Трохотроны

Трохотрон представляет собой электронно-лучевой переключатель, использующий движение электронов по трохоидам в скрещенных электрическом и магнитном полях.

С их помощью можно осуществлять счет импульсов (от единиц до 10⁵ Гц), измерение промежутков времени длительностью от единиц микросекунд до нескольких минут, коммутацию электрических цепей, генерирование импульсов, импульсную модуляцию и демодуляцию и т. п.

Принципиальное устройство трохотрона

   Он имеет цилиндрический или нитевидный катод, ось которого совпадает с перпендикуляром к плоскости чертежа, сетку, управляющую катодным током, анод и систему лопаток Л1—Л10, на которые подаётся высокое положительное напряжение Еа (лопатки питаются через сопротивления нагрузки Rл), плоский электрод—«рельс», соединённый с лопаткой Л1 и несущий отрицательное относительно катода напряжение Ер, и систему пластин П1—П10, присоединённых к входному зажиму прибора (второй входной зажим присоединяется к катоду). В пространстве между «рельсом» и лопатками кроме электрического поля создаётся и магнитное (порядка нескольких сотых тесла), силовые линии которого направлены перпендикулярно плоскости чертежа.

   Электроны, эмиттируемые катодом, под воздействием пересекающихся магнитного и электрического полей образуют лентообразный трохоидальный пучок. Этот пучок формируется в прикатодной области и далее следует приблизительно по эквипотенциали между рельсом и лопатками вдоль всего прибора. В конце прибора эквипотенциаль проходит в узкий зазор между первой лопаткой и первой пластиной. Когда трохоидальный пучок достигает этого пространства, то электроны идут на пластину П1. 
   Практически весь ток (более 99,9%), эмиттированный с катода, может попасть на первую пластину, несмотря на то, что пучок на своем сравнительно длинном пути проходит вблизи электродов (лопаток), имеющих положительный потенциал.
   Необходимо отметить, что пучок, перемещаясь по каналу, претерпевает некоторые изменения:
   1) он расширяется;
   2) появляются токи на электроды, имеющие отрицательный относительно катода потенциал;
   3) в пучке возникают колебания плотности тока, вызывающие шум.
   Наиболее важное значение имеет расползание пучка, потому что оно приводит к увеличению токов утечки на положительные электроды и к расширению (по напряжению) и понижению (по току) характеристик лопаток, наиболее удаленных от катода, что сужает диапазон возможных изменений параметров схемы с трохотроном.
   Появление тока на отрицательные электроды (например, рельс) важно лишь с точки зрения уменьшения тока пучка. Шумы, возникающие в приборе, важны в тех случаях, когда пучок используется как носитель информации, например в телефонии.

   Так как лопатка Л1 находится под отрицательным потенциалом, то при приближении к ней луч поворачивает и входит в ячейку, ограниченную лопатками JI1, Л2 и пластиной П1. На рисунке представлен случай, когда на входе трохотрона напряжение отсутствует, пластина П1 находится под потенциалом катода, и луч попадает на её поверхность.
   Когда на вход поступает импульс отрицательного напряжения, луч отклоняется от пластины П1 к лопатке Л2. Поведение луча в этом случае можно определить, рассматривая зависимость тока в цепи лопатки Л2 от подводимого к ней напряжения.

   Эта зависимость представлена на рисунке.

   При большом положительном напряжении Uл на лопатке электроны на неё не попадают, так как поверхность качения удалена от лопатки на большое расстояние и луч поступает в первую ячейку. При уменьшении Uл поверхность качения приближается к лопатке, и в её цепи появляется ток Iл. Ток этот будет максимальным тогда, когда поверхность качения совпадёт с лопаткой, т. е. когда её потенциал станет равен нулю. При увеличении отрицательного напряжения на лопатке поверхность качения удаляется от неё, и её ток быстро убывает. При отрицательном напряжении на лопатке луч, очевидно, не попадает в первую ячейку, а сразу поворачивает во вторую.

   Возможные рабочие режимы цепи лопатки определяются точками пересечения её характеристики с нагрузочной линией, описываемой уравнением

Uл = Eа – Iл*Rл

   Точка пересечения 2, как нетрудно показать, является неустойчивой точкой, и работа может происходить либо в точке 1, где Iл>0 и Uл=Eа–Iл*Rл <0, либо в точке 3, где Iл=0 и Uл=Ел.
   Отсюда следует, что пока пластина П1 находится под нулевым потенциалом, луч, входя в первую ячейку, попадает на неё. Лопатка Л2 в этот момент работает в режиме, определяемом точкой 3. При подаче на пластину импульса отрицательного напряжения в цепи лопатки Л2 возникает большой ток, напряжение на ней становится отрицательным, и луч переходит во вторую ячейку (точка 1).
   Прекращение действия импульса на пластинах не может вернуть систему в исходное положение, так как лопатка Л2 по-прежнему преграждает путь лучу в первую ячейку (рабочий режим самопроизвольно не может перейти в точку 3).
   Следующий импульс смещает поверхность качения и луч от лопатки Л2 к лопатке Л3, причём рабочий режим лопатки Л2 из положения 1 переходит в положение 3, а лопатки Л3 из положения 3 в положение 1, и луч перескакивает в третью ячейку. Рабочий цикл трохотрона заканчивается, когда луч попадает в последнюю ячейку. Следующий импульс прекращает ток в цепи последней лопатки, её напряжение становится равным Еа, и луч возвращается в первую ячейку.

   Таким образом, в трохотроне под действием импульсов, подаваемых на вход, происходит переключение цепей лопаток.

   При переходе пучка из десятого положения в первое на аноде получается отрицательный импульс. Значит, прибор можно использовать для пересчета (деления числа импульсов) на десять. Выходным импульсом пересчетной декады будет импульс с анодного сопротивления. Наличие пучка в камере можно фиксировать по напряжению на сопротивлении в цепи лопатки, включая в цепь каждой лопатки неоновую индикаторную лампочку.

   Описанный трохотрон называется линейным. Пример такого трохотрона - ЛП-4.

   Существуют и другие типы, они получаются путем соответствующих комбинаций как самих элементарных ячеек, так и электродов, образующих элементарную ячейку.

Двумерный трохотрон

   Прибор имеет несколько (на данном рисунке две — I и II) длинных вертикальных лопаток, на которых набрано по пять ячеек, разделенных горизонтальными лопатками меньшей длины. Горизонтальные лопатки объединены в группы (ряды 1, 2, 3, 4, 5). Если обе большие вертикальные лопатки и горизонтальные ряды меньших лопаток имеют положительный потенциал, то пучок проходит вдоль рельса в дальний конец прибора. Если надо луч переключить, например, на пластину 13, то снижают напряжение на вертикальной лопатке 1 и на лопатках горизонтального ряда 3, вследствие чего луч и попадает в ячейку 13, как показано на рисунке.

Бинарный трохотрон

Кольцевой трохотрон

   Переключающие функции трохотронов можно пояснить на примере схем с релейными контактами, выполняющих те же функции, что и трохотроны.

   На рисунке даны такие эквивалентные схемы для линейного трохотрона с десятью ячейками (а), для двумерного трохотрона (6), для бинарного трохотрона (в) и для кольцевого трохотрона (г).

На сайте Чипа-и-Дипа появилось видеозарисовка, рассказывающая о трохотронах. Весьма похвальные намерения рассказать о забытых нынче страничках истории радиотехники, можно только приветствовать. И, я смотрю, им даже пригодились мои фотографии ;)))

Источники:

1. МАКСИМОВ М. Трохотрон - "Радио", №11, 1953г.
2. Н.Н. Хлебников. Электронные приборы (Учебное пособие). Выпуск 7. Электронно-лучевые приборы. - Ленинград, ЛЭИС, 1960.
3. Автоматизация производства и промышленная электроника. В 4 тт. Гл. ред. А.И. Берг и В.А. Трапезников. т. 2. М., "Современная энциклопедия", 1963 (Энциклопедии. Словари. Справочники). т. 2. К-Погрешность измерений. 1963.
4. Ложников Анатолий Петрович, Харченко Анатолий Михайлович. Импульсные устройства на трохотронах, М.-Л., Госэнергоиздат, 1963. (Массовая радиобиблиотека. Вып. 495).
5. Справочник по электронным приборам. Гурлев Д.С. Изд. 5-е, исправленное и дополненное. "Технiка", 1974

домой