Фотоэлементы и другие приборы

В фотоэлементах световая энергия преобразуется в электрическую. Существуют три разновидности фотоэлементов: с внутренним фотоэффектом, с запирающим слоем и с внешним фотоэффектом. Первые два типа фотоэлементов применяются в фотоэкспонометрах и различных автоматах для включения вечернего освещения витрин, для открывания дверей, сигнализации о проходящих через какой-либо канал предметах и т. д. (счетчики). Лишь элементы с внешним фотоэффектом являются электровакуумными изделиями, производимыми на радиоламповых заводах.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом изготовляются в двух вариантах — пустотные и газонаполненные. В баллончиках газонаполненных элементов полного вакуума нет и молекулы газа, ионизируясь при работе элемента, создают повышенные токи. Этим достигается большая чувствительность газонаполненных фотоэлементов. Устройство и действие обычного фотоэлемента типа ЦГ-3 (цезиевый, газонаполненный, третья модель), применяющегося в звуковом кино для „чтения" звуковой дорожки фильмов и воспроизведения таким образом записанных там звуков, поясняется на рис. 47 а.

На одной из стенок стеклянного пустотного баллончика имеется активный слой Ц, называемый катодом, а внутри баллончика — изолированный кольцеобразный электрод, называемый анодом. Когда на активный слой сквозь расположенную против него прозрачную стенку баллончика падает свет, его энергией производится работа вырывания электронов из поверхности катода, которые эмитируют в тем больших количествах, чем интенсивнее освещение. Вследствие ионизации молекул газа число электронов, достигающих анода, значительно больше числа эмитировавших.

Фотоэлементы и другие приборы

Рис. 47. Фотоэлемент (я), фотоумножитель (б), многокамерный магнетрон (в) и клистрон (г).

В цепи анод —катод возникает ток, создающий падение напряжения на сопротивлении нагрузки R, далее усиливаемое и используемое для тех или иных целей. Современные фотоэлементы обладают чувствительностью, измеряемой в микроамперах на люмен (мка/люм), поэтому обычно их токи приходится значительно усиливать, прежде чем превращать в звук и осуществлять другие превращения.

Характеристики у электронных фотоумножителей несколько иные. Эти приборы обладают, по сравнению с фотоэлементами, во много сотен тысяч раз большей чувствительностью, измеряющейся уже несколькими амперами на люмен. В фотоумножителях используется динатронный эффект. Принцип действия поясняется рис. 47 б. Подвергаемый воздействию слабого светового потока катод К действует так же, как катод фотоэлемента, однако эмитированным электронам придается большая скорость и они падают на анод I, выбивая большое количество вторичных электронов. Напротив анода / расположен анод //, а рядом III и т. д. Напряжения питания на анодах возрастают так, что каждый предшествующий анод является для каждого последующего катодом, исторгающим во все больших количествах вторичные электроны.

Поверхности анодов для усиления динатронного эффекта активированы цезием. Если в каждом катоде фотоумножителя число вторичных электронов в 10 раз превышает число упавших на анод, то для получения усиления первичного фототока в миллион раз достаточно шести каскадов. Разумеется, миллионное усиление нетрудно осуществить и с помощью обычных электронно-ламповых усилителей, однако громоздкость всего устройства и потребность в большом расходе питания заставляет в очень многих случаях предпочитать применение фотоэлектронных умножителей. С помощью этих приборов производятся количественные определения весьма слабых потоков лучистой энергии, что бывает нужным, например, при измерениях силы света далеких звезд, измерениях светорассеяния и т. д.

Магнетроны действуют с использованием влияния равномерного специально создаваемого постоянного мощного магнитного поля на летящие свободные электроны. Это влияние таково, что электроны обязательно движутся по дуге окружности и могут начать описывать замкнутые окружности, если поле ориентировано перпендикулярно к траекториям их движения и оно достаточно сильное, или начальная скорость их была невелика. В настоящее время применяются исключительно так называемые многокамерные магнетроны, разработанные русскими учеными Алексеевым и Маляровым в 1940 г.

Действие такого магнетрона поясняется рис. 47 в. Сильное магнитное поле направлено перпендикулярно к плоскости рисунка, вследствие чего эмитированные линейным (цилиндрическим) катодом электроны движутся от катода к аноду не по радиусам, а спиральными траекториями, постепенно отходящими от катода в радиальном направлении. Электроны как бы клубятся вокруг катода, образуя своеобразное "колесо", вращающееся с огромной скоростью во внутренней полости магнетрона, концентрически с ней. Плотность электронов вдоль окружности этого колеса непостоянна, так как из-за взаимодействия со щелями часть электронов несколько замедляет, а часть ускоряет свое движение, в результате чего по окружности колеса происходит симметричное группирование электронов. В полости восьмикамерного магнетрона, например, во время его работы по окружности вдоль щелей несутся расположенные на равных угловых расстояниях друг от друга четыре мощных пространственных скопления электронов, электростатически индуктирующих во всех камерах синхронные и синфазные с. в. ч. колебания.

Колебательная энергия возникает за счет действия анодного напряжения, сообщающего электронам большую скорость. Торможение, испытываемое пространственными зарядами со стороны резонирующих камер магнетрона, сопровождается переходом колебательной энергии к камерам, которые все связаны между собою общей центральной полостью. Указанная взаимосвязь позволяет отбирать полную колебательную мощность от магнетрона через виток связи, смонтированный только в одной из камер, причем нагрузку от этого все камеры испытывают одновременно. С помощью магнетронов создаются сверхвысокочастотные колебания больших мощностей на частотах, соответствующих волнам до 1 см и даже до нескольких миллиметров, т. е. более чем 3·1011 мггц. Никакими другими электронными приборами этого добиться нельзя.

Частота создаваемых магнетронами колебаний в основном задается размерами его камер и щелей, поэтому она почти не регулируется, что не всегда удобно. Регулировка в весьма узких пределах возможна посредством изменений режима питания и теплового режима (охлаждения).

Несколько похожими на многокамерные магнетроны по принципу действия электронными приборами, усиливающими или создающими вновь с.в.ч. колебания, являются клистроны. Так же, как и в магнетронах, колебания здесь локализуются в объемных резонаторах, однако, в отличие от магнетронов, заряды движутся не по кругу, а прямолинейно, причем формирование пульсаций их плотности осуществляется без помощи магнитного поля, чисто электростатическим путем.

Работа клистрона поясняется рис. 47 г. Здесь 1 — катод, 2- ускоряющий электрод, придающий электронам большую скорость, 3 — объемный резонатор, при слабом возбуждении которого скорость в пучке проходящих сквозь него электронов меняется так, что в „пространстве дрейфа" 4 происходит их группирование в „пакеты" и 5 — второй резонатор, одинаковый с первым, в котором пролетающие сгруппированные электроны индуктируют усиленные с.в.ч. колебания, выходя далее почти равномерным потоком. Если второй резонатор связать с первым через петли связи, двухкамерный клистрон может сам генерировать с.в.ч. колебания, соответствующие параметрам его объемных резонаторов. В отражательных клистронах процесс генерирования колебаний протекает несколько иначе Там имеется всего один объемный резонатор, за которым помещен отрицательно заряженный электрод, „отражающий" электронный пучок обратно к резонатору. В пространстве дрейфа под действием электрического поля резонатора электроны группируются и, проходя вторично сквозь объемный резонатор, отдают ему свою кинетическую энергию, возбуждая усиленные с.в.ч. колебания. Процесс груп- пирования электронов в пространстве дрейфа можно иллюстрировать таким примером.

Представим себе жонглера, бросающего вверх правой рукой шарики через равные промежутки времени, но с неодинаковой силой: первый шарик он бросает высоко, а второй — с таким расчетом, чтобы оба шарика попали к нему же в левую руку одновременно. Таким же способом совершается и группирование электронов в пространстве дрейфа отражательного „клистрона". Позднее вылетающие электроны совершают пути соответственно меньшей длины и возвращаются одновременно с вылетевшими ранее, на лету группируясь в пакеты.

Кроме электронных, в электротехнике и радиотехнике используются также ионные приборы, простейшим представителем которых является общеизвестная неоновая лампочка.

В баллоне этой лампочки имеется два „холодных" электрода, между которыми при подведении к ним напряжения возникает „тлеющий" разряд. Если силу тока не ограничивать, тлеющий разряд превращается в дуговой, обычно разрушающий лампу, поэтому в сигнальных неоновых лампах почти всегда имеется ограничительное сопротивление, скрытое в цоколе.

Тлеющий разряд образуется из-за ионизации газа под действием приложенного электрического поля, причем напряжение зажигания всегда выше напряжения, при котором разряд прекращается

Па рис. 48 б показана типичная характеристика работы неонового генератора. На рис. 48 а приведена схема неонового генератора, действующая следующим образом. При подключении напряжения Е сначала через R пойдет ток, заряжающий конденсатор С. Когда напряжение на конденсаторе поднимется до величины напряжения зажигания, возникнет разряд через лампу, прекращающийся, когда конденсатор достаточно разрядится. Так как Е подключено постоянно, с прекращением разряда напряжение на конденсаторе немедленно станет увеличиваться и вскоре лампа опять разрядит конденсатор. Процесс будет периодически повторяться.

Фотоэлементы и другие приборы

Рис. 48. Неоновый генератор (а) и график измерений генерируемого напряжения (б).

На рис. 48 б приведен график изменений напряжения на конденсаторе, происходящих при действии схемы. Такие колебания по сходству их графика с графиками, иллюстрирующими явление упругого последействия (релаксации), в механике называют релаксационными, а неоновый генератор — релаксационным генератором, или релаксатором. Подключив к клеммам „вых“ наушники, генерируемые колебания можно слышать. Частота их поддается приблизительному расчету по формуле

Фотоэлементы и другие приборы

однако точный расчет практически невозможен, так как работа неонового генератора изменяется от нагревания или охлаждения лампы, при ее освещении сильным светом и при изменениях режима отбора получаемого эффекта через клеммы „вых".

Тлеющий разряд используется для сглаживания пульсаций выпрямленных и стабилизации постоянных напряжений, причем неоновая лампа по своему сглаживающему действию может заменить конденсаторы фильтра большой емкости.

Лампы тлеющего разряда со многими электродами часто применяются в качестве стабилизаторов и одновременно делителей постоянного напряжения. Такие лампы называются стабиловольтами. По принципу действия — это те же неоновые лампы. Употребительны также защитные разрядники, автоматически закорачивающие защищаемую цепь, когда подводимое к их электродам напряжение превосходит напряжение зажигания.

Весьма полезными в электротехнике и радиотехнике являются такие ионные приборы, как газотроны и тиратроны. Газотрон —это газонаполненный диод. Так же, как и в газонаполненном фотоэлементе, молекулы имеющихся в газотронах паров ртути, ионизируясь, увеличивают анодный ток во много раз в сравнении с тем, что могло бы быть получено за счет электронов одной только эмиссии катода. Газотроны используются исключительно в мощных выпрямителях питания радиоустройств. Тиратроном называется газонаполненный триод, или газотрон с сеткой. С увеличением отрицательного потенциала на сетке потенциал зажигания тиратрона растет, однако, если зажигание произошло, сетка далее не оказывает никакого влияния на величину анодного тока, так как огромные количества образующихся в тиратроне положительных ионов немедленно осаждаются на сетке и делают ее потенциал совершенно неуправляемым. „Погасить" тиратрон можно лишь прерыванием его анодной цепи. Тиратрон является как бы ионным рубильником, момент включения которого можно регулировать.

Несмотря на такие, казалось бы, ограниченные возможности, тиратроны применяются в качестве разрядных ламп в генераторах пилообразных колебаний, в выпрямителях с регулируемым моментом зажигания внутри каждого периода переменного напряжения (что позволяет осуществлять плавную регулировку выпрямленного напряжения в широких пределах без расходования мощности в балластных сопротивлениях) в качестве дозирующих устройств аппаратуры точечной электросварки и др.

Здесь были рассмотрены электронные и ионные приборы, с которыми приходится теперь соприкасаться большинству лиц, занятых практической деятельностью в области аэрологических наблюдений. Оснащенные современной радиолокационной техникой многие пункты радиозондирования содержат в своем оборудовании почти все описанные виды электронных ламп и ионных приборов. Поэтому знакомство с принципиальными основами их действия обязательно. Сверх того могут встретиться еще купроксные и селеновые выпрямители, стабилизаторы тока (бареттеры), кристаллические диоды и триоды и другие устройства, находящие себе все более и более широкое применение по мере дальнейшего развития электроники. Купроксный выпрямительный элемент, или купрокс, является полупроводниковым прибором. Он состоит из сложенных вместе медной и свинцовой пластинок, причем на рабочей стороне медной пластинки предварительно должен быть образован полупроводящий слой закиси меди.

Если такой элемент включить, например, по схеме, приведенной на рис. 49 б, в цепь переменного тока, амперметр покажет наличие тока только одного направления, потому что полупроводящий слой способен хорошо пропускать полупериоды лишь одного направления и почти не проводит тока в противоположном направлении. Отношение проводимостей в двух направлениях у купрокса среднего качества составляет не менее 100, а у хороших купроксов достигает 1000 и более. Один элемент может не пропускать ток в обратном направлении при условии, что напряжение не превосходит 10—12 в. Если приложенное напряжение будет большим, полупроводящий слой пробьется, и элемент начнет одинаково хорошо пропускать ток в обоих направлениях, т. е. возникнет непоправимое повреждение и элемент нужно будет заменить. Портит элементы также нагрев свыше 50°.

Фотоэлементы и другие приборы

Рис. 49. Устройство купрокского столбика (я) и однополупериодная схема выпрямления (б).

1 — закись меди 2— чистая медь, 3 — свинец, 4 — прижимная шайба, 5 — стяжной болт.

Обычно элементы делаются в виде кружков с отверстием посредине (шайбы), причем монтаж нужного набора элементов, очень удобно производить на гладком изолированном стержне с гайками по концам. Такие наборы называются купроксными столбиками (рис. 49 а).

В настоящее время, однако, чаще применяются селеновые выпрямители. Устройство и действие их вполне, подобны ку- проксам, однако вещества применяются другие. Шайбы делают из железа или из алюминия, покрывая их с одной стороны слоем расплавленного полупроводящего химического элемента — селена, сверху металлизируемого затем слоем олова.

Фотоэлементы и другие приборы

Рнс. 50. Условные изображения купроксных и селеновых элементов и столбиков (а), селеновый столбик (б) (ток проходит от стали к олову) и двух- полупериодный выпрямитель по схеме Гретца на селеновых столбиках (в).

1 — сталь (или алюминий), 2 — селен, 3 — оловянный контактный слой, 4 — пружинная контактная шайба, 5 —стяжной болт.

Переход от олова к селену обладает односторонней проводимостью, причем олово — минус. Селеновый элемент длительно без вреда для себя выдерживает нагревание до 70° и не пропускает тока в обратном направлении при увеличении обратного напряжения до 20—22 в. Срок службы селеновых и купроксных элементов при условии их нормальной эксплуатации измеряется десятками тысяч часов.

Устройство селеновых столбиков показано на рис. 50.

Селеновые выпрямители, более компактные и изготовляемые из более дешевых материалов, постепенно вытесняют купроксы и применяются иногда даже вместо кенотронов выпрямителях питания радиоприемников и телевизоров.

В кенотронах довольно значительная энергия расходуется на нагрев катода. Отсутствие необходимости расходовать энергию на подогрев катода делает селеновые столбики экономичными.

В начальный период развития радиотехники, около 50 лет тому назад было открыто свойство многих минералов из числа металлических руд проводить ток преимущественно в одном лишь направлении, если подводимое напряжение поступает с приложенного к кристаллу металлического острия. Детектор с кристаллом свинцового блеска долгое время являлся обязательным для простейшего радиоприемника.

Развитие ламповой техники надолго отодвинуло кристаллические детекторы на второй план, однако в последние годы появились новые термины — „кристаллический диод" и „кристаллический триод", которыми обозначаются возрожденные на новой основе детекторные устройства для выпрямления слабых переменных токов, их усиления и даже для генерирования высокочастотных колебаний в контурах. В качестве основного полупроводникового материала в кристаллических диодах и триодах используются германий и кремний. Освоенные отечественной промышленностью кристаллические триоды приблизительно в 100 раз меньше по объему и весу тех электронных ламп, которые могут быть ими заменены. Они действуют при пониженных напряжениях питания с гораздо более высокими коэффициентами полезного действия, чем радиолампы. Обладая повышенной механической прочностью и почти полной нечувствительностью к толчкам и ударам, кристаллические триоды в то же время в 30—50 раз более долговечны, чем радиолампы.

Возможности кристаллических триодов не ограничиваются их использованием в усилительных и генераторных схемах. Недавно были разработаны высокочувствительные трехэлектродные кристаллические фотоэлементы, которые в сочетании -с усилителями на кристаллических триодах позволили построить исключительно экономично действующие фотореле.

На рис. 51 показано устройство и схема исследования кристаллического триода (а), а также приведены снятые с помощью этой схемы его типовые характеристики (б).

Каждое из острий Э (эмиттер) и К (коллектор), касающихся поверхности кристалла Г (германий) на расстоянии 20—50 мк друг от друга образует с кристаллом обычный детекторный (выпрямляющий) контакт с прямой проводимостью от острий к кристаллу. Когда на острие подан от источника напряжения плюс, а на кристаллическое основание минус, сопротивление контакта имеет величину порядка сотен ом.

При обратной полярности подключения напряжений сопротивление контакта оказывается имеющим величину порядка 100 ком. Если на эмиттер подать плюс, а на коллектор минус (как показано на схеме для исследования кристаллических триодов), можно наблюдать, что ток Iк „обратный ток" нахо- дится в прямой зависимости от тока Iэ. Если произвести измерения мощностей в цепях эмиттера и коллектора, то окажется, что для получения некоторой колебательной мощности в цепи коллектора (в выходной цепи) к эмиттеру достаточно подвести в сотни раз меньшую мощность.

Поскольку питание на коллектор подается в „запорном" направлении, его цепь обладает большим внутренним сопротивлением R,. Поэтому в цепь коллектора можно включить высокоомные нагрузочные сопротивления, подобные нагрузкам в анодных цепях электронных ламп. Достигаемые при этом усиления напряжения зависят от величины нагрузочных сопротивлений, составляя около 50 при Rнагр=15— 20 ком.

 

Фотоэлементы и другие приборы

Рис. 51. Схема устройства и действия кристаллических триодов.

а —схематическое обозначение н разрез точечного триода (Э — эмиттер, К— коллектор и О — основание), 6 — типичные характеристики полупроводниковых триодов, в — схема каскада усиления на полупроводниковом триоде, г — схема для снятия характеристик.

 

На рис. 51 в показана типичная усилительная схема на кристаллическом триоде с указанием величин конденсаторов сопротивлений и напряжения питающей батареи. Здесь питание эмиттера и коллектора осуществляется от одной только батареи, так как падение напряжения на сопротивлении R0 за счет тока коллектора сообщает кристаллу („основанию") отри- дательный потенциал относительно эмиттера, соединенного с общим плюсом питания через сопротивление R1.

При напряжении входного сигнала порядка 70 мв такой усилитель способен обеспечивать неискаженное 60-кратное усиление напряжений в полосе частот от 100 до 10 тыс. гц.

Характеристики полупроводниковых триодов снимают, пользуясь схемой рис. 51 г.

Кристаллические триоды хотя и освоены, но пока еще не производятся в достаточно больших количествах для того, чтобы применить их всюду, где это уже сейчас представляется целесообразным.

Фотоэлементы и другие приборы

Рис. 52. Типичная вольт-амперная характеристика бареттера (а) и его условное обозначение (б).

 Несомненно, однако, что уровень их производства будет приведен в соответствие со спросом в самое ближайшее время и тогда для радиозондирования будут созданы наиболее легкие и экономичные радиопередатчики из всех, которые когда-либо были известны.

Находящие себе применение в радиоаппаратуре стабилизаторы тока, или бареттеры, не являются ни электронными, ни ионными приборами. Это скорее всего специальные физические приборы, так как рабочий ток в них течет только по проводникам. Обычный бареттер состоит из железной проволоки, находящейся в атмосфере водорода в наглухо запаянном ламповом баллончике с выводами на цоколь.

Если измерять ток при различных значениях приложенного напряжения, то можно построить характеристику, подобную представленной на рис. 52. На участке 0 — Е0 все согласуется с законом Ома, а на Е1 — Е2 бареттер ведет себя как нелинейное сопротивление, возрастающее как бы пропорционально увеличению напряжения. Вследствие этого ток через бареттер изменяется очень мало при изменениях питающего напряжения в широких пределах, и этот прибор может служить автоматическим реостатом, например, в цепях накала радиоламп, надежно защищая их от недонапряжения и перенапряжения.

К числу электронных приборов должны быть отнесены многие разновидности рентгеновских трубок, электронные микроскопы и аппаратура для искусственного воспроизведения радиоактивных явлений (циклотроны, бетатроны и, наконец, космотроны).

Смотрите также