Elektronika

Maturitní otázky

EMISE ELEKTRONŮ, ELEKTRONKY

10. emise elektronů, elektronky

Elektronky jsou součástky, jejichž činnost je založena na přenosu elektronů prostorem mezi katodou a anodou, která katodu obklopuje a na jejíž povrch elektrony dopadají. Elektrony zachyceny anodou vytvářejí anodový proud elektronky. Aby popsaný jev mohl nastat musí být splněny dvě podmínky:

                               1. Anoda musí mít proti katodě kladné napětí , kterému říkáme anodové.

                                    U malých elektronek je to asi 100 až  300 V , u vysílacích i více než 10 kV

                               2. Katoda musí emitovat elektrony.

Elektrony se uvnitř krystalické mřížky materiálu katody pohybuji neuspořádanými pohyby velikou rychlostí. K tomu aby mohly samovolně opustit katodu však jejich energie nestačí. Elektron, který se dostane těsně nad povrch katody je zpět přitažen tzv. zrcadlovou silou. Tato síla se zmenšuje s druhou mocninou vzdálenosti elektronu od katody. Aby mohl elektron katodu trvale opustit, musí  svou kinetickou energií  zrcadlovou sílu překonat.

Energie, která se spotřebuje k výstupu elektronu z katody se nazývá výstupní práce. Udává se v elektronvoltech a je pro různé materiály různá. Pro katodu se hodí pouze materiály s malou výstupní prací.

Podle toho jakým způsobem je energie potřebná k emisi elektronů  dodána rozeznáváme následující druhy emisí.

1. tepelná emise

2. světelná emise (fotoemise)

3. sekundární emise

4. vlastní emise

Tepelná emise

Katoda se ohřívá průchodem proudu žhavícím vláknem. Když je vlákno samo katodou mluvíme o přímo žhavené katodě. Když je katoda tvořena kovovou trubičkou, ve které je zasunuto izolované žhavící vlákno a na jejíž povrchu je nanesena emisní vrstva ze směsi sloučenin prvků s malou výstupní prací mluvíme o nepřímém žhavení.

Přímo žhavené katody se používají u velkých vysílacích elektronek , nepřímo žhavený katody se využívají v elektronkách pracujících s malými výkony. Velikost emisního proudu je závislá na materiálu a na ploše katody a je úměrná druhé mocnině její teploty.

Světelná emise

Elektrony jsou emitovány z fotokatody , na jejíž povrch dopadá záření. Světelná emise se řídí dvěma fotoelektrickými zákony.

První z nich (Stoletovův) říká , že velikost emitovaného proudu je při stálém složení světla úměrná světelnému toku  f   dopadajícímu na fotokatodu.

I = Cf        (A;  A/lm  , lm )

Konstanta C se nazývá citlivost fofokatody . Závisí na materiálu a ploše fotokatody a na vlnové délce světla  (záření).

Druhý fotoelektrický zákon se nazývá Einsteinův a stanovuje frekvenci záření jehož energie se rovná výstupní práci dané látky.

Zákon Einsteinův je odvozen od zákona o zachování energie : Při pohlcení fotonu získává elektron jeho energii. Její část použije ke zrušení své vazby s látkou, z níž je emitován a zbývající část upotřebí pro svoji kinetickou energii.

u…kmitočt pohlceného záření

m…hmota elektronu

v…rychlost elektronu

h…plankova konstanta

j_f …fotoelektrická výstupní práce (práce výstupní energie, která musí být udělena částici, aby opustila vazbu v krystalové mříži. Udává se v eV . Také se používá termín výstupní potenciál.

                Z něho se odvozuje mezní kmitočet záření pro vznik světelné emise. Je to kmitočet n₀, při němž má emitovaný fotoelektron nulovou kinetickou energii : , řádová hodnota mezního kmitočtu záření je 10¹⁴C/S.

Sekundární emise

Sekundární emise nastává, dopadají-li elektrony nebo jiné částice vhodnou rychlostí na povrch materiálu. Nárazem těchto částic, které tvoří tzv. Primární proud jsou z povrchu atomů vyráženy elektrony. Některé z nich mají složku rychlosti směřující ven z materiálu a jsou emitovány. Tvoří sekundární proud. množství emitovaných elektronů závisí na rychlosti a úhlu dopadajících částic. Ke vzniku sekundární emise z kovů je potřeba urychlovací napětí kolem 10V. Maxima dosahuje sekundární emise asi při 500V Při vyšších rychlostech pronikají primární elektrony již tak hluboko do materiálu , že elektrony uvolněné z atomů nemohou již být emitovány a sekundární emise mizí.

Vlastní emise

K vlastní emisi dochází působením silných elektrických polí , které odtrhávají z povrchu materiálu elektrony. Emisní proud je úměrný druhé mocnině intenzity elektrického pole . Vzrůst vlastní emise zpravidla předchází před porušení elektrické pevnosti prostředí.

  Charakteristické hodnoty elektronek

Vlastnosti elektronek se vyjadřují podle jejich charakteristických hodnot, které lze stanovit z převodových a anodových charakteristik. Jsou to strmost S, průnik D nebo zesilovací činitel a vnitřní odpor Ri. Zajímá nás především přímá část charakteristiky, kde jsou tyto hodnoty poměrně stálé.

Strmost S - udává o kolik miliampérmetrů se změní anodový proud, změní – li se napětí na mřížce o jeden volt.

Velká strmost elektronky je její předností. Znamená to, že poměrně malá změna mřížkového napětí vyvolá velkou změnu anodového proudu. Této vlastnosti se využívá u zesilovačů.

Vnitřní odpor  elektronky je odpor, který představuje elektronka pro střídavou složku anodového proudu. Je definován jako poměr změny anodového proudu při určité změně napětí .

Strmost S určuje řídící účinek samotné mřížky.

Zesilovací činitel napětí je poměr napětí dvou elektrod při stálém proudu elektrody.

např. pro triodu :

Průnik je převrácená hodnota zesilovacího činitele napětí (vyjadřuje pronikání vlivu anodou mřížkou).

Je zřejmé, že charakteristické hodnoty elektronky jsou závislé především na konstrukci elektronky. Strmost závisí na vzdálenosti mezi mřížkou a katodou. Jsou-li tyto elektrody blízko sebe, může mřížka malým napětím ovládat velký proud, tedy strmost  je veliká.

Výhodné jsou silné nepřímo žhavené katody, které se teplem nedeformují a dovolují malé vzdálenosti bez nebezpečí zkratu. Jejich další výhodou je velká emisní plocha, takže jsou schopny emitovat velký proud. Zesilovací činitel nebo proud  závisí na hustotě závitů mřížky a na poměru vzdáleností mřížky a anody od katody. Čím je mřížka hustější a blíže ke katodě a anoda vzdálenější, tím je vliv anody menší a mřížky větší.

Konstrukce elektronek

Katody elektronek jsou žhaveny elektrickým proudem a mohou být přímo žhaveny nebo nepřímo žhaveny. Přímo žhavené katody se vyznačují tím, že emitujícím kovem přímo protéká žhavicí proud. Rozdělujeme je do tří skupin:

-          vlákna z čistých kovů (např. wolfram)

-          povlaková, pokrytá kysličníky

-          kovová vlákna s povlakem silně emitujících kovů

Povlakových vláken nelze použít pro velké výkony, neboť poměrně těžké kladné ionty, dopadající na katodu, by rychle zničily jemný povlak emitující hmoty. Ionty vznikají v elektronce nárazovou ionizací, jak bude vysvětleno dále.

K emisi a ke konstrukci se hodí zvláště dobře kovy, jejichž teplota tavení je značně vyšší než teplota, při které emitují elektrony. Vysokou teplotou se katoda rychle rozprašuje, vlákno se v nejvíce porušeném místě snadno přepálí nebo zlomí.

Povlaková vlákna umožňují při stejné emisi značné snížení teploty a tím se prodlouží životnost elektronky. Jsou úspornější neboť potřebují menší žhavicí proud.

Nanášení emisní vrstvy na vlákna elektronek se provádí buď protahováním vlákna vhodnými roztoky nebo usazováním baryových par.

Přímo žhavené katody se nehodí pro žhavení střídavým proudem. Kolem vlákna se vytvoří kmitající elektrostatické a magnetické pole, které rozkmitá i elektronový oblak a anodový proud vykazuje střídavou složku. Kolísání teploty katody v rytmu střídavého proudu se rovněž projeví nepříznivě jako kolísání anodového proudu. Tato závada je odstraněna u nepřímo žhavených katod, které mají žhavicí vlákno odděleno  a odizolováno od vlastní emitující katody. Vlastní vlákno je vinuto bifilárně (bifilární vynutí : nevytváří vlastní magnetické pole, je prakticky bez vlastní indukčnosti, ale má vyšší vlastní kapacitu ). Mezi vláknem a katodou je izolační trubička z keramické hmoty nebo je vlákno postříkáno izolační hmotou. Katodu tvoří niklová trubička s povlakem kysličníku barya. Zahřátí katody trvá u přijímacích elektronek asi 30 – 50 vteřin. Žhavicí napětí je obyčejně v mezích 1, 4 – 12, 6 V (někdy i více), žhavicí proud  od  24mA do několika A podle velikosti elektronky. U velkých vysílacích elektronek dosahuje hodnoty několika set A. Elektrony přitažené anodou narazí na ni a odevzdají jí svou pohybovou energii. Ta se promění v teplo a anoda se zahřívá někdy až do červena. Musí být dostatečně chlazena, aby její teplota nestoupla nad dovolenou mez. Odevzdaná energie se nazývá anodová ztráta, která bývá výrobcem udávána přímo ve wattech nebo bývá udán proud a napětí, které elektronka trvale snese.

Anoda bývá konstruována jako niklový váleček nebo niklové plíšky postavené v určité vzdálenosti od katody. Některé elektronky mají anody z grafitu nebo z niklové síťoviny. Aby lépe vyzařovaly nežádoucí teplo, jsou často začerněné. Vysílací elektronky o výkonech několika set wattů jsou chlazeny vzduchem, anody jsou zevně přístupny a mají chladící žebra. Největší elektronky s výkonem přes  3 kW jsou někdy chlazeny vodou. Jejich anoda je konstruována tak, aby se elektronka mohla ponořit do zvláštního držáku, v němž cirkuluje destilovaná voda.

Podmínkou správné činnosti elektronky je její dokonalé vyčerpání (vakuum) – porušení vakua se projeví na getru bělavou barvou. Velikostí vakua rozumíme tlak plynů, zbylých v baňce elektronky. Plyn se odčerpává vývěvou až na nejvyšší dosažitelnou mez. Zbytky plynů se odstraní tzv. getrem. Tento povlak pak pohlcuje zbytky plynů, popřípadě i plyny uvolněné z kovu elektrod. Špatně vyčerpaná elektronka nemá za jinak stejných okolností stále stejný anodový proud. V takové elektronce jsou molekuly zbylého plynu hustě rozloženy. Elektrony letící velkou rychlostí na anodu narážejí na tyto molekuly a štěpí je na záporné a kladné ionty. Tím počet elektronů, letících na anodu vzrůstá. To znamená, že vzrůstá i anodový proud.

Počet srážek elektronů s molekulami nemůžeme regulovat, proto i anodový proud není přesně ovladatelný. Při vysokém vakuu jsou molekuly plynu uvnitř elektronky daleko od sebe, mezi nimi jsou veliké mezery, letící elektrony se prakticky nesrážejí s těmito molekulami, nedochází k nárazové ionizaci a anodový proud je přesně ovladatelný.

Nedokonalé vakuum elektronky je škodlivé též proto, že nárazovou ionizací vzniklé kladné ionty jsou přitahovány záporným oblakem elektronů v okolí katody, dopadají na katodu a mohou ji poškodit. Nedokonalé vakuum se pozná podle namodralého světélkování v okolí katody.

DIODA

Po nažhavení (získán dostatečné teploty) emituje katoda elektrony. Je-li v její blízkosti umístěna anoda, mohou některé z nich na anodu dopadnout i v případě, že není připojeno anodové napětí. Spojíme-li vnějším obvodem anodu s katodou, prochází tzv. náběhový proud (několik mikroampérů).

Po připojení anodového napětí působí na elektrony v okolí katody jednak zrcadlová síla anody, která se snaží přitáhnout je zpět ke katodě, jednak přitažlivá síla anody. Obě síly se vyrovnávají v malé vzdálenosti od katody. Elektrony se zde zastavují, shlukují se a vytvářejí tzv. prostorový náboj, Tento náboj jednak chrání katodu před dopadem těžkých iontů (zbytků plynů po čerpání baňky), které se při průletu prostorovým nábojem zbrzdí a nepoškozují katodu, jednak nedovoluje dalším elektronům vystupovat z katody, pokud nejsou elektrony odsávány anodou (říkáme, že stabilizuje emisi). Při velkém anodovém napětí pokračují emitované elektrony od katody přímo na anodu. Prostorový náboj nevzniká. Anodový proud se při vzrůstu napětí U_AK nezvětšuje (je nasycen) a katoda není chráněna před dopadem iontů. Činnost za těchto podmínek značně zkracuje životnost katody.

Popsaným způsobem pracuje katoda ve všech elektronkách. Nejjednodušší elektronka, dioda, je tvořena katodou a anodou, které jsou umístěny ve vyčerpané baňce. Anodová charakteristika diody je na obr. 149. Všimněme si, že je.li na anodě záporné napětí, nevede dioda proud. Proto se používala jako usměrňovač. Dnes se vakuové diody nepoužívají. Diody se využívají pro usměrnění střídavého proudu, a to jak nízkofrekvenčního, tak i vysokofrekvenčního. Využívá se přitom vlastností diody, že elektrony jsou přitahovány pouze kladnou anodou. Je-li na anodě záporné napětí proti katodě, elektrony jsou jím odpuzovány a anodový proud neteče.

Trioda

Vložením mřížky mezi katodu a anodu vznikla nová elektronka trioda, která je základem pro ostatní více mřížkové elektronky.

Mřížka je provedena jako šroubovice z molybdenového drátu, ovinutá v určité vzdálenosti kolem katody.

Schematické značení triody je patrné z obrázku.

Mřížka je katodě blíže než anoda, proto musí mít přirozeně napětí mřížky proti katodě větší vliv na anodový proud než anodové napětí. Anoda má kladné napětí (proti katodě), mřížce je možné dát různě veliké kladné nebo záporné napětí.

Dejme tomu, že mřížka je kladná. Silně přitahuje elektrony, které dostanou velikou rychlost a prolétnou mezerami mřížky na anodu. Anodový proud se podstatně zvětší. Malá část elektronů se zachytí též na mřížce a vrátí se vnějším obvodem (mřížkový proud). Má-li mřížka poměrně veliké kladné napětí, přitahuje mnoho elektronů a anodový proud klesá. Velikost mřížkového proudu je omezen konstrukcí.

V případě, že je mřížka záporná, jsou elektrony odpuzovány a jenom některé se dostanou na anodu. Anodový proud je malý. Při určitém záporném napětí neprojdou ani nejrychlejší elektrony a anodový proud zcela zanikne. Při záporné mřížce neprochází ani mřížkový proud. Z výkladu je patrné, že změna mřížkového napětí má za následek změnu anodového proudu.

Pro posouzení vlastní triody se uvádějí její převodové a anodové charakteristiky.

Převodová charakteristika je graficky vyjádřená závislostí anodového proudu na mřížkovém napětí /předpětí) při určitém stálém anodovém napětí.

Anodová charakteristika znázorňuje závislost anodového proudu na anodovém napětí při určitém stálém napětí mřížky. V jednom grafu se vždy kreslí několik křivek pro různá napětí. Používají se při výpočtu různých zařízení jako např. zesilovačů apod.

TETRODA

Trioda je základním typem elektronek, používá se však v omezené míře pro určité nedostatky. Její nepříjemnou vlastností pro zesilovače je velká kapacita mezi mřížkou a anodou. Touto kapacitou se přenáší z anodového obvodu  do mřížkového část energie a elektronka se při větších zesíleních může sama rozkmitat. Tato závada je odstraněna vložením druhé mřížky G₂, zvané stínicí, která je pro střídavý proud vždy spojena přes kondenzátor C_g2 s katodou. Vznikne tak elektronka se čtyřmi elektrodami – tetroda.

Stínicí mřížka má vždy kladné napětí proti katodě. Velikost tohoto napětí se pohybuje kolem 2/3 anodového napětí podle konstrukce elektronky.

Stínicí mřížka rozděluje kapacitu C_ag1 na dvě kapacity zapojené v sérii. Výsledná kapacita mezi C_ag1 se tím zmenší 100 až 1000krát.

Stínicí mřížka G₂ pomáhá anodě svým kladným potenciálem přitahovat elektrony a tím zvýšit anodový proud. Jsou tedy změny I_a vlivem měnícího se mřížkového napětí na G₁ větší než u triody – zesílení tetrody je tedy větší.

Stínící mřížkou se zvětšuje rychlost elektronů – primárních – letících z katody na anodu. Dopadem těchto rychle letících elektronů na anodu se vyráží z jejího povrchu několik jiných, tzv. sekundárních elektronů.

Vyražené sekundární elektrony mohou být přitaženy kladným napětím stínící mřížky, tím tedy zvětšují její proud I_g2. Zvětšení I_g2 je však na úkor proudu anodového I_a. Tento jev nám znemožňuje plně využít tetrody pro zesilování. Sekundární emise nastává pouze za určitého poměru anodového napětí U_a a napětí stínící mřížky U_g2.

Necháváme-li U_g2 konstantní a zvyšujeme-li U_a, vidíme, že anodový proud zpočátku stoupá, pak však v určité oblasti právě následkem sekundární emise klesá (stoupá proud stínicí mřížky) a při dalším zvyšování U_a opět I_a stoupá.

PENTODA

Vložením další mřížky G₃. Mezi stínící mřížku a anodu vznikne další typ elektronky – pentoda. Třetí mřížka se nazývá brzdicí. Tato mřížka je poměrně řídce vinuta a má buď mírně záporné nebo nulové napětí proti katodě. Jejím úkolem je nepustit svým, proti anodě záporným potenciálem, sekundární elektrony na kladnou stínicí mřížku. Tím se zcela odstraní nepříznivý vliv sekundární emise. Pentody rozdělujeme na vysoko frekvenční, nízkofrekvenční a koncové.

Zvláštním druhem pentody je pentoda – selektoda. Používá se jí u vf. Zesilovačů a její hlavní vlastností je, že její strmost a tím i zesílení je proměnlivé podle předpětí řídicí mřížky.

SMĚŠOVACÍ A KOMBINOVANÉ ELEKTRONKY

Hexoda je elektronka se šesti elektrodami. Má katody, pracovní (řídicí) mřížku, dvě mřížky stínicí a směšovací mřížku a anodu. Obě stínicí mřížky jsou společně připojeny na kladné napětí. Jestliže se na pracovní mřížku přivede střídavé napětí určité  frekvence f₁, bude anodový proud kolísat v  rytmu této frekvence. Přivede-li se na směšovací mřížku střídavé napětí jiné frekvence f₂, bude anodový proud zvlněn i v rytmu této frekvence. V elektronce nastane směšování frekvencí, jehož výsledkem je anodový proud obsahující celou řadu rozdílových a součtových frekvencí. Z nich si pomocí laděného obvodu vybíráme potřebnou frekvenci f_m=f₂ - f₁, která se nazývá mezi frekvencí.

Elektronka takto zapojená pracuje jako směšovač, protože směšuje dvě různé frekvence na jinou třetí.

Heptoda má mezi čtvrtou mřížkou (druhou stínicí) a anodou uloženou další mřížku. Obě stínící mřížky (druhá a čtvrtá mřížka) jsou spolu s anodou na kladném potenciálu, první a třetí mřížka jsou záporné, pátá mřížka je na nulovém potenciálu jako katoda.

Hlavní funkce páté – hradicí mřížky u heptody je tedy shodná s hradící mřížkou u pentody, tj. má zamezit vznik proudu sekundárních elektronů. Svým nulovým potenciálem vrací sekundární elektrony zpět k anodě. V Evropě se často hexody nahrazovaly oktodami. Ve Spojených státech a v SSSR se používalo jako směšovače speciálně upravené heptody, nazývané pentagrid. Oktoda pracuje stejně jako pentagrid. Mezi druhou stínící mřížkou a anodou je vložena šestá mřížka jako brzdicí. Často se pro úsporu místa a zjednodušení konstrukce sdružuje v jedné společné baňce několik systémů elektronek. Sdružuje se např. hexoda a trioda na triodu-hexodu nebo dvě detekční diody s pentodou na duo-diodu-pentodu apod. To jsou tzv. kombinované elektronky.

ELEktronky pro velmi vysoké kmitočty

Běžné elektronky nevyhovují jako zesilovače a oscilátory pro decimetrové vlny. Vzdálenosti elektrod jsou pro kmitočty nad 300 MHz, příliš velké, dobu průletu elektronů nelze také zanedbat. Závadou je také velká kapacita mezi mřížkou a katodou a indukčnost přívodů k elektrodám. Proto se pro velmi vysoké kmitočty vyrábějí elektronky malé konstrukce s krátkými přívody a malými rozměry elektrod. Mezi tyto elektronky patří např. majáková trioda, která má elektrody uspořádány tak, že můžeme s ní pracovat na kmitočtu o vlnové délce asi 10 cm. Uspořádání všech elektrod je rovinné. Jednotlivé elektrody jsou od sebe odděleny skleněnými válci a  poschoďovitě uspořádány tak, že se průměr elektronky stupňovitě zmenšuje, aby se elektronka dala zasunout do soustředného kabelového vedení nahrazujícího oscilační obvod. U centimetrových vln se používá magnetronů a klystronů, které jsou konstruovány zcela odlišně od běžných druhů elektronek.

ZVLÁŠTNÍ ELEKTRONKY

V televizi, v radiolokaci, v měřících přístrojích se ve velké míře používají obrazové elektronky, krátce obrazovky. Sestávají ze skleněné vzduchoprázdné baňky a soustavy elektrod. Kolem nepřímo žhavené katody je válcovitá mřížka se záporným napětím. Elektronový tok vychází z otvoru mřížky jako paprsek. Elektrony jsou urychlovány kladným napětím válcovitých anod a₁ a a₂, procházejí mezi párem vodorovných vychylovacích destiček a dopadají na stínítko. Stínítko je na přední straně baňky, potřené zevnitř luminiscenční látkou.

Vhodným vzájemným postavením anod a volbou jejich napětí se dosáhne toho, že se elektronový paprsek zaostří a  utvoří na stínítku bod podobně jako světelný paprsek, který se zaostří optickou skleněnou čočkou. Pro tuto podobnost se uvedená soustava elektrod nazývá elektronovou optikou. Množství elektronů se dá ovládat napětím mřížky. Tím se mění světelnost bodu. Závisí též na napětí anod. Aby se dala světelnost a ostrost stopy na stínítku libovolně nastavit, jsou napětí mřížky a anody a₁ nastavitelná potenciometry. Přivedeme-li mezi destičky d₁ nějaké napětí, bude paprsek elektronů přitahován ke kladné desce a odpuzován od záporné. Jestliže bude kladná horní destička, vychýlí se stopa na stínítku nahoru a naopak. Při střídavém napětí na vodorovných destičkách bude stopa kmitat nahoru a dolů v rytmu tohoto střídavého napětí, stejným způsobem vychylují svislé destičky paprsek nalevo a napravo.

U osciloskopů se paprsek vychyluje ve vodorovném směru rovnoměrně napětím ze zvláštního zdroje, ve svislém směru v rytmu pozorovaného napětí. Stopa na stínítku kreslí průběh tohoto napětí v závislosti na  čase s.