Физические основы электроники. Электронные приборы

Физические основы электроники. Электронные приборы
Электрический ток в вакууме. Электроника изучает принцип действия, устройство и применение электронных, ионных и полупроводниковых приборов. Электронными называют приборы, в основе работы которых лежит явление движения свободных электронов в высоком вакууме, где практически отсутствуют столкновения электронов с молекулами газа. К этим приборам относятся электронные лампы (двух-, трех- и многоэлектродные), фотоэлементы, электронно-лучевые трубки и т. д.
Электрический ток в электронных (вакуумных) приборах создается потоком свободных электронов, движущихся от отрицательно заряженного электрода (катода) к положительно заряженному (аноду). В проводниках имеется большое число свободных электронов, которые беспорядочно перемещаются между атомами вещества. При определенных условиях электронам сообщается дополнительная энергия, благодаря которой свободные электроны могут не только перемещаться между атомами, но и выйти за пределы металла в окружающую среду. Это явление называется электронной эмиссией.
Двухэлектродная электронная лампа. Двухэлектродная лампа (диод) представляет собой стеклянный или металлический баллон, в котором создан высокий вакуум, в баллоне укреплены два электрода – анод и катод. Анод имеет цилиндрическую или призматическую форму и изготовляется из стали, никеля, молибдена. Внутри анода помещается катод – прямого накала или подогревный.
Катод прямого накала представляет собой нить из тугоплавкого металла, как правило вольфрама, разогреваемую электрическим током. Подогревный катод – это полый цилиндр, на поверхность которого нанесен оксидный слой. Внутри катода расположен нагреватель из вольфрамовой проволоки. Такая конструкция облегчает выход электронов.

Рис. 9.1. Устройство диода и его обозначение на схемах (а),
схема включения диода (б)
На рис. 9.1, а показано устройство диода и схемы диодов с катодами прямого накала и подогревного, а на рис. 9.1, б –схема включения диода. При подключении к диоду источника постоянного тока (анодное напряжение) таким образом, что «+» батареи подключен к аноду, а «–» – к катоду, внутри лампы образуется постоянное электрическое поле, под действием которого электроны, вылетающие из катода, устремляются к аноду, т. е. через лампу начнет протекать электрический ток, направление которого принято считать обратным движению потока электронов. Этот ток называют анодным током лампы. Если подключить источник постоянного тока наоборот – «–» к аноду и «+» к катоду, анодный ток протекать не будет, так как вылетающие электроны попадают в тормозящее поле и возвращаются на катод. Таким образом, лампа обладает односторонней проводимостью и поэтому используется для выпрямления переменного тока.

Рис. 9.2. Вольт-амперная характеристика диода
Зависимость: анодного тока от анодного напряжения при постоянном напряжении накала  называют анодной (вольт-амперной) характеристикой диода (рис. 9.2).
Диоды, изготовляемые специально для выпрямления переменного тока, называют кенотронами. Часто в одном баллоне размещают два диода. Они могут иметь два анода и два катода на одну общую нить накала или даже один общий катод. Такие лампы называют двойными диодами.
Трехэлектродная лампа. Трехэлектродная лампа (триод) отличается от диода тем, что имеет третий электрод – управляющую сетку, которая выполнена в виде спирали из вольфрама, никеля, молибдена или их сплавов. Сетка располагается между анодом и катодом (ближе к катоду). На рис. 9.3, а, б приведено схематическое устройство триода и его изображение на схемах. Сетка служит для управления анодным током, благодаря чему лампа приобретает усилительное действие. Усиление слабых сигналов – основное назначение триода.

Рис. 9.3. Схематическое устройство триода и его обозначение по схеме:
А – анод; К – катод; С – сетка; Н – нить накала
На рис. 9.4, с, б приведены схема включения триода и янодно-сеточная статическая характеристика:

Рис. 9.4. Схема включения триода (а) и анодно-сеточная
статическая характеристика (б)
Если к сетке подключить источник сеточного напряжения  , то в зависимости от знака и потенциала на сетке будет изменяться ток в анодной цепи. При увеличении положительного потенциала сетки анодный ток увеличивается, причем небольшое изменение напряжения приводит к значительному изменению анодного тока, т. е. лампа работает как усилитель слабых электрических сигналов.
По анодно-сеточной характеристике определяют один из основных параметров триода – статическую крутизну характеристики или просто крутизну:

(9.1)

Крутизна выражается в мА/В.
Другим важным параметром триода является внутреннее сопротивление  характеризующее изменение анодного тока в зависимости от изменения анодного напряжения  при постоянном напряжении на сетке  :

(9.2)

Статический коэффициент усиления – представляет :

(9.3)

Коэффициент  и показывает, во сколько раз сильнее изменение напряжения на сетке действует на анодный ток, чем такое же изменение анодного напряжения. Для различных типов триодов  колеблется от 50 до 100.
Все три рассмотренных параметра связаны следующим соотношением:

(9.4)