РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

В то время как атлеты всего мира готовились к Олимпиаде в Лондоне, в Китае состоялись III Международные олимпийские соревнования гуманоидных роботов. Студенты Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО) в очередной раз доказали своё превосходство в области робототехники и возвращаются с золотой, серебряной и бронзовой медалями.

Более 600 студентов из 70 университетов всего мира представили не менее чем 700 гуманоидных роботов на Олимпиаде в Китае с 23 по 28 июля 2012 года. К участию в играх допускались лишь антропоморфные работы, то есть обладающие человеческими чертами — 2 руки и 2 ноги. Состязания проводились по 27 дисциплинам, таким как бокс, атлетика, игры с мячом, танцы и др.

Роботы студенческой команды НИУ ИТМО завоевали золото в категории «парный танец», серебро в «коллективном танце» и бронзу в боксе. Члены команды – студенты Факультета компьютерных технологий и управления НИУ ИТМО Сергей Власов, Алексей Маргун и Александр Боргуль под руководством тренера Алексея Феськова.

На состоявшемся в эти же даты I Международном турнире по танцам роботов «Кубок Фуджин» команда НИУ ИТМО выиграла первое место в номинации «народный танец» и третье место в номинации «оригинальный танец». Это уже не первая победа команды ИТМО — в октябре 2011 года ребята взяли первое место в одной из 6 номинаций «Студенческого инновационного конкурса-выставки роботов в рамках АТУРК», проходившего в Китае. Отметим, что уже не первый год по инициативе Университета ИТМО в Петербурге проходит Фестиваль мехатроники и робототехники.

По мнению декана Факультета компьютерных технологий и управления НИУ ИТМО Алексея Бобцова, ключевым фактором, необходимым для победы является неординарное мышление. «И, само собой, это умение программировать и разрабатывать законы управления» — комментирует Бобцов.

Организаторы утверждают, что Олимпийские игры призваны помочь в создании более интеллектуально развитых роботов для домашнего использования. «Это очень хорошая идея совместить технологии, образование, инженерную индустрию и развлечения в соревнованиях» — комментирует Ли Дьюи (Li Deyi), руководитель Китайской Ассоциации искусственного интеллекта.

Для ламлы всегда устанавливается нормальное напряжение накала, которое остается постоянным. Анодное напряжение во время работы меняется. Например, в выпрямителе. На анод лампы подается переменное напряжение. Поэтому важно знать зависимость между анодным током и анодным напряжением. График этой зависимости называется характеристикой диода.

Пример такой характеристики дан на рис.1 а. По вертикальной оси отложен анодный ток Ia в миллиамперах, а по горизонтальной оси — анодное напряжение Ua в вольтах.

Когда анодное напряжение равно нулю, анодный ток тоже равен нулю, так как электроны не притягиваются анодом. Увеличение анодного напряжения вызывает возрастание анодного тока в известных пределах, но после этого дальнейшее повышение анодного напряжения уже не дает значительного увеличения 'анодного тока. Получается ток насыщения Iнас на (рис.1 а, Iнас = 80 да при Uа = 30 б). Насыщение объясняется следующим образом.

При малых анодных напряжениях не все электроны, вылетающие из катода, достигают анода. Часть их возвращается на катод и образует в пространстве вокруг катода электронное облачко, имеющее пространственный (или объемный) заряд. Объемный отрицательный заряд отталкивает вылетающие из катода электроны и мешает аноду притягивать их. Если анодное напряжение мало, то только электроны, вылетевшие из катода с большой скоростью, смогут преодолеть действие объемного заряда и анодный ток будет мал. Режим, при котором на анод попадает только часть электронов, испускаемых катодом, называется режимом ограничения (точнее режимом ограничения анодного тока объемным зарядом). Обычно лампы работают в режиме ограничения. Иногда лишь на время достигается режим насыщения.

По мере увеличения анодного напряжения все большее число электронов летит к аноду и электронное облачко вокруг катода уменьшается. При достаточно большом анодном напряжении все электроны движутся на анод, и облачко исчезает. Анодный ток в данном случае будет током насыщения Iнас и равен току эмиссии Iэм, который определяется полным числом электронов, испускаемых катодом каждую секунду. Таким образом, в режиме насыщения все электроны, испускаемые катодом, летят на анод.

Если увеличить накал, то эмиссия возрастет и увеличится так насыщения. При уменьшении накала эмиссия я ток насыщения уменьшаются. На рис.1 б, показаны характеристики диода для нескольких значений напряжения накала Uн.

В современных ламиах ток насыщения при увеличении Ua постепенно растет, т. е. характеристика в области насыщения имеет подъем. Причиной этого являются электростатическая эмиссия — вырывание электронов полем анода и дополнительный нагрев катода анодным током. Наиболее резко выражено насыщение у вольфрамового катода, а у оксидного катода оно мало заметно, так как электрическое поле анода, проникая в оксидный слой, создает значительную электростатическую эмиссию. Кроме того, оксидный слой имеет большое сопротивление и поэтому он сильно дополнительно нагревается током анода.

В современных диодах нормальный анодный ток получается при анодном напряжении до 20-30 в.

Следует отметить, что при Uа=0 анодный ток не равен нулю, а имеет небольшую величину. Это объясняется тем, что электроны вылетают из катода с различными скоростями и некоторые из них, .имеющие наибольшие скорости, могут долетать до анода, преодолевая отталкивающее действие электронного облачка. Анодный ток уменьшается до нуля лишь при небольшом отрицательном напряжении анода (обычно порядка десятых долей вольта).

Характеристика диода непрямолинейна, что объясняется главным образом влиянием объемного заряда. Эта характеристика криволинейна или, как принято говорить, нелинейна. Сопротивления обычных проводников подчиняются закону Ома.

У них ток и напряжение в соответствии с законом Ома пропорциональны друг другу и график зависимости тока от напряжения является прямой линией, проходящей через начало координат. Такие сопротивления называются л.инейньши. Диод, как и все другие электронные приборы, обладает нелинейной характеристикой. Он представляет собой нелинейный прибор (нелинейное сопротивление), не подчиняющийся закону Ома.

Сначала все лампы делали с катодами из тугоплавкого металла вольфрама, имеющего температуру плавления около 3400°. Но эти катоды очень неэкономичны, так как их нужно накаливать до высокой температуры, на что затрачивается большая энергия. Гораздо экономичнее активированные катоды из вольфрама или другого металла, на поверхность которого наносится слой активных металлов или окисей, обладающих способностью хорошо выделять электроны при сравнительно низких температурах. Большинство современных радиоламп имеет активированные катоды. Только некоторые мощные электронные лампы изготовляются с чисто вольфрамовым катодом.

При повышении температуры накала эмиссия катода возрастает, но уменьшается срок его службы. Поэтому катод изготовляют так, чтобы эмиссия происходила при наименьшей возможной температуре и наименьшей затрате'энергии на накал.

У вольфрамового катода эмиссия получается при температуре порядка 2300°, что соответствует белому или светло-желтому накалу. Она значительно меньше, чем у активированных катодов. Ценным качеством вольфрамового катода является постоянство эмиссии и нечувствительность к перекалу. После временного перекала эмиссия катода не уменьшается. У активированных катодов эмиссия не так постоянна, от перекала она легко теряется, и восстановить ее не удается. Для вольфрамового катода значительный перекал также опасен, так как нить может расплавиться.
Потеря эмиссии от перекала или от долгой работы у активированных катодов объясняется тем, что при повышенной температуре активный слой испаряется.

Срок службы активированных катодов определяется понижением эмиссии на 10 или 20%. вследствие истощения активного слоя (у вольфрамовых катодов за счет того, что катод постепенно испаряется под действием высокой температуры и уменьшает свою поверхность).

Активированные катоды не вполне устойчиво работают при высоких анодных напряжениях. Возникающие в небольшом количестве даже при хорошем вакууме положительные ионы под действием высокого напряжения с силой ударяют в катод и разрушают его активный слой. Подобная ионная бомбардировка не опасна для вольфрамовых катодов.

Следует отметить, что для л а мл с вольфрамовым катодом не требуется геттер и поэтому баллон у них прозрачный. Это объясняется тем, что испаряющиеся частички вольфрама образуют на внутренней поверхности баллона слой, поглощающий газы.

Применяются следующие типы активированных катодов.

Карбидupованный катод изготовляется из вольфрама или молибдена с примесями металла тория и углерода. Применяются также торированные катоды, не содержащие углерода. Карбидированные катоды имеют рабочую температуру около 1700° (желтый накал) и применяются в некоторых лампах средней мощности, работающих при анодных напряжениях не свыше 1500 в.

Оксидный катод изготовляется из никеля или платины и покрывается окисями металлов бария, стронция, кальция. Рабочая температура его 800° (красный накал), эмиссия значительно больше, чем у вольфрамового и карбидированного катодов. Этот катод широко применяется в различных лампах, но не пригоден для непрерывной работы при высоких анодных напряжениях.

Он выдерживает небольшой перекал, но зато понижение накала не следует допускать, так как оно может создать частичное разрушение оксидного слоя или даже перегорание катода вследствие возникновения в оксидном слое местных очагов перегрева . Оксидный катод с успехом используется для импульсной работы. При кратковременном действии высоких анодного и сеточного напряжений от него можно получить эмиссию, во много раз большую, чем при непрерывной работе. Но после каждого импульса необходимо давать катоду «отдых», чтобы в оксидном слое накопилось достаточное количество электронов, необходимое для создания следующего импульса.

Бариевый катод из вольфрамовой проволоки, покрытой медью и слоем окиси бария и металлического бария сейчас уже не применяется.

Лампы с активированным катодом легко отличить потому, что они имеют на баллонах зеркальный или темный налет геттера.

Нити накала, испускающие электроны, называются катодами прямого или непосредственного накала. Лампы с такими катодами применяются в батарейных приемниках и радиостанциях, для которых важен экономный расход энергии источника накала. В большинстве случаев катоды прямого накала нельзя накаливать переменным током, так как температура и эмиссия будут пульсировать с частотой, равной удвоенной частоте питающего тока.

Только сравнительно толстую нить, которая не будет успевать остывать при колебаниях тока, можно питать переменным током.

 

В лампах для приемников и усилителей с питанием от сети переменного тока применяют подогревные катоды, называемые иначе катодами косвенного накала или эквипотенциальными. Их впервые предложил А. А. Чернышев.
Подогревный катод изображен на рис.1 а. Катодом является никелевая трубочка с оксидным слоем, а нить накала (подогреватель) покрыта теплостойкой изоляцией из алунда (окисел алюминия) и вставлена внутрь катода в виде прямой петли или петли, свернутой в спиральку. Таким образом, нить служит только для подогрева, а катод только для эмиссии. Ток накала по катоду не проходит. Тепловая инерция такого катода настолько велика, что для нагрева или охлаждения его нужны десятки секунд. Поэтому при колебаниях переменного тока температура катода будет оставаться неизменной. Зато лампа начинает работать не сразу после включения накала, а через 20— 40 секунд, когда катод прогреется.

Встречаются также катоды в виде цилиндрика с оксидным слоем на донышке и подогревателем внутри (рис.1 б).
Схема включения лампы с подогревным катодом показана на рис.1 в. Цепь накала может быть совершенно отдельной, не соединенной с цепью анода (общего минуса нет). Вывод от катода присоединяют к минусу источника анодного напряжения. Иногда катод соединяют с одним концом нити.

При применении ламп с подогревным катодом следует иметь в виду, что изоляция между катодом и нитью, находясь в накаленном состоянии, у. большинства ламп выдерживает без опасности пробоя напряжение не свыше 100 в (редко большее). Маломощные лампы с катодом прямого накала имеют тонкую нить и потребляют на накал меньший ток, чем ламлы с подогревным катодом. Для переносных радиостанций лампы с катодом прямого накала удобнее потому, что после включения накала они сразу же начинают работать.

Если же, например, в приемнике используются ламлы с подогревным катодом, то при двусторонней связи накал их должен оставаться включенным и тогда, когда станция работает на передачу. Непрерывный накал ламп приводит к дополнительному расходу энергии, что недопустимо при питании от сухих батарей и аккумуляторов. Поэтому лампы с подогревным катодом применяются главным образом в радиоаппаратуре с питанием от электросети.

В последнее время стали применяться новые катоды, обладающие высокой эмиссией и стойкостью к ионной бомбардировке. Они дают очень большую эмиссию в импульсном режиме и имеют простое устройство. К ним относятся бариево-вольфра-мовые катоды (L-катоды), оксидно-ториевые катоды и другие.

Катоды могут работать при небольшом недокале. Такой режим желателен для увеличения срока службы ламп. Только для оксидного катода при наличии значительного анодного тока недокал опасен. Наоборот, перекал катода, не давая заметного улучшения работы лампы, резко сокращает срок ее службы.