Диссертация (Метод обеспечения функциональной надежности печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов при воздействии электростатических разрядов), страница 13

Примером здесь могут послужить высококачественные лампо­вые усилители звуковой частоты, которые вновь выпускаются в настоящиймомент.Ничтожность энергии, затрачиваемой по цепи управляющей сетки дляуправления электронным потоком с катода на анод сделала целесообразнымиспользование электронных ламп для измерения слабых токов. Попытки при­менения электронных ламп в приборах для измерения характеристик элек­тростатических полей предпринимались уже в 1920-х годах.

Они привели кразработке в 1930-х годах специальных электрометрических ламп [51]. Харак­терной особенностью данных ламп является уменьшенные токи управляющейсетки. Было разработано огромное количество электрометрических ламп. Внастоящее время эти лампы уже не выпускаются ни зарубежной, ни отече­ственной промышленностью, поэтому их применение для построения элек­трометров представляется проблематичным.По данной причине необходимо использовать обычные приёмно-усили­91тельные лампы, которые выпускаются до настоящего времени. При исполь­зование радиоламп в традиционном включении с общим катодом может необеспечиваться высокое входное сопротивление [54]. Поэтому целесообразноиспользовать радиолампу в обращённом режиме.

Сведения о применении пря­монакальных пентодов и гептода в обращённом режиме в радиолюбительскойсхемотехнике содержатся в публикации [71]. В данной статье дано описаниеоднолампового индикатора электростатического поля c батарейным питани­ем на лампе в обращённом режиме. Данный прибор не предназначен дляпроведения измерений, а только сигнализирует о наличии электростатиче­ского поля. Также триод в режиме работы термоэмиссии электронов с като­да, похожим на обращённый режим, используется в устройстве радиолампа­электрометр (патент РФ) [69].

В патенте описан одноламповый электрометр.Упоминание об тераомметре с логарифмической шкалой на электрометриче­ском триоде в обращённом режиме зарубежного производства содержится в[54]. Недостатком всех одноламповых схем является повышенный дрейф ну­ля. Для преодоления этого недостатка применяют мостовое включение ламп.Прибор на электрометрических лампах в мостовом включении описан в [54,c.131].

Прототипом разработанного прибора являются электрометры описан­ные в публикациях [54, 69, 71].Для работы в обращённом режиме используются приёмно-усилительныетриоды, тетроды и пентоды. При работе в обращённом режиме ток управля­ющей сетки лампы управляется потенциалом внешнего по отношению к нейэлектрода: экранирующей сетки или анода. На управляющую сетку лампыподано положительное смещение.

При этом анод пентодов и тетродов имееттот же потенциал, что и катод. На экранирующую сетку пентода подаётсявходной сигнал. Анод в таком включении играет роль электростатическогоэкрана. Изменение напряжения на второй сетке относительно катода приво­дит к отклонению электронов от управляющей сетки и в результате изменяет­92ся ток в цепи управляющей сетки. Крутизна характеристики лампы в такомвключении составляет 20-100 мкА/В. Ток первой сетки составляет несколькомиллиампер. Ко второй сетке лампы может быть подключен например зонддля измерения электростатических потенциалов и зарядов. Диапазон вход­ных напряжений лампы в обращённом режиме может достигать сотен вольт.Допускается кратковременное (до 0,1 с) попадание во входную цепь напряже­ний до нескольких киловольт. Такая перегрузка не приводит к повреждениюлампы.

Благодаря тому, что вторая сетка расположена значительно дальшеот катода чем первая сетка, большинство электронов излучаемых катодом пе­рехватывается управляющей сеткой и создаёт её ток. В результате ток второйсетки получается очень малым и входное сопротивление лампы в обращён­ном режиме составляет не менее 1012 Ом. Для обеспечения высокого входно­го сопротивления подобных приборов необходима высококачественная изоля­ция цепи второй сетки.

Целесообразно применять керамическую ламповуюпанель для уменьшения токов утечки. Для повышения входного сопротивле­ния рекомендуется снижать эмиссию катода путём уменьшения напряжениянакала.Возможно включение триода в обращённом режиме. При этом входнойсигнал подаётся на анод триода. При использовании высоковольтных триодов6С20С и им подобных входное напряжение электрометра может достигатьдесятков киловольт.Схема электрическая принципиальная электрометра на лампах в обра­щённом режиме показана на рис.

3.9Как видно из принципиальной электрической схемы, электрометр со­бран по схеме моста постоянного тока. Применение мостовой схемы позво­ляет подавить дрейф нуля. В два плеча моста включены электронные лампыв обращённом режиме. Прибор представляет собой вольтметр с очень высо­ким входным сопротивлением и является эквивалентом электростатического93VL1VL2PA1mАPA1 50 мкАR1 ППБ-3А 2,2 кОм±10%VL1, VL2 6Ж38ПR1+-5ВРис. 3.9. Схема электрическая принципиальная электрометрического усилителя на лампахв обращённом режиме.вольтметра. Ко вторым сеткам ламп кабелем витая пара подключены двазонда. Изменение электростатического потенциала наводимого на зондах вы­зывает разбалансировку моста. Один из зондов может быть заземлён.

В этомслучае прибор измеряет электростатический потенциал относительно землинаведённый на втором зонде. Если ни один из зондов не заземлён, то измеря­ется разность потенциалов зондов относительно земли. Резистор R1 служитдля балансировки моста. Индикатором разбалансировки моста служит мик­роамперметр PA1. Резистором R1 показания микроамперметра устанавлива­ются на ноль.В качестве ламп использованы высокочастотные пентоды с катодом кос­венного накала в стеклянном пальчиковом баллоне типа 6Ж38П.

Тип лампподбирался экспериментально. Также тестировались пентоды типа 6Ж1П, нос ними прибор имеет худшую линейность, что следует из анализа ВАХ этой94лампы в обращённом режиме. Для устранения нелинейности при этом тре­буется подбор режима ламп. Поэтому в итоге были выбраны пентоды типа6Ж38П. В ходе исследований были сняты вольт-амперные характеристикипентода в обращённом режиме.

Прибор питается от одного источника пи­тания постоянного тока напряжением 5 В. Для уменьшения помех на вход­ную цепь, накалы ламп питаются постоянным током. Напряжение питанияприбора подбиралось экспериментально. Оно было понижено относительнономинального напряжения накала ламп (6,3 В) в целях повышения входно­го сопротивления прибора и линейности.

Монтаж схемы выполнен проводомМГТФ. Прибор размещён в корпусе из листовой стали, с которым соединёнобщий провод схемы. Корпус прибора обязательно заземлён. Для уменьше­ния помех при измерениях желательно подключать прибор в начале конту­ра заземления. Для повышения входного сопротивления прибора необходимоиспользовать только керамические ламповые панели ПЛК-7 в целях умень­шения утечек по цепи второй сетки.Входным сигналом электрометра является напряжение, подаваемое меж­ду второй сеткой лампы и общим проводом (землёй).

Для проведения из­мерений с помощью электрометра необходимо провести его градуировку повходному напряжению. Для этого между одним входом прибора и общимпроводом был включен регулируемый источник напряжения, а другой входприбора соединён с корпусом. Полученная в результате зависимость напря­жения на входе от показаний микроамперметра показана на рис. 3.10. Пооси абсцисс на графике отложено отклонение микроамперметра , а по осиординат — напряжение на входе прибора .При такой градуировке измерения с помощью электрометра проводятсятак же как с электростатическим вольтметром. Предел измерения, соответ­ствующий отклонению стрелки на всю шкалу равен здесь 5 В.

Цена одногоделения шкалы микроамперметра равна 0,1 В. Как видно из графика, наи­95Показания электрометра, мкА50Экспериментальная зависимостьИдеализованная зависимость4030201000123Напряжение входа, В45Рис. 3.10. График градуировки электрометра по напряжению на входе.большее отклонение экспериментальной калибровочной характеристики отидеализированной линейной характеристики наблюдается в точке соответ­ствующей отклонению стрелки на 20 мкА.

По абсолютному значению оноравно 0,1 В и составляет около 5% от измеренного значения. Такое расхожде­ние является приемлемым для электрометрических приборов и поэтому ха­рактеристику электрометра можно приближённо считать линейной. Такжеиз графика видно, что прибор имеет достаточно высокую чувствительностьк малым потенциалам.3.4. Разработка метода и аппаратуры для контроляэлектростатического потенциала с применениемэлектрометра и емкостного делителяРассмотрим подробнее зондовый метод измерения электростатическихпотенциалов [54].Принцип измерения электростатических потенциалов зон­96довым методом основан на явлении электростатической индукции [75]. Эк­вивалентную схему бесконтактного измерения потенциала при помощи элек­трометра (электрометрического измерителя напряжения) иллюстрирует рис.3.11.133202К элек­2трометруК элек­4134трометру1абРис.

3.11. Физическая (а) и эквивалентная электрическая (б) схема измерения электроста­тического потенциала зондовым методом. C1 — ёмкость зонда на землю; С2 — ёмкостьмежду зондом и объектом (ёмкость связи); С3 — ёмкость между объектом и корпусомзонда; С4 — входная ёмкость электрометра; 1 — объект измерения; 2 — зонд; 3 — зазем­лённый корпус зонда, оболочка кабеля зонда; 0 — потенциал объекта; вх — напряжениена входе электрометра.На схеме ёмкость С2 (ёмкость связи) зависит только от расстояния меж­ду зондом и объектом и от геометрии зонда. Если размеры объекта многобольше зонда то его можно приближённо считать плоскостью и ёмкость С2не будет в этом случае зависеть от геометрии объекта [75].

И в данном случаедля заданного расстояния между зондом и объектом будет всегда постоянной.Из рассмотрения эквивалентной схемы измерения можно записать выраже­ние для напряжения на входе электрометра:вх =0 22 + 497(3.1)В выражении (3.1), как отмечалось выше для заданного расстояния дообъекта измерения и геометрии зонда при условии, что размеры объекта мно­го больше размеров зонда, ёмкость С2 является постоянной. Входная ёмкостьэлектрометра С4 зависит только от его схемотехники и также является посто­янной.