книги / Электронные приборы контроля и автоматизации нефтехимического производства

С. С. ДЕНИСОВ

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

КОНТРОЛЯ И АВТОМАТИЗАЦИИ

НЕФТЕХИМИЧЕСКОГО

ПРОИЗВОДСТВА

Второе переработанное и дополненное издание

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО

НЕФТЯНОЙ И ГОРНО-ТОПЛИВНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Мо с к в а I 9 6 0

ПРЕДИСЛОВИЕ

В решениях X X I съезда КПСС по докладу товарища Н. С. Хрущева предусматривается увеличение мощности по пер­ вичной переработке нефти за период 1959—1965 гг. в 2,2— 2,3 раза.

Решение этой задачи возможно лишь на основе комплексной автоматизации производственных процессов, которая немыслима без оснащения технологических установок и лабораторий заводов контрольно-измерительными и регулирующими приборами. При этом в основном будут использованы автоматические приборы контроля качества продукции для управления технологическими процессами н применены электронные счетно-решающие и инфор­ мационные машины.

В настоящее время большую часть контрольно-измерительных приборов составляют электронные приборы. Внедряются приборы со сложными электрическими схемами и большим числом разно­ образных электровакуумных и полупроводниковых элементов.

Электронные приборы высоких эксплуатационных качеств могут быть полностью использованы лишь при правильном их обслуживании. Для этого необходимо, чтобы практические на­ выки сочетались с хорошей теоретической подготовкой. Без знания основ электроники невозможно быть квалифицированным прибористом. Особо следует изучить принципы действия полу­ проводниковых приборов, так как физические основы и методы эксплуатации этих приборов н электровакуумных различны.

В книге популярно изложены минимальные сведения по электронике, необходимые при работе с электронными схемами, описаны рациональные методы проверки и регулировки этих схем. Освещены также практические вопросы правильной эксплуа­ тации, обнаружения и устранения неисправностей наиболее распространенных на заводах электронных контрольно-изме­

Ч А С Т Ь П Е Р В А Я

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Г л а в а I

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ, ИОННЫЕ ПРИБОРЫ

ИФОТОЭЛЕМЕНТЫ

§1. Устройство и принцип действия электронных ламп

Действие электронных ламп основано на использовании по­ токов свободных электронов в вакууме. Такие электроны обра­ зуются вследствие явления эмиссии (выделения) электронов с поверхности вещества. Различают электронные эмиссии следую­ щих основных видов:

1)термоэлектронная — испускание электронов под действием

тепла;

2)фотоэлектронная — испускание электронов под действием

света;

3)вторичная электронная — выбивание электронов с поверх­ ности вещества ударами быстро движущихся электронов;

4)автоэлектронная или электростатическая — вырывание элек­ тронов с поверхности вещества под действием сильного внешнего электрического поля.

Кроме того, наблюдается электронная эмиссия под влиянием радиоактивных излучений и бомбардировки поверхности веще­ ства ионами.

В электронных лампах обычно используют явление термо­

электронной эмиссии. В твердых проводниках (например, в метал­ лах) имеется значительное количество свободных электронов, т. е. элементарных частиц с отрицательным зарядом и не связанных прочно с положительными ядрами атомов вещества. Эти элек­ троны находятся в беспорядочном движении, причем скорость этого движения, а следовательно, и энергия электронов зависят от температуры проводника.

При обычной температуре скорость и энергия электронов недостаточны для того, чтобы они могли покидать поверхность проводника. При повышении температуры энергия электронов возрастает и часть из них начинает оставлять поверхность про­ водника.

5

катода, во-вторых (и главным образом), чтобы предотвратить столкновение электронов, летящих к аноду, с частицами воз­ духа. Эти столкновения при высоком давлении внутри баллона (например, при атмосферном) приводят к невозможности поя­ вления анодного тока, а в случае недостаточного разрежения — к ионизации остатков газов. Вследствие этого сила анодного тока изменяется незакономерно, что исключает возможность целесообразного использования лампы.

Кроме того, положительные ионы (молекулы газа, которые вследствие столкновения с электронами приобрели положи­

потенциалов между катодом и анодом электронной лампы. При отсутствии в анодной цепи каких-либо сопротивлений (или при их малой величине) можно считать анодное напряжение равным напряжению анодной батареи Бл.

При сравнительно небольших величинах f/a не все электроны, вылетающие из катода, попадают на анод. Большая часть электро­ нов образует вокруг катода электронное облако, имеющее отри­ цательный объемный заряд. Этот заряд нейтрализует действие электростатического поля анода и мешает электронам, выле­ тающим из катода, достигать анода, отбрасывая их назад. Лишь электроны с большой начальной скоростью преодолевают дей­ ствие объемного заряда и попадают на анод. Величина анодного тока в этом случае незначительна.

При увеличении анодного напряжения электронное облако вокруг катода и отрицательный объемный заряд уменьшаются и количество электронов, попадающих на анод, возрастает.

Поэтому количество электронов, проходящих по анодной цепи, т. е. сила анодного тока, зависит от величины анодного напряжения: чем больше анодное напряжение, тем больше элек­ тронов притягивается анодом и больше анодный ток.

Анодный т о к с увеличением анодного напряжения увели­ чивается до тех пор, пока все электроны, испускаемые катодом, не будут попадать на анод.

Дальнейшее повышение анодного напряжения не будет уве­ личивать анодный ток. Этот максимальный анодный ток назы­ вается т о к о м н а с ы щ е н и я . Ток насыщения зависит от количества электронов, испускаемых катодом (эмиссии катода), т. е. от температуры катода. При увеличении температуры ток насыщения возрастает, а при уменьшении снижается.

В первый период развития вакуумной техники катоды элек­ тронных ламп, как правило, делались из чистого вольфрама; катоды нагревались до весьма высокой температуры для полу­

7

чения достаточной эмиссии. Это требовало расхода большой мощности электроэнергии для накала ламп и приводило к быстрому перегоранию их катода.

Чтобы увеличить количество электронов, испускаемых катодом при данной температуре, катод активируют — покрывают слоем металлов, легко испускающих электроны (такими металлами являются барий и торий), или оксидируют, т. е. покрывают окислами щелочно-земельных металлов (бария и стронция). Активированные и оксидные катоды работают при более низкой температуре, чем катоды из чистого вольфрама, поэтому срок службы ламп с такими катодами значительно больше и мощность, потребная для накаливания катода, в несколько раз меньше. Последнее обстоятельство особенно важно при питании аппара­ туры от батарей.

Лампы с оксидными катодами имеют интересную особенность: в них отсутствует резко выраженный ток насыщения. С ростом анодного напряжения анодный ток этих ламп непрерывно возра­ стает, пока не достигнет такой величины, при которой активный слой катода разрушается. Это является следствием того, что активный слой оксидных катодов имеет большое электрическое сопротивление и значительно нагревается анодным током, про­ ходящим по нему. Поэтому повышение анодного напряжения, сопровождающееся увеличением анодного тока, вызывает повы­ шение температуры катода и его эмиссии. Кроме того, на катоде возрастает падение напряжения, что изменяет электрическое поле, влияющее на условия эмиссии электронов.__Увеличение анодного тока продолжается до тех пор, пока катод не перегреется и не разрушится.

По этой же причине необходимо избегать сильного недокала оксидного катода. При недокале на поверхности катода появля­ ются точки, которые излучают электроны сильнее соседних, что приводит к сильному разогреву катода в этом месте и выго­ ранию активного слоя. Практически это имеет значение в тех случаях, когда анодный ток лампы имеет величину не менее нескольких миллиампер, как, например, в выпрямительных и выходных лампах, лампах, работающих в фазочувствительных каскадах, электронных реле и т. д.

Катоды электронных ламп изготовляются двух типов — для накаливания постоянным током и для накаливания переменным током. Катоды первого типа (с непосредственным накалом) выпол­ няются в виде тонкой металлической нити, поверхность которой активируется описанным выше способом. Тепловая инерция такой нити очень мала, и при накаливании ее переменным током температура катода успевает значительно измениться за время одного полупериода. Это приводит к непостоянству эмиссии катода, а следовательно, и анодного тока, что в большинстве случаев недопустимо.

Так как питание накала электронных ламп переменным током представляет собой в случае наличия сети переменного тока

8

несомненные преимущества, разработаны катоды второго типа — подогревание.

Подогревный катод представляет собой обычно металлический полый цилиндр, наружная поверхность которого покрыта актив­ ным веществом. Внутри цилиндра помещается металлическая спираль-подогреватель, накаливаемая переменным током. По­ верхность подогревателя покрыта слоем керамической изоляции.

Тепловая инерция такого катода значительно больше, чем у катодов непосредственного накала, и эмиссия его не изменяется заметно за время одного полупериода переменного тока.

Подогревные лампы имеют большую мощность накала, боль­ шую поверхность катода и сравнительно бблыпую эмиссию. Кроме того, лампы имеют еще то преимущество, что у них соб­ ственно катод (цилиндр с активным слоем) не соединен электрически с нитью накала (подогревающей спиралью). Это позволяет питать подогреватели нескольких ламп от одного общего источника тока (например, от одной обмотки трансформатора) даже в том случае, если по схеме катоды этих ламп не должны быть соеди­ нены между собой.

На схемах рис. 1, я, б и в применяются принятые условные обозначения двухэлектродных электронных ламп. На рис. 1, а

накала питается от трансформатора, включенного в сеть пере­ менного тока. Так как цепь накала этих диодов не связана элек­ трически с остальной схемой, то часто, чтобы упростить и сделать более наглядной общую схему устройства, цепь накала не пока­

дящего через лампу (/а). Но в отличие от обычных проводников ток через электронную лампу может проходить только в одном

лампы будет протекать пульсирующий ток, т. е. ток, изменяю­ щийся по величине, но одного направления. В дальнейшем этот ток сглаживается по величине до нужной степени при помощи фильтров.

Введение в электронную лампу, кроме катода и анода, треть­ его электрода — сетки — позволяет использовать лампу для уси­ ления напряжений и токов.

Сетка такой трехэлектродной лампы (триода) представляет собой спираль, окружающую катод по всей его длине (оси катода и сетки совпадают). Сетка располагается ближе к катоду, нежели анод. Катоды триодов, так же как и диодов, могут быть непо­ средственного накала и подогревные. Между катодом и сеткой

9