Контрольная работа по "Вакуумная и плазменная электроника"

Министерство науки  и образования Украины

Запорожская государственная  инженерная академия

Факультет электроники  и электронной техники

Кафедра электронных  систем

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа

 

По курсу:            Вакуумная и плазменная электроника

 

Выполнил:          Бугрим Алексей Александрович 

       

Группа:                           ЭС-01-1з

 

Вариант:                              2

 

Номер зачётной книжки:  

Дата сдачи:

 

 

Проверил:           Переверзева О.Н.

 

Дата проверки: 

Дата защиты: 

 

 

 

 

Запорожье  2004г.

СОДЕРЖАНИЕ.

                                                                                                                 стр.  

 ВВЕДЕНИЕ                                                                                                             3

Задание 1 Надежность ЭВП, нувистор 6С51Н: техническое

                описание, характеристики, применение прибора.                          4

Задание 2 Построение  семейства характеристик нувистора 6С51Н.        9

Задание 3 Графоаналитический  расчет  усилительного  каскада.                7

Задание 4 Расчет спектрального коэффициента использования потока  

                излучения                                                         13

Задание 5 Расчет чувствительности электронно-лучевой трубки.               15

ВЫВОД                              17

Список  литературы                                                                                               18  
                                                     ВВЕДЕНИЕ.

Несмотря  на  значительные  успехи  микроэлектроники, широкое  внедрение  вычислительной  техники, электровакуумные  приборы, устройства,  использующие  электрически  поддерживаемую  плазму,  по-прежнему  находят широкое применение. Они используются  в  специальных устройствах, технологическом и научном оборудовании, научном приборостроении и в других  областях.

Широкое  применение  вакуумных  и  плазменных  приборов  в  современной  электротехнике  объясняется  целым  рядом  их преимуществ. Электровакуумные  приборы  обладают: повышенной  радиационной  стойкостью  по  сравнению с  полупроводниковыми  устройствами; термостабильностью; они  работают  при  напряжениях, достигающих  десятков  киловольт; способны  выдерживать  электрические  перегрузки. Плазменные  приборы  позволяют  создавать  мощные  высоковольтные  устройства  промышленной  электроники, а  также  получить  новые  приборы  отображения  информации. В  настоящий  момент  перспективной  является  замена  электроннолучевых  трубок  для  цветных телевизоров и дисплеев  на  плоские цветные плазменные  индикаторные  панели. Большое внимание  в настоящее время уделяется также изучению  и использованию оптоэлектронных приборов, которые находят всё более широкое применение в устройствах передачи  и приёма  информационных  сигналов. Следует отметить  и то, что глубокое  изучение  работы  полупроводниковых устройств тесно связано с изучением принципов работы  компонентов электронных и плазменных изделий, приборов  силовой  электроники  и  отображения  информации.

 

 

 

 

 

Задание 1

Надёжность электровакуумных приборов

Надёжность ЭВП - их свойство выполнять заданные функции без отказов, сохраняя во времени свои параметры в пределах установленных норм, при использовании в определенных условиях применения. Надёжность включает в себя свойства безотказности, долговечности и сохраняемости, каждое из которых характеризуется своими видами и параметрами отказов.

Под безотказностью понимают свойство приборов непрерывно сохранять работоспособность в течении заданного интервала времени (срока службы) в определённых условиях эксплуатации без внезапных отказов. Количественными показателями безотказности являются вероятность безотказной работы P(t) и интенсивность внезапных отказов λ:

P(t)≈ ;      λ≈

 

где-n-количество внезапных отказов N приборов за интервал времени Δt

Под долговечностью ЭВП  понимают свойство приборов сохранять  работоспособность до наступления предельного состояния (износа), которое определяется невозможностью их дальнейшей эксплуатации, обусловленной медленным снижением эффективности. Показателями долговечности являются „срок службы” или ”ресурс”, а также „гамма процентный ресурс”.

„Гамма процентный ресурс”- определяет интервал времени t_v , по истечении которого процент неотказавших приборов будет не меньше определённого значения v. Средняя наработка до отказов:

где- n-общее количество ЭВП, отказавших вследствие постепенных

                    отказов

                   t_i- срок службы i-го прибора до постепенного отказа.

Под сохраняемостью приборов понимают их свойство непрерывно сохранять  работоспособность без изменения  своей долговечности и безотказности  в течении срока хранения и  после транспортировки. Критерием отказа является изменение одного или нескольких параметров прибора за пределы норм. Так как причины отказов ЭВП существенно различны, рассмотрим их основные виды и присущие им характерные признаки. Отказы ЭАП разделяются по:

- характеру изменения параметров (внезапные и постепенные);

-характеру устойчивости нарушения работоспособности (обратимые, необратимые);

- степени потери работоспособности (полные и частичные);

- связи с другими  отказами радиоэлектронной аппаратуры (самостоятельные и зависимые);

- причине возникновения  отказа [конструкторско-технологические (производственные) и эксплуатационные, обусловленные условиями применения или технического обслуживания];

- времени возникновения  (отказы периода приработки, периода  нормальной эксплуатации и периода износа).

Под отказом ЭВП понимают полное или частичное нарушение  их работоспособности.

Под полным отказом понимают такое ухудшение электрических или механических свойств прибора, при котором прибор полностью выходит из строя и далее использоваться не может. Существуют несколько основных причин полного отказа:

- перегорание нитей  накала прямонакальных катодов  и подогревателей катодов ЭВП с косвенным подогревом.

- нарушение герметичности оболочки ЭВП, приводящее к потере вакуума.

- пробой алундовой изоляции катодов с косвенным подогревом.

- электрический пробой  вакуумной изоляции междуэлектродных  промежутков.

К частичным отказам  относят уход одного или нескольких параметров прибора, принятых за критерии годности, за установленную норму, указанную в технической документации. Существуют несколько основных причин частичного отказа:

- старение катодов  вследствие ряда физико-химических  процессов, протекающих в них при эксплуатации и хранении. Основной причиной старение оксидных катодов является испарение активного вещества из приповерхностного слоя оксидного покрытия.

- образование промежуточных слоёв в оксидном покрытии катода, обладающих повышенным поперечным сопротивлением протекающему через него катодному току.

 

Нувистор  6С51Н: техническое  описание, характеристики, применение  прибора

Нувистор – металлокерамическая  приёмно-усилительная  лампа.

Катод  нувистора  6С51Н (оксидный) испускает  под  действием  нагрева  со  стороны  нити  накала  электроны (термоэлектронная  эмиссия). При  подаче  на  анод  положительного  напряжения  U_а в  междуэлектродном  пространстве  лампы  возникает  электрическое  поле, которое  заставляет  электроны, эмитируемые  катодом, двигаться к аноду. Сетка является  управляющим электродом,  при подаче  на  неё  положительного  напряжения  она создаёт ускоряющее  поле, из-за  чего  минимум  потенциала  у  катода  уменьшается  и  количество  электронов, проходящих  на  анод,  увеличивается. При подаче  отрицательного  напряжения  пространственный  заряд  у катода  возрастает,  и  минимум  потенциала  увеличивается  и  из-за  этого  поток  электронов  на  анод  уменьшается.

Таблица 1.

           Основные  характеристики  нувистора  6С51Н. 

Uн, В	Iн, мА	Uа, В	Uс2, В	Iа, мА	Iс2, мА	S, мА/В	m	Cвх, пф	Cвых, пф	Cпрох, пф	Pа max вт
6.3	130	30	-	10	-	11.5	32	4.2	1.8	1.7	1.2

 

Нувистор  6С51Н  предназначен  для  генерирования  и  усиления  колебаний  в  диапазоне  от  инфранизких  до  сверхвысоких  частот.

Задание 2

Построение  семейства  характеристик  нувистора  6С51Н

Построить  семейство  анодных  характеристик  нувистора  6С51Н, по  которым  построить  семейство  входных  статических  характеристик. Рассчитать  статические  параметры  электронной  лампы; крутизну  характеристик  S, внутреннее  сопротивление R_i, статический  коэффициент  усиления  m. Найти мощность, затрачиваемую на  накал Р_н. Опорные точки имеют следующие значения.                                          

 i₁ = 18мА; i₂ = 7мА; U₁ = 50В; U₂ = 30В; U_c = -1В; i_н = 0.13мА; U_н = 6.3В.

                                                     Решение.

Чтобы  построить  графики  анодных  характеристик  отложим  координаты  U₁  = 50В и i₁ = 18мА, находим  положение  точки 1, которое  соответствует  напряжению  сетки  U_c = 0, и строим  первую  характеристику, проходящую  через  начало  координат.  Для  получения  второй  характеристики  откладываем  значение  тока  i₂ = 7мА  при том  же  значении  U_а = 50В находя положение конца линии второй характеристики, таким образом, находим точку 2, после этого  соединяем её  с  осью  U_а, в точке U₂ = 30В. Эта характеристика  соответствует напряжению  сетки U_c = -1В. Построение  следующих анодных характеристик производим  параллельным  переносом на  тоже  расстояние,  что и между первыми двумя, и они будут соответствовать различным напряжениям  на  сетке (рис. 1а).

Построим  семейство  сеточных  или  входных  характеристик, для  этого  масштаб  оси  i_а сохраним  тем же, а значения  сеточных  напряжений  задаются  их  значениями  на  анодных  характеристиках. В  нашем  случае  это U_c = 0,-1,      -2…В. Проведём  теперь  на  графике вертикальную  прямую  из  точки U_а = 80В, точки  её  пересечения  с  анодными  характеристиками  дадут  нам  значения  i_а  при постоянном  напряжении  на  аноде  U_а = 80В. Следующие  характеристики  этого  семейства  получаем  аналогично, но  при  значениях  U_а = 50В (рис.1б)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1-анодно-сеточные характеристики нувистора

     а-анодная характеристика, б-сеточная характеристика

Используя  полученные  характеристики, определим  статические  параметры   нувистора  6С51Н. Для этого на одной из характеристик в  каждом  семействе, построим небольшие треугольники и определим приращение  i_а, U_c, U_а. После    рассчитаем  крутизну сеточной характеристики S_д, внутреннего  сопротивления R_i  и статический коэффициент усиления  m, мощность потребляемую накалом лампы:

S_д = Di_а/DU_c =10/1=10(мА/В), при  U_а = const.

 

R_i = DU_а/Di_а =26/9 = 2,9кОм, при  U_c = const.

 

m = S* R_i = 10*2, =29

  

Р_н = i_н U_н = 6.3*0.13 = 0.819 Вт.

 

Ответ: S = 10 (мА/В), R_i = 2,9 кОм, m  = 29 ,Р_н = 0.819 Вт.                  
                                                            Задание 3

Графоаналитический  расчет  усилительного  каскада

Привести  и  описать  принципиальную  схему  усилительного  каскада  на нувисторе  6С51Н  работающего  на  активную  нагрузку  R_н. Задано  напряжение  Е_а = 100В  источника  питания, сопротивление  анодной  нагрузки  R_а = 2,5кОм  и  входной  сигнал  U_вх: U_mвх = 1В, f_н = 70Гц, Р_д = 1,2Вт.

Выполнить  графоаналитический  расчет  динамических  режимов  каскада  и  характеристик, обеспечив  работу  в  классе  А. Рассчитать  элементы  цепи  автоматического  смещения  R_к, С_к  и коэффициент полезного действия  нувистора 6С51Н в каскаде. Построить  кривую  допустимой  мощности  Р_д, рассеивания на  аноде. Рассмотреть влияние элементов С₁, С₂, R_с, R_н  на  работу  устройства.         

Решение.

Усилитель – устройство, предназначенное  для  усиления  электрических  сигналов  при  заданном (допустимом) уровне  искажений  их  формы (по  амплитуде  и  фазе).

 

                 T1                 R_a      С_{2             ~220}

     C₁             VD1        VD2  S

             

        U_вх        R_н         VD4        VD3   а

 R_с    С_к            C_ф      d

              R_к         

 

Рисунок 2- Схема усилительного каскада с общим катодом.

В данном  усилителе вместо  отдельного  источника смещения  U_co  используется автоматическое  смещение, выполненное на  резисторе R_к  и  конденсаторе  С_к. С_к – сглаживает  пульсации, а на  R_к  постоянная  составляющая  анодного  тока  создаёт  падение  напряжения  U_co = I_aoR_к, которое подаётся  на  управляющую сетку триода  через  резистор  R_с. Сопротивление утечки  R_с, соединяет сетку с катодом и выбирается  таким, чтобы оно было  значительно больше  реактивного сопротивления разделительного конденсатора  С₁ (обычно  R_с £ 1Мом)     

Разделительный  входной  конденсатор  С₁  предназначен  для того  чтобы не  пропускать  на  управляющую сетку постоянный  ток со  стороны входа. Разделительный  выходной  конденсатор С₂  защищает  по  постоянному току  выход усилителя. При наличии в анодной цепи  переменной составляющей  тока  происходит  подключение  нагрузочного  сопротивление  R_н  параллельно R_а, вследствие  чего  увеличивается наклон  нагрузочной прямой.

Будем  считать, что  R_н >> R_а. Выберем масштабы  тока  i_а  и напряжения  U_а Построим  анодные  характеристики  полученные  нами  во  втором  задании. Расчёт  начнём  с построения  кривой  допустимой  мощности  Р_д  рассеиваемой  анодом. Вычислим  значения  токов i_а  при различных U_а  по  формуле:

 i_а = Р_д/U_а=1,2/50=24 мА;

 i_а = Р_д/U_а=1,2/100=12 мА;

 i_а = Р_д/U_а=1,2/20=60 мА

 Рассчитанные значения определяют  кривую допустимой мощности Р_д (рис. 3). Необходимо, чтобы  рабочие  токи  располагались  ниже  этой  кривой. 

Построим  нагрузочную  прямую  усилительного  каскада  по  двум  точкам  уравнения:

U_а = Е_а - i_а R_a, предположим что  i_а = 0, тогда:

U_а = Е_а = 100В.

 это  значение  первой  точки. Взяв  U_а = 0  найдём  наибольшее  значение  тока  в каскаде:

i_а = Е_а/R_a = 100/2500 = 40 мА.

Построим  динамическую  сеточную  характеристику усилительного  каскада. Для  этого  масштаб  сеточного  напряжения  берём  так,  чтобы он  соответствовал  напряжениям сетки из  семейства анодных характеристик, а масштаб анодного  тока  сохраняем тем же. По  пересечениям  нагрузочной прямой  и анодных характеристик строим сеточную характеристику (рис. 3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3-Динамическая сеточная характеристика(а) и выходной сигнал каскада(б).

Выберем  рабочий  участок  и  рабочую  точку. Обычно  для  класса  А  положение  рабочей  точки  выбирают  в  середине  линейного участка отрицательных сеточных  напряжений. По  положению рабочей точки определяем, что напряжение  смещения:

U_см =1,6В,

ток  покоя  анода:

 i_ао =9.5мА,

напряжение  покоя  на  аноде:

U_ао = 77В.

Рассчитаем  цепочку  автоматического  смещения  R_к, С_к:

R_к = U_см/i_ао = 1,6/9,5*10^-3 = 168 Ом,

выбираем ближайшее из ряда резисторов:         

  С_к ³ 10/2p f_н R_к = = 13,5*10^-5Ф

По  рисунку  4(а)  определим динамическую  крутизну  S_д  триода, для этого построим  небольшой треугольник изменения напряжения  сетки DU_с, и соответствующее ему изменение Di_а, и по  формуле:

S_д = Di_а/DU_c = 5/0,55 = 9 мА/В. 

Амплитуда  входного  сигнала  U_mвх = 1В, по  рисунку 4(б)  находим, что амплитуда выходного сигнала:

U_mвых =16 В.

Рассчитаем  коэффициент  усиления  каскада  по  напряжению:

К_u = U_mвых/U_mвх = 16/1 =16

Для  проверки  рассчитаем  коэффициент  усиления, используя  динамическую  крутизну:

К_u = S_д ×R_а = 9*10^-3*2,5*10³ = 22

Рассчитаем  мощность  выходного  сигнала  Р_с, и мощность  постоянного тока  на  аноде Р_а:

Р_с = U_{m вых}*i_m/2 = 16*6*10^-3/2 = 0,048Вт

Р_а = U_ао *i_ао = 77*9,5*10^-3 = 0,731Вт

Определим  мощность  Р_н  потребляемую  накалом  лампы:

Р_н =I_н*Uн =0.13*6.3 = 0,819Вт

Определим  коэффициент  полезного  действия  h  усилительного каскада:

h = *100%= *100%=30%.

 

 

 

 Ответ: h = 30%, С_к ³  13,5*10^-5Ф, R_к = 168 Ом.

Задание 4

Расчет  спектрального  коэффициента  использования  потока  излучения

Построить  нормированные  распределения  спектральной  мощности  излучателя  Р(l) и чувствительности    фотоэлектрического  приёмника j (l) и рассчитать  спектральный  коэффициент h (l), использования мощности  потока.

Спектральная  функция  мощности  Р(l) задана  значениями: l_m = 0.2мкм,   D1=0.1мкм, D2 =0.04мкм. Функция спектральной чувствительности j(l) задана: l_m = 0.25мкм, D1 = 0.02, D2 = 0.08  

Решение.

Величина  фототока  i_ф  фотоэлектрического  приёмника определяется  по  формуле:

 i_ф = к*Р_l*Ф_m*h(l)

 где  к – конструктивный  коэффициент;

        Р_l - полная мощность излучения;

        Ф_m –максимальная чувствительность фотоэлектрического риёмника.

Коэффициент  использования  потока  излучения  отражает  согласование  спектральной  чувствительности  фотоэлектрического  приёмника  со  спектром  применяемого  сигнала  и  определяется  формулой:  

h(l) =   = S₁/S₂                                         (4.1)

 Построим  функцию  Р(l), вычислив  для этого по  формулам

( l₁ = l_m - D1;    l₂ = l_m + D2)

значения  граничных  длин  волн  l₁  и l₂:

l₁ = l_m - D1 = 0.2 – 0.1 = 0.1мкм;

 l₂ = l_m - D2 = 0.2 + 0.04 = 0.24мкм. 

Рассчитаем  значения  граничных  длин  волн  l₁  и l₂  для   функции j(l):

l₁ = l_m - D1 = 0.25 – 0.02 = 0.23мкм;

 l₂ = l_m - D2 = 0.25 + 0.08 = 0.33мкм.  

Определив положение  точек обеих функций на уровне 0.5, построим  плавные кривые графиков (рис. 4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок4- Графики спектральных распределений

Для  вычисления  интегралов  в  формуле (4.1) площади S₁, S₂  подсчитаем, как  сумму  площадей  квадратов  занимающих  площадь  под  кривыми  графиков.    

Сначала  построим  график  функции  р(l)×f(l)  для чего  произведём  умножение ординат этих  функций на  различных длинах  волн. Соединив  полученные  точки,  получим  график,  который входит  в интеграл  числителя. Площадь S₁ соответствующая этому интегралу может быть  посчитана, как сумма эквивалентных квадратов площадью  S₀  каждый, отсюда :

S₁ = 28*S₀.                

Площадь  S₂  интеграла в знаменателе  формулы (4.1) составит:

S₂ = 20*S₀. 

Найдём  коэффициент  использования  спектра  мощности  излучателя  или  коэффициент  спектрального  согласования:

 h (l) = S₁/S₂ = 28*S₀/20*S₀ = 1.4  

Ответ: h (l) = 1.4

Задание 5

 Расчет  чувствительности  электронно-лучевой  трубки

Рассчитать  чувствительность  электроннолучевой  трубки  с  электростатическим  управлением, если  заданы  конструктивные  параметры       d = 5мм, L = 200 мм, l = 10мм  и напряжение  ускоряющего анода U_a = 2кВ, где: d, l – расстояние  между  пластинами  и  их  длина; L – расстояние  до  экрана  трубки.

                                                           Решение. 

Электронно-лучевые  приборы  – электровакуумные  приборы, в  которых  используется  поток  электронов, сконцентрированных  в  узкий  пучок (электронный   луч), управляемый  как  по  интенсивности, так и  по  положению  в  пространстве

      2  3     4

               1

 

Рисунок 6-Устройство  электростатической  отклоняющей  системы.

1 – электронный  прожектор; 2, 3 – вертикально  и  горизонтально  отклоняющие пластины; 4 – экран

Важным  параметром  электронно-лучевой  трубки  является  чувствительность,  то  есть  величина, которая  показывает  отклонение  луча  на  экране, приходящуюся  на  единицу  воздействия  по  отклоняющей  системе. Чем  выше  чувствительность, тем  меньшие  воздействия  требуются  для  получения  изображения, тем  удобнее  трубка  в  эксплуатации. Для  электронно-лучевой  трубки  с  электростатическим  управлением  чувствительность  h  определяется  по  формуле:

h = l*L/2d*U_a.

На  чувствительность  оказывает  влияние напряжение  на  втором  аноде  U_a поскольку оно определяет  скорость  движения  электронов  V:

V = ,

где  e – заряд электрона,

                  m – масса электрона.

Вычислим  значение  скорости  движения  электронов:

V =  = 2,65*10⁸ м/с.

Скорость  движения  электронов  в  0,88  раза  меньше  скорости  света.

Рассчитаем  значение  чувствительности  электронно-лучевой  трубки:

h = l*L/2d*U_a = 0.01*0.2/2(0.05*2000) = 0,00001 м/В.

Вычислим напряжение сигнала для получения изображения на экране размером  20мм и 30мм.

 

U_c = 0.02/ 0,00001 = 2кВ, и  U_c = 0.03/ 0,00001 = 3кВ.

 

Ответ: h =  0,00001 м/В, U_c = 2кВ, U_c = 3кВ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВЫВОД

В ходе решения контрольной работы описана надежность электровакуумных приборов, техническое  описание, характеристики, применение нувистора. Описан принцип работы усилительного каскада на данном нувисторе, рассчитаны и изображены анодная, динамическая сеточная характеристика, входной и выходной сигнал каскада. Определил  динамическую  крутизну триода S_д=9 мА/В, коэффициент усиления по напряжению К_u=16. Рассчитана мощность  выходного  сигнала  Р_с=0,048Вт, мощность  постоянного тока  на  аноде  Р_а=0,731Вт, мощность потребляемую  накалом  лампы Р_н=0,819Вт.

Коэффициент  полезного  действия усилительного каскада h=30%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список  литературы

1. Батушев  В. А. “Электронные  приборы” М. Высшая  школа  1969. 608 стр.
2. Толкачев  Г. Б. Ковалев  В. Н. “Радиоэлектроника” М. Высшая  школа  1983. 288 стр.
3. Лабец  К. С. “Справочник  по  электронным  приборам” Киев  Техника  1966 732 стр.
4. Арестов  К. А. Яковенко  Б. С. “Основы  электроники” М. Радио  и  связь  1988. 272 стр.