Мир электроники


Выпрямление
1 — кристаллический детектор, выпрямитель слабых высокочастотных токов; применялся в начале века в радиотех-нике; 2 — высоковольтный кенотрон; применяется для питания постоянным током рентгеновских трубок, электрофильтров; рабочее напряжение до 200 тыс. в; ток — десятые доли ампера; 3 — одноанодный ртутный выпрямитель; из подобных вентилей составляются мощные многофазные установки на напряжения до 3 тыс. в и токи до 10 тыс. а для питания электротранспорта, электролитических ванн; 4 — многоанодный ртутный выпрямитель в металлическом корпусе; применяется для тех же целей, что и предыдущий; 5 — игнитрон, ртутный выпрямитель, в котором источник электронов (светлое пятно на катоде) периодически создается зажигателем (игнайтером) из полупроводника; 6 — высоковольтный секционированный ртутный вентиль; применяется для преобразования переменных токов высокого напряжения (100—200 кв) в постоянный ток, а также для обратного преобразования постоянного тока в переменный; 7 — двуханодный вентиль с накаленным вольфрамовым торированным катодом с наполнением инертным газом (аргоном); применяется в низковольтных цепях, например для зарядки аккумуляторов; 8 — сульфидный (полупроводниковый) выпрямитель; применяется иногда для выпрямления сильных токов низкого напряжения низкой частоты; 9 — двуханодный кенотрон; широко используется для питания ламповых радиоприемников от сети переменного тока; 10 — германиевый точечный диод, миниатюрный полупроводниковый вентиль; применяется в радиотехнических, радиолокационных, а также автоматических устройствах; 11 — столбик, собранный из селеновых вентилей (шайб); применяется для зарядки аккумуляторов, а также в различных устройствах автоматики и связи.

Электроника — наука, которая изучает движение заряженных частиц атома — электронов и ионов — в разреженных газах и вакууме, их переход через границы между металлом, газами и полупроводниками. Электроника — это и отрасль техники. Она занимается приборами, в которых мириады электронов и ионов летают в разреженных газах, преодолевают энергетические барьеры, вырываются из металлов в газ или полупроводник.

И мощные ртутные выпрямители, дающие ток для трамваев, троллейбусов, электропоездов, и всевозможные радиолампы, без которых невозможна современная электросвязь, и различные электрические источники света, и рентгеновские трубки, и электронные микроскопы, и сверхвысоковольтные ускорители заряженных частиц — все это приборы электроники.

Многие сотни типов электронных приборов применяются в современной промышленности, в исследовательских лабораториях, в быту. Без них не может обойтись ни один современный самолет или корабль. Они управляют сложными автоматическими агрегатами, на фабриках и заводах создают высокочастотные токи для закалки стали и для выплавки высококачественных сплавов.

В основе технической электроники лежат физические законы, открытые в конце XIX и в начале XX в. Вот главные из них.

Электроны и ионы вырываются из металлов при нагревании, при освещении лучами видимого и невидимого света, при ударах стремительно летящих электронов и ионов.

Двигаясь в разреженных газах, электроны и ионы под действием электрических и магнитных полей изменяют свою скорость и направление. Сталкиваясь с нейтральными атомами газов и паров, электроны возбуждают эти атомы, выбивают из них электроны, заставляют атомы испускать кванты электромагнитного излучения.

На стыке некоторых полупроводников, а также полупроводников и металлов образуются особого рода электрические поля — энергетические барьеры. Они свободно пропускают электроны лишь в одном направлении и затрудняют их обратный переход.

Последние годы наряду с электроникой вакуумных приборов усиленно развивается полупроводниковая электроника. Она имеет дело с движением электрических зарядов внутри твердых тел — полупроводников: кристаллов кремния, германия и некоторых других материалов (см. «Полупроводники в технике»).

Различные методы получения и формирования потоков заряженных частиц, различные принципы управления и использования их применяются в приборах электроники во  всевозможных сочетаниях. Конструктивные формы и размеры этих приборов очень разнообразны. Есть приборы меньше спичечной головки. Чтобы их разглядеть, нужна лупа. В современных вычислительных машинах работает много сотен сверхминиатюрных электронных приборов — реле, усилителей, выпрямителей. Чтобы обеспечить энергией маломощный германиевый генератор, достаточно взять гальванический элемент с цинковым катодом, размером в копейку.

Приборами электроники можно преобразовывать мощности и в десятки тысяч киловатт. Сейчас созданы ртутные вентили на токи в сотни ампер и на напряжения в десятки тысяч вольт. Такой вентиль выше человека и весит несколько сот килограммов. Приборы «сильноточной электроники» замечательны по своей экономичности. Ртутные и другие ионные вентили (например, газотроны с накаленным оксидным катодом) часто имеют к. п. д. выше 99%, т. е. потери в них составляют меньше 1% от преобразуемой мощности.

Усиление
1 — миниатюрная приемно-усилительная лампа; 2— лампа бегущей волны; усиливает колебания сверхвысоких частот; усиливает сантиметровые и даже миллиметровые волны; 3 — мощная усилительная радиолампа, применяемая в радиопередатчиках и в трансляционных узлах; 4 — металлическая приемно-усилительная лампа; представитель многочисленной группы ламп, широко применяемых в радиотехнике и других отраслях народного хозяйства; 5 и 6 — лампы типа «желудь»; имеют малые размеры; применяются для усиления высоких частот; 7—фотоэлектронный умножитель, усилитель, в котором используйся явление вторичной электронной эмиссии; 8—обычная приемно-усилительная радиолампа в стеклянном баллоне; применяется для тех же целей, что и металлическая лампа (4); V — полупроводниковый триод (транзистор); в последние годы подобные усилители применяются все шире; 10 — тиратрон (газовый триод); в прохождении тока через прибор участвуют не только электроны, но и ионы; прибор инерционен и может применяться только в низкочастотных цепях.

Приборы «слаботочной электроники» применяются для связи, управления и контроля.

Поэтому от них требуются иные качества. Они должны улавливать самые слабые сигналы, точнейшим образом воспроизводить их, без искажения усиливать. Вредные шумы и помехи должны быть минимальными.

Электроника теснейшим образом связана с радиотехникой — техникой токов высокой частоты. Приборы радиоэлектроники составляют значительную часть всех электронных приборов. В жизни современного человечества нет такой области, в которой в той или иной мере не использовались бы средства радиоэлектроники.

Приборы электроники можно классифицировать и систематизировать различными способами. Их, например, делят на группы по среде, в которой происходит рабочий процесс: высоковакуумные (электронные), газовые (ионные) и полупроводниковые (селеновые, кремниевые, германиевые). Можно классифицировать их и по методам управления: приборы с электростатическим управлением, магнитным, комбинированным.

На рисунках изображены некоторые типичные приборы современной радиотехнической и промышленной электроники, систематизированные по признаку основной выполняемой ими работы. Чтобы собрать здесь различные приборы, пришлось их изобразить в разных масштабах — большинство значительно уменьшено против натуральных размеров, но некоторые пришлось увеличить.

На рисунке показана группа приборов, применяемых для выпрямления переменных токов (сильных и слабых). Выпрямление переменного тока — это простейшая функция. Ее обычно выполняют приборы, у которых есть лишь два электрода,— диоды. Они бывают электронными, ионными, полупроводниковыми.

Следующая, еще более обширная группа — это приборы, усиливающие электрические сигналы. Усилительные приборы имеют обычно три электрода. Это — триоды. Бывают усилители с еще большим числом электродов: четырехэлектродные — тетроды, пятиэлектродные — пентоды и т. д. Типов усилительных приборов очень много. Для усиления относительно медленных процессов — токов низких частот — можно применять ионные лампы (тиратроны, игнитроны). В области радиочастот основное место пока занимают приборы с чисто электронным разрядом. Чаще всего их делают с управляющими сетками. Для усиления сверхвысоких частот существуют лампы с бегущей волной.

Генерирование
1 — генераторная лампа мощностью в несколько киловатт с воздушным охлаждением; 2 — генераторная лампа мощностью 50 кет с водяным охлаждением анода; применяется в радиопередатчиках и высокочастотных электротермических установках; з—разборная генераторная лампа мощностью до тысячи киловатт; снабжена насосами, которые ее непрерывно откачивают во время работы; 4—лампа с плоским расположением электродов, так называемого «маячкового типа»; генерирует дециметровые и сантиметровые волны; 5—клистрон, генератор с группированным электронным потоком; может генерировать сантиметровые и даже миллиметровые волны; 6 — многорезонатор-ный магнетрон; широко применяется в радиолокационной технике; 7 — металлокерамический триод; применяется для получения ТВЧ как в импульсных, так и в непрерывных режимах генерирования; 8 — полупроводниковый генераторный триод.

С усилением тесно связано генерирование электромагнитных колебаний, т. е. превращение постоянного тока в переменный .

Еще в начале XX века выдающийся ученый М. А. Бонч-Бруевич создал в Нижегородской радиолаборатории мощные генераторные лампы с водяным охлаждением анода. Эти лампы дали возможность построить мощные передающие радиостанции, а также применить токи высокой частоты для промышленного нагрева. Бонч-Бруевич и его сотрудники создали также магнетронные генераторы, позволяющие получать большие мощности на волнах сантиметрового и миллиметрового диапазонов.

Важная группа приборов электроники — те, которые превращают энергию электрического тока в энергию различных видов излучений. Электронно-лучевые трубки, например, дают изображение в телевизионных приемниках. Высоковольтные трубки, в которых потоки быстрых электронов ударяют в «мишени» из тугоплавких металлов, дают рентгеновские и гамма-лучи. В эту же группу можно отнести электронные микроскопы и ускорители атомных частиц.

Наконец, последняя группа (она показана на рисунке 4 вместе с предыдущей группой) — это приборы, которые превращают различные виды излучений ( видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи) в электрический ток. Сюда относятся все фотоэлементы и передающие трубки телевидения.

Конечно, классификация, представленная здесь (деление всех приборов электроники на пять групп по принципу выполняемых ими функций), как и любая другая классификация, относительна и условна. Одни и те же типы приборов могут иногда выполнять разную работу. Например, одни и те же типы ламп с сетками часто применяют и для выпрямления, и для генерирования, и для усиления. Это относится и к чисто электронным и к ионным лампам (тиратронам).