Высоковольтные кенотроны

   Электронный диод, используемый в качестве вентиля, представляет собой герметически закрытый стеклянный или металлический баллон, в котором размещены два основных электрода: анод и катод.

Основные принципы работы
Конструктивные особенности
Вольт-амперная характеристика
Пробой вентиля
Основные параметры
Система обозначений
Образцы кенотронов

    В закрытом объеме прибора создается высокий вакуум (давление остаточного газа не превышает обычно 10-6—10-5 мн/см2). Катод диода накаливается током, получаемым от вспомогательного источника (аккумуляторной батареи) или от сети переменного напряжения через трансформатор. Под действием высокой температуры катод испускает (эмиттирует) электроны. Анод прибора принимает электроны, перемещающиеся к нему через вакуумное пространство под действием электрического поля.

    Такое поле возникает между анодом и катодом при сообщении аноду положительного потенциала по отношению к катоду. При том высоком вакууме, который создается в электронных приборах, плотность оставшегося в баллоне разреженного газа настолько невелика, что электроны проходят от катода к аноду, почти не сталкиваясь с молекулами оставшегося газа.

    При противоположной полярности, когда анод отрицателен по отношению к катоду, электрическое поле анода тормозит электроны, и поэтому после выхода их из катода они вновь к нему возвращаются. В этом состоянии ток через прибор не проходит. Способностью пропускать ток только в одном направлении и определяются вентильные свойства электронного диода.

    Если вентиль включить в цепь переменного напряжения, то ток через вентиль проходит только в течение положительного полупериода. В течение отрицательного полупериода тока в цепи практически нет.

1,2 — аноды; 3 — катод; 4 — стеклянный баллон

   Количество электронов, эмиттируемых катодом в секунду и определяющих собой ток эмиссии, зависит от физических свойств материала катода, температуры его нагрева и величины рабочей поверхности катода. Эмиссионный ток может быть вычислен по формуле, выведенной Ричардсоном и Дешманом:

Iэ = Sк A T2e-11600ф/Т

где Iэ* — ток эмиссии, а; А — физическая постоянная, численное значение которой зависит от материала катода; Т — температура катода, °К; ф — работа выхода (эв), определяющая собой ту добавочную энергию, которую надо сообщить электронам, чтобы обеспечить их выход из катода.

   Наиболее часто в электронных диодах (кенотронах) применяются оксидные катоды. Такие катоды представляют собой нанесенный на никель тонкий слой смеси из окислов щелочноземельных металлов (бария, стронция и кальция). У таких катодов значение постоянной А лежит в пределах (2,0—3,0) х 10-3 а/см2 х град2, а ф = 0,81 — 1,4 эв.
В некоторых типах кенотронов применяются также катоды из чистого вольфрама, у которых значение постоянной А лежит в пределах 60—212 а/см2 х град2, а ф = 4,52 эв.
   Более низкие значения ф у оксидных катодов по сравнению с вольфрамовыми обеспечивают значительно более высокие их эмиссионные свойства, несмотря на меньшие значения постоянной А. Поэтому требующуюся плотность эмиссионного тока у оксидных катодов можно получать при более низких рабочих температурах (1000—1100° К), нежели у вольфрамовых катодов, которые требуется нагревать до 2300—2500 ° К.
    Меньшие температуры нагрева катода обеспечивают более высокую его экономичность (определяемую по мощности, затрачиваемой на нагрев катода, для получения тока эмиссии в 1 с) в связи с меньшим количеством бесполезно рассеиваемого тепла.

   Конструктивно катоды выполняются либо в виде нитей определенной конфигурации (рис. а), непосредственно накаливаемых током (катоды прямого накала), либо в виде покрытого оксидным слоем никелевого цилиндра (рис. б), внутри которого размещен изолированный нагреватель (катоды косвенного накала).
   Зависимость эмиссионного тока от температуры катода характеризуется круто нарастающей кривой (рис. в), называемой эмиссионной характеристикой катода. На оси абсцисс нанесены значения тока накала (иногда и напряжение накала), которые связаны с температурой катода Тк. Замена Тк напряжением или током накала облегчает контроль эмиссионного режима катода в период эксплуатации ламп.

   Количественная связь между анодным током и анодным напряжением в режиме объемного заряда (пока не все электроны, покидающие катод, достигают анода) может быть найдена из решения уравнения Пуассона, связывающего потенциал пространства с плотностью р объемного заряда. Решение этого уравнения после замены плотности р заряда плотностью тока jа и с учетом граничных условий приводит для диода с плоскими электродами к равенству, полученному Ленгмюром и Чайльдом:

jа = 2,33 х 10-6 х Uа3/2 / l2 [а/см2]         (1)

где l — расстояние между катодом и анодом, см; - анодное напряжение, в.
При полезной площади Sa (см2) анода анодный ток

Iа = 2,33 • 10-6 х (Sа / l2) х Uа3/2 = g х Uа3/2 [a]           (2)

где g — коэффициент, включающий все постоянные величины, в уравнении, относящемся к данной лампе.
     При цилиндрической конфигурации электродов расстояние l между электродами равно разности радиусов анода и катода.

     Сопоставляя выражения (1) и (2) с законом Ома для линейных металлических проводников, видим, что:
анодный ток в вентиле пропорционален не первой степени напряжения (как это соответствует закону Ома), а степени 3/2; эти уравнения называют поэтому законом степени трех вторых;
при заданном напряжении ток обратно пропорционален не первой, а второй степени расстояния между электродами;
числовой коэффициент пропорциональности (2,33 х 10-6), который можно в какой-то степени сравнивать с удельной электропроводностью, значительно меньше, чем у металлических проводников.

    В результате указанных отличий напряжение, которое требуется приложить к электронному (высоковакуумному) прибору, много больше необходимого напряжения для пропускания того же тока через металлический проводник тех же размеров. Все это объясняется влиянием отрицательного поля объемного заряда, которого нет в металлах, поскольку объемный заряд электронов компенсируется в нем зарядом положительных ионов кристаллической решетки.

   Экспериментальные характеристики отличаются от теоретической тем, что:
начинаются они не от нуля напряжения, а от некоторого отрицательного его значения; это обусловлено наличием начальных скоростей электронов, покидающих катод, благодаря которым наиболее быстрые электроны, преодолевая тормозящее поле в между электродном промежутке, достигают анода и создают небольшой анодный ток (ток налета);
на участке крутого подъема экспериментальные характеристики расположены тем ниже, чем меньше напряжение накала катода; это объясняется менее глубоким при меньших эмиссионных токах потенциальным минимумом, который уменьшает результирующую разность потенциалов между потенциальным минимумом и анодом;
при некотором предельном значении анодного напряжения экспериментальные характеристики отклоняются от теоретической, переходя на участок насыщения; к участку насыщения уравнения (1) и (2) уже неприменимы.

   В связи с нелинейностью вольт-амперной характеристики прибора (подчиняющейся закону степени 3/2) ток в динамическом режиме проще всего найти графически, пользуясь нагрузочной диаграммой, представляющей совмещение вольт-амперной характеристики

Iа = f (Uа)

с линией нагрузки MN, определяющей изменение напряжения Ur на нагрузочном сопротивлении в функции от тока, проходящего через него.

При неизменном значении сопротивления линия нагрузки представляет прямую с углом наклона а, проведенную из точки М, соответствующей напряжению питания Еа. Котангенс угла пропорционален нагрузочному сопротивлению - ctg a = (А/Б) х Rа, где А и Б — масштабные коэффициенты тока и напряжения.
   При угле наклона а падение напряжения на сопротивлении Ur = IаRa определяется для любого значения горизонтальным отрезком между линией нагрузки MN и вертикалью, проведенной через точку М. Ток в цепи определяется в построенной нагрузочной диаграмме ординатой точки пересечения линии нагрузки с вольт-амперной характеристикой прибора.

   Нелинейность вольт-амперной характеристики означает, что внутреннее сопротивление прибора Ri не остается величиной постоянной. Поэтому при малых изменениях пользуются его дифференциальным значением:

Ri = dua / dia

   При значительных изменениях тока для упрощения расчетов пользуются усредненным значением сопротивления, получаемым из отношения конечных приращений напряжения и тока:

Ri = dUa / dIa ~ 2/3 (Ua / Ia)

При питании от источника синусоидального напряжения точка М с изменением еп перемещается вдоль оси абсцисс, а вместе с ней смещается параллельно себе линия нагрузки MN. Ординаты смещающейся при этом точки пересечения Р определяют мгновенные значения анодного тока iа. Определив эти значения в функции от мгновенных значений напряжения питания еа, можем построить кривую анодного тока, которая в силу нелинейности вольт-амперной характеристики диода отличается от синусоиды:

   Если можно ограничиться приближенным значением анодного тока ia, то он может быть найден аналитически с помощью среднего значения внутреннего сопротивления Ri соответствующего линейному участку аппроксимированной характеристики диода:

   Значения сопротивления Ri являющегося одним из основных параметров диода, приводятся в справочниках и ими пользуются при аналитических расчетах.

   Пробой вентиля характеризуется быстрым нарастанием в нем обратного тока вследствие развития самостоятельного разряда, что является нарушением вентильных свойств прибора.
   Даже в высоковакуумных (электронных) приборах после откачки до предельно возможной степени воздуха и других газов из их внутреннего объема и электродов остается заметное количество молекул и атомов, которые могут подвергаться ионизации быстрыми электронами (процесс отрыва валентных электронов от атомов). Энергию для ионизации электроны приобретают, ускоряясь в поле анода. Возникшие в результате ионизации вторичные электроны вновь ионизируют атомы или молекулы газа после приобретения ими необходимой энергии. Такой процесс прогрессивно нарастающей ионизации приводит к лавинообразному увеличению общего потока электронов, создающих обратный ток. Интенсивно нарастающий обратный ток и определяет пробой промежутка.
   Чем выше остаточная плотность газа в высоковакуумных (электронных) приборах, тем меньше напряжение на приборе, при котором происходит развитие лавинообразного процесса размножения носителей, приводящее к пробою междуэлектродного промежутка.
Количественно этот процесс характеризуется кривой, называемой кривой пробивных напряжений, а также кривой Пашена:

   Для кривой пробивных напряжений (кривой Пашена) является характерным наличие двух ветвей: левой, на которой рост произведения pd приводит к снижению пробивного напряжения Uпроб; правой, на которой рост pd приводит к повышению пробивного напряжения Uпроб. Левая ветвь кривой относится к высоковакуумным и газонаполненным (ионным) приборам с низким давлением газа. Правая ветвь относится к ионным приборам со средним и высоким давлением газа.
Для того чтобы у высоковакуумных приборов получить достаточно высокое пробивное напряжение, необходимо путём совершенствования процесса откачки газа из приборов довести давление p остаточных газов до предельно достижимого минимума и расстояние d между электродами прибора иметь минимальным.
   Допустимый минимум междуэлектродного промежутка d ограничен возрастанием напряженности поля у поверхности электродов до значений, при которых под действием сильного поля электроны выходят непосредственно из поверхности анода (электростатическая эмиссия). Электростатический пробой определяется пунктирным участком кривой Пашена.

   По значению пробивного напряжения нормируется (с необходимым запасом) допускаемое вентилем максимальное значение обратного напряжения Ub max, которое также является основным параметром вентиля.
   К параметрам вентиля (диода), характеризующим его нагрузочную способность по току, относятся:
максимально допустимый прибором ток Ia max; его лимитирует эмиссионная способность катода;
среднее значение анодного тока Ia; его лимитирует нагрев прибора.

   Вместе со средним падением напряжения dUa в приборе средний ток Ia определяет мощность, которая преобразуется внутри прибора в тепло. Наибольшую долю этой мощности у электронных приборов воспринимает анод. Он должен рассеять тепло при допустимой температуре его нагрева.

   Обозначения силовых кенотронов состоят из четырех элементов.
Первый элемент — буква В (для кенотронов непрерывного действия) или ВИ (для кенотронов импульсного действия).
Второй элемент — число, обозначающее порядковый номер типа прибора.
Третий элемент — число в виде дроби, в которой числитель обозначает среднее значение тока в амперах (для импульсных кенотронов — импульсное значение тока), а знаменатель — амплитудное значение обратного напряжения в киловольтах.
Четвертый элемент — буква, обозначающая характер принудительного охлаждения: А — водяное; Б — воздушное.

   Обозначения кенотронов старых выпусков (по ОСТ 7261) состоят из двух элементов:
Первый элемент — буква В (выпрямительный прибор)
Второй элемент — число в виде дроби, в которой числитель обозначает амплитуду обратного напряжения в киловольтах, а знаменатель — ток анода в миллиамперах).

ВК-20
V-1906D
В-20/20
В1-0,02/20
В1-0,03/13
В1-0,05/12
В1-0,075/2,5
В1-0,1/30
В1-0,1/40
В1-0,15/55
В1-0,25/3
В1-2,6/12
В2-0,06/25
ВИ1-15/32
ВИ1-18/32
ВИ1-30/25
ВИ1-50/50Б
ВИ2-70/32
ВИ3-18/32
ВИ3-70/32
ВИ4-100/50

домой