Учебный стенд по вакуумной электронике

Представлен учебный стенд по вакуумной электронике. В его составе имеется: блок питания с максимальным выходным напряжением 100В, блок питания для питания сеток вакуумных приборов, схемы включения вакуумного диода, триода и пентода.

Ключевые слова: электронная лампа, вакуумный диод, вакуумный триод, термоэлектронная эмиссия, вакуумный усилитель, вакуумная электроника, катод, анод.

Основным недостатком полупроводниковых приборов является то, что их сравнительно легко можно вывести из строя мощными электромагнитными полями. Поэтому в ответственных случаях (например, в радиосвязи на военных объектах) используют электронные лампы.

Электровакуумные приборы находят незаменимое применение в спутниковых передатчиках, на кораблях и в центрах связи на Земле.

У твердотельных приборов при частотах более 100 GHz мощность начинает падать в зависимости от частоты как 1/ f ² , а затем как 1/ f ³ . Для преодоления этих затруднений разработчики радиоаппаратуры используют вакуумную электронику, которая является стойкой к высокому уровню радиации. [1, 2, 3, 4, 5, 6].

Поэтому данный стенд для изучения вакуумных ламп актуален для некоторых направлений подготовки студентов

Методы и практическая реализация

Целью данной работы является разработать учебный стенд по вакуумной электронике

Поскольку данный стенд является учебным, то желательно иметь относительно невысокие напряжения питания схем. Поэтому в данном стенде будет использоваться блок питания с регулируемым напряжением до 100В.

Для регуляции анодного напряжения нужен блок питания, который будет выдерживать анодный ток порядка 100мА, так как это максимальный ток самой мощной лампы 6П15П.

Технические характеристики источника

Интервалы выходного напряжения, В — 3...100;

Максимальный выходной ток, мА....................200;

Уровень ограничения выходного тока, мА..............200;

В качестве регулирующего и стабилизирующего элемента, в блоке питания применён стабилизатор LM 317. Эти стабилизаторы способны работать на высоких напряжениях, и важна только разница напряжений между входом и выходом, которая не должна превышать напряжения 40 вольт. Транзисторы IRF 840 поддерживают между входом и выходом стабилизатора напряжение в диапазоне от 18 до 20 вольт), которое обеспечивается стабилитронами VD 2, VD 3. Для защиты от короткого замыкания на выход микросхемы LM 317 включена RC цепочка ( C 2, R 7) которая улучшает переходную характеристику и шунтирует вывод ADJ , а R 3, D 5 защищают вывод ADJ микросхемы во время короткого замыкания. Ток короткого замыкания ограничивает резистор R 2, от него так же зависит и ток нагрузки (ток стабилизации) блока питания. Для управления выходным напряжением здесь используется R 6

Схема источника питания приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема блока питания

Для снятия зависимости анодного тока от напряжения на сетке был разработан блок питания с регулируемым напряжением в диапазоне от -5,1В до +5,1В. Максимальный ток на выходе данного источника напряжения составил 20мА.

Диод VD 1 пропускает только положительный полупериод переменного напряжения, равного 6,3 В, а VD 2 пропускает только отрицательный полупериод. Для сглаживания пульсаций были установлены C 1 и C 2.

Для того чтобы через R 1 и R 2 протекали токи, равные 30мА, нужно взять резисторы с номиналами 120Ом. По 10мА забирают стабилитроны VD 3 и VD 4.

В результате получается регулируемый источник напряжения с низким выходным сопротивлением и с стабильным напряжением на выходе.

Схема данного устройства показана на рисунке 2.

Рис. 2. Регулируемый источник напряжения сетки

В данный учебный стенд включает в себя схемы включения вакуумного диода, триода и пентода.

Для снятия вольт-амперной характеристики вакуумного диода необходимо устройство, которое будет изменять анодное напряжение, миллиамперметр и вольтметр с максимальным рабочим напряжением не менее 100В.

Схема данной установки показана на рисунке 3

Рис. 3. Схема электрическая принципиальная включения вакуумного диода 6Х2П

Для снятия анодных и сеточных характеристик вакуумного триода необходимо устройство, которое будет изменять анодное напряжение, миллиамперметр и два вольтметра с максимальными рабочими напряжениями не менее 100В, а также устройство, которое будет изменять напряжение на сетке.

Схема данной установки показана на рисунке 4.

Рис. 4. Схема электрическая принципиальная включения вакуумного триода 6Н2П

Для снятия анодных и сеточных характеристик вакуумного пентода необходимо устройство, которое будет изменять анодное напряжение, миллиамперметр и два вольтметра с максимальными рабочими напряжениями не менее 100В, а также устройство, которое будет изменять напряжение на сетке.

Схема данной установки показана на рисунке 5.

Рис. 5. Схема электрическая принципиальная включения вакуумного пентода 6П15П

Заметим, что напряжение на электродах лампы определяется относительно катода. Напряжение на аноде всегда положительно, а на сетке может быть как положительным, так и отрицательным. Если подать на сетку достаточно большое отрицательное напряжение, то электроны не смогут преодолеть отталкивающее действие потенциала сетки, и анодного тока не будет (лампа «заперта»).

При положительном сеточном напряжении поток электронов сильно возрастает. При определённом значении напряжения на сетке Uc анодный ток достигает максимальной величины и при дальнейшем повышении напряжения остается постоянным, равным I a.

Это явление называется насыщением, а ток I н — током насыщения. Насыщение обусловлено тем, что все электроны, испускаемые катодом, достигают анода. При токе насыщения электронное облако вокруг катода полностью рассасывается [7, 8, 9, 10].

Заключение

Был разработан учебный стенд по вакуумной электронике, который позволяет снимать анодные характеристики вакуумных ламп в диапазоне анодного напряжения от 3–100В и сеточные характеристики в диапазоне напряжения от -5,1В до +5,1В. Главное достоинство данного стенда — это его простота, что и предопределяет его успешное использование в учебном процессе для изучения анодных и сеточных характеристик вакуумных ламп.

Литература:

1. Srivastava, Eur. J. Adv. Eng. Techol., 2 (8), 54 (2015).
2. М. Майская, Электроника: НТБ, № 6, 44 (2013).
3. G. P. Gallerano, S. Biedron, in Proc. of the 2004 FEL Conf., ed. by R. Bakker, L. Giannessi, M. Marsi, R. Walker (Graphart TS, Trieste, Italy, 2004), vol. 1, p. 216.
   1. Baig, L. R. Barnett, D. Gamzina, N. C. Luhmann, Jr., PIER Lett., 41, 135 (2013).
4. Письма в ЖТФ, 2021, том 47, вып. 10, Алмазные фотокатоды как полевые катоды для вакуумной микроэлектроники, Э. А. Ильичев 1, А. Е. Кулешов 1, Г. Н. Петрухин 1, П. В. Минаков 2, Г. С. Рычков 1,¶, В. В. Сень 3, Е. Г. Теверовская 1 1 Национальный исследовательский университет ” МИЭТ“, Москва, Зеленоград, Россия 2 Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, Москва, Россия 3 Институт нанотехнологий микроэлектроники РАН, Москва, Россия
5. D. D. Hinshelwood, R. J. Allen, R. J. Commisso, G. Cooperstein, B. M. Huhman, D. Mosher, D. P. Murphy, P. F. Ottinger, J. W. Schumer, S. B. Swanekamp, S. J. Stephanakis, B. V. Weber, F. C. Young, I. Crotch, J. O’Malley, J. R. Threadgold, IEEE Trans. Plasma Sci., 35 (3), 565 (2007). DOI: 10.1109/TPS.2007.895227
6. В. Е. Фортов, Физика высоких плотностей энергии (Физматлит, М., 2013).
7. Б. А. Демидов, В. П. Ефремов, В. А. Петров, А. Н. Мещеряков, Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, № 9, 18 (2009). [B. A. Demidov, V. P. Efremov, V. A. Petrov, A. N. Mescheryakov, J. Synch. Investig., 3 (5), 673 (2009). DOI: 10.1134/S1027451009050036
8. В. И. Олешко, Пороговые процессы в твердых телах при взаимодействии с сильноточными электронными пучками, автореф. докт. дис. (ТПУ, Томск, 2009).
9. Письма в ЖТФ, 2019, том 45, вып. 12, Вольт-амперные характеристики начальной стадии дугового разряда в высоковольтном вакуумном диоде © С. Г. Давыдов, А. Н. Долгов ¶, А. В. Корнеев, Р. Х. Якубов Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н. Л. Духова, Москва, Россия