Лекция 2. Вакуумная электроника

В вакуумной электронике используется движение носителей заряда в вакууме или разреженном газе. Электронные приборы, в которых движение носителей заря­да происходит в вакууме, называются электровакуумными, а электронные при­боры, в которых движение носителей заряда происходит в разреженном газе, называются газоразрядными. Любой электровакуумный или газоразрядный при­бор состоит из системы электродов, смонтированных внутри стеклянного, ме­таллического или металлокерамического баллона, из которого откачан воздух. В газоразрядных приборах баллон наполнен газом при сравнительно невысо­ком давлении. Один из электродов, являющийся источником электронов, на­зывается катодом. Вторым электродом, предназначенным для собирания элек­тронов, является анод. Кроме того, в электронных приборах может находиться несколько электродов, называемых сетками, которые располагаются между ка­тодом и анодом.

К электровакуумным приборам относятся электронные лампы, электронно-луче­вые трубки и фотоэлектронные приборы. Электронные лампы, так же как и полу­проводниковые приборы, предназначены для различного рода преобразований электрических сигналов. В настоящее время их применяют главным образом на сверхвысоких частотах и в мощных усилителях и генераторах. В электронно­лучевых трубках (ЭЛТ) движение электронов происходит в виде узкого луча, что позволяет преобразовывать электрические сигналы в видимые изображения (кинескопы в телевидении, ЭЛТ в осциллографах) или, наоборот, видимые изоб­ражения преобразовывать в электрические сигналы (передающие телевизионные трубки). В фотоэлектронных приборах (ФЭП) осуществляется преобразование электромагнитного излучения в электрические сигналы. Принцип работы ФЭП основан на фотоэлектронной эмиссии.

В газоразрядных приборах может происходить дуговой или тлеющий разряд. Дуговой разряд используется в газотронах (двухэлектродных приборах), при­меняемых в мощных выпрямителях. Тлеющий разряд используется в стаби­литронах, применяемых в схемах стабилизации напряжения, и световых инди­каторах.

10.7. Особенности работы ламп на СВЧ

На СВЧ время пролета электронов соизмеримо с периодом электрических коле­баний, управляющих электронным потоком. Поэтому пролет электронов проис­ходит в условиях изменяющегося электрического поля. Такой режим работы на­зывают динамическим. Для учета влияния времени пролета электронов на токи электродов применяют понятие наведенного тока.

Рассмотрим систему из двух плоских электродов, между которыми перемещает­ся со скоростью υ тонкий электронный слой с общим зарядом – q (рис. 10.12).

Вследствие явления электростатической индукции на электродах наводятся по­ложительные заряды q₁ и q₂, сумма которых равна отрицательному заряду элект­ронов в электронном слое:

. (10.34)

Рис. 10.12

Величина наведенного заряда зависит от расстояния между электронным слоем и электродом:

, (10.35)

Перемещение электронного слоя сопровождается изменением величины наведен­ных зарядов, что ведет к возникновению во внешней цепи, соединяющей электро­ды, наведенного тока:

. (10.36)

Учитывая (10.35), получаем

. (10.37)

Наведенный ток возникает, как только электронный слой появляется в проме­жутке между электродами, и исчезает, когда электронный слой достигает вто­рого электрода. Длительность импульса наведенного тока равна времени про­лета электронов. Если скорость движения электронов постоянна, то импульс тока прямоугольный; при линейной зависимости скорости от времени он будет тре­угольным.

В реальных условиях в пространстве между электродами существует некоторое произвольное распределение плотности зарядов ρ(х, t), изменяющееся во време­ни. В этом случае наведенный ток, создаваемый электронным слоем с зарядом dq, будет равен

. (10.38)

Учтем, что dq = Sρ(x,t)dx, тогда

, (10.39)

где S — площадь электродов.

Создаваемый всеми электронными слоями наведенный ток может быть найден путем интегрирования по всему промежутку между электродами:

. (10.40)

Подынтегральное выражение есть значение тока проводимости в сечении х в мо­мент времени t. Этот ток обусловлен переносом (конвекцией) электронов. Поэто­му его называют конвекционным током:

. (10.41)

Подставив (10.41) в (10.40), получим

. (10.42)

Наведенный ток в момент времени t равен усредненному по длине промежутка значению конвекционного тока в этот же момент времени. В частном случае, ког­да время пролета электронов много меньше периода переменного напряжения, можно считать, что i_конв(x,t) практически не зависит от координаты, и его можно вынести за знак интеграла. Тогда i_нав(t) = i_конв(x,t), то есть наведенный ток равен конвекционному, что справедливо для области низких частот. На СВЧ наведен­ный ток не равен конвекционному току.

Чтобы лучше представить себе возникновение наведенного тока, рассмотрим слу­чай, когда на анод диода подается импульс напряжения прямоугольной формы, длительность которого соизмерима со временем пролета (рис. 10.13). В момент времени t₁ электроны начинают двигаться от катода, и возникает наведенный ток. Двигаясь в ускоряющем поле, они с течением времени заполняют разрядный про­межуток. Благодаря этому наведенный ток, определяемый соотношением (10.40), становится больше и скорость его нарастания увеличивается. В момент времени t₂ электроны достигают анода, и все пространство между катодом и анодом оказы­вается заполненным электронами. Наведенный ток становится максимальным. В момент времени t₃ анодное напряжение становится равным нулю, поступление новых электронов от катода прекращается, а электроны, заполняющие разрядный промежуток, продолжают двигаться по инерции к аноду. С течением времени число электронов в разрядном промежутке уменьшается и соответственно умень­шается анодный ток. В момент времени t₄ в разрядном промежутке не остается электронов и наведенный ток становится равным нулю.

Из рассмотренного следует, что импульс наведенного тока оказывается растяну­тым во времени по сравнению с импульсом напряжения и отстает от него. Если в момент t₃ подать на анод отрицательное напряжение, то некоторая часть электро­нов по инерции долетит до анода, а другая часть затормозится настолько, что ос­тановится и станет возвращаться на катод. Аналогичные явления происходят при подаче на анод синусоидального напряжения, но при этом интервал между t₁ и t₂ увеличивается, так как электроны перемещаются в изменяющемся электрическом поле, на что требуется больше времени для достижения анода, в результате этого максимум тока наступает несколько позже. После достижения максимума напря­жения ток начнет уменьшаться.

Рис. 10.13

Похожие явления имеют место при перемещении электронов в триоде (рис. 10.14). Пусть на сетку подано напряжение запирания и положительные прямоугольные импульсы. При этом напряжение на сетке остается все время отрицательным, то есть электроны на сетку не попадают. В момент t₁ лампа отпирается, электроны начинают заполнять промежуток между катодом и сеткой, и в цепи сетки появля­ется наведенный ток i₁. Такой же ток, но противоположного направления, возни­кает и в цепи катода.

В момент времени t₂ промежуток катод—сетка полностью заполнен электронами, рост тока i₁ прекращается. Электроны на сетку не попадают, пролетают через про­светы сетки и оказываются в промежутке между сеткой и анодом. Удаляющийся от сетки поток электронов создает в цепи сетки наведенный ток i₂, противопо­ложный по направлению току i₁. Одновременно индуцируется ток в цепи анода. В момент t₃ электроны достигают анода. В интервале между t₃ и t₄ токи i₁ и i₂ по­стоянны и противоположно направлены, поэтому ток сетки равен нулю. В момент t₄ лампа запирается, и электроны перестают уходить от катода, но электроны, за­полнившие междуэлектродные промежутки, продолжают по инерции движение. В момент t₅ промежуток между катодом и сеткой очищается от электронов и ток i₁ становится равным нулю. В интервале между t₅ и t₆ очищается от электронов промежуток между сеткой и анодом, и в момент t₆ ток i₂ становится равным нулю.

Таким образом, в цепи сетки возникают два импульса наведенного тока, противопо­ложные по направлению. Результирующий ток сетки определяется суммированием этих импульсов. При этом следует иметь в виду, что электроны на сетку не попа­дают. При подаче на сетку синусоидального напряжения происходят аналогич­ные процессы с той лишь разницей, что нарастание и спад наведенных токов про­исходят более медленно, а импульсы токов i₁ и i₂ оказываются более длительными.

Рис. 10.14

При работе на СВЧ за время пролета изменяется фазовый угол переменного на­пряжения. Изменение фазового угла за время пролета называется углом пролета:

, (10.43)

где ω — угловая частота переменного напряжения.

Чем выше частота ω, тем больше фазовый угол α_пр, тем меньше амплитуда наве­денного анодного тока и тем больше амплитуда наведенного сеточного тока. Сле­довательно, с ростом частоты уменьшается коэффициент усиления мощности.