координаты X проекции электронного луча на экран от напряжения, поданного на отклоняющие пластины X.

Если же подать исследуемое напряжение на пластины Y при выключенном генераторе пилообразного напряжения развёртки, то на экране наблюдается вертикальная светящаяся полоска, расположенная вдоль оси Y.

Когда исследуемый сигнал подаётся на пластины Y при включённом генераторе развёртки, то проекция электронного луча на экране одновременно совершают колебания по вертикали и повторяющая равномерное движение с обратным ходом по горизонтали. В результате на экране наблюдается светящаяся кривая, изображающая осциллограмму исследуемого напряжения.

На рисунке 28 показаны осциллограммы синусоидального напряжения, ни можно наблюдать напряжения любой формы зависимости от времени.

Рис. 28

Чтобы кривая на экране была неподвижной, период напряжения развёртки Т должен быть кратным периоду исследуемого напряжения Т

T_разв = nT,

где n – целое число (1,2,3,...). Тогда за период развёртки пройдёт целое число колебаний исследуемого напряжения, и в конце обратного хода проекция электронного луча окажется в том месте, откуда она начала двигаться во время прямого хода.

На рисунке 28 показаны наблюдаемые осциллограммы при n = 1 и при n = 2. Время обратного хода t должно быть меньше периода развёртки, так как за счёт него часть кривой не воспроизводится. Кроме ого, чем меньше t, тем быстрее обратный ход луча и тем слабее он виден.

Подбор величины n производится изменением частоты пилообразного напряжения, подаваемого на пластины X от генератора развёртки.

Если n не будет целым числом, то осциллограмма не останется неподвижной и кроме того, вместо одной кривой наблюдается их несколько, что неудобно. Например, не рис 29 показана осциллограмма синусоидального напряжения при n =3/4. Для упрощения предположено, что время обратного хода t = 0.

Рис. 29

Подобное целое число «n» обычно сохраняется лишь короткое время, так как генератор развёртки имеет нестабильную частоту, да и частота исследуемого напряжения может немного изменяться. Для сохранения выбранного значения «n» в течение длительного времени осуществляют синхронизацию генератора развёртки исследуемым напряжением.

Таким образом, электронный осциллограф состоит из трёх основных частей (блоков).

1. Электронно-лучевая трубка с блоком питания

2. Генератор развёртки.

3. Блок синхронизации.

Существуют также дополнительные блоки: усилитель входа Y, усилитель входа X, генератор сигнала калибровки и другие.

Схема простейшего генератора развёртки изображена на рисунке 30.

Рис. 30

1 – газоразрядная лампа

2 – конденсатор переменной (регулируемой) ёмкости

3 – резистор переменного сопротивления.

Газоразрядная лампа (например, может быть использована так называемая неоновая лампа) работает на тлеющем разряде.

Обычно это стеклянный баллон, содержащий инертный газ (неон, гелий и другие) с двумя электродами, на которые подаётся напряжение. Ток в такой лампе представляет собой лавинное движение ионов газа и электронов и возникает только при напряжении, большем некоторого предельного. Это напряжение называется «потенциалом зажигания». Величина этого тока резко возрастает; что приводит к значительному уменьшению сопротивления лампы, а, следовательно, к падению напряжения на ней и увеличение напряжения на резисторе R. При уменьшении напряжения на лампе до некоторого предельного значения (меньше чем потенциал зажигания) ток прекращается. Такое напряжение называется «потенциалом гашения».

На рисунке 31 изображен график зависимости напряжения от времени при зарядке конденсатора.

Рис. 31

Здесь τ – время зарядки, где C – ёмкость конденсатора, R- сопротивление резистора в схеме изображённой на рисунке 30.

Уравнение, соответствующее графику

Выбирают такую газоразрядную лампу, чтобы потенциалы зажигания и гашения её были расположены на линейном участке зависимости напряжения зарядки конденсатора от времени.

Когда замыкают ключ К, напряжение на конденсаторе, а, следовательно, на электродах газоразрядной трубки лампы пока не достигнет потенциала зажигания. Вследствие этого в лампе возникает лавинный ток, напряжение на ней резко падает до потенциала гашения через лампу и прекращается напряжение на конденсаторе, а, следовательно, и на лампе растёт до потенциала зажигания, затем эти процессы периодически повторяются. На рисунке 32 кроме графика зависимости напряжения от времени при зарядке конденсатора изображён график зависимости напряжения на газоразрядной лампе от времени.

Рис. 32

Здесь t₂ – время обратного хода – очень мало так как из-за лавинного характера разряд в лампе происходит очень быстро, и время t₁ можно регулировать в широких пределах меняя сопротивление резистора R и ёмкость конденсатора С.

Примерно так создаётся пилообразное напряжение, обеспечивающее развёртку во времени исследуемого напряжения.

Устройство и принцип действия блока синхронизации довольно сложен и является предметом изучения радиотехники.

Дата добавления: 2015-05-06