Электроды, баллоны, вспомогательные детали 3 страница

(1.12)

Сопротивление диода для постоянного тока определяется как в точках анодной характеристики диода, где – постоянная составляющая анодного напряжения, а – постоянная составляющая анодного тока в точке А (рис. 1.26.6). Если диод, находящийся в цепи постоянного тока, заменить сопротивлением , то напряжения и токи в такой цепи останутся без изменения; отличается от в реальной характеристике и совпадает с ним при ее линейной аппроксимации.

Емкость диода определяется между катодом и анодом при нагретом катоде.. Ее значение в приемно-усилительных лампах 0,1 10 пФ. При работе на высоких частотах емкость диода нарушает одностороннюю проводимость.

Зависимость параметров от режима показана на рис. 1.27. Из рисунка очевидно, что при увеличении анодного напряжения производная кривой анодного тока растет, а обратная ей величина падает.

Зависимость параметров от конструкции удобно пояснить с помощью закона степени трех вторых (1.9). Крутизна характеристики

.

Отсюда видно, что для увеличения крутизны и соответствующего уменьшения нужно увеличить активную площадь анода и уменьшить расстояние между электродами.

Эквивалентная схема диода для переменного тока изображена на рис. 1.28. На всех частотах вплоть до диапазона свч сопротивление диода переменному току комплексное, состоящее из внутреннего сопротивления и сопротивления, обусловленного междуэлектродной емкостью.

ВАКУУМНЫЕ ТРИОДЫ

Устройство и принцип действия. Вакуумный триод имеет три электрода: катод, сетку и анод (рис. 1.1). С помощью сетки осуществляется электростатическое управление анодным током, поэтому эта сетка называется управляющей. Напряжение на аноде всегда положительно, а напряжение на сетке может быть и положительным, и отрицательным. Через анод и сетку протекают анодный и сеточный токи. Сумма этих токов равна катодному току (рис. 1.29):

. (1.1З)

В приемно-усилительных лампах малой мощности сетка часто работает при отрицательном напряжении. Тогда = 0 и в триоде протекает только анодный ток.

Картина электрического поля в триоде из-за наличия витков сетки со своим потенциалом, отличающимся от потенциала поля, в котором находится сетка, очень сложна. Получить точное аналитическое выражение поля не представляется возможным. Поэтому для выяснения картины поля производят моделирование лампы и экспериментально определяют потенциал в различных сечениях с помощью электролитических ванн.

Действующий потенциал электрода. Токи в триоде при постоянной температуре катода зависят от напряжений на аноде и сетке: . Частные зависимости и можно изобразить графически статическими характеристиками. Однако практический интерес представляет получение приближенного аналитического выражения этих зависимостей. Для этого вводят понятие действующего потенциала электрода.

Действующим потенциалом электрода называется эквивалентный потенциал воображаемой сплошной поверхности, помещенной на место данного электрода, обусловливающий такую же напряженность электрического поля в рассматриваемой области междуэлектродного пространства, как та, которая определяется в этой области всеми электродами реального прибора при заданных потенциалах электродов. Применительно к триоду эта общая формулировка означает следующее. Действие сеточного и анодного напряжений на катодный ток можно заменить действием одного напряжения — действующего. Это действующее напряжение (отсчитываемое от катода) можно приложить к сплошному электроду, помещенному в любом месте пространства между катодом и анодом триода. Для каждого места пространства действующее напряжение будет иметь определенное значение. Однако с практической точки зрения сплошной электрод удобнее всего поместить вместо сетки триода. Тогда реальный триод с напряжениями и на его электродах заменяется эквивалентным диодом, анод которого помещается на месте сетки триода, а анодный потенциал эквивалентного диода равен потенциалу, действующему в области сетки; (рис. 1.30). Условием эквивалентности диода триоду является равенство их катодных токов . Для выполнения этого равенства необходимо равенство зарядов, наводимых на их катодах соответствующими напряжениями. При равенстве зарядов напряженности поля у катодов, а, следовательно, и количества вылетевших с них электронов будут одинаковы.

Заряд на катоде реального триода , где – ёмкость промежутка сетка—катод, а – емкость между анодом и катодом. Заряд на катоде эквивалентного диода , где – емкость анод—катод эквивалентного диода. Требование эквивалентности приводит к равенству: . Поделив числитель и знаменатель этого равенства на , получим

.

Полагая приближенно и вводя соответственно обозначение

(1.14)

– проницаемость сетки лампы для поля анода, получаем приближенное выражение для действующего напряжения:

(1.15)

Тогда катодный ток триода в соответствии с формулой (1.9) можно выразить с.помощью закона степени трех вторых:

, где – конструктивная постоянная триода.

Проницаемость сетки триода оценивает сравнительное влияние полей анода и сетки на ток катода. Чем гуще сетка, тем меньше проницаемость и тем меньше влияет через сетку анодное напряжение на анодный ток. Если предположить, что сетка является сплошной поверхностью, то поле анода не может проникнуть к катоду, и проницаемость равна нулю. Если сетка редкая, то проницаемость ее высока. Проницаемость всегда меньше единицы и в практических конструкциях триодов лежит в пределах 0,01 = 0,1.

Проницаемость сетки лампы показывает, какую долю анодного напряжения нужно приложить к аноду эквивалентного диода, чтобы результирующее поле осталось прежним. Допустим для примера, что анодное напряжение = 100 В, а густота сетки такова, что проницаемость D = 0,01. Тогда = = 1 В, т. е. анодное напряжение ослабляется в 100 раз и 100 В анодного напряжения, пересчитанные к плоскости витков сетки, действуют на катод так же, как один вольт сеточного напряжения. Понятие действующего напряжения облегчает рассмотрение физических процессов и характеристик триода.

Статические характеристики триода. Общую зависимость для удобства на практике разбивают на четыре частных уравнения, которые и являются характеристиками триода:

при = const – выходная (анодная) характеристика;

при = const – входная (сеточная) характеристика;

при = const – характеристика прямой передачи (анодно-сеточная);

при = const – характеристика обратной связи (сеточно-анодная).

Целесообразно иметь единые названия характеристик для триода и транзистора. В скобках указаны названия ламповых характеристик, сложившиеся исторически.

При работе триода с отрицательным напряжением на управляющей сетке сеточный ток равен нулю и две характеристики – входная и обратной связи – отсутствуют. В этом случае триод оценивается только характеристиками прямой передачи и выходной.

Характеристики снимаются по точкам при помощи схемы, изображенной на рис. 1.31. Схема позволяет регулировать напряжения в необходимых пределах и получать сеточное напряжение разного знака без переключения. Характеристику следует снимать, изменяя значения токов сетки и анода от нуля до максимальных и , которые при данных напряжениях соответствуют наибольшим допустимым мощностям, рассеиваемым на сетке и на аноде. По достижении этих значений токов снятие характеристик нужно прекратить во избежание перегрева электродов.

Выходные характеристики триода (анодные). Выходные характеристики триода являются наиболее важными. Они чаще всего используются для расчетов, особенно для графического определения режима и эксплуатационных параметров при больших амплитудах сигналов, захватывающих значительный участок характеристики. Семейство усредненных выходных характеристик триода , снятых при различных постоянных значениях напряжений на управляющей сетке, приведено на рис. 1.32.

Выходные характеристики в основном подчиняются закону степени трех вторых. Характеристики, снятые при отрицательных напряжениях на сетке, сдвинуты вправо от начала координат. Анодный ток появляется при значениях анодного напряжения, отличающихся от нуля. И чем большее отрицательное напряжение приложено к сетке, тем больше сдвиг характеристик. При отрицательных напряжениях на сетке сеточный ток отсутствует, а анодный ток равен катодному. Очевидно, что анодный ток появится тогда, когда совместное действие сеточного отрицательного и анодного положительного напряжений будет давать положительное действующее напряжение. В этом случае, например, для точки а, напряжение сдвига характеристик можно определить, приравнивая действующее напряжение нулю: . Отсюда напряжение сдвига выходных характеристик:

(1.16)

Чем гуще сетка, тем меньше и тем больше сдвиг характеристик.

Характеристики при отрицательных напряжениях на сетке и при малых значениях анодного тока имеют значительную кривизну и обращены выпуклостью к оси абсцисс, а при больших токах почти прямолинейны. В прямолинейной части характеристики, снятые при разных , примерно параллельны друг другу.

При положительных напряжениях характеристики начинаются из начала координат, резко возрастают на начальном участке, а затем идут прямолинейно и параллельно характеристикам при отрицательных . Их кривизна меняется, а выпуклость обращена к оси ординат. Резкое возрастание анодного тока объясняется перераспределением в лампе токов между сеткой и анодом. Это поясняется рис. 1.33. При наличии на сетке положительного напряжения появляется сеточный электронный ток. Ток может быть значительным, несмотря на то, что напряжение мало. Одни электроны при малых анодных напряжениях попадают с катода на витки сетки, другие проскакивают витки сетки, но теряют скорость в тормозящем поле между ней и анодом, так как анодное напряжение меньше сеточного, и возвращаются на сетку. Причем электроны, пролетающие вблизи витка сетки, притягиваются ею. Они имеют криволинейную траекторию и попадают на соседние витки. Электроны, двигающиеся в середине межвиткового пространства, притягиваются одинаково обоими витками сетки. Поэтому их траектория прямолинейна, и они, теряя скорость, дойдут до анода. Такой режим токораспределения называется режимом возврата электронов на сетку или просто режимом возврата. Если теперь увеличить анодное напряжение, то при поле между анодом и сеткой из тормозящего превратится в ускоряющее и электроны, проскочившие витки сетки, будут попадать на анод (рис. 1.33.6). Такой режим по току называется режимом перехвата электронов сеткой или сокращенно режимом перехвата. Анодный ток начинает расти, а сеточный за счет этого падает. Имеет место перераспределение токов. «Переключение» электронов с сетки на анод с повышением напряжения происходит не скачком, а плавно.

Таким образом, в режиме возврата характеристика анодного тока имеет большую крутизну, а в режиме перехвата ее крутизна уменьшается. Следует заметить, что рост анодного тока обусловлен не только токораспределением, но и (главным образом) увеличением действующего напряжения при повышении , а, следовательно, увеличением отбора тока от катода.

Характеристики прямой передачи триода (анодно-сеточные). Эти характеристики, как и предыдущие, имеют большое значение при практических расчетах режимов триода. Семейства усредненных характеристик прямой передачи , снятые при различных постоянных напряжениях на аноде, изображены на рис. 1-34. Их называют характеристиками прямой передачи или управления, так как они показывают изменение тока на выходе триода в зависимости от напряжения управляющей сетки.

Начало характеристик определяется отсечкой анодного тока, которая соответствует нулевому действующему напряжению. Приравнивая действующее напряжение нулю , получаем напряжение сдвига характеристик прямой передачи:

. (1.17)

Напряжение сдвига зависит от проницаемости управляющей сетки и от величины анодного напряжения. Чем реже управляющая сетка и чем больше анодное напряжение, тем больше сдвиг характеристик влево от начала координат. Начальный участок характеристик имеет сильное искривление. Это объясняется, во-первых, закономерностью нарастания анодного тока при малых действующих напряжениях в соответствии с законом степени трех вторых и, во-вторых, проявлением «островкового» эффекта.

Островковый эффект заключается в том, что при отрицательных потенциалах сетки положительное ускоряющее поле анода, проникая сквозь витки сетки, действует не по всей длине катода, а только на отдельных его участках, так как участки катода, расположенные непосредственно под витками сетки, подвергаются более сильному прямому воздействию на них отрицательного сеточного напряжения (рис. 1.35). На катоде образуются «островки», эмит-тирующие большее количество электронов в общий ток, чем участки, расположенные под витками сетки. Островковый эффект сильно проявляется при редких сетках, у которых расстояние между витками в два раза больше, чем расстояние сетки от катода. При островковом эффекте характеристика прямой передачи удлиняется в сторону больших отрицательных напряжений.

Далее с возрастанием анодного тока характеристики подчиняются закону «степени трех вторых», а затем идут почти прямолинейно. При подаче положительного напряжения на сетку лампы появляется сеточный ток, и анодный ток становится меньше катодного на величину . С появлением сеточного тока крутизна характеристики анодного тока уменьшается.

Относительно прямолинейные участки статических характеристик прямой передачи расположены параллельно друг другу. Одинаковые интервалы изменения анодного напряжения (равные разности напряжений при которых снимались близлежащие характеристики) соответствуют одинаковым интервалам изменения , т. е. характеристики сдвигаются параллельно самим себе на одинаковые интервалы при одинаковых интервалах .

По величине проницаемости триоды делят на левые и правые. Такое разделение относится не только к триоду, но и к многосеточным лампам.

Триод, у которого управляющая сетка редкая, проницаемость большая, а рабочий участок характеристики прямой передачи значительно сдвинут влево от начала координат (рис. 1.36.а), называется левым. Правый триод имеет густую управляющую сетку ( мало), а основной рабочий участок его характеристики сдвинут вправо (лежит в основном в области положительных значений , рис. 1.36.6). У левых триодов сдвиг характеристик велик, у правых – мал. На этом же рисунке показаны выходные характеристики левого и правого триодов (рис. 1.36. в, г).

Необходимо отметить, что из характеристик прямой передачи простым графическим построением можно получить выходные (и наоборот).

Входные характеристики триода (сеточные) при = const изображены на рис. 1.37.а. Как и в диоде, начало характеристик здесь смещено влево относительно начала координат по напряжению (десятые доли вольта — несколько вольт) из-за начальных скоростей электронов и контактной разности потенциалов между катодом и управляющей сеткой. Каждая характеристика подчиняется закону степени трех вторых. Характеристики расположены веерообразно. Чем меньше анодное напряжение, тем больше сеточный ток при данном значении . Такое расположение характеристик связано с перераспределением катодного тока между сеткой и анодом. Как уже указывалось, при малых анодных напряжениях анодное поле у катода ослаблено и большая часть электронов попадает на положительно заряженную сетку. При больших значениях поле анода забирает больше электронов и сеточный ток образуется меньшим числом электронов.

Характеристики обратной связи триода (сеточно-анодные) при = const изображены на рис. 1.37.6. Обратная связь в триоде возникает при положительных напряжениях на управляющей сетке и проявляется в том, что выходное напряжение влияет на входной ток . Характеристики обратной связи можно получить из семейства входных соответствующим графическим построением.

На характеристиках обратной связи четко вырисовываются два режима токораспределения. При малых значениях сеточный ток резко падает. В этом случае имеет место режим возврата электронов на сетку. Далее при возрастании крутизна кривой резко уменьшается, сеточный ток мало изменяется. Устанавливается режим перехвата электронов сеткой.

Характеристики обратного тока управляющей сетки. При работе триода с отрицательным потенциалом управляющей сетки в ее цепи возникает ток, направление которого обратно сеточному, в случае положительного . Величина этого тока незначительна: порядка десятых долей микроампера. Однако он оказывает существенное влияние на работу маломощных приемно-усилительных ламп, если в цепи их сеток включен резистор с большим сопротивлением (рис. 1.38). Через этот резистор на сетку подается необходимое питающее напряжение . Сопротивление резистора должно быть большим, чтобы сильно не нагружать источник сигнала. Если, например, положить =1 мкА, а =1МОм, то на резисторе будет падение напряжения =1 В. Такое падение напряжения может оказаться сравнимым с питающим напряжением и нарушит режим работы лампы, так как .

Обратный ток сетки может вызываться следующими причинами: ионизацией остаточного газа в баллоне лампы, термоэлектронной эмиссией с управляющей сетки и утечкой между выводами электродов по поверхности баллона или цоколя. Эти причины обусловливают соответственно составляющие обратного тока; ионный ток , ток термоэлектронной эмиссии сетки на катод и ток утечки между сеткой и катодом (рис. 1.39). Таким образом, суммарный ток . Масштаб обратного тока увеличен. Ток утечки изменяется линейно с изменением . Ток термоэлектронной эмиссии растет с ростом , но уже при малых достигает постоянного значения, определяемого насыщением электронов при данной температуре сетки. Оба эти тока малы по сравнению с ионным током. Ионизация в лампе связана с прохождением анодного тока и пропорциональна его величине. Поэтому ионный ток возникает при том же значении что и анодный. Далее возрастает при и в области спадает до нуля. Результирующая кривая изображена на рисунке сплошной линией и учитывает также прямой сеточный ток при небольших отрицательных сеточных напряжениях.