Элементная база современных электронных устройств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Элементная база современных электронных устройств



1. Элементная база современных электронных устройств

В начале своего развития и в течение нескольких десятилетий после этого электроника опиралась почти исключительно на применение ионных и электронных электровакуумных приборов. Однако, начиная с 70 гг. прошлого столетия основными элементами современной электроники почти во всех ее областях стали полупроводниковые приборы.

Техника полупроводниковых приборов стала большой и очень важной областью электроники. Замена электронных ламп полупроводниковыми приборами успешно осуществлена во многих радиотехнических устройствах. Промышленность выпускает большое число различных полупроводниковых приборов.

По сравнению с электронными лампами полупроводниковые приборы имеют существенные достоинства:

- малую массу и малые размеры;

- отсутствие затрат энергии на накал;

- более высокую надежность и срок службы (десятки тысяч часов и более);

- большую механическую прочность (стойкость к вибрациям и ударам);

- более высокий КПД, так как потери энергии в самих приборах незначительны;

- возможность работы при низких питающих напряжениях;

- возможность использования в микроэлектронном исполнении;

- более низкую стоимость;

Вместе с тем полупроводниковые приборы обладают некоторыми недостатками:

- параметры и характеристики отдельных экземпляров данного типа приборов имеют значительный разброс;

- свойства и параметры приборов сильно зависят от температуры;

- свойства и параметры приборов с течением времени ухудшаются (старение);

- собственные шумы иногда больше, нежели у электронных ламп;

- входное сопротивление у многих транзисторов значительно меньше, чем у электронных ламп;

- полезная мощность транзистора меньше, чем у электронной лампы;

- работа большинства полупроводниковых приборов резко ухудшается под действием радиоактивного излучения;

Широким фронтом ведутся исследования по улучшению полупроводниковых приборов, по применению для них новых материалов. Созданы полупроводниковые выпрямители на токи в тысячи ампер, транзисторы на частоты до единиц Терагерц.

Однако, некоторые образцы современного радиоэлектронного оборудования до сих пор в своем составе содержат электровакуумные приборы. Связанно это, прежде всего с тем, что разработанные в последние время образцы полупроводниковых элементов все же не могут в полной мере обеспечить требуемые характеристики. В связи с этим мы с вами кратко ознакомимся с разновидностью электровакуумных приборов и их условным графическим обозначением.



2. Электровакуумные и газоразрядные приборы

2.1 Электронные приборы

Определение. Электровакуумными называют приборы, принцип работы которых основан на использовании электрических явлений в газах или вакууме, происходящих в рабочем пространстве, изолированном от окружающей среды газонепроницаемой оболочкой (баллоном).

Электровакуумные и газоразрядные приборы выполняются в виде стеклянного, керамического или металлического баллона, внутри которого в условиях высокого вакуума или инертного газа размещаются электроды: катод, анод, сетки. Катод является излучателем (эмиттером) свободных электронов, анод - собирателем (коллектором) носителей заряда. С помощью сеток или управляющих электродов осуществляется управление анодным током.

Для того, чтобы получить представление об электровакуумных и газоразрядных приборах используемых в авиационном РЭО рассмотрим их классификацию.

2.1.1 Классификация и условное графическое обозначение

1. По количеству электродов электронные приборы делятся на двухэлектродные (электровакуумные диод), трехэлектродные (электровакуумный триод), и многоэлектродные лампы.

Рис. 1. Условное графическое обозначение электровакуумного диода

Электровакуумный диод - это двухэлектродная лампа, состоящая из катода и анода. Если напряжение на аноде положительное, относительно катода, то электроны, эмитируемые катодом, движутся к аноду, создавая анодный ток. При отрицательном напряжении на аноде тока нет, следовательно, диод проводит только в одном направлении. Это свойство диода определяет его основное назначение - выпрямление переменного тока. Условное графическое обозначение электровакуумного диода представлено на рис. 1.

Электровакуумный триод - это трехэлектродная лампа, у которой между анодом и катодом расположена сетка. Сетка предназначена для регулирования тока анода. Напряжение на сетке изменяет поле между анодом и катодом и таким образом влияет на ток анода. Если напряжение на сетке отрицательно по отношению к катоду, то она оказывает тормозящие действие на электроны, эмитируемые катодом, в результате анодный ток уменьшается. При положительном напряжении на сетке она оказывает ускоряющее действие на электроны, увеличивая анодный ток. При этом часть электронов попадает на сетку создавая сеточный ток. Следовательно, сетка является управляющим электродом, напряжение на котором позволяет изменять ток анода.

Условное графическое обозначение электровакуумного триода приведено на рис. 2.

Рис. 2. Условное обозначение электровакуумного триода



Для увеличения влияния на ток анода сетка располагается ближе к катоду. При отрицательном напряжении на сетке ток в ней практически отсутствует.

а) б)

Рис. 3. Условное графическое обозначение триодов: а - с катодной сеткой; б - с экранной сеткой

К многосеточным лампам относятся: тетроды - с двумя сетками, пентоды - с тремя сетками, гексоды - с четырьмя сетками, гептоды - с пятью сетками и октоды - с шестью сетками. Наибольшее распространение получили тетроды и пентоды.

У тетродов одна из сеток называется управляющей и имеет отрицательное напряжение. Другая сетка располагается либо между управляющей и анодом или между управляющей и катодом. В первом случае такая сетка называется экранирующей, во втором - катодной.

Условное графическое обозначение электровакуумных тетродов приведено на рис. 3.

В тетродах с экранирующей сеткой ток катода распределяется между экранирующей сеткой и анодом. Основным преимуществом такого тетрода является снижение емкости между анодом и управляющей сеткой. Экранирующая сетка снижает эту емкость до долей пикофарады и уменьшает проницаемость анода.

Однако близость экранирующей сетки к аноду имеет недостаток, заключающийся в том, что при низком напряжении на аноде проявляется динатронный эффект - снижение тока анода за счет вторичной эмиссии (провал на анодной характеристике (рис. 3.4)). При этом вторичные электроны не возвращаются обратно на катод, а захватываются экранирующей сеткой.

Пентодом называют лампу с тремя сетками. Внедрение третьей сетки обусловлено необходимостью устранения динатронного эффекта, свойственного тетроду. Эта сетка называется защитной (или антидинатронной) и располагается между экранирующей сеткой и анодом. Напряжение на этой сетке обычно делают равным напряжению на катоде, для этого иногда ее соединяют с катодом внутри колбы. Устранение динатронного эффекта получается благодаря потенциальному барьеру, образовавшемуся в пространстве между анодом и экранирующей сеткой. Вместе с тем этот потенциальный барьер не представляет значительного препятствия для электронов, движущихся к аноду с большой скоростью.

2. По конструктивным особенностям цепи накала электронные лампы делятся на лампы с катодами прямого накала и лампы с катодами косвенного накала.

Катод прямого накала представляет собой металлическую нить из материала с большим сопротивлением (вольфрама или тантала), по которой проходит ток накала. Такой катод отличается малыми тепловыми потерями, простотой устройства и малой тепловой инерцией. Недостатком такого катода является то, что его необходимо питать постоянным током. При питании переменным током частотой 50 Гц ток эмиссии изменяется с удвоенной частотой питающего напряжения, что создает нежелательный шумовой низкочастотный фон.

Катод косвенного накала представляет трубку, внутри которой размещена нить накала. Нить накала изолирована от катода. В результате практически сглаживаются пульсации температуры и тока эмиссии при питании накала переменным током.

3. По назначению лампы делятся на приемо-услительные, генераторные, частотно-преобразовательные, детекторные, измерительные и так далее.

4. В зависимости от диапазона рабочих частот различают лампы низких (от 1 - 30 МГц), высоких (от 30 до 600 МГц) и сверхвысоких (свыше 600 МГц) частот.

5. По виду электронной эмиссии различают лампы с термоэлектронной, вторичной и фотоэлектронной эмиссией.

Электронная эмиссия необходима для создания внутри электровакуумного прибора между электродами потока электронов.

Под термоэлектронной эмиссией понимают процесс выхода электронов из твердых или жидких тел в вакуум или газ.

Под вторичной электронной эмиссией понимается испускание электронов телом вследствие бомбардирования его электронами, испускаемым другим телом.

Под фотоэлектронной эмиссией понимается испускание электронов телом, находящимся в потоке лучистой энергии.

2.1.2 Характеристика и параметры

Характеристики лампы выражают зависимость токов от напряжений в различных ее цепях. Свойства электронных ламп оценивают по анодным или анодно-сеточным статическим характеристикам.

Анодной статической характеристикой называется графически выраженная зависимость анодного тока I_a от напряжения на аноде U_a. Зависимость I_a = f(U_a) снимают для нескольких неизменных значений напряжения U_с (исключение составляют анодные характеристики диода). Внешний вид анодной характеристики определяется количеством электродов в лампе (рисунок 4).



а) б)

в) г)

Рис. 4. Анодные характеристики электронных ламп: а - диода; б - триода; в - тетрода; г - пентода

Анодно-сеточными статическими характеристиками называют графически выраженные зависимости анодного тока I_а от напряжения на сетке U_c при фиксированных значениях анодного напряжения U_а. Также как и для анодных характеристик зависимости I_а = f(U_с) снимают для нескольких неизменных значений анодного напряжения U_а. (рисунок 5).

Чем больше анодное напряжение U_а, тем выше и левее расположены анодно-сеточные характеристики I_а = f(U_с). Объясняется это тем, что при более высоком анодном напряжении на сетку необходимо подавать большее отрицательное напряжение, чтобы результирующее электрическое поле в пространстве между катодом и сеткой осталось неизменным по величине.

К основным электрическим параметрам электровакуумного диода относятся следующие: электровакуумный газоразрядный прибор

1. Внутреннее сопротивление постоянному току:

,

где U_А - постоянная составляющая анодного напряжения, I_А - постоянная составляющая анодного тока.

а) б)

Рис. 5. Анодно-сеточные характеристики электронных ламп: а - триода; б - пентода

2. Внутреннее дифференциальное сопротивление R_д диода представляет собой сопротивление пространства между анодом и катодом для переменного тока. Оно является величиной, обратной крутизне и определяется с помощью анодных статических характеристик (рис. 3.4, а):

[Ом],

и обычно составляет сотни, а иногда и десятки Ом.

Обычно сопротивление R₀ больше R_д.

3. Крутизна S показывает, как изменится анодный ток при изменении анодного напряжения и выражается следующей зависимостью:



.

4. Напряжение накала U_н - напряжение, подаваемое на подогреватель. Эта величина является паспортной. При недонакале лампы уменьшается температура катода, а следовательно, и ток эмиссии. При повышении напряжения накала резко U_н резко сокращается срок службы катода, поэтому не допускается отклонение напряжения накала больше чем на 10% от номинального.

5. Ток эмиссии I_е - максимальный ток, который может быть получен в результате эмиссии электронов термокатодом. Он представляется суммарным зарядом электронов, покинувших термокатод за одну секунду.

6. Допустимое обратное напряжение диода U_{обр max} - максимальное отрицательное напряжение на аноде, которое может выдержать диод без нарушения свойств односторонней проводимости.

Параметры некоторых серийных электровакуумных диодов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Основные параметры серийных электровакуумных диодов

Тип диода	Назначение	Ток эмиссии катода, мА	Внутреннее сопротивление, Ом	Напряжение накала, В	Род накала
6Х2П	Детектор колебаний	30	200	6,3	Косвенный
6Д20П	Демпфер (гаситель) колебаний	600	85	6,3	Косвенный
1Ц11П	Высоковольтный выпрямитель	4	300	1,2	Прямой
6Ц4П	Кенотрон (диод используемый в выпрямителях)	300	100	6,3	Косвенный

К основным электрическим параметрам электронных ламп состоящих из трех и более электродов относятся:

1. Внутреннее (выходное) сопротивление лампы представляет собой сопротивление промежутка анод - катод лампы для переменной составляющей анодного тока и определяется по формуле:

,

где U_а - изменение напряжения на аноде, В; I_а - изменение анодного тока, мА. Для электровакуумных диодов внутреннее сопротивление носит название сопротивления переменному току и определяется как:

2. Крутизна характеристики S показывает, на сколько миллиампер изменится анодный ток лампы при изменении напряжения на управляющей сетке на 1 В при постоянных напряжениях на аноде и остальных сетках:

,

где U_с - изменение сеточного напряжения, В.

Следует отметить, что чем больше крутизна, тем сильнее управляющее действие сетки и тем выше усиление лампы можно получить при прочих равных условиях.

3. Статический коэффициент усиления показывает, во сколько раз изменение напряжения на первой сетке сильнее действует на анодный ток, чем изменение анодного напряжения. Коэффициент усиления определяется отношением изменения анодного напряжения к изменению сеточного напряжения, одинаково воздействующих на анодный ток:

4. Мощность, рассеиваемая на аноде, определяется по формуле:

.

5. Выходная мощность Р_вых характеризует полезную мощность, отдаваемую лампой во внешнюю цепь.

Параметры некоторых серийных триодов, тетродов и пентодов приведены в табл. 2.

Таблица 2. Основные параметры серийных триодов, тетродов и пентодов

Тип лампы	Назначение	Крутизна, мА/В	Коэффициент усиления	Внутреннее сопротивление, Ом	Ток анода, мА
6С15П	Усилитель колебаний (триод)	45	52	1200	15
6С33С	Стабилизатор напряжения (триод)	40	4	100	550
6С44Д	Генератор колебаний (триод)	6	40	7000	30
6Э6П	Широкополосный усилитель (тетрод)	30	450	15000	45
6Ж20П	(Пентод с катодной сеткой)	40	1500	90000	16
6Ж50П	(Пентод с антидинатронной сеткой)	6	3000	90000	25

2.2 Газоразрядные приборы

Ионными и газоразрядными называют электронные приборы, в которых используется электрический разряд в газовой среде, сопровождающийся направленным движением электронов и ионов.

Электрическим разрядом в газовой среде называют совокупность являений, связанных с прохождением тока через пространство, заполненное газом и называемое разрядным промежутком.

Электрический ток в разрядном промежутке ионных приборов при давлении газа, превышающем 10^-4 мм рт. ст. возникает в результате столкновения свободных электронов с атомами газа.

Основное отличие ионных приборов от электровакуумных заключается в том, что прохождение электрического тока через разрядный промежуток ионного прибора сопровождается направленным движением положительных ионов.

Заряды положительных ионов компенсируют пространственный отрицательных заряд электронов и этим уменьшают электрическое сопротивление разрядного промежутка.

Процесс ионизации атомом газа нарастает лавинообразно, поэтому для ограничения тока последовательно с газоразрядным прибором включают ограничительный резистор.

Для того, чтобы получить представление об газоразрядных приборах используемых в авиационном радиоэлектронном оборудовании рассмотрим их классификацию.

2.2.1 Классификация и условное графическое обозначение

Все газоразрядные приборы в основном делятся на приборы с самостоятельным и несамостоятельным видами разрядов.

Рис. 6. Условное графическое обозначение неоновой лампы

Приборы с самостоятельным разрядом имеют не подогреваемые (холодные) катоды. В этих приборах носителями зарядов являются электроны и ионы, образующиеся в результате ионизации газа. Для поддержания самостоятельного разряда достаточно наличия электрического поля необходимой напряженности и не требуется внешних источников ионизации.

К ним приборам с самостоятельным разрядом относятся: неоновые (сигнальные) лампы, стабилитроны, тиратроны тлеющего разряда (газоразрядные приборы с управляемым поджигом), декатроны (десятичные счетчики), защитные газовые разрядники и так далее.

Приборы с несамостоятельным разрядом имеют подогревный (как у электронных ламп) катод. Поэтому носителями зарядов в них, наряду с электронами и положительными ионами ионизированного газа, являются и электроны, эмитированные катодом. На принципе несамостоятельного разряда работают газотроны (газонаполненные аналоги диодов) и тиратроны дугового разряда.

2.2.2 Характеристики и параметры

К основным электрическим параметрам газоразрядных приборов относятся следующие:

1. Напряжение зажигания U_заж - напряжение, приложенное между электродами, при котором в приборе возникает электрический разряд; оно определяет минимальное напряжение источника в схеме.

2. Напряжение стабилизации U_ст (для газоразрядных стабилитронов) - напряжение между анодом и катодом, которое стабилитрон поддерживает постоянным.

3. Максимальный I _{ст. макс} и минимальный I _ст.мин токи стабилизации (для газоразрядных стабилитронов) - токи при которых сохраняется стабилизирующее действие прибора.

4. Изменение напряжение стабилизации U_cт (для газоразрядных стабилитронов) - допустимое изменение напряжения стабилизации в рабочем диапазоне токов от I _{ст. макс} до I _ст.мин.



3. Электронно-лучевые приборы

Электронно-лучевыми приборами называют разновидность электровакуумных приборов, действие которых основано на использовании одного или нескольких концентрированных пучков (лучей) электронов. Электронно-лучевые приборы часто выполняются в виде трубки, вытянутой в направлении луча, поэтому такие приборы называют электронно-лучевыми трубками.

Для того, чтобы получить представление об электронно-лучевых приборах используемых в авиационном РЭО рассмотрим их классификацию.

3.1 Классификация и условное графическое обозначение

1. По назначению электронно-лучевые приборы делятся на приемные, передающие, запоминающие и рентгеновские. В авиационных радиотехнических устройствах наибольшее применение нашли приемные трубки.

Приемным называется электронно-лучевой прибор, преобразующий электрический сигнал в оптическое изображение. К приемным трубкам относятся: осциллографические трубки, индикаторные трубки, кинескопы.

Осциллографические трубки предназначены для графического воспроизведения формы электрического сигнала, управляющего положением электронного пучка на люминесцентном экране. Они применяются главным образом в измерительной технике - осциллографах, осциллоскопах и так далее.

Индикаторные трубки предназначены для визуального отображения на экране информации, поступающей в виде электрических сигналов, управляющих интенсивностью отклоняемых по определенному закону электронных пучков. В авиационных радиотехнических устройствах индикаторные трубки применяются в системах единой индикации.

Кинескоп - это приемная трубка, применяемая для воспроизведения телевизионных изображений.

2. В зависимости от способа управления электронным лучом электронно-лучевые трубки делятся на трубки с электростатическим управлением и магнитным управлением.

В трубках с электростатическим управлением фокусирование и отклонение электронного луча производится с помощью электростатических полей.

Достоинством электростатических трубок является малая инертность и малое потребление энергии.

К недостаткам можно отнести малые углы отклонения электронного луча.

В трубках с магнитным управлением фокусирование и отклонение электронного луча производится с помощью магнитного поля. Магнитная отклоняющая система, как правило, используется в радиолокационных трубках.

Достоинством трубок с магнитным управлением является возможность получения меньших сечений светового пятна на экране и соответственно лучшей контрастности и четкости изображения. К недостаткам можно отнести высокую инертность, существенные затраты на управление, большую массу и габариты.

Условное графическое обозначение электронно-лучевых трубок имеет следующий вид:

3.2 Характеристики и параметры

Свойства электронно-лучевых приборов характеризуется их параметрами. К основным электрическим параметрам электронных трубок можно отнести следующие:

1 Диаметр (диагональ) экрана d_э измеряемая между двумя противоположными углами.

2. Минимальное сечение светящегося пятна d_п определяется площадью пятна в центре экрана.

3. Контраст экрана, определяемый как отношение яркости наиболее светлых, возбужденных до заданного уровня участков экрана, к яркости его самых темных, не возбужденных электронным лучом участков.

4. Под чувствительностью трубки понимается отношение величины линейного смещения светящегося пятна h, происходящей при изменении напряжения U_откл в отклоняющей системе на один вольт:

.



Выводы

1. Основными элементами современной электроники являются полупроводниковые приборы. Однако, не смотря на все их достоинства в отдельных образцах РЭО используются электровакуумные приборы.

2. В электронно-управляемых лампах проводимость осуществляется посредством электронов движущихся между электродами в вакууме. В свою очередь в газоразрядных приборах проводимость осуществляется за счет ионизации намеренно введенного газа или пара.

4. Действие электронно-лучевых приборов основано на управлении сфокусированным электронным пучком посредством отклоняющей системы.

Размещено на Allbest.ru

...