Назначение электровакуумных приборов. Электровакуумные приборы: принцип работы, примеры

Своим появлением современные электровакуумные приборы обязаны американскому изобретателю Томасу Эдисону. Именно он разработал первый удачный способ освещения, используя для этого электрическую лампочку.

История создания лампы

В настоящее время с трудом верится, что электричество существовало далеко не во все исторические периоды. Первые лампочки накаливания появились только в конце девятнадцатого века. Эдисону удалось разработать модель лампочки, в которой располагались угольные, платиновые, бамбуковые нити. Именно этого ученого по праву называют «отцом» современной Им была упрощена схема лампочки, существенно снижена стоимость продукции. В результате на улицах появилось не газовое, а электрическое освещение, а новые осветительные приборы стали именовать лампами Эдисона. Томас на протяжении длительного времени работал над усовершенствованием своего изобретения, в итоге применение свечей стало нерентабельным мероприятием.

Принцип работы

Какое устройство имеют лампочки накаливания Эдисона? В каждом приборе есть тело накала, стеклянная колба, основной контакт, электроды, цоколь. У каждого из них есть свое функциональное предназначение.

Суть работы данного устройства заключается в следующем. При сильном нагревании тела накала потоком заряженных частиц, происходит превращение электрической энергии в световой вид.

Для того чтобы излучение мог воспринимать человеческий глаз, необходимо достичь температуры не меньше 580 градусов.

Среди металлов максимальной температурой плавления обладает вольфрам, поэтому именно из него изготавливается тело накала. Для уменьшения объема проволоку стали располагать в виде спирали.

Несмотря на высокую химическую стойкость вольфрама, для его максимальной защиты от процесса коррозии тело накала размещается в герметичном стеклянном сосуде, из которого предварительно выкачан воздух. Вместо него в колбу закачивается инертный газ, который не дает вольфрамовой проволоке вступать в реакции окисления. Чаще всего в качестве инертного газа применяется аргон, иногда используют азот или криптон.

Суть изобретения Эдисона в том, что испарению, происходящему при длительном нагревании металла, препятствует давление, создаваемое инертным газом.

Особенности лампы

Существует довольно много разных ламп, предназначенных для освещения большой площади. Особенность изобретения Эдисона в возможности корректировать мощность данного прибора с учетом освещаемой площади.

Производители предлагают разные виды ламп, отличающихся по сроку службы, размерам, мощности. Остановимся на некоторых видах этих электрических приборов.

Самые распространенные вакуумные лампы - ЛОН. Они в полной мере соответствуют гигиеническим требованиям, а средний срок их службы составляет 1000 часов.

Среди недостатков ламп общего назначения выделим низкий Примерно 5 процентов электрической энергии переходит в световую, остальные выделяются в виде тепла.

Прожекторные лампы

Они имеют достаточно высокую мощность, предназначены для освещения больших площадей. Электровакуумные приборы подразделяют на три группы:

• кинопроекционные;
• маячные;
• общего назначения.

Прожекторный световой источник отличается длиной тела накала, у него более компактные размеры, что позволяет усиливать габаритную яркость, улучшать фокусировку потока света.

Зеркальные электровакуумные приборы имеют светоотражающий алюминиевый слой, иную конструкцию колбы.

Та ее часть, которая предназначена для проведения света, изготовлена из матового стекла. Это позволяет делать свет мягким, снижать контрастные тени от различных предметов. Такие электровакуумные приборы применяют для интерьерного освещения.

Внутри галогенной колбы находятся соединений брома либо йода. Благодаря их способности выдерживать температуры до 3000 К, эксплуатационный срок ламп составляет около 2000 часов. Но и в этом источнике существуют свои недостатки, например, галогенная лампа, имеет невысокое электрическое сопротивление при остывании.

Основные параметры

В лампе накаливания Эдисона вольфрамовая нить располагается в разной форме. Для стабильной работы такого прибора необходимо напряжение 220 В. В среднем срок ее эксплуатации составляет от 3000 до 3500 часов. Учитывая, что цветовая температура 2700 К, лампа обеспечивает белый теплый либо желтый спектр. В настоящее время предлагаются лампы с разными размерами Е27). При желании можно подобрать в потолочную люстру либо настенный осветительный прибор лампу в виде шпильки, елочки, спирали.

Изобретение Эдисона поделено по числу вольфрамовых нитей на отдельные классы. От этого показателя напрямую зависит стоимость осветительного прибора, его мощность, эксплуатационный срок.

Принцип работы ЭВЛ

Термоэлектронная эмиссия заключается в испускании нагретым телом накала электронов в вакуум или инертную среду, создаваемую внутри колбы. Для управления потоком электронов используется магнитное либо электрическое поле.

Термоэлектронная эмиссия позволяет практически использовать положительные качества электронного потока - генерировать, усиливать электрические колебания различной частоты.

Особенности радиоламп

Электровакуумный диод - основа радиотехники. В конструкции лампы есть два электрода (катод и анод), сетка. Катод обеспечивает эмиссию, для этого слой вольфрама покрывается барием или торием. Анод выполняется в виде пластины из никеля, молибдена, графита. Сетка является разделителем между электродами. При нагревании рабочего тела из движущихся частиц создается мощный электрический ток в вакууме. Электровакуумные приборы данного вида составляют основу радиотехники. Во второй половине прошлого века электровакуумные лампы использовались в разнообразных сферах технической, радиоэлектронной промышленности.

Без них невозможно было изготовить радиоприемники, телевизоры, специальное оборудование, вычислительные машины.

Сферы применения

По мере развития точного приборостроения, радиоэлектроники, эти лампы потеряли свою актуальность, перестали применяться в больших масштабах.

Но и в настоящее время есть такие промышленные направления, в которых требуются ЭВЛ, ведь только вакуумная лампа способна обеспечить работоспособность приборов по заданным параметрам, в определенной среде.

Особый интерес ЭВЛ представляют для военно-промышленного комплекса, поскольку именно вакуумные лампы отличаются повышенной стойкостью к электромагнитным импульсам.

В одном военном аппарате может содержаться до сотни ЭВЛ. Большая часть полупроводниковых материалов, РЭК не может функционировать при повышенной радиации, а также в условиях естественного вакуума (в космосе).

ЭВЛ способствуют повышению надежности и долговечности спутников и космических ракет.

Заключение

В электровакуумных приборах, которые позволяют генерировать, усиливать, преобразовывать электромагнитную энергию, рабочее пространство полностью освобождено от воздуха, отгорожено от атмосферы непроницаемой оболочкой.

Открытие термоэлектронной эмиссии способствовало созданию простой двухэлектродной лампы, названной вакуумным диодом.

При его включении в электрическую цепь внутри прибора появляется ток. При изменении полярности напряжения он исчезает, причем независимо от того, насколько нагревается катод. При поддержании постоянного значения температуры нагретого катода удалось установить прямую зависимость между анодным напряжением и силой тока. Полученные результаты стали применяться при разработке электронных вакуумных приборов.

Например, триод представляет собой электронную лампу, имеющую три электрода: анод, термоэлектронный катод, управляющую сетку.

Именно триоды стали первыми устройствами, применяемыми для усиления электрических сигналов в начале прошлого века. В настоящее время на смену триодам пришли полупроводниковые транзисторы. Вакуумные триоды применяются только в тех областях, где необходимо преобразование мощных сигналов при незначительном количестве активных компонентов, а массой и габаритами можно пренебречь.

Мощные радиолампы сравнимы с транзисторами по коэффициенту полезного действия, надежности, но срок их службы значительно меньше. У маломощных триодов большая часть накала уходит на потребляемую каскадную мощность, иногда ее величина доходит до 50%.

Тетроды представляют собой электронную двухсеточную лампу, которая предназначается для увеличения мощности и напряжения электрических сигналов. Эти устройства имеют больший коэффициент усиления в сравнении с триодом. Подобные конструкционные особенности позволяют применять тетроды для усиления низких частот в телевизорах, приемниках, иной радиоаппаратуре.

Потребители активно используют лампы накаливания, в которых телом накала является вольфрамовая спираль или проволока. Эти приборы имеют мощность от 25 до 100 Вт, их эксплуатационный срок составляет 2500-3000 часов. Производители предлагают лампы с разным цоколем, формой, размерами, поэтому можно подобрать вариант лампы с учетом особенностей осветительного прибора, площади комнаты.

ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ -приборы, в к-рых перенос тока осуществляется электронами или ионами, движущимися между электродами через высокий или газ внутри газонепроницаемой оболочки.

Э. п. разделяются на два больших класса: электронные приборы и ионные приборы .В электронных приборах перенос электрич. в междуэлектродном пространстве обусловливается движением эмитированных катодом свободных электронов в высоком вакууме. В газоразрядных (ионных) приборах в переносе электрич. заряда участвуют как электроны, так и тяжёлые заряж. частицы - ионы, образующиеся при взаимодействии электронов, движущихся в электрич. поле, с атомами газа, заполняющего прибор.

Одной из особенностей прохождения тока в Э. п. является нелинейная зависимость величины тока, протекающего через прибор, от величины приложенного - нелинейная вольт-амперная характеристика , к-рая для электронных приборов во мн. случаях может быть описана показательной ф-цией. Характеристики газоразрядных приборов имеют разнообразные виды: растущие, падающие, разрывные и др. Мн. виды Э. п. обладают односторонней проводимостью - условия прохождения тока резко изменяются при изменении полярности приложенного напряжения.

Величиной проходящего через Э. п. тока можно управлять в широких пределах - от "запирания" (нуля) до максимально возможного для данного прибора значения, причём практически без затраты энергии.

Электронные Э. п. практически безынерционны, т. е. изменение тока, протекающего через прибор, происходит почти мгновенно при изменении приложенного напряжения. Это определяется тем, что электроны, движущиеся в электрич. поле в свободном пространстве (высоком вакууме), могут приобретать скорость, близкую к : при прохождении в ускоряющем поле с разностью потенциалов 100 кВ скорость электрона составляет ~(2/3)с . При таких скоростях время пролёта электроном междуэлектродного пространства составляет <=10 -10 -10 -9 с, что позволяет считать Э. п. приборами мгновенного действия.

Большинство Э. п. является преобразователями информации (сигналов) - и по виду преобразуемой энергии, и по параметрам преобразования.

По виду преобразуемой энергии Э. п. разделяются на группы: преобразующие электрич. сигналы в электрические с др. параметрами; преобразующие электрич. сигналы в оптические (световые); оптические - в электрические; оптические-в оптические с др. параметрами.

Э. п. могут преобразовывать величину (амплитуду) сигнала, осуществляя усиление напряжения, тока, мощности, яркости оптич. изображения и т. п. в весьма широком диапазоне изменения величины преобразуемого сигнала, напр. по мощности - от долей Вт до десятков МВт. Э. п. могут преобразовывать сигналы по частоте, осуществляя генерирование ВЧ- и СВЧ-колебаний, детектирование, выпрямление перем. тока (также в очень широком диапазоне- от нуля до десятков ГГц). Ряд Э. п. применяется для переключения (коммутации) электрич. цепей больших мощностей и высокого напряжения с помощью маломощных управляющих сигналов.

К Э. п., преобразующим электрич. сигналы в электрические с др. параметрами, относятся электронные лампы , электронные приборы СВЧ-диапазона (клистроны, магнетроны, лампа бегущей волны, лампа обратной волны) , запоминающие электронно-лучевые трубки, нек-рые газоразрядные приборы (ртутные вентили, газотроны, тиратроны дугового и ). Приборами, преобразующими электрич. сигналы в оптические, являются приёмные электронно-лучевые трубки (осциллографич., индикаторные, кинескопы), электронно-световые индикаторы напряжения, лампы накаливания, газоразрядные источники света, в т. ч. люминесцентные лампы (см. ) . Преобразование оптических (световых) сигналов в электрические осуществляется вакуумными фотоэлементами , передающими телевиз. трубками (диссекторами, суперор-тиконами, видиконами и др.). Преобразование оптич. сигналов в оптические с др. параметрами происходит с помощью электронно-оптических преобразователей , усилителей яркости, усилителей рентгеновского изображения.

К Э. п. относятся также стабилизаторы тока (бареттеры), газоразрядные стабилизаторы напряжения (стабилитроны) и механотроны - приборы, преобразующие меха-нич. параметры (изменение расстояния между электродами, давление, ускорение, амплитуду и частоту вибраций) в электрич. сигналы.

Лит.: Тягунов Г. А., Электровакуумные и , М.- Л., 1962; Электронные приборы, под ред. Г.Г. Шишкина, 4 изд., М., 1989; Кацнельсон Б. В., Калугин A.M., Ларионов А. С., Электровакуумные электронные и газоразрядные приборы. Справочник, 2 изд., М., 1985.

А. А. Жигарев .

Электровакуумным прибором наз. устройство, в кот.рабочее прост-во, изолированное газонепроницаемой оболочкой (баллоном), имеет высокую степень разрежения или заполнено специальной средой (парами или газами) и действие которого основано на электрических явлениях, связанных с движением заряженных частиц в вакууме или газе. В соответствии с характером рабочей среды электровакуумные приборы подразделяются на электронные и ионные (газоразрядные).

В электронном ЭВП эл. ток обусловлен движением только свободных электронов в вакууме (электронные лампы, электронно-лучевые приборы, электровакуумные фотоэлек­тронные приборы и др.)

Принцип действия ионного ЭВП основан на использовании св-в эл. разряда в газе или парах металлов. Эти приборы наз. газоразрядными (ГРП дугового, тлеющего, вы­сокочастотного разрядов и др.)

ЭВП состоит из системы электродов, предназн. для управления физ. процессами внутри баллона, отделяющего внешн. среду от рабочего внутрен. прост.ва прибора.

Во всех типах ЭВП и больш.ГРП имеются: катоды - электроды, испускающие (эмитирующие) электроны, и аноды - электроды, собирающие (коллектирующие) электроны. Для управления потоками заряженных частиц используются управляющие электроды, вы­полненные в виде сеток или профилированных пластин, и специ­альные электромагнитные элементы конструкции (катушки). В приборах отображения информации в наглядной (визуальной) форме (ЭЛТ, индикаторы и другие приборы) широко используются специальные конструктивные элементы - экраны, с помощью которых энергия электронного потока или электрического поля пре­образуется в оптическое излучение (свечение) тела. Конструкции электродов очень разнообразны и определяются назначением приборов и условиями их работы.

Баллоны ЭВП и ГРП изго­тавливаются из стекла, металла, ке­рамики и комбинаций этих матер. Вы­воды от электродов делаются через цоколь, торцевые и боковые поверхности баллонов.

Электро́ннаяла́мпа-ЭВП, работающий за счёт управления интенсивностью потокаэлектронов, движущихся в вакууме или разрежённом газе между электродами.

Электронные лампы, предназн. для освещения (лампы-вспышки, ксеноновые лампы, ртутные и натриевые лампы)

Основные типы электронных вакуумных ламп:

Диоды (легко делаются на большие напряжения, см кенотрон),Триоды,Тетроды,Пентоды,лучевые тетроды и пентоды (как разновидности этих типов),Гексоды,Гептоды,Октоды,Ноноды,комбинированные лампы (фактически включают 2 или более ламп в одном баллоне)

Электронные лампы по кол-ву электродов делятся на:

двухэлектродные (диоды);трехэлектродные (триоды);четырехэлектродные (тетроды);пятиэлектродные (пентоды);и даже семиэлектродные (гептоды, или пентагриды).

ТО ЧЕГО НЕТ В ВОПРОСАХ, НО ЕСТЬ В КОНСПЕКТЕ!

Электровакуумный прибор - устройство, предназначенное для генерации, усиления и преобразования электромагнитной энергии, в котором рабочее пространство освобождено от воздуха и защищено от окружающей атмосферы непроницаемой оболочкой.

К таким приборам относят как вакуумные электронные приборы, в которых поток электронов проходит в вакууме, так и газоразрядные электронные приборы, в которых поток электронов проходит в газе. Так же к электровакуумным приборам относятся и лампы накаливания.

В электровакуумных приборахпроводимость осуществляется посредством электронов или ионов, движущихся между электродами через вакуум или газ.

Начало было положено открытием термоэлектронов. В 1884 г. известный американский изобретатель Томас Альва Эдисон в поисках рациональной конструкции лампы накаливания обнаружил эффект, названный его именем. Вот его первое описание: «Между ветвями нити» лампочки накаливания, на одинаковом расстоянии от обеих, помещена платиновая пластинка, представляющая собой изолированный электрод... Если включить между этим электродом и одним из концов нити гальванометр, то при горении лампы наблюдается ток, который меняет свое направление, смотря по тому, присоединен ли к инструменту положительный или отрицательный конец угольной нити. Кроме того, его интенсивность возрастает вместе с силой тока, проходящего через нить».
Далее следует объяснение: «по-видимому, в этой лампе частицы воздуха (или угля) разлетаются от нити по прямым линиям, уносят электрический заряд».
Эдисон - изобретатель, он не занимается анализом явления. Цитированными фразами, по существу, ограничивается содержание заметки. Это не больше как заявка на приоритет. Попытки Эдисона найти практическое применение эффекта успеха не имели.

Таким образом было открыто явление термоэлектронной эмиссии и создана первая радиолампа–электровакуумный диод.

Термоэлектро́нная эми́ссия (эффект Ричардсона , эффект Эдисона ) - явление испускания электронов нагретыми телами. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям (по энергии) некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растет, и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным.

Исследование закономерностей термоэлектронной эмиссии можно провести с помощью простейшей двухэлектродной лампы - вакуумного диода, представляющего собой откачанный баллон, содержащий два электрода: катод К и анод А.

Рис.3.1 Конструкция вакуумного диода

В простейшем случае катодом служит нить из тугоплавкого металла (например, вольфрама), накаливаемая электрическим током. Анод чаще всего имеет форму металлического цилиндра, окружающего катод. Обозначение диода в схемах электрических принципиальных показано на рисунке 3.2.

Рис. 3.2. Обозначение вакуумного диода в схемах электрических принципиальных.

Если диод включить в цепь, то при накаливании катода и подаче на анод положительного напряжения (относительно катода) в анодной цепи диода возникает ток. Если поменять полярность напряжения, то ток прекращается, как бы сильно катод ни накаливали. Следовательно, катод испускает отрицательные частицы - электроны.

Если поддерживать температуру накаленного катода постоянной и снять зависимость анодного тока от анодного напряжения - вольт-амперную характеристику, то оказывается, что она не является линейной, то есть для вакуумного диода закон Ома не выполняется. Зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения в области малых положительных значений описывается законом трех вторых

где В - коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов, а также их взаимного расположения.

При увеличении анодного напряжения ток возрастает до некоторого максимального значения, называемого током насыщения. Это означает, что почти все электроны, покидающие катод, достигают анода, поэтому дальнейшее увеличение напряженности поля не может привести к увеличению термоэлектронного тока. Зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения приведена на рисунке 3.3.

Рис. 3.3. Зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения

Следовательно, плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода. Плотность тока насыщения определяется формулой Ричардсона - Дешмана, выведенной теоретически на основе квантовой статистики:

где А - работа выхода электронов из катода,

Т - термодинамическая температура,

С - постоянная, теоретически одинаковая для всех металлов (это не подтверждается экспериментом, что, по-видимому, объясняется поверхностными эффектами). Уменьшение работы выхода приводит к резкому увеличению плотности тока насыщения. Поэтому в радиолампах применяются оксидные катоды (например, никель, покрытый оксидом щелочноземельного металла), работа выхода которых равна 1 −1,5 эВ.

На явлении термоэлектронной эмиссии основана работа многих вакуумных электронных приборов.

Эле́ктрова́куумный трио́д , или просто трио́д , - электронная лампа, имеющая три электрода: термоэлектронный катод (прямого или косвенного накала), анод и одну управляющую сетку. Изобретён и запатентован в 1906 году американцем Ли де Форестом. Конструкция вакуумного триода показана на рис.3.4

Рис.3.4 Конструкция вакуумного триода

Триоды были первыми устройствами, которые использовались для усиления электрических сигналов в начале XX века. Схема электрическая принципиальная триода приведена на рис. 3.5

Рис. 3.5 Условное обозначение триода в схемах электрических принципиальных

Вольт-амперная характеристика триода приведена на рисунке 3.6

Рис. 3.6 Вольт-амперная характеристика триода

Вольт-амперная характеристика триода имеет высокую линейность. Благодаря этому вакуумные триоды вносят минимальные нелинейные искажения в усиливаемый сигнал.

В настоящее время вакуумные триоды вытеснены полупроводниковыми транзисторами. Исключение составляют области, где требуется преобразование сигналов с частотой порядка сотен МГц - ГГц большой мощности при небольшом числе активных компонентов, а габариты и масса не столь критичны, - например, в выходных каскадах радиопередатчиков, а также индукционный нагрев под поверхностную закалку. Мощные радиолампы имеют сравнимый с мощными транзисторами КПД; надёжность их также сравнима, но срок службы значительно меньше. Маломощные триоды имеют невысокий КПД, так как на накал тратится значительная часть потребляемой каскадом мощности, порой более половины от общего потребления лампы.

Тетрод-двухсеточная электронная лампа, предназначенная для усиления напряжения и мощности электрических сигналов. Схема электрическая принципиальная тетрода приведена на рис. 3.7

Рис. 3.7 Условное обозначение тетрода в схемах электрических принципиальных

В отличие от триода тетрод имеет между управляющей сеткой и анодом экранирующую сетку, которая ослабляет электростатическое воздействие анода на управляющую сетку. По сравнению с триодом тетрод имеет большой коэффициент усиления, очень малую емкость анод - управляющая сетка и большое внутреннее сопротивление.
По своему назначению подразделяются на тетроды для усиления напряжения и мощности низкой частоты и широкополосные тетроды, предназначенные для усиления видеосигналов. Лучевой тетрод, как и обыкновенный, является двухсеточной лампой, но отличается от последнего отсутствием динатронного эффекта, что достигается применением лучеобразующих пластин, расположенных между экранирующей сеткой и анодом и соединенных внутри баллона с катодом. Лучевые тетроды применяются в основном для усиления мощности низкой частоты в оконечных каскадах приемников, телевизоров и в другой аппаратуре.

Пенто́д (от др.-греч. πέντε пять, по числу электродов) - вакуумная электронная лампа с экранирующей сеткой, в которой между экранирующей сеткой и анодом размещена третья (защитная или антидинатронная) сетка. По конструкции и назначению пентоды делятся на четыре основные типа: маломощные усилители высоких частот, выходные пентоды для видеоусилителей, выходные пентоды усилителей низких частот, и мощные генераторные пентоды .

Экранированные лампы, - тетрод и пентод, - превосходят триод на высоких частотах. Верхняя рабочая частота пентодного усилителя может достигать 1 ГГц. Коэффициент полезного действия усилителя мощности на пентодах (около 35 %) существенно выше, чем у усилителя на триодах (15 %-25 %), но несколько ниже, чем у усилителя на лучевых тетродах.

Недостатки пентодов (и вообще всех экранированных ламп) - более высокие, чем у триода, нелинейные искажения, в которых преобладают нечетные гармоники, острая зависимость коэффициента усиления от сопротивления нагрузки, бо́льший уровень собственных шумов..

Более сложными являются многоэлектродные лампы с двумя управляющими сетками–гептоды, которые появились в связи с изобретением супергетеродинного приема.