книги / Элементы промышленной электроники

ВВЕДЕНИЕ

Историческими решениями XXIII съезда КПСС намечены грандиозные задачи дальнейшего развития народного хозяйства

СССР на базе высшей техники.

При этом намечено дальнейшее повышение значения хими­ ческой промышленности в создании материально-техническая базы коммунизма. Темпы развития химической промышленности, предусмотренные этим планом, ставят задачу наряду с увелЕгчением количества выпускаемых вузами страны инженеров химн- ков-технологов всемерное повышение качества их подготозда.

В соответствии с этим задачи, стоящие перед современным инженером химиком-технологом в его практической деятель­ ности, заключаются не только в умении правильно выбрать способ химического производства, но и в определении оптималь­ ных технологических режимов, обеспечивающих наибольшую степень превращения исходных веществ в конечные продукты потребления.

Решение этих задач практически невозможно без широкого внедрения в производство комплексной автоматизации и меха­ низации производственных процессов на базе новейшей техники.

В настоящее время в химической промышленности весьма широкое применение находят современные средства автомати­ зации. Все большее применение находят электронные, ионные

иполупроводниковые приборы и устройства, вычислительная техника.

Отличаясь высокой чувствительностью, гибкостью настройки

ирегулировки при высокой надежности. подобные устройства, используемые в системах автоматики, позволяют резко повысить производительность труда и коренным. образом совершенство­ вать технологию производственных процессов во многих отраслях химической промышленности. Электронные устройства вместе

з

Глава 1.

ЭЛЕКТРОННЫЕ,ИОННЫЕ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

§ 1. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ

Электронными называются такие приборы, действие которых основано на протекании электрического тока, создаваемого пере­ мещением электронов в вакууме.

Самую большую группу электронных приборов составляют

1. Диод

Диодом называется простейшая электронная лампа, имеющая два электрода — анод и катод (рис. 1—1). Электроды лампы рас­ положены в баллоне (стеклянном, керамическом или металли­ ческом), в котором создан вакуум порядка 10 “ 6 -г-10~л' мм pm. cm. Один из электродов — катод (термокатод) К — предназначен для излучения свободных электронов в процессе работы лампы. Другой электрод — анод А — воспринимает свободные электро­ ны, движущиеся к нему под действием электрического поля.

При отсутствии напряжения между катодом и анодом (напря­ жения на аноде) двухэлектродной лампы свободные электроны, излучаемые катодом, создают вблизи него пространственный заряд, так называемое электронное облачко.

Отдельные электроны, обладая значительным запасом кине­ тической энергии, преодолевают отталкивающее действие отри­ цательно заряженного пространственного заряда и оказываются способными достигнуть поверхности анода. При этом создается весьма незначительный анодный ток, называемый начальным анодным током диода. При подаче отрицательного напряжения на анод, в результате подключения отрицательного полюса ис­ точника постоянного напряжения к аноду и положительного

5

изменениях напряжения и тока на линейной части анодной харак­ теристики, исходя из соотношения:

A Va = dUa

( 1- 2)

А/0 dla

Важной характеристикой диода является также ее крутизна, которая определяется как отношение приращения анодного тока

кприращению анодного напряжения:

А/^ = dla

(1 -3)

AUa dUa

Как видно из рис. 1—2 анодная характеристика диода нели­ нейна. Поэтому дифференциальное сопротивление диода отли­ чается от сопротивления постоянному току, равного частному от деления Ua на 1а в данной точке характеристики. Оно зависит от угла наклона касательной к участку характеристики, для которого дифференциальное сопротивление определяется.

Кроме рассмотренных выше диодов, широкое распростране­ ние в радиоэлектронике Получили так называемые двойные диоды, отличающиеся от обычных диодов наличием двух анодов. Диоды находят широкое применение при выпрямлении переменного тока промышленной, а в ряде случаев и более высокой частоты в по­ стоянный.

Диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока промышленной или повышенной частоты, часто называются кенотронами. Кенотроны могут быть низковольтными и высоко­ вольтными.

Наиболее распространенными низковольтными кенотронами являются электронные лампы 5Ц4С и 5ЦЗС; наиболее распро­ страненными высоковольтными — лампы 2Ц2С и 1Ц1С.

2. Триод

Простейшей управляемой электронной лампой является триод. Триодом называется электронная лампа, имеющая три элек­ трода: анод, катод и управляющую сетку. Условное обозначение

триода показано на рис. 1—3.

Сетка обычно выполняется в виде спирали, окружающей катод и расположенной между анодом и катодом. В процессе работы лампы на управляющую сетку подается отрицательный по отношению к катоду потенциал, в результате чего на ускоряю­ щее поле анод катод, при положительном потенциале анода, на участке сетка — катод накладывается поле, тормозящее элек­ троны. Изменяя величину отрицательного потенциала на сетке, можно менять и величину анодного тока лампы.

7

Рис. 1-3. Условное обознаРис. 1-4. Схема для снятия характеристик триода чение вакуумного триода

При этом, поскольку управляющая сетка расположена всегда ближе к катоду, чем к аноду, то изменение электрического поля, создаваемого между сеткой и катодом, будет значительно воз­ действовать на изменение электрического поля между анодом

икатодом. Изменение интенсивности указанных электрических полей достигается в результате изменения величины соответствую­ щих напряжений. Это обстоятельство и определяет использова­ ние сетки в качестве управляющего электрода. Количественная связь между анодным током триода и напряжениями на аноде

иуправляющей сетке выражается следующей аналитической за­

висимостью:

где д — коэффициент, зависящий от конструктивных параметров лампы; Ua— напряжение между анодом и катодом; Uc— напря­ жение между сеткой и катодом; ц — коэффициент усиления лам­ пы — число, показывающее на сколько вольт необходимо из­ менить анодное напряжение, чтобы вызвать такое же изменение анодного тока, какое достигается изменением сеточного напря­ жения на 1 в.

Величина анодного тока триода зависит от напряжения (тем­ пературы) накала катода, а также от анодного и сеточного на­ пряжений, но так как электронные лампы обычно работают в схемах при постоянной величине напряжения накала катода, то анодный ток для триода является только функцией анодного и сеточного напряжений.

Триод может работать в двух режимах: статическом и дина­ мическом.

При работе в статическом режиме анодное напряжение Ua остается неизменным, а анодный ток изменяется с изменением напряжения на сетке. При постоянном напряжении Uc на сетке анодный ток изменяется с изменением напряжения на аноде.

8

При работе в динамическом режиме изменение анодного тока лампы обусловливается одновременным изменением как сеточного потенциала, так и анодного напряжения. В соответ­ ствии с этим различают статистические и динамические характе­ ристики и соответственно параметры триода. В реальных элек­ тронных схемах лампы обычно работают в динамическом ре­ жиме, т. е. Ia = f(U c Ua). Статический же режим работы лампы используется главным образом при снятии ее статических ха­ рактеристик.

3. Статические характеристики и параметры триода

Под статическими характеристиками триода понимаются зависимости анодного тока от сеточного или анодного напряже­

для различных значений напряжений на аноде, можно получить так называемое семейство статических анодно-сеточных харак­ теристик.

Аналогичным образом мохшо получить и семейство анодных характеристик

а) Анодно-сеточные характеристики

При снятий статических анодно-сеточных характеристик Ia = J{UC) при Ua = const, так же как и при снятии статических анодных характеристик триода Ia = f{Ua) при Ue = const,обычно используется схема, представленная на рис. 1—4.

В этой схеме с помощью потенциометра Па может быть установлено заданное анодное напряжение, которое в процессе снятия анодно-сеточной характеристики поддерживается неиз­ менным. Потенциометр Пс предназначается для плавного из­ менения напряжения на управляющей сетке лампы в пределах от Uе — 0 до Uс — Ucz , равного напряжению запирания лампы, т. е. наименьшего отрицательного напряжения на сетке, при котором анодный ток лампы при данном анодном напряжении равен нулю. Затем повторяется опыт при других значениях анод­ ного напряжения Ua — const.no данным опыта строится семей­ ство анодно-сеточное характеристик, представленных на рис. 1—5.

На анодно-сеточных характеристиках выделяются два участка:

9

жению запирания, тормозящее действие отрицательного прост­ ранственного заряда настолько велико, что его могут преодолеть лишь немногие электроны. Анодный ток при этом мал и увели­ чивается с изменением потенциала на сетке медленно, так как его изменение в данном случае в большей степени зависит от величины отрицательного пространственного заряда, чем от потенциала сетки. При уменьшении отрицательного потенциала сетки тормозящее действие пространственного заряда ослабе­ вает, анодный ток начинает расти более интенсивно и его изме­ нение становится в большей степени зависимо от изменения по­ тенциала сетки.

Уменьшение анодного напряжения приводит к уменьшению значения напряжения запирания лампы и сдвигает при этом анод­ но-сеточную характеристику вправо.

По семейству статических анодно-сеточных характеристик определяются основные параметры триода, т. е. величины, уста­ навливающие связь между токами и напряжениями трехэлектрод­ ной лампы.

К основным параметрам триода относится коэффициент уси­ ления — fi, крутизна статической характеристики — S и внутрен­ нее сопротивление лампы переменному току — R ( (дифферен­ циальное сопротивление).

Для определения основных параметров триода на базе се­ мейства статических анодно-сеточных характеристик (на прямо­ линейном участке между двумя соседними кривыми) строится характеристический треугольник авс (рис. 1—5). Коэффициент усиления ц находится как отношение конечного изменения анод­ ного напряжения к соответствующему конечному изменению

10