Дифференциальная защита линий

Електронно-оптичний перетворювач

Електронно-оптичний перетворювач (ЕОП) призначений для перетворення невидимого (інфрачервоного) зображення у видиме.

ЕОП являє собою вакуумний прилад у вигляді склянки з подвійними стінками (подібної до термоса), між якими розташований напівпрозорий фотокатод (ФК), що має достатньо високу чутливість в інфрачервоній області спектра; флуоресціюючий екран (Е), подібний до екрана електронно-променевої трубки; контактні кільця (КК) з дротяними виводами. До виводів підключається джерело постійної напруги U₀, яке створює між фотокатодом і екраном однорідне електричне поле (рис.1.70)

Рис.1.70

Зображення об‘єкта проектується на фотокатод. З його поверхні виникає фотоелектронна емісія, розподіл густини якої відповідає розподілу освітленості по поверхні фотокатода. Створене таким чином електронне зображення за допомогою однорідного електричного поля без зміни масштабу переноситься на екран. При взаємодії прискорених електронів з поверхнею екрана виникає світлове зображення об‘єкта. Для покращення чіткого і яскравого зображення необхідно зменшувати відстань між фотокатодом і екраном і збільшувати напругу U₀.

Плоскі ЕОП дозволяють одержати коефіцієнт підсилення яскравості до 20 і роздільну здатність до 25 пар ліній на міліметр.

Існують й інші конструкції ЕОП, наприклад, каскадні.

Розділ 2. Плазмова електроніка

Тема 2.1. Фізика газорозрядних приладів

Газорозрядними називають електровакуумні прилади, в яких електричні характеристики визначаються, в основному, іонізацією газу або пару, який спеціально введений в балон приладу. Тиск в цих приладах менший атмосферного (10...30 мм рт.ст.). Процес проходження електричного струму через газ прийнято називати електричним розрядом.

В електричному розряді неперервно відбуваються процеси збудження та іонізації атомів і молекул електронами, в результаті створюються збуджені частинки, а також позитивні і негативні іони.

Неперервно відбуваються і процеси рекомбінації заряджених частинок з протилежними знаками.

Елементарні процеси при розряді в газі: зіткнення і взаємодія нейтральних частинок, зіткнення збуджених молекул і атомів, позитивних і негативних іонів, вільних електронів між собою, а також з фотонами, які випромінюються при переході збуджених атомів у нормальний стан та інш.

Елементарні процеси можна розділити на процеси в об'ємі газу і на границі газ-електрод. З поверхні електродів відбуваються різні види електронної емісії.

В об'ємі відбуваються пружні (рис. 2.1. (а)) і непружні зіткнення різних частинок (рис. 2.1. (б), (в)).

Рис. 2.1.

Кожен газ характеризується своїм потенціалом збудження . В збудженому (метастабільному) стані атом залишається недовго (10^-9…10^-8с), після чого електрони атома спонтанно переходять у нормальні стани. Надлишкова енергія випромінюється квантами. Для кожного газу характерний свій спектр випромінювання і колір свічення. Ne -червоний, -жовтуватий, пари - зеленувато-голубий, - голубий.

Газ характеризується потенціалом іонізації . Якщо електрон має енергію , з'являється ймовірність іонізації і, відповідно, розвиток розряду.

Після закінчення розряду відбувається деіонізація (рекомбінація в об'ємі, дифузія на стінки і там відбувається рекомбінація). Деіонізація відбувається за експоненціальним законом:

,

де - стала часу деіонізації, і - концентрації заряджених частинок в моменти і відповідно.

Електричний розряд в газах

На рис. 2.2. показана схема включення газорозрядного приладу.

Рис. 2.2.

Структура газорозрядного приладу: скляна трубка з холодним катодом і анодом, заповнена інертним газом. Газ - ідеальний діелектрик. Якщо прилад захистити від зовнішньої дії (нагрівання, світло, космічне випромінювання), електропровідність газу дуже мала, розряд не відбувається, навіть коли підключене джерело.

Коли на газ чимось подіяти (освітити катод, нагріти), у газі з'являються заряджені частинки і він стає провідним. Після появи в міжелектродному просторі "першого" електрона, розряд розвивається дуже швидко (10^-7…10^-5с).

Рис. 2.3.

При невеликих значеннях і великому тиску електрони на довжині вільного пробігу не наберуть достатньої енергії для іонізації газу, розряд не виникає. Щоб електрони набрали достатньої енергії для іонізації, треба або зменшити тиск, або збільшити .

Коли почався процес іонізації, один електрон, переміщуючись від катода до анода, може привести до анода цілу лавину електронів. Розвиток лавин відбувається за експоненціальним законом.

Електрони рухаються до анода, а позитивні іони - до катода. Іони переміщуються повільно і між електродами створюється позитивний просторовий заряд, а на невеликій відстані від катода - спад напруги - катодне падіння потенціалу.

Іони, прискорюючись біля катода, викликають емісію електронів з його поверхні. Ймовірність цього процесу невелика, але іонів багато і розряд підтримується.

Сила струму в розряді може бути різною при одній і тій же різниці потенціалів.

Самостійний і несамостійний розряди. Якщо розряд виник і почалась іонізація, тоді для підтримання розряду необхідне виконання деяких умов. У зв'язку з цим розділяють самостійний і несамостійний розряди.

Розряд, для підтримки якого достатньо різниці потенціалів між анодом і катодом, який не потребує ніякого зовнішнього впливу і в якому іонізація відбувається за рахунок внутрішніх процесів, називається самостійним.

Несамостійним називається розряд, для підтримки якого крім напруги на електродах необхідна неперервна дія зовнішнього іонізатора (підігрів катода, освітлення його та інш.) При відсутності зовнішнього іонізатора несамостійний розряд припиняється.

Напруга виникнення розряду. Для виникнення (запалення) розряду необхідне певне співвідношення між тиском газу, відстанню між електродами і величиною прикладеної напруги. Ця залежність - крива Пашена: .

Рис. 2.4.

Величина залежить тільки від властивостей газу і матеріалу катода і анода. Пояснити криву Пашена можна так: збільшення приводить до збільшення зіткнень на довжині вільного пробігу. Тоді енергія, необхідна для іонізації, зменшиться (не набереться) і необхідно буде збільшити . Зменшення відносно зменшить число іонізуючих зіткнень, тоді знову треба збільшити .

Види електричних розрядів

Якщо в схемі, наведеній на рис. 2.2. поступово підвищувати напругу джерела і вимірювати струм, одержимо ВАХ газового розрядника.

Всі стадії досліджуваного процесу представлені на графіку: по осі ординат відкладають напругу між електродами, а по осі абсцис - густину струму в логарифмічному масштабі.

Рис. 2.5.

1- несамостійний тихий або темний розряд,

2. – самостійний темний розряд,

3. – не стійка область,

4. – нормальний тліючий розряд

5. – аномальний тліючий розряд,

6. – перехідна область

7.- дуговий розряд

Темний розряд відбувається при малих густинах струму, об'ємні заряди практично відсутні і електричне поле в розрядному проміжку визначається, в основному, потенціалами і геометрією електродів. При починають впливати об'ємні заряди, характеристика спадна (штрих), розряд нестійкий, і при переходить в іншу форму. Темний розряд - несамостійний, використовується в газорозрядних фотоелементах.

Тліючий розряд характеризується струмом , . Значення струму визначається родом газу, розмірами і конфігурацією електродів. Напруга між електродами - сотні Вольт, ВАХ - майже горизонтальна. Розподіл потенціалу нелінійний: біля катода великий спад, в іншій частині - невеликий. В скляній трубці спостерігається світіння різних частин розрядного проміжка з чергуванням темних і світлих областей.

Електрони, емітовані катодом, прискорюються електричним полем і на відстані (довжина вільного пробігу) починають збуджувати атоми. З'являється шар 1, що світиться.

Рис. 2.6.

Затим швидкість електронів зростає настільки, що починається інтенсивна іонізація (темна область 3 - круксовий темний простір).

Поле послаблюється, швидкість електронів зменшується, іонізація замінюється збудженням (область негативного тліючого світіння 4).

Використавши всю енергію, електрони перестають іонізувати і збуджувати атоми газу (Фарадеєвий темний простір - 5).

Позитивний стовп 6 – плазма (високо іонізований газ).

Біля анода темний простір 7, там є анодний спад напруги, знак якого залежить від сили струму.

Катодне свічення може займати лише частину поверхні катода. В цьому випадку відбувається нормальний тліючий розряд:

,

Тому вольтамперна характеристика - горизонтальна. Ця властивість використовується у стабілітронах тліючого розряду.

При збільшенні сили струму в розряді світіння на поверхні катода розповсюджується на все більшу площу S.

Коли катод весь покривається свіченням, j починає зростати, катодне падіння теж зростає. Має місце аномальний тліючий розряд. Використовується в цифрових індикаторах.

Якщо , тоді потужність, яка виділяється в розряді, зростає на стільки, що розігрів катода викликає перехід у нову форму - дуговий розряд.

Дуговий розряд характеризується великими струмами (до тисяч Ампер) і малим спадом напруг (десятки Вольт). Розряд яскраво світиться, часто супроводжується тріском, шумом. Розігрів катода приводить до появи термоелектронної емісії.

Коронний розряд є самостійним, виникає при відносно великих тисках газу і при сильно неоднорідному електричному полі (велика кривизна електродів).

Рис. 2.7.

Іонізація відбувається лише в більш-менш тонкому шарі біля одного з електродів з малим радіусом кривизни.

Існують нестаціонарні форми розрядів: іскровий, високочастотний, ковзний та інш.

В електричне коло будь-якого газорозрядного приладу повинен бути включений баластний опір , який обмежує струм, тому що розряд може стати нестійким і перейти в дуговий. Процес розвитку розряду відбувається дуже швидко () і прилад може вибухнути одразу ж після подачі напруги.

Умовне позначення:

стабілітрони тиратрони

Рис. 2.8.

Цифрові індикатори і газорозрядні індикаторні панелі.

Прилади тліючого розряду широко використовуються як різні індикатори.

Вони використовують незначні струми, схеми індикаторних пристроїв дуже прості, а самі пристрої надійні, економічні і довговічні.

Найпростіші індикатори - двоелектродні "неонові лампи". Відстань між електродами мала, видиме свічення із зони від'ємного тліючого свічення. Наповнення неоново-гелієвою сумішшю з невеликою добавкою аргону - для зменшення і вони мають оранжево-червоний колір свічення.

Знакові індикатори: 1 або 2 аноди і багато катодів у вигляді цифр.

Рис. 2.9.

Індикаторна панель – 2 ортогональні системи електродів (катодів і анодів), розміщених між скляними пластинами і розділених діелектричною матричною решіткою, отвори якої співпадають з перехрестям електродів. У процесі виготовлення панелі отвори заповнюються інертним газом. При подачі напруги між двома взаємно перпендикулярними шинами - електродами виникає розряд і елементи матриці світяться.

Зображення синтезується із свіченням окремих комірок.

Плазмові панелі

Суміш газів – ксенону і неону міститься в сотнях тисяч комірок, розташованих між двома скляними пластинами. Прозорі дисплейні електроди затиснуті між пластинами, виготовленими з ізоляційних матеріалів із захисним шаром з окислу магнію. Дисплейні електроди розташовані вище комірки і проходять вздовж внутрішньої сторони скляної пластини. Адресні електроди розташовані нижче комірки і проходять вздовж задньої скляної пластини, тобто розміщені хрест-навхрест.

Рис. 2.10

На рис. 2.10. показана плазмова панель у розрізі.

Обидва комплекти електродів проходять через всю панель. Дисплейні електроди розміщені в горизонтальних колонках вздовж екрана, адресні – у вертикальних.

З рис. 2.11. видно, як вертикальні і горизонтальні електроди формують основну сітку.

Рис. 2.11.

Щоб іонізувати газ у конкретній комірці, блок управління заряджає електроди, які перетинаються на цій комірці через модулі X і Y. Блок робить це тисячі разів за долі секунди, заряджаючи кожну комірку окремо. Коли між електродами є різниця потенціалів, через газ у комірці протікає струм. Швидкий потік заряджених частинок стимулює атоми газу випромінювати ультрафіолетові фотони. Ці фотони взаємодіють з фосфором, яким покрита внутрішня стінка комірки. Фосфор – це речовина, яка світиться під дією УФ випромінювання у видимій області спектра.

Кожен піксель складається з трьох окремих субпікселей (комірок). Кожен субпіксель вкритий фосфором іншого кольору. Один має червоний світлий фосфор, другий – зелений світлий фосфор, третій – синій світлий фосфор. Ці кольори при роботі змішуються разом, щоб створити спільний колір пікселя. Змінюючи імпульси, що проходять через кожну комірку, система управління зможе збільшувати чи зменшувати інтенсивність випромінювання кожної комірки, щоб створити сотні комбінацій червоного, зеленого і синього. Система може відтворити колір практично всього видимого спектру.

Основна перевага плазмової технології – це те, що можна створити широкий екран, використовуючи надтонкі матеріали. А оскільки кожен піксель запалюється індивідуально, то зображення створюється дуже яскравим і його добре видно з різних кутів огляду (160°).

Розділ 3. Електроніка надвисоких частот (НВЧ)

Тема 3.1. Особливості руху електронів у змінних за часом полях

У попередніх розділах розглядався направлений рух зарядів у статичних полях. Приблизно такі ж закономірності спостерігаються в полях, які повільно змінюються з часом, тобто, коли за час прольоту електрона між електродами напруженість поля суттєво не змінюється. Коли ж час прольоту і період коливань поля порівнянні, спостерігаються прольотні явища, які відкривають принципові можливості для ефективної взаємодії електронів з електричними полями.

Приклад 1. Розглянемо рух електронів у плоскому діоді під дією змінної анодної напруги , яка створює однорідне електричне поле , де .

Приймемо початкову швидкість вильоту електронів з катода рівною нулю ( =0), виберемо систему координат, як на рис. 3.1 і обмежимось однорідним рівнянням руху:

,

яке розв’яжемо при граничних умовах (, , ).

Прийняти в загальному випадку не можна, тому що виліт різних електронів відбувається при різних фазах змінної напруги.

(1)

(2)

Позначимо .

Рис. 3.1.

Аналізуючи вирази (1), (2) можна зробити висновок, що траєкторія електрона залежить від фази вильоту в змінне електричне поле. З ростом частоти , взаємодія електронів з полем погіршується, про що свідчить у знаменнику виразів (1), (2).

Розглянемо графічне зображення траєкторій.

Штрихова лінія на рис. (3.1) відповідає траєкторії у статичному полі. Електрон, що вилетів з катода при =0 (крива 1) прискорюється протягом позитивного напівперіоду анодної напруги (до , або ). Досягнувши швидкості він продовжує рухатись до анода, сповільнюючись у гальмівному полі протягом негативного півперіоду. Коли гальмівний імпульс буде дорівнювати прискорюючому (), електрон зупиниться в точці . Такий рух повториться в наступні періоди, поки електрон не досягне анода. Якщо електрон вийде з катода, коли прискорююче поле максимальне (, крива 3), тоді до зупинки він летить чверть періоду в прискорюючому полі і стільки ж у гальмівному. Після зупинки в точці при він повертається назад і при приходить на катод з нульовою швидкістю. Електрони, які залишають катод наприкінці прискорюючого півперіоду (, крива 5), дуже швидко повертаються на катод на самому початку зростання гальмівного поля. Таким чином, при доволі великих відстанях катод-анод у всьому потоці можна виділити дві групи електронів: коливні, які покидають катод при і досягають анода після одного або кількох коливань, і такі, що повертаються на катод (). Це справедливо при доволі великих відстанях катод-анод. Якщо , тоді коливання електронів не буде і анода можуть досягти деякі електрони з кутами вильоту, більшими ніж .

Основний висновок, який можна зробити з розглянутого прикладу, що в умовах змінної напруги швидкість електрона не визначається однозначно потенціалом у даній точці, як це було в електростатичному полі, і стає можливою енергетична взаємодія електронів з полем.

Розглянемо таку ситуацію, наприклад, у діоді, до якого одночасно прикладено постійну і змінну напругу. Якщо прискорити електрони постійним електричним полем і забезпечити їх (або їх більшої частини) прихід на анод у гальмівний півперіод анодної напруги, тоді електрони, гальмуючи, будуть передавати свою енергію полю. Це явище використовується в багатьох електронних приладах, які працюють у діапазоні надвисоких частот, причому не тільки вакуумних, а й напівпровідникових (лавинно-прольотний діод).

Приклад 2. Розглянемо відхиляючу систему (рис. 3.2), до пластин якої прикладено змінну напругу .

Рис. 3.2

У повздовжньому напрямку електрони дрейфують з постійною швидкістю (, ). Для поперечного руху використаємо формули для відхилення з попереднього прикладу:

;

Тоді поперечна швидкість електрона при вольті з пластин (, ) після тригонометричних перетворень, буде мати вигляд:

;

де - кут прольоту

Як видно з цього виразу, поперечна швидкість, а значить і чутливість відхиляючої системи змінюються по закону (рис. 3.3).

Рис. 3.3

З графіка (рис.3.3) можна зробити висновок, що з ростом частоти чутливість падає і напруга з частотою взагалі не може відхилити електронний потік.

;

; ;

Така особливість пов’язана з проявом інерції електрона, і є суттєвою, коли час прольоту порівнянний з періодом коливань поля.

Приклад 3. Інерція електронів дає можливість практичного використання прольотних ефектів у високочастотних електронних приладах. Розглянемо приклад перетворення за допомогою змінного електричного поля модуляції швидкості електронного потоку в модуляцію його густини. Нехай електронний потік, прискорений постійним потенціалом до швидкості влітає в простір між сітками (рис. 3.4), до яких прикладено змінну напругу .

Рис. 3.4. Просторово-часова діаграма групування електронів у дрейфовому просторі.

Якщо час прольоту електронів між сітками малий (), тоді визначити швидкість електронів на виході з області високочастотного поля при можна за формулою:

Подальшу поведінку електронів, швидкості яких промодульовані за законом змінної напруги , представимо траєкторіями в просторі дрейфу. Кожен електрон дрейфує з постійною швидкістю, яка залежить від фази змінної напруги в момент вильоту . Швидкі електрони 1, які пройшли зазор при прискорюючій напрузі, доганяють повільні 3, які вийшли раніше, і всі вони групуються біля електрона 2 з фазою (в момент переходу від негативного півперіода до позитивного). При цьому створюються електронні згустки (пакети) і густина потоку стає пульсуючою. При малій амплітуді напруги між сітками () закон модуляції густини можна представити у вигляді:

Явище модуляції електронного потоку за швидкістю та густиною використовується в прольотних та відбивних клістронах, які призначені для підсилення і генерації електромагнітних надвисокочастотних коливань.

Приклад 4. При прольоті електронів у міжелектродному просторі на високих частотах спостерігається протікання наведеного струму в колі електродів, які створюють електричні поля.

З’ясуємо причину появи наведеного струму.

Рис. 3.5

Електрон, що знаходиться поблизу будь-якого електрода, наводить на ньому за рахунок електростатичної індукції заряд. Величина цього заряду залежить від відстані, тому рух електрона викликає зміну наведеного заряду, тобто протікання в зовнішньому колі наведеного струму.

Величину наведеного струму можна визначити з простих енергетичних міркувань. Зміна енергії електрона при його переміщенні на за час в полі з напруженістю дорівнює . З іншої сторони джерело з напругою при протіканні струму за час виконує роботу .

З рівності цих величин знайдемо, що

де – напруженість поля, створеного електродом при одиничній напрузі на ньому. В загальному виді аналогічний вираз можна одержати, використовуючи теорему Шоклі-Рамо.

Струм, наведений електронним потоком, знаходиться інтегруванням елементарних струмів.

Наведений струм існує і при русі електронів у статичних полях, але розглядати його в цьому випадку немає сенсу. Дійсно, якщо електрон рухається повз електрод без осідання (рис.3.6), тоді він наводить на ньому заряд і в колі протікає наведений струм у вигляді позитивного і негативного імпульсів рівної площі, тому .

Повна енергія, яку електрон набуває в полі, дорівнює роботі джерела за весь час прольоту

Якщо за час прольоту напруга суттєво не зміниться (), то

.

Рис. 3.6.

А на високих частотах, коли час прольоту порівнянний з періодом коливань напруги, повна енергія може і не дорівнювати нулю, що означає можливість енергетичного обміну між джерелом електричного поля і електронним потоком.

Важливим поняттям, пов’язаним з наведеним струмом, є електронна провідність, яка визначається співвідношенням .

На високих частотах має комплексний характер.

Реальний міжелектродний проміжок з рухомим електронним потоком можна змоделювати за допомогою „холодної” (без електронів) ємності з підключеною паралельно електронною провідністю і для подальших розрахунків використовувати математичний апарат теорії кіл.

Тема 3.2. Відбивний клістрон

Призначений для генерування НВЧ коливань малої потужності. Він має один об’ємний резонатор 3, який виконує дві функції: модулює швидкість електронів і відбирає НВЧ енергію від модульованого за густиною електронного потока. За резонатором розташований відбивач 4 – електрод, на який відносно катода 1 подано негативну напругу . Потужність коливань, що генерує клістрон, виводиться з резонатора за допомогою петлі зв’язку 5, яка переходить у коаксіальну лінію 6. Швидкість електронів перед резонатором визначається напругою прискорюючого електрода 2.

Рис. 3.7

Розглянемо рух електронів з допомогою просторово-часової діаграми. Нехай в режимі стаціонарних коливань між сітками резонатора існує напруга . Електрони, прискорені напругою , входять в зазор резонатора і модулюються напругою за швидкістю і поступають в простір між резонатором і відбивачем. Оскільки на відбивач подано від’ємну напругу, електрони попадають у гальмівне електростатичне поле. Коли швидкість електронів зменшиться до нуля, вони почнуть зворотній рух до резонатора під дією того ж електростатичного поля, яке тепер для них є прискорюючим.

Рис. 3.8

В результаті руху електронів від резонатора до відбивача і назад відбувається їх групування навколо електронів 2, які виходять з резонатора в момент часу, коли при переході від прискорюючого до гальмівного поля. Електрон 1, що вийшов раніше, має більшу швидкість і пройде більшу відстань у гальмівному полі. Тобто буде довше летіти і повернеться в зазор майже одночасно з електроном 2. Електрон 3 має меншу швидкість і проникне в гальмівне поле відбивача на меншу відстань та повернеться в резонатор майже одночасно з електроном 2. На цій різниці часу прольоту прискорених і уповільнених електронів засноване групування електронного потока.

Згрупований електронний потік повинен повертатись в резонатор у межах такого напівперіода НВЧ напруги в зазорі, яке чинить гальмівну дію. Тоді він віддає частину своєї кінетичної енергії високочастотному полю резонатора і підтримує коливання в ньому (позитивний зворотний зв’язок). Напівперіод, що є прискорюючим для електронів, які йдуть від катода, одночасно буде гальмівним для електронів, які повертаються в резонатор під дією напруги відбивача.

Рис. 3.9

Змінюючи напругу , можна регулювати час прольоту електронів у гальмівному полі відбивача.

Тема 3.3. Лампа біжучої хвилі типу О

У клістроні електрони віддають НВЧ полю частину кінетичної енергії протягом короткого проміжку часу, тому для підвищення потужності взаємодії в прольотних клістронах необхідно збільшувати амплітуду високочастотного електричного поля в зазорі резонатора. Для цього слід збільшувати добротність резонаторів, що звужує робочу смугу частот.

Для створення широкосмугових приладів використовують принцип неперервної тривалої взаємодії електронного потоку з полем біжучої електромагнітної хвилі в нерезонансній коливній системі. В приладах з тривалою взаємодією використовується модуляція швидкості електронів і густини електронного потоку при відносно слабому вхідному сигналі.

Для ефективної взаємодії електронів з біжучою хвилею потрібно, щоб швидкість електрона була приблизно рівною фазовій швидкості електромагнітної хвилі у напрямі руху електронів. Це називається умовою фазового синхронізму:

Оскільки швидкість електрона завжди менша швидкості світла у вільному просторі, тому для виконання умови синхронізму необхідно зменшити фазову швидкість хвилі, що взаємодіє з електронами. Для цього використовуються спеціальні пристрої, які називаються сповільнюючими системами. Найпростішим прикладом такої системи може служити звичайна спіраль.

Розглянемо розповсюдження електромагнітних хвиль вздовж провідника, скрученого у спіраль. У першому наближенні можна вважати, що електромагнітна хвиля розповсюджується вздовж провідника так, що струми, які протікають у сусідніх витках, не впливають на проходження струму на даній ділянці кола; швидкість хвилі вздовж провідника дорівнює швидкості світла .

Рис. 3.10

При переміщенні на один виток спіралі хвиля буде проходити вздовж провідника шлях

,

де – довжина одного витка спіралі провідника, – крок спіралі. Відповідно швидкість переміщення вздовж осі спіралі буде в раз менше швидкості вздовж провідника спіралі. Звідси фазова швидкість хвилі вздовж осі .

Сповільнення хвилі

,

де – кут намотки спіралі.

Оскільки , тоді можна вважати

Конфігурація електричного поля в спіралі показана на рис. 3.11.

Рис. 3.11

Електричне поле має повздовжню складову , з якою може взаємодіяти електронний пучок, що рухається вздовж осі спіралі. Довжина хвилі в спіралі , де – довжина електромагнітної хвилі у вільному просторі.

Розглянемо принцип роботи ЛБХ якісно на основі руху електронів у повздовжньому полі сповільненої електромагнітної хвилі.

1) Нехай фазова швидкість хвилі дорівнює швидкості електронів . Прослідкуємо за групою електронів, яка вилетіла з гармати протягом одного періоду коливань і попадає на ділянку хвилі abc, що зображена на рис. 3.12. Координата Z тут пов’язана з хвилею і рухається відносно спостерігача, який знаходиться у спокої, зі швидкістю . Електрони на ділянці ab прискорюються полем хвилі, їх швидкість збільшується і «підганяє» їх вперед. На ділянці bc електрони гальмуються електричним полем і вони переміщуються назад по відношенню до хвилі. В результаті всі електрони з ділянки abc зсуваються до точки b, і біля цієї точки формується електронний згусток.

Найкраще групування досягається на деякій відстані з виходу гармати. В подальшому буде відбуватись перегрупування електронного потоку, яке буде супроводжуватись «розпливанням» згустку, що утворився.

Якщо , електрони збираються у згусток в області, де електричне поле хвилі близьке до нуля. Кількість електронів, які прискорюються і гальмуються, рівні їх спільна енергія залишається незмінною.

Рис.3.12 Рис.3.13

2) Розглянемо випадок, коли . Нехай, наприклад, . Процес групування в загальному буде проходити так само, як і раніше, але згусток, що утворився, почне трохи відставати від хвилі (рис.3.13 а).

В результаті центр згустку переміститься в область, де електричне поле хвилі прискорююче. Електрони в основній масі будуть прискорюватись і відбирати енергію від хвилі. Амплітуда поля хвилі повинна при цьому послаблюватись. Прискорення електронів буде продовжуватись до тих пір, поки їх швидкість не зрівняється зі швидкістю хвилі.

3) Коли ж , тоді згусток електронів, що утворюється, навпаки, переміщується вперед, в область, де поле хвилі гальмівне (рис.3.13 б). Основна маса електронів буде відчувати дію імпульсу сили, направленого назустріч їх руху. Вони будуть гальмуватись, втрачати швидкість, і їх кінетична енергія почне потроху переходити в енергію хвилі, амплітуда якої повинна відповідно зростати.

Перекачка енергії від електронного потоку до хвилі супроводжується збільшенням амплітуди електромагнітного поля хвилі. В свою чергу. Збільшення амплітуди поля приводить до підсилення групування. В результаті цього процеси росту амплітуди хвилі і ступінь групування повинні проходити паралельно, наростаючи по експоненті при просуванні електронів уздовж сповільнюючої системи.

Принцип дії лампи біжучої хвилі заснований на механізмі тривалої взаємодії електронного потоку з полем біжучої електромагнітної хвилі.

Рис.3.14

На рис.3.14 схематично наведено будову ЛБХ. Електронна гармата 1 формує електронний пучок з певним поперечним перерізом та інтенсивністю. Швидкість електронів визначається прискорюючим потенціалом. За допомогою фокусуючої системи 3 створюється повздовжнє магнітне поле, яке забезпечує необхідний поперечний переріз пучка вздовж сповільнюючої системи 2. Електронна гармата, спіральна затримуюча система 2 і колектор 5 розміщені в металоскляному балоні 7, а фокусуючий соленоїд 3 розташований зовні. На вході і виході затримуючої системи є спеціальний пристрій 4 для узгодження її з лініями передачі. На вхід поступає НВЧ сигнал, який підсилюється в приладі і з виходу передається в навантаження. Для усунення самозбудження вводиться поглинач 6.

При написанні конспекту лекцій з дисципліни «Вакуумна і плазмова електроніка» були використані наступні навчальні посібники:

1. Герасимов С.М. Физические основы электронной техники; учебн. Пособие для вузов / С.М. Герасимов, М.В. Белоус, В.А. Москалюк. – К.: Вища школа. Головное издательство, 1981. – 368 с.
2. Москалюк В.А. Генерация и рекомбинация подвижных носителей заряда: текст лекций / В.А. Москалюк, И.Д. Шовкун. – К.: КПИ, 1985. – 60 с.
3. Москалюк В.А. Физика электронных процессов: учебн. пособие. Ч.1. Электронные состояния / В.А. Москалюк, Ю.С. Синкоп, Р. Кассинг. – К.: Укр. ИНТЭИ, 2001. – 148 с.
4. Сушков А.Д. Вакууумная электроника. Физико-технические основы. – СПб: Лань, 2004. – 464 с.
5. Морозова И.Г. Фізика электронных приборов. Учебник для вузов. – М.: Атомиздат, 1980. – 392 с.
6. Гершунский Б.С. Основы электронной и полупроводниковой техники. «Вища школа», 1971, стр. 416 (на украинском языке)
7. Фриндихов С.А., Мовнин С.М. Физические основы электронной техники. Учебник для вузов. – М.: Высш. школа, 1982. – 608 с.
8. Андрушко Л.М., Федоров Н.Д. Электронные и квантове приборы СВЧ. Учебник для вузов связи. – М.: Радио и связь, 1981. – 208 с.
9. Епифанов Г.И., Мома Ю.А. Физические основы конструирования и технологи РЭА и ЭВА. Учебное пособие для вузов. – М.: Сов. Радио, 1979. – 352 с.

Содержание

Содержание......................................................................................................................................................................................... 3

8. Дифференциальная защита линий............................................................................................................................ 5

8.1. Назначение и виды дифференциальных защит.......................................................................................................... 5

8.2. Продольная дифференциальная защита........................................................................................................................ 5

8.2.1. Принцип действия защиты............................................................................................................................................... 5

8.2.2. Токи небаланса в дифференциальной защите.............................................................................................................. 7

8.2.3. Принципы выполнения продольной дифференциальной защиты........................................................................... 8

8.2.4. Комплект продольной дифференциальной защиты типа ДЗЛ............................................................................ 10

8.2.5. Оценка продольной дифференциальной защиты...................................................................................................... 11

8.3. Поперечная дифференциальная защита параллельных линий......................................................................... 12

8.3.1. Общие сведенья................................................................................................................................................................... 12

8.3.2. Токовая поперечная дифференциальная защита...................................................................................................... 12

8.3.2.1. Принцип действия защиты.............................................................................................................................................. 12

8.3.2.2. Мертвая зона защиты...................................................................................................................................................... 13

8.3.2.3. Схема токовой поперечной дифференциальной защиты.............................................................................................. 15

8.3.2.4. Оценка токовой поперечной дифференциальной защиты............................................................................................ 16

8.3.3. Направленная поперечная дифференциальная защита.......................................................................................... 16

8.3.3.1. Принцип действия........................................................................................................................................................... 16

8.3.3.2. Автоматическая блокировка защиты............................................................................................................................ 18

8.3.3.3. Зона каскадного действия............................................................................................................................................... 18

8.3.3.4. Мертвая зона по напряжению........................................................................................................................................ 18

8.3.3.5. Схема направленной поперечной дифференциальной защиты.................................................................................... 19

8.3.3.6. Выбор уставок направленной поперечной дифференциальной защиты...................................................................... 21

8.3.3.6.1. Ток срабатывания.................................................................................................................................................... 21

8.3.3.6.2. Ток небаланса.......................................................................................................................................................... 21

8.3.3.6.3. Чувствительность защиты...................................................................................................................................... 22

8.3.3.7. Оценка направленных поперечных дифференциальных защит................................................................................... 23

8.3.4. Направленная поперечная дифференциальная защита нулевой последовательности................................. 24

9. Защита трансформаторов и автотрансформаторов.............................................................................. 25

9.1. Виды повреждений трансформаторов и типы используемых защит............................................................ 25

9.1.1. Повреждения трансформаторов и защиты от них................................................................................................ 25

9.1.2. Ненормальные режимы трансформаторов и защита от них.............................................................................. 25

9.2. Дифференциальная защита трансформаторов......................................................................................................... 26

9.2.1. Назначение и принцип действия дифференциальной защиты.............................................................................. 26

9.2.2. Особенности дифференциальной защиты трансформаторов............................................................................ 27

9.2.3. Меры по выравниванию вторичных токов................................................................................................................. 28

9.2.3.1. Компенсация сдвига токов I₁ и I₂ по фазе..................................................................................................................... 28

9.2.3.2. Выравнивание величин токов I₁ и I₂.............................................................................................................................. 29

9.2.4. Токи небаланса в дифференциальной защите........................................................................................................... 32

9.2.4.1. Общие сведенья............................................................................................................................................................... 32

9.2.4.2. Причины повышенного тока небаланса в дифференциальной защите трансформаторов и автотрансформаторов 33

9.2.4.3. Расчет тока небаланса...................................................................................................................................................... 33

9.2.4.4. Меры для предупреждения действия защиты от токов небаланса.............................................................................. 34

9.2.4.5. Токи намагничивания силовых трансформаторов и автотрансформаторов при включении их под напряжение... 34

9.2.5. Схемы дифференциальных защит................................................................................................................................. 35

9.2.5.1. Дифференциальная токовая отсечка.............................................................................................................................. 35

9.2.5.2. Дифференциальная защита с токовыми реле, включенными через БНТ................................................................... 37

9.2.5.2.1. Общие сведенья...................................................................................................................................................... 37

9.2.5.2.2. Варианты схем включения обмоток реле РНТ..................................................................................................... 39

9.2.5.2.3. Расчет уставок дифференциальной защиты на реле РНТ-565............................................................................. 39

9.2.5.3. Дифференциальная защита с реле имеющим торможение........................................................................................... 41

9.2.5.3.1. Общие сведенья...................................................................................................................................................... 41

9.2.5.3.2. Характеристика реле с торможением.................................................................................................................... 41

9.2.6. Оценка дифференциальных защит трансформаторов.......................................................................................... 42

9.3. Токовая отсечка трансформаторов............................................................................................................................... 42

9.4. Газовая защита....................................................................................................................................................................... 43

9.4.1. Принцип действия и устройство газового реле....................................................................................................... 43

9.4.2. Оценка газовой защиты................................................................................................................................................... 44

9.5. Защита от сверхтоков.......................................................................................................................................................... 45

9.5.1. Назначение защиты от сверхтоков............................................................................................................................. 45

9.5.2. Максимальная токовая защита трансформаторов............................................................................................... 45

9.5.2.1. Защита 2-х обмоточных понизительных трансформаторов......................................................................................... 45

9.5.2.2. Защита трансформаторов с расщепленной обмоткой нижнего напряжения, или работающих на две секции шин. 46

9.5.2.3. Защита трехобмоточных трансформаторов.................................................................................................................. 48

9.5.2.3.1. Защита трехобмоточных трансформаторов при отсутствии питания со стороны обмотки среднего напряжения 48

9.5.2.3.2. Защита трехобмоточных трансформаторов, имеющих 2-х и 3-х стороннее питание........................................ 49

9.5.3. Токовая защита с пуском по напряжению................................................................................................................. 50

9.6. Защита трансформаторов от перегрузки..................................................................................................................... 51

9.6.1. Подстанция с персоналом............................................................................................................................................... 51

9.6.2. Подстанция без персонала.............................................................................................................................................. 51

9.6.3. Защита от перегрузки трехобмоточных трансформаторов.............................................................................. 51

9.6.4. Защита от перегрузки автотрансформаторов....................................................................................................... 51

Список рекомендуемой литературы........................................................................................................................ 52

Дифференциальная защита линий