Краткие сведения о различных электронно-лучевых трубках

В электронных осциллографах используют главным образом электростатические ЭЛТ. В индикаторных устройствах радиолокационных и гидроакустических станций применяют, как правило, трубки с магнитным отклонением, а фокусировка может быть магнитной или электростатической. Индикаторные трубки обычно работают с так называемой яркостной отметкой, когда приходящие сигналы. подаются на модулятор трубки и отпирают ее, Применение магнитной отклоняющей системы в таких трубках позволяет уменьшить искажения изображений и улучшить фокусировку при больших отклонениях луча. Для одновременного наблюдения двух процессов выпускают двухлучевые трубки, имеющие в баллоне две однолучевые системы.

Специальные двухцветные индикаторные ЭЛТ, называемые элмитронами, имеют экран из двух люминофоров, дающих свечение разного цвета. В зависимости от энергии электронов луча получается свечение того или иного цвета. В прошлые годы выпускались запоминающие ЭЛТ, в которых передаваемое изображение можно было не только видеть на экране, но и зафиксировать, для того чтобы повторять его. Например, в потенциалоскопе перед экраном находится мелкоструктурная сетка, называемая мишенью и покрытая пленкой высококачественного диэлектрика с коэффициентом вторичной эмиссии больше единицы. Под ударами электронов луча в разных местах этой пленки возникает положительный заряд, который зависит от интенсивности луча. На пленке получается так называемый потенциальный рельеф, в разных точках которого изменение потенциала соответствует яркости разных точек передаваемого изображения. Зафиксированное таким образом изображение может храниться длительное время. Однако в последнее время запоминающие трубки уступили место различным устройствам памяти, применяемым в микроэлектронике.

Особое место занимают ЭЛТ с темновой записью, называемые скиатронами. У них в отличие от обычных ЭЛТ под действием электронного луча вещество экрана изменяет коэффициент отражения внешнего света и получается темное изображение на светлом экране.

Кинескопы для телевизионных приемников делают, как правило, с магнитным отклонением, и они имеют магнитную или электростатическую фокусировку. Магнитное отклонение в кинескопах позволяет улучшить фокусировку и увеличить яркость изображения, так как возможно применение более высокого анодного напряжения. Некоторые кинескопы оформляют в металлостеклянном баллоне.

Во многих кинескопах устраивают ионные ловушки, не допускающие попадания отрицательных ионов на экран и образования ионного пятна. Ловушки обычно работают по принципу разделения потоков электронов и ионов с помощью магнитного поля. Один из вариантов ионной ловушки показан на рис. 20.26. Ось катода, модулятора и экранирующего электрода расположена под углом к оси трубки, а ось анода имеет излом. Поток отрицательных ионов (сплошные линии) и электронов (штриховые линии), входя в анод, попадает в поперечное магнитное поле постоянного магнита (заштрихованная область). Ионы, обладающие большой массой, почти не отклоняются магнитным полем и попадают на анод. А траектории электронов искривляются, и электроны вылетают из отверстия анода. Постоянный магнит ловушки устанавливается снаружи трубки. Для нормальной работы кинескопа положение магнита подбирается.

Рис. 20.26. Схема ионной ловушки

Современные кинескопы имеют прямоугольный экран и угол отклонения электронного луча по диагонали 110°. Эти кинескопы по сравнению с более старыми, в которых угол отклонения луча был 70°, имеют меньшую длину.

Для получения телевизионного изображения на большом внешнем экране служат проекционные кинескопы, имеющие небольшой экран с очень ярким свечением. С помощью оптической системы изображение проецируется таким кинескопом на экран размером 1 — 2 м². Изображение еще большего размера можно получить с помощью кванто-скопа, представляющего собой ЭЛТ, у которой вместо обычного экрана так´ называемая матрица полупроводниковых лазеров, возбуждаемых электронным лучом.

Широкое применение получили в настоящее время цветные кинескопы. Принцип их работы основан на том, что для получения нужного цвета свечения необходимо осуществить смешение в разном соотношении трех основных цветов: синего, зеленого и красного, так как человеческий глаз имеет светочувствительные элементы трех типов, воспринимающие именно эти три цвета.

Экран цветного кинескопа содержит большое количество миниатюрных крупинок люминофоров, дающих синее, зеленое и красное свечение (например, по 500 000 крупинок для каждого цвета). На эти крупинки направляются электронные лучи от трех самостоятельных электронных прожекторов. Перед экраном в так называемом масочном кинескопе расположена маска — непрозрачная пластина с отверстиями, число которых равно числу люминофорных групп, т. е., например, 500000. С помощью сложной отклоняющей системы все три луча проходят через отверстие маски и попадают каждый на крупинку люминофора своего цвета. Развертывающее устройство заставляет лучи пробегать весь экран по строкам, а сигналы изображения модулируют лучи, изменяя их интенсивность. В результате в разных местах экрана получается свечение того или иного цвета большей или меньшей яркости, создающее передаваемое изображение.

Рис. 20.27. Структурная схема системы РЛС и ГАС с характроном

Характрон. В последние годы стали широко применяться так называемые знакопечатающие ЭЛТ, или ЭЛТ со знаковой индикацией. Они используются в качестве единого оконечного индикаторного прибора для группы радиолокационных и гидроакустических станций (РЛС и ГАС), установленных, например, на морских судах. Наибольшее распространение получил характрон. На рис. 20.27 показана система, в которую входит характрон. Несколько РЛС и ГАС подключены к электронно-вычислительной машине (ЭВМ), которая обрабатывает получаемые сигналы с информацией о тех или иных объектах. От ЭВМ сигналы поступают в специальное устройство управления характроном. Различные объекты, обнаруженные РЛС и ГАС, отображаются на экране характрона в виде небольших табличек, называемых формулярами и состоящих из нескольких знаков (буквы, цифры и т.п.). Одновременно видны формуляры различных объектов, причем они располагаются соответственно координатам объектов и отображают их передвижение (рис. 20.28). Таким образом, с помощью характрона можно наблюдать сразу всю окружающую обстановку, т. е. характрон заменяет несколько индикаторных ЭЛТ, подключавшихся в более старых системах к отдельным РЛС и ГАС. В этом заключается основное преимущество характрона.

Рис. 20.28. Формуляры на экране характрона

Принцип устройства одного из характронов показан на рис. 20.29. Электронный луч, изображенный штриховой линией, создается электронным прожектором ЭП. Две пары отклоняющих пластин, называемых выбирающими (ВП), направляют луч на матрицу М. Она представляет собой металлическую пластину с отверстиями в форме тех или иных знаков. Число отверстий может быть несколько десятков, а их размер не превышает десятых долей миллиметра и несколько меньше диаметра луча. На выбирающие пластины подаются необходимые напряжения от управляющего устройства, которым «командует» ЭВМ. После матрицы электронный луч в сечении приобретает форму соответствующего знака.

Так как, пройдя матрицу, луч отклоняется к стенке трубки, то с помощью фокусирующей катушки ФК и корректирующих пластин КП луч снова направляется вдоль оси трубки и проходит формулярные пластины ФП, служащие для небольшого отклонения луча в пределах формуляра. Конечно, напряжения на КП и ФП согласованы с напряжениями на ВП. Фокусирующая катушка имеет еще дополнительные обмотки для компенсации наклона знаков, возникающего под действием магнитного поля основной обмотки.

Для того чтобы формуляр был виден на экране именно в том месте, которое соответствует координатам данного объекта, служат адресные отклоняющие катушки АОК. Электронный прожектор работает при сравнительно невысоких напряжениях, и поэтому скорость электронов в луче не очень велика. Это позволяет отклонять луч с помощью не слишком больших напряжений и токов, что упрощает управляющее устройство. Для повышения яркости формуляров применяется послеускорение. Анод послеускорения АН сделан в виде проводящего винтового ленточного слоя с большим сопротивлением. Напряжение послеускорения постепенно возрастает от витка к витку такого анода, и это обеспечивает минимальные искажения изображения на экране. Конечно, существуют характроны и других типов, у которых вместо отклоняющих пластин применяются отклоняющие катушки и, наоборот, вместо отклоняющих катушек — отклоняющие пластины, а также имеются некоторые дополнительные детали.

Рис. 20.29. Принцип устройства характрона

Диаметр экрана у характронов может быть до нескольких десятков сантиметров. Размер знаков на экране 2,5 — 3,5 мм. Чтобы изображение формуляров на экране не мигало, оно повторяется 15 — 20 раз в секунду. Скорость работы современных характронов совместно с управляющим устройством такова, что за одну секунду могут формироваться десятки тысяч знаков.

Раздел 3. Плазменная электроника

Лекция №7. Газоразрядные и индикаторные приборы

7 .1. Электрический разряд в газах

Газоразрядными (ионными) называют электровакуумные приборы с электрическим разрядом в газе или парах. Как правило, газ в таких приборах находится под пониженным давлением. Электрический разряд в газе — это совокупность явлений, сопровождающих прохождение электрического тока через газ (или пар). При таком разряде протекает несколько основных процессов.

Возбуждение атомов. При возбуждении атома под ударом электрона один из электронов атома переходит на более удаленную от ядра орбиту, т. е. на более

высокий энергетический уровень. Такое возбужденное состояние атома длится обычно 10^-7 —10^-9 с, после чего электрон возвращается на нормальную орбиту и при этом отдает в виде излучения энергию, которую атом получил при возбуждении от ударившего электрона. Излучение сопровождается свечением газа, если испускаемые лучи относятся к видимой части электромагнитного спектра.

Для того чтобы произошло возбуждение атома, ударяющий электрон должен иметь определенную энергию, так называемую энергию возбуждения.

Ионизация. Ионизация атомов (или молекул) газа происходит при энергии ударяющего электрона большей, чем энергия возбуждения. В результате ионизации из атома выбивается электрон. Следовательно, в пространстве будут два свободных электрона, а сам атом превратится в положительный ион. Если эти два свободных электрона при движении в ускоряющем поле наберут достаточную энергию, то каждый из них может ионизировать новый атом. Тогда свободных электронов будет уже четыре, а ионов — три. Эти электроны снова могут произвести ионизацию. Таким образом, происходит лавинообразное нарастание числа электронов и ионов.

Возможна также ступенчатая ионизация. От удара одного электрона атом переходит в возбужденное состояние и, не успев вернуться в нормальное состояние, ионизируется от удара второго электрона. Увеличение в газе числа заряженных частиц за счет ионизации называют электризацией газа.

Ниже приведены значения энергии возбуждения и ионизации (в электрон-вольтах) для некоторых газов:

	W воз	W ион
Водород	11,1	13,5
Гелий	20,8	24,5
Неон	16,6	21,5
Аргон	11,6	15,5
Ксенон	8,4	12,1
Криптон	10,4	14,0

Рекомбинация. Наряду с ионизацией в газе происходит и обратный процесс нейтрализации противоположных по знаку зарядов. Положительные ионы и электроны совершают в газе беспорядочное (тепловое) движение и, приближаясь друг к другу, могут соединиться, образуя нейтральный атом. Этому способствует взаимное притяжение разноименно заряженных частиц. Восстановление нейтральных атомов называют рекомбинацией. Полученный в результате рекомбинации нейтральный атом может снова ионизироваться, а затем его составные части — положительный ион и электрон опять могут рекомбинировать и т.д.

Рекомбинация приводит к уменьшению числа заряженных частиц, т.е. к деионизации газа. В зависимости от перевеса ионизации или рекомбинации соответственно увеличивается или уменьшается число заряженных частиц. В установившемся режиме число электронов (или ионов), врзникающих за 1 с вследствие ионизации, равно числу нейтральных атомов, получающихся за то же время в результате рекомбинации. При возникновении электрического разряда в газе ионизация имеет перевес над рекомбинацией. Наоборот, при уменьшении интенсивности электрического разряда рекомбинация имеет перевес над ионизацией. А с прекращением разряда ионизация исчезает, и вследствие рекомбинации восстанавливается нейтральное состояние газа.

Поскольку на ионизацию затрачивается энергия, то положительный ион и электрон, получившиеся после ионизации, имеют в сумме энергию большую, чем нейтральный атом. Поэтому рекомбинация сопровождается выделением лучистой энергии. Обычно при этом наблюдается свечение газа.

Для рекомбинации требуется некоторый промежуток времени, и поэтому деионизация в зависимости от рода газа и его давления совершается за 10^-5 — 10^-3 с, Таким образом, по сравнению с электронными газоразрядные приборы значительно более инерционны и, как правило, не могут работать на высоких частотах. Основная причина инерционности — именно малая Скорость деионизации (время возникновения разряда составляет 10^-7 — 10^-6 с, т.е. электризация происходит гораздо быстрее).

Виды электрических разрядов в газах. Различают самостоятельный и несамостоятельный разряд в газе. Самостоятельный разряд поддерживается под действием только электрического напряжения. Несамостоятельный разряд может существовать при условии, что помимо электрического напряжения действуют еще какие-либо внешние ионизирующие факторы. Ими могут быть лучи света, радиоактивное излучение, термоэлектронная эмиссия накаленного электрода и др. Рассмотрим основные виды электрических разрядов.

Темный, или тихий, разряд является несамостоятельным. Он характеризуется плотностью тока в единицы микроампер на квадратный сантиметр и весьма малой плотностью объемного заряда. Поле, созданное приложенным напряжением, при темном разряде практически не зависит от плотности объемного заряда, влиянием которого можно пренебречь. Свечение газа обычно незаметно. В газоразрядных приборах для радиоэлектроники темный разряд не используется, но он предшествует другим видам разряда.

Тлеющий разряд относится к самостоятельным. Для него характерно свечение газа, напоминающее свечение тлеющего угля. Плотность тока при этом достигает единиц и десятков миллиампер на квадратный сантиметр, и образуется объемный заряд, существенно влияющий на электрическое поле между электродами. Напряжение для тлеющего разряда составляет десятки или сотни вольт. Разряд поддерживается за счет электронной эмиссии катода под ударами ионов.

Основные приборы тлеющего разряда — стабилитроны (газоразрядные стабилизаторы напряжения), газосветные лампы, тиратроны тлеющего разряда, знаковые индикаторные лампы и декатроны (газоразрядные счетные приборы).

Дуговой разряд получается при плотности тока, значительно большей, чем в тлеющем разряде. К приборам несамостоятельного дугового разряда относятся газотроны и тиратроны с накаленным катодом. В ртутных вентилях (экситронах) и игнитронах, имеющих жидкий ртутный катод, а также в газовых разрядниках происходит самостоятельный дуговой разряд.

При дуговом разряде плотность тока может доходить до сотен ампер на квадратный сантиметр и объемный заряд сильно влияет на процессы в газе. Ток дугового разряда поддерживается за счет термоэлектронной эмиссии накаленного твердого катода или электростатической эмиссии жидкого ртутного катода. При дуговом разряде почти все напряжение (10 — 20 В) сосредоточено около катода. Малое падение напряжения при большом токе — особенность дугового разряда. Этот разряд сопровождается интенсивным свечением газа. Дуговой разряд может быть не только при пониженном, но и при нормальном или повышенном давлении, например в киноаппаратах и прожекторах.

Искровой разряд имеет сходство с дуговым. Он представляет собой кратковременный (импульсный) электриче-кий разряд при сравнительно высоком давлении газа, например при нормальном атмосферном. Обычно в искре наблюдается ряд импульсных разрядов, следующих друг за другом. Искровой разряд используется в разрядниках, служащих для кратковременного замыкания тех или иных цепей.

Высокочастотные разряды могут возникать в газе под действием переменного электромагнитного поля даже при отсутствии токоподводящих электродов (безэлектродный разряд).

Коронный разряд является самостоятельным и используется в газоразрядных приборах для стабилизации напряжения. Он наблюдается при сравнительно больших давлениях газа в тех случаях, когда хотя бы один из электродов имеет очень малый радиус (острие, заостренный край, тонкая проволочка и др.). Тогда поле между электродами получается неоднородным и около заостренного электрода, называемого коронирующим, напряженность поля резко увеличивается. Коронный разряд возникает при напряжении в сотни или тысячи вольт и характеризуется малыми токами.

Разрядный промежуток при коронном разряде имеет две области: коронирующий слой около коронирующего электрода и остальную часть, называемую внешней областью. В коронирующем слое происходит возбуждение и ионизация атомов, а также свечение газа. Обычно коронирующим электродом является анод. На границе коронирующего слоя и внешней области возникают свободные электроны за счет ионизации газа световыми квантами (фотонами), источником которых служит коронирующий слой. Поток электронов движется к аноду и на своем пути возбуждает и ионизирует атомы.

Во внешней области, которая остается темной, ионизация и возбуждение атомов отсутствуют вследствие малой напряженности поля, а происходит лишь движение частиц, имеющих заряд того же знака, что и у коронирующего электрода. При коронирующем аноде во внешней области движутся положительные ионы.

Поскольку при коронном разряде возбуждение и ионизация охватывают только часть разрядного промежутка, этот разряд считают неполным пробоем газа (полным пробоем является искровой или дуговой разряд). При увеличении напряжения ток растет, коронирующий слой расширяется и разряд переходит в искровой, если давление газа значительно, или тлеющий, если давление низкое.

7 .2. Тлеющий разряд

Рассмотрим тлеющий разряд между плоскими электродами (рис. 21.1). При отсутствии разряда, когда объемного заряда нет, поле однородно и потенциал между электродами распределен по линейному закону (кривая 1). В электронном (вакуумном) приборе при наличии эмиссии существует отрицательный объемный заряд, создающий вблизи катода потенциальный барьер (кривая 2). Этот барьер препятствует получению большого анодного тока. В газоразрядном приборе, с тлеющим разрядом за счет большого числа положительных ионов создается положительный объемный заряд. Он вызывает изменение потенциала в пространстве анод — катод в положительную в сторону. Потенциальная диаграмма «выгибается» вниз (кривая 3).

Рис. 21.1. Распределение потенциала между электродами при отсутствии разряда (1), в электронном приборе (2) и в газоразрядном приборе с тлеющим разрядом (3)

Как видно, в газоразрядном приборе распределение потенциала таково, что почти все анодное напряжение приложено к тонкому слою газа около катода. Эта область,(I) называется областью катодного падения потенциала. Около катода создается сильное ускоряющее поле. Анод как бы приближается к катоду. Роль анода выполняет «нависшее» над катодом ионное облако с положительным зарядом. В результате этого действие отрицательного объемного заряда компенсируется, поэтому потенциального барьера около катода нет.

Другая часть разрядного промежутка (II) характеризуется небольшим изменением напряжения. Напряженность поля в ней мала. Ее называют областью электронно-ионной плазмы. Плазма — это сильно ионизированный газ, в котором число электронов и ионов практически одинаково. В плазме беспорядочное (тепловое) движение частиц преобладает над их направленным движением. Но все же электроны движутся к аноду, а ионы — к катоду.

Силы поля, действующие на электроны и ионы, одинаковы и лишь противоположны по направлению, так как заряды этих частиц равны, но обратны по знаку (напомним, что сила, действующая на заряд, F = еЕ, где Е — напряженность поля, е — заряд). Но масса иона в тысячи раз больше массы электрона. Даже у самого легкого газа — водорода масса положительного иона в 1840 раз превышает массу электрона. Соответственно этому ионы получают меньшие ускорения и приобретают относительно малые скорости. Следовательно, ток в ионных приборах практически создается перемещением электронов. Доля ионного тока весьма мала, и ее можно не принимать во внимание. Ионы выполняют свою задачу: они создают положительный объемный заряд, который значительно превышает отрицательный объемный заряд и уничтожает потенциальный барьер около катода.

Область катодного падения напряжения играет важную роль. Проникшие из плазмы в эту область ионы получают здесь ускорение. Ударяя в катод с большой скоростью, ионы выбивают из него электроны. Этот процесс необходим для поддержания разряда. Если скорость ионов недостаточна, то электронной эмиссии не получится и разряд прекратится. Вылетевшие из катода электроны в области катодного падения также ускоряются и могут ионизировать атомы газа. Электроны сталкиваются с атомами газа в различных частях плазмы. Поэтому ионизация происходит во всем ее объеме. В плазме совершается также и рекомбинация.

Следует иметь в виду, что только малая часть ионов, возникших в плазме, вызывает электронную эмиссию катода. Большинство ионов рекомбинирует с электронами и не доходит до катода. Если тлеющий разряд возник, то число ионов, ударяющих в катод в течение одной секунды, таково, что они выбивают столько электронов, сколько их было выбито за предыдущую секунду. Эти вновь выбитые электроны создают в плазме столько же ионов, сколько получалось там в течение предшествующей секунды, и тогда снова определенная часть этих ионов дойдет до катода и выбьет за 1 с прежнее число электронов. Подобный процесс повторяется каждую секунду и обеспечивает существование тлеющего разряда при определенном значении тока.

При возникновении тлеющего разряда появляется свечение газа около катода. С увеличением тока оно усиливается, расширяется и распространяется на всю плазму.

Тлеющий разряд существует при напряжении между электродами не ниже определенного значения. Если напряжение недостаточно, то ионы, ударяя в катод, не выбивают из него электронов. Несамостоятельный темный разряд переходит в самостоятельный тлеющий при напряжении возникновения тлеющего разряда U _B, или напряжении зажигания. Последнее название наиболее распространено, хотя и не рекомендуется.

Напряжение возникновения разряда U _B зависит от рода газа, его давления, материала электродов и расстояния между ними. При активированном катоде значение U _B уменьшается. На рис. 21.2 изображена зависимость напряжения U _B от произведения давления газа р на расстояние между электродами d, называемая характеристикой возникновения разряда. Минимальное значение U _Bmin соответствует произведению pd, которое условно можно назвать оптимальным (наивыгоднейшим). Однако во многих приборах более выгоден иной режим.

Кривую на рис. 21.2 можно объяснить следующим образом. Пусть расстояние d неизменно. Тогда при очень низком давлении возникновение разряда затруднено тем, что происходит мало столкновений электронов с атомами. Возникает мало ионов, и они не выбивают из катода достаточного числа электронов. Приходится увеличивать напряжение, чтобы ионы набирали значительную скорость и выбивали из катода больше электронов. При более высоком давлении электроны слишком часто сталкиваются с атомами и не набирают энергии, необходимой для ионизации. Образуется мало ионов. Повышение напряжения увеличивает энергию электронов, усиливает ионизацию и приводит к возникновению тлеющего разряда. Как видно, и при малом и при большом давлении напряжение U _B нужно повышать, а при некотором среднем давлении достаточно минимального значения U _B.

Рис. 21.2. Характеристика возникновения разряда

Рис. 21.3. Схема для снятия вольт-амперной характеристики газоразрядного прибора

Если давление газа постоянно, то при очень малом расстоянии между электродами большинство электронов долетает до анода, не сталкиваясь с атомами. Ионов образуется мало, и, чтобы они выбивали достаточно электронов из катода, нужно приложить более высокое напряжение. А при большом расстоянии d снижается напряженность поля. Электроны сталкиваются с атомами на своем пути не один раз, но не набирают энергии, нужной для ионизации. Приходится повысить напряжение, чтобы электроны от одного столкновения до другого проходили разность потенциалов не меньшую, чем напряжение ионизации. Таким образом, при слишком малом и слишком большом расстоянии между электродами напряжение U _B нужно увеличивать. При некотором среднем значении d достаточно наименьшего напряжения U _B. Каждый газ имеет свою характеристику возникновения разряда, подобную кривой на рис. 21.2.

Вольт-амперную характеристику тлеющего разряда снимают с помощью схемы на рис. 21.3. В условном графическом обозначении газоразрядных приборов жирная точка показывает наличие газа. Раньше вместо точки делали штриховку. Ионные приборы надо включать последовательно с ограничительным резистором (R _огр). Если его сопротивление очень большое (десятки или сотни мегаом), то при напряжении источника в сотни вольт разряд будет темным, поскольку ток не превысит нескольких микроампер. При значительно меньшем сопротивлении R _огр возникает тлеющий разряд, если напряжение источника не меньше U _B.

Дальнейшее уменьшение сопротивления R _огр может перевести разряд в дуговой. Это недопустимо для приборов тлеющего разряда, рассчитанных обычно на ток не выше десятков миллиампер. При возникновении дугового разряда ток возрастает во много раз и прибор выходит из строя. Подключение газоразрядного прибора без резистора R _огр к источнику, обладающему достаточным напряжением и малым внутренним сопротивлением, также приведет к возникновению дугового разряда. Ток будет ограничиваться главным образом только внутренним сопротивлением источника, так как сопротивление газоразрядного прибора при дуговом разряде весьма невелико. Произойдет короткое замыкание источника, ток возрастет очень быстро до недопустимо большого значения, и может произойти разрушение газоразрядного прибора.

В схеме на рис. 21.3 роль ограничительного резистора в известной степени выполняет верхний участок переменного резистора R. Но, чтобы в крайнем положении движка прибор не оказался подключенным непосредственно к источнику, необходимо включить еще резистор R _огр.

Поскольку газоразрядный прибор и резистор R _orp соединяются последовательно, то напряжение Е _а равно сумме напряжений на приборе и резисторе:

Е _а = U _a + U _R. (21.1)

Вольт-амперная характеристика прибора с тлеющим разрядом показана на рис. 21.4. По горизонтальной оси отложен ток, а по вертикальной — напряжение, что дает более наглядное представление об изменении напряжения. Конечно, можно поменять оси, расположив их так, как принято для характеристик электронных ламп.

При увеличении напряжения от нуля возникает очень слабый ток. Это область темного разряда I. Ток темного разряда очень мал, и масштаб для него иной, нежели для остального графика.

Точка А — это точка возникновения тлеющего разряда (точка зажигания). Ей соответствует напряжение U _B. Тлеющий разряд возникает, скачком. Минимальный ток, при котором возможен тлеющий разряд, гораздо больше тока темного разряда. Напряжение на приборе также скачком понижается на несколько вольт или даже больше, что объясняется перераспределением напряжения E _а между внутренним сопротивлением прибора постоянному току R ₀ и сопротивлением R _огр.

Рис. 21.4. Вольт-амперная характеристика темного (область I) и тлеющего (области II, III) разряда

При темном разряде сопротивление R ₀ гораздо больше сопротивления R _огр, которое выбрано таким, чтобы мог возникнуть тлеющий разряд. Практически все напряжение U _а при темном разряде приложено к прибору. На резисторе R _огр напряжение близко к нулю. С возникновением тлеющего разряда ток резко возрастает и создает на резисторе R _огр заметное падение напряжения. За счет этого напряжение U _а на приборе понижается. Иначе говоря, после возникновения тлеющего разряда сопротивление R ₀ резко уменьшается и становится соизмеримым с R _огр. Напряжение U _а перераспределяется, и заметная его часть будет падать на R _огр, а U _а соответственно уменьшится. До возникновения разряда U _a ≈ E _а, а после возникновения разряда U _a = E _а – i _a R _огр. При этом напряжение E _а непосредственно до и после возникновения разряда практически одинаково, так как если E _а почти равно U _B, то достаточно самого незначительного увеличения E _а, чтобы возник разряд.

Таким образом, возникновение тлеющего разряда обнаруживается по измерительным приборам характерными скачками тока вверх и напряжения вниз. Возникает также свечение газа около катода. На графике возникновению разряда соответствует участок АБ, который нельзя снять по точкам, а можно только наблюдать с помощью осциллографа.

Иногда при снятии вольт-амперной характеристики за напряжение U _B ошибочно принимают напряжение в точке Б, которое является рабочим напряжением тлеющего разряда. Величина U _B есть наибольшее напряжение, которое удается наблюдать при увеличении напряжения, перед тем как оно скачком уменьшится. А положение точки Б зависит от сопротивления ограничительного резистора. Чем оно меньше, тем больше ток и тем правее расположена точка Б.

После возникновения тлеющего разряда повышение подводимого напряжения E _а сопровождается интересным явлением. Ток растет, а напряжение на приборе увеличивается незначительно, пока ток не превысит значения I _max (точка В). Этот режим называется режимом нормального катодного падения (область II). Для него характерно прохождение тока через часть поверхности катода и свечение газа лишь у этой части. При малом токе только небольшая часть поверхности катода является рабочей. С возрастанием тока площадь рабочей поверхности катода увеличивается пропорционально току, а плотность тока катода остается неизменной. При токе I _max вся поверхность катода становится рабочей и охватывается свечением.

Режим нормального катодного падения используется в стабилитронах. Особенности этого режима следующие. Пусть площадь поверхности катода значительно больше площади поверхности анода и в цепь включен соответствующий ограничительный резистор (рис. 21.5). В этом случае после возникновения разряда устанавливается сравнительно небольшой ток. Тлеющий разряд может быть при условии, что плотность тока на катоде не слишком мала. Только тогда из катода выбивается достаточное число электронов. Разряд сразу не распространяется на всю поверхность катода. Ток проходит только через часть поверхности (заштрихована). При этом плотность тока достаточна и тлеющий разряд существует.

Рис. 21.5. Изменение рабочей площади катода в режиме нормального катодного падения

Рис. 21.6. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Падение напряжения на приборе U _a = i _a R ₀. Здесь R ₀ — сопротивление ионизированного газа между анодом и рабочей частью поверхности катода. В данном случае этот своеобразный «проводник» имеет форму конуса. Если увеличить подводимое напряжение, ток возрастет и пропорционально увеличится рабочая площадь катода. Площадь поперечного сечения газового «проводника» станет больше, и сопротивление R ₀ соответственно уменьшится. Таким образом, сопротивление R ₀ уменьшается во столько раз, во сколько увеличивается ток i _a, а произведение i _a R ₀ остается постоянным (в действительности оно все же немного увеличивается).

Этот режим возможен до тех пор, пока рабочая площадь катода меньше площади его полной поверхности. Когда разряд распространится на всю поверхность катода, то при дальнейшем увеличении напряжения E _а ток возрастает, но площадь катода остается неизменной. В этом режиме увеличение числа электронов, выбиваемых из катода, возможно только за счет увеличения энергии ионов, бомбардирующих катод. А для этого необходимо повышение напряжения. Плотность тока катода растет. Сопротивление R ₀ уже не уменьшается пропорционально току, и произведение i _a R ₀, т. е. падение напряжения на приборе, увеличивается. Наступает режим аномального катодного падения (см. область III на рис. 21.4).

Все же сопротивление R ₀ несколько уменьшается при возрастании тока, так как растет число ионов и электронов в единице объема газа. Но это уменьшение не такое сильное, как в режиме нормального катодного падения, поэтому напряжение U _а увеличивается. Усиливается также яркость свечения газа, и оно распространяется все больше на обларть плазмы. В режиме аномального катодного падения работают газосветные лампы и различные ионные индикаторные приборы.

Если продолжать увеличивать подводимое напряжение, ток и напряжение будут расти и в конце концов скачком возникнет дуговой разряд, который недопустим для приборов тлеющего разряда.

7 .3. Стабилитрон

Стабилитроны — приборы тлеющего и коронного разряда. Наиболее распространены стабилитроны тлеющего разряда, работающие, в режиме нормального катодного падения. В последнее время они все чаще заменяются полупроводниковыми стабилитронами.

Поскольку темный разряд, предшествующий тлеющему, не используется, его не показывают на вольтамперной характеристике стабилитрона (рис. 21.6). Точку возникновения разряда А отмечают на вертикальной оси. К тому же миллиамперметр для измерения тока тлеющего разряда не покажет ничтожно малого тока темного разряда.

Рис. 21.7. Стабилитроны тлеющего (а) и коронного (б) разряда

Область нормального катодного падения, пригодная для стабилизации, ограничена минимальным током I _min и максимальным I _max. При токе, меньшем I _min, разряд может прекратиться. Ток I _max либо соответствует началу режима аномального катодного падения, либо при нем достигается предельная мощность.

Скачок тока при возникновении разряда может быть различным в зависимости от сопротивления R _orp. Если оно большое, то появляется сравнительно небольшой ток, а если малое, то возникает большой ток и точка Б перемещается к точке В. Для режима стабилизации это невыгодно, так как участок стабилизации напряжения БВ сокращается. При малом сопротивлении R _orp может даже произойти скачок тока в область аномального катодного падения и стабилизации вообще не получится. Таким образом, ограничительный резистор с достаточным сопротивлением необходим по двум причинам: чтобы не произошло чрезмерного возрастания тока и чтобы мог существовать режим стабилизации напряжения.

Чем больше площадь катода, тем больше участок стабилизации БВ, так как ток I _min остается неизменным, а ток I _max возрастает пропорционально площади катода. Поэтому у стабилитронов катод с большой площадью поверхности. Анод делают малых размеров, но он, конечно, не должен перегреваться от тока I _max.

Наиболее распространены двухэлектродные стабилитроны с цилиндрическим катодом из никеля или стали. Анодом служит проволочка диаметром

1,0—1,5 мм (рис. 21.7,а). Баллон наполнен смесью инертных газов (неон, аргон и гелий) под давлением в тысячи паскалей (десятки миллиметров ртутного столба).

Основные параметры стабилитрона: нормальное рабочее напряжение, или напряжение стабилизации U _ст, соответствующее средней точке участка стабилизации (см. рис. 21.6), напряжение возникновения разряда U _B, минимальный и максимальный ток I _min и I _max, изменение напряжения стабилизации Δ U _ст и внутреннее сопротивление переменному току R _i. Если требуется пониженное напряжение U _ст, то поверхность катода с внутренней стороны активируется, чтобы облегчить эмиссию электронов под ударами ионов. Применяя разные смеси газов, подбирают нужное значение U _ст. Напряжение U _B обычно превышает напряжение U _ст не более чем на 20 В. Для снижения напряжения U _B на внутренней поверхности катода имеется проводник (он показан на рис. 21.7, а), уменьшающий расстояние между катодом и анодом. Без него стабилитрон работал бы на восходящей (правой) части характеристики возникновения разряда (см. рис. 21.2).

В пределах области стабилизации напряжение U _ст изменяется на значение Δ U _ст, которое не превышает 2 В. Работа стабилитрона с током выше I _max не рекомендуется, так как ухудшается стабилизация и электроды перегреваются. Внутреннее сопротивление стабилитрона переменному току (дифференциальное сопротивление) R _i = Δ u _a/Δi_a и значительно меньше сопротивления постоянному току R ₀. Если бы стабилизация была идеальной (U _ст = const), то сопротивление R _i было бы равно нулю.

У отечественных стабилитронов напряжение стабилизации бывает от 75 В до нескольких сотен вольт, ток I _min обычно 3 — 5 мА, а I _max — несколько десятков миллиампер.

Рис. 21.8. Схема включения стабилитрона

Для стабилитронов коронного разряда характерны высокие напряжения и малые токи. У таких стабилитронов (рис. 21.7,6) электроды цилиндрической формы из никеля. Баллон наполнен водородом, причем напряжение стабилизации зависит от давления газа, которое обычно составляет тысячи паскалей (десятки миллиметров ртутного столба). Напряжение U _ст при этом несколько сотен вольт. Рабочие токи в пределах 3 — 100 мкА. Внутреннее сопротивление переменному току сотни килоом. Процесс возникновения разряда длится 15 — 30 с. В последнее время выпущены стабилитроны коронного разряда, оформленные в керамических баллонах, на напряжение в десятки киловольт.

Стабилитрон соединяют параллельно с нагрузкой R _H, а последовательно включают резистор R _огр (рис. 21.8). Нагрузкой является тот или иной потребитель (например, анодные цепи и цепи экранных сеток какого-либо усилителя и т. д.), который нужно питать стабильным напряжением. Напряжение источника Е должно быть выше напряжения стабилизации U _ст и достаточным для возникновения разряда в стабилитроне. Чем выше напряжение Е, тем выше должно быть сопротивление R _огр, и тогда стабилизация сохраняется при изменении напряжения Е в более широких пределах. Но при большем ограничительном сопротивлении КПД схемы снижается, так как потери мощности в стабилитроне и резисторе R _огр могут оказаться выше полезной мощности потребителя. Поэтому стабилитроны применяют только для установок небольшой мощности, в которых снижение КПД не так важно, как в мощных установках.

Стабилитроны наиболее часто работают в режиме, когда сопротивление нагрузки неизменно (R _H = const), а напряжение источника нестабильно (Е = var). В этом случае происходит следующее. Когда напряжение источника повышается, то увеличивается ток стабилитрона и почти все изменение напряжения приходится на долю резистора R _огр. Напряжение на стабилитроне и на нагрузке почти постоянно (лишь незначительно возрастает), если изменение тока стабилитрона не выходит за пределы режима нормального катодного падения. Расчет сопротивления R _огр делают по закону Ома. Если напряжение Е изменяется в обе стороны от среднего значения Е _ср, то

R _огр = (Е _ср - U _ст)/(I _ср + I _Н), (21.2)

где I _ср — средний ток стабилитрона, равный 0,5 (I _min + I _max), a I _Н - ток нагрузки, I _Н = U _ст / R _H.

Значение Е _ср определяется по максимальному и минимальному напряжению источника как

Е _ср = 0,5(Е _min + Е _max). (21.3)

После расчета R _огр следует проверить, сохранится ли стабилизация при изменении напряжения от Е _min до Е _max. Это делается следующим образом.

При изменении тока стабилитрона от I _min до I _max напряжение на R _огр изменяется на Δ E = R _огр (I _max - I _min). Стабилизация возможна при изменении Е не более чем на Δ E. Если Δ E < Е _max - Е _min, то стабилизация будет не во всем диапазоне изменения Е, а только в части его, причем эта часть тем меньше, чем меньше АЕ.

Поскольку I _max и I _min для данного стабилитрона постоянны, то значение АЕ пропорционально R _огр. Но значение R _огр тем больше, чем больше разница между Е и U _ст и чем меньше I _Н. Таким образом, стабилизация в более широких пределах возможна при более высоком напряжении источника и более низком токе нагрузки. Однако при этом снижается КПД.

Если ток нагрузки большой, то сопротивление R _огр мало и стабилизация происходит в очень узких пределах изменения напряжения Е, что невыгодно. Поэтому имеет смысл применять стабилитроны при токах I _Н, не превышающих значительно ток I _max.

Рис. 21.9. Схема понижения стабильного напряжения с помощью добавочного резистора

Рис. 21.10. Каскадное включение стабилитронов

Для стабилизации более высоких напряжений стабилитроны соединяют последовательно, обычно не более двух-трех. Они могут быть на разные напряжения, но должны иметь одинаковые токи I _min и I _max. Соединенные последовательно стабилитроны используются в качестве делителя, дающего различные стабильные напряжения. Потребители подключаются к одному или нескольким стабилитронам. Например, от трех стабилитронов на 75 В можно получать напряжения 75, 150 и 225 В. Иногда напряжение на потребителе должно отличаться от стандартных напряжений стабилитронов 75, 105, 150 В и так далее или от комбинаций этих напряжений. Тогда включают стабилитрон (или несколько стабилитронов) на ближайшее большее напряжение и поглощают излишек напряжения в добавочном резисторе R _доб, включенном последовательно с резистором R _H (рис. 21.9). Например, если требуется получить стабильное напряжение 120 В при токе I _H = 10 мА, то берут стабилитрон на 150 В, а излишек напряжения 30 В гасят в резисторе сопротивлением R _доб = 30:10 = 3 кОм.

Параллельное соединение стабилитронов не применяется, так как различные экземпляры стабилитронов данного типа не имеют одинаковых напряжений U _B и U _ст. При подаче напряжения на параллельно соединенные стабилитроны разряд возникает, лишь в том, у которого напряжение U _B наименьшее. Напряжение на нем скачком понижается, и в остальных стабилитронах разряда не будет. Если бы Он даже и возник, то вследствие различия напряжений стабилизации одни из стабилитронов работали бы с недогрузкой, другие — с перегрузкой. Возможно даже, что какой-то стабилитрон работал бы в режиме аномального катодного падения. Он не будет участвовать в стабилизации, а станет дополнительной бесполезной нагрузкой и уменьшит пределы стабилизации по напряжению. Конечно, можно подобрать близкие по параметрам стабилитроны, но это сложно и ненадежно, так как с течением времени их параметры меняются.

Эффективность стабилизации оценивают коэффициентом стабилизации k _ст. Он показывает, во сколько раз относительное изменение напряжения стабилитрона Δ U _ст/ U _ст меньше относительного изменения напряжения источника Δ Е / Е, т. е.

k _ст = (Δ Е / Е) / (Δ U _ст/ U _ст) (21.4)

Стабилитрон обеспечивает k _ст = 10 … 20. Например, если k _ст = 10, Е = 200 В и U _ст = 75 В, то при изменении напряжения источника на Δ Е = 40 В, т. е. на 20%, напряжение стабилитрона изменится только на 1,5 В, т. е. на 2%.

Коэффициент стабилизации увеличивается при каскадном соединении стабилитронов (рис. 21.10). В схеме напряжение первого стабилитрона Л ₁ подается через ограничительный резистор R _огр2 на второй стабилитрон Л ₂, параллельно которому присоединен потребитель. Если коэффициенты стабилизации стабилитронов k _ст1 и k _ст2, то общий коэффициент стабилизации

k _ст = k _ст1 k _ст2 (21.5)

При двух стабилитронах получается коэффициент k _ст от 100 до 400. Недостаток схемы — снижение КПД, так как потери будут в двух стабилитронах и двух ограничительных резисторах. Более двух стабилитронов обычно не включают. Стабилитрон Л ₂ должен быть рассчитан на более низкое напряжение, нежели Л ₁. Напряжение U _ст1 можно считать постоянным и вести расчет сопротивления R _огр2 на ток стабилитрона Л ₂, лишь немного превышающий минимальный.

Стабилитроны также применяют для стабилизации напряжения при изменяющемся сопротивлении нагрузки и постоянном напряжении источника Е. Расчет сопротивления R _огр в этом случае проводится описанным методом. Если ток I _Н меняется от минимального значения I _Нmin, соответствующего R _Нmax, до максимального значения I _Нmax, соответствующего R _Нmin, то

R _огр = (Е - U _ст)/(I _ср + I _Нср), (21.6)

где I _ср — средний ток стабилитрона, а I _Нср — средний ток нагрузки,

I _Нср = 0,5 (I _Нmin + I _Нmax). (21.7)

В этом режиме общий ток перераспределяется между стабилитроном и нагрузкой. Например, если ток нагрузки возрастает, то ток стабилитрона почти на столько же уменьшается, а напряжение U _ст и общий ток почти постоянны. Следовательно, и падение напряжения на ограничительном резисторе R _огр изменяется незначительно. Так и должно быть, поскольку U _ст + U _r = Е = const.

Конечно, стабилизация возможна при токе стабилитрона в пределах от I _min до I _max. Изменение тока нагрузки не должно превышать наибольшее изменение тока стабилитрона, т. е. условием стабилизации является неравенство

I _Нmax - I _Нmin ≤ I _max - I _min (21.8)

Стабилитрон имеет различное внутреннее сопротивление постоянному и переменному току. Кроме того, значение R ₀ в зависимости от тока меняется от единиц до десятков килоом. Например, у стабилитрона, имеющего U _ст = 150В, I _max =30 мА и I _min = 5 мА, сопротивление R ₀ меняется от 5 до 30 кОм. А внутреннее сопротивление переменному току R _i значительно меньше. Пусть, например, для того же стабилитрона при изменении тока от 5 до 30 мА напряжение U _ст меняется на 2,5 В. Тогда

R _i = Δ U _ст / Δ I = 2,5/25 = 0,1 кОм.

Для переменного тока стабилитрон эквивалентен конденсатору большой емкости (при частоте 50 Гц сопротивление 0,1 кОм соответствует емкости 32 мкФ). Поэтому в выпрямителях стабилитроны обеспечивают дополнительное сглаживание пульсаций.

Дата добавления: 2014-01-05