Принцип действия ваккумных ламп с управлением током

1. ВАКУУМНЫЕ МНОГОЭЛЕКТРОДНЫЕ ЛАМПЫ Вакуумные лампы с управлением током являются наиболее важными элементами электронных схем. В за висимости от рабочего диапазона частот лампы можно разделить на две группы. К первой группе относятся все вакуумные многоэлектродные лампы, применяемые на частотах до 500 Мгц, ко второй — сверхвысокочастотные лампы, которые используются на частотах от 500 до 100 000 Мгц. 1.1. Вакуумный диод Как было показано ранее, вольт-амперная характе ристика вакуумного диода состоит из трех участков, со ответствующих режиму начального тока, режиму про странственного заряда и режиму насыщения (см. 3). В режиме начального тока ( U а <0) справедливо уравнение ( I а = I s e - eUa / kT = I s e - Ua / Ut ). Согласно этому уравнению при U а =0 анодный ток I а становится равным току насыщения I s . Однако это справедливо лишь для диодов, у которых ток эмиссии катода настолько мал, что при положительном анодном напряжении не возникает пространственного заряда. Для используемых в технике диодов, в которых пространственный заряд довольно велик, анодный ток I при U a = Q не равен току насыщения, т. е. всегда I а o <0) связь между анодным током и анодным напряжением для диода с плоскими электродами описывается уравнением «трех вторых». В режиме насыщения ( U a >>0) анодный ток равен току эмиссии катода, который лишь незначительно воз растает при увеличении анодного напряжения за счет эффекта Шоттки. В типах диодов вслед ствие высокой эмиссионной способности (оксидного) ка тода насыщение анодного тока достигается только в импульсном режиме. Вакуумные диоды используются в основном для вы прямления, преобразования, умножения частоты и для детектирования. Важнейшим параметром диода (при управлении переменным током) является крутизна S =- dI a / dU a . В режиме пространственного заряда (2) 1.2. Вакуумный триод Уравнение статической характеристики. В вакуум ном триоде между катодом и анодом расположена управ ляющая сетка (спиральная, стержневая или ячеистая) и на создаваемый катодом электронный ток влияют одновременно электрические поля анода и управляющей сет ки. Рис. 1 Система электродов триода (а) и «треуголь ная» эквивалентная схема (б). Для количественного учета этого влияния удобно заменить триод (рис. 1,а) эквивалентной схемой, ко торая состоит из соединенных треугольником трех лам повых емкостей С а.к. , С а.с. и С с.к. (рис. 1,6). Тогда за ряд катода (в пренебрежении пространственным элек тронным зарядом) определяется следующим электро статическим соотношением: (2) или ( 2 а) В плоскости сетки действует так называемое эффек тивное или действующее напряжение U действ. Отношение называют проницаемостью триода. (3) С учето м уравнения (96) имеем: U действ = U с + DU а (4) Следовательно, действующее напряжение U действ равно сумме сеточного напряжения и некоторой части ( D =-1 20%) анодного напряжения. В соответствии с уравнением триодная система с напряжениями U с и U а сводится к эквивалентной диодной системе с напряжением U действ. Согласно закону «трех вторых» для анодного тока I а триода справедливо соотношение I а = K U 3/2 действ = К ( U c + DU a ) 3/2 . (5) Это уравнение описывает так называемую «статиче скую характеристику» триода, которая хорошо совпа дает с экспериментальными данными. Константа урав нения трех вторых определяется геометрией электро дов. Для плоской триодной системы имеет место следую щее приближенное соотношение: (6) где d c — расстояние между сеткой и катодом, см; S - площадь поверхности катода, см 2 . Согласно уравнению (5) триод характеризуется дву мя семействами характеристик: I а = f ( U c ) с параметром U a (рис. 4.2,а) и I a = f ( U а ) с параметром U c (рис. 2,в). Уравнение динамической характеристики. Для исклю чения сеточных токов триоды (кроме генераторных три одов) обычно работают при отрицательном напряжении на сетке. При этом «рабочая точка» лампы за счет отри цательного напряжения (смещения) на сетке смещается в область отрицательных сеточных напряжений настоль ко, чтобы при максимальном ожидаемом управляющем напряжении на сетке последняя находилась под отр ица тельным потенциалом. При подаче управляюще го напряжения на сетку изменяется не только анодный ток, но и анодное на пряжение (бл агодаря наличию внешней цепи), которое в свою очередь влияет на анодный ток. Поэтому общее изменение анодного тока (при небольших амплитудах управляющего напряжения) равно полному дифферен циалу dl а , причем Рис.4.2 (7) где dI a , dU c и dU a обозначают (например, синусоидаль ные) изменения величины I а , U c и U a . При достаточно малых изменениях характеристика в области управле ния (в окрестности рабочей точки) может считаться пря молинейной, т. е. выражения в скобках в уравнении (7) являются постоянными величинами. Их значения могут быть рассчитаны по известному ходу характери стик I а — U a или I а — U c в окрестности рабочей точки. При этом отношение (8) называют крутизной, а величину (9) -внутренним сопротивлением триода. Кроме того, отно шение (10) представляет собой проницаемость триода, которую можно также определить через отношение соответствую щих емкостей лампы [см. уравнение (3)]. Эти три величины связаны соотношением Баркгаузена (внутреннее уравнение триода) SDRi =1. (11) С учетом уравнений (9) и уравнение (7) принимает вид: dI a = SdU c + dU a / R i (12) и называется уравнением динамической характеристики триода; оно описывает поведение триода при управле нии переменным напряже нием небольшой амплитуды. Усиление тока, напряже ния и мощности. На рис. 104 показан пример использова ния триода в простейшем усилительном каскаде. По ведение анодной цепи по по стоянному току описывает ся уравнением «нагрузочной прямой» Рис.3 Усилитель на триоде U a = U б - I a R a , ( 1 3) а по переменному току— следующим соотношением: dU a = - dI a R a (13 a ) С учетом уравнения (13а) уравнение динамической характеристики триода принимает вид: (13б) В зависимости от соотношения между величинами R a и Ri из этого уравнения можно получить характер ные соотношения для случаев усиления тока, напряже ния и мощности. Усиление тока. Для оптимального усиления тока необходимо, чтобы R a << R i (в пределе R a 0). При этом из уравнения (13б) имеем: dI а = SdU c . (14) Таким образом, в анодной цепи протекает перемен ный ток большой величины, если R a мало по сравнению с R i , а крутизна S достаточно велика. Следовательно, величина S определяет коэффициент усиления по току. Усиление напряжения. Из уравнения (13а) можно легко получить выражение для коэффициента усиления триода по напряжению | u |: (15) причем сопротивление R a может быть как омическим, так и комплексным. Максимум усиления напряжения имеет место при R a >> R i В пределе, при R a , коэф фициент усиления по напряжению достигает максималь ной величины: . (16) Поэтому , называют коэффициентом усиления по на пряжению в режиме холостого хода; для триодов обычно составляет от 5 до 100. Таким образом, большое переменное напряжение на анодной нагрузке имеет место при R а гораздо большем Ri и при малом D . Поэтому величина D также опреде ляет коэффициент усиления по напряжению. Усиление мощности. Мощность переменного тока в анодной цепи пропорциональна ( dI a ) 2 R a . Из уравнения (13б) имеем: (17) Усиление по мощности максимально, когда достигает максимума величина R а /(R а + R i ) 2 , т. е. при Ri = R a . При этом условии из уравнения (4.17) имеем: (17 a ) Итак, большое усиление по мощности имеет место при Ri = R a и при использовании ламп с малой прони цаемостью и с большой крутизной. Отношение S / D , таким образом, определяет величину коэффициента уси ления по мощности (к. п. д. усилителей мощности). Баланс мощности при усилении. Мощность Р R , выде ляемая на нагрузочном анодном сопротивлении R a уси лительной схемы, складывается из постоянной и пере менной частей: P R =(Ia+dI a ) 2 R a =I 2 a R a +(dI a ) 2 R a (18) (2 dI a R a =0, так как dI a при усреднении дает нуль). Мощность Р а , подводимая к аноду лампы, равна: Р а = (U а -dU a ) (I a + dI a ) =U a I a + dU a dI a = = U a I a -( dI a ) 2 R a (4.19) (Среднее от dU a I a и dI a U a равно нулю, так как dU a и dI a при усреднении за период дают нуль.) Из уравнения (112) следует, что мощность рассеяния на аноде (по постоянному току) U a I a при наличии управляющего на пряжения уменьшается на величину ( dI a ) z R a , являю щуюся, таким образом, полезной выходной мощностью усилителя [уравнение (18)]. Следовательно, преобразо вание мощности в усилителе происходит за счет мощно сти рассеяния усилительной лампы (по постоянному току). Недостатками триода являются относительно малое усиление ( u < l / D ), которое, кроме того, ограничено сильным влиянием поля анода на поле в пространстве катод — сетка; относительно малое внутреннее сопротив ление (порядка 10 кОм) и склонность к самовозбужде нию через анодно-сеточную емкость С а . с . Эти недостатки устранены в тетродах и в их дальнейшем усовершенство вании — пентодах. 3. Тетрод (лампа с двумя сетками) Эта лампа содержит вторую сетку, которая может располагаться либо между управляющей сеткой и като дом (сетка пространственного заряда или катодная сет ка), либо между управляющей сеткой и анодом (экра нирующая сетка). Наиболее часто используются тетро ды с экранирующей сеткой (рис. 4.13,а), обладающие очень малыми значениями С а . с и D ( D — проницаемость лампы). Рис. 4. Расположение электродов (а) и ти пичные ха рактеристики тетрода (б). 1 — вторичные электроны переходят с экранирующей сетки на анод; 2 — ход характеристики без учета вторичной эмиссии; 3 — вторичные электроны переходят с анода на экранирующую сетку. Электродную систему тетрода, как и триод ну ю, можно свести к эквивалентной диодной системе. По ана логии с уравнением (6) уравнение статической харак теристики тетрода имеет вид: I k = K ( U c + D э. c . U э.с .+ D a U a ) 3/2 , (22) где . D a . c — проницаемость управляющей сетки (для поля экранирующей сетки); D a — проницаемость лампы (для поля анода) и U э.с. — напряжение экранирующей сетки. Вместо I а в уравнения (4.6) в данном случае входит ток катода I к в плоскости управляющей сетки, часть которо го ответвляется на (положительную) экранирующую сет ку, а другая большая часть — на анод (токораспределение). Таким образом, экранирующая сетка действует на катодный ток как «притягивающий» электрод. На рис.4,б показана типичная форма анодной ( I a — U a ) и сеточно-анодной (I э.с — U a ) характеристик тетрода. Обе характеристики расположены симметрично относительно друг друга и имеют излом при U a < U э.с [вопреки уравнению (4.22)]. Наличие излома связано с появлением вторичных электронов, которые выбивают ся первичными электронами (создающими анодный ток) из анода и попадают на более положительную экрани рующую сетку (динатронный эффект). При этом ток экранирующей сетки возрастает па величину тока вто ричной электронной эмиссии, а ток анода соответственно уменьшается. При U а >U э.с. наоборот, вторичные элек троны с экранирующей сетки попадают па более поло жительный анод. В этой области благодаря экранирую щему действию обеих сеток триода характеристика име ет почти горизонтальный ход (т. е. I а почти не зависит от U a ). Из-за излома характеристики область управления тетродом лежит при U а >U э.с. . Этот недостаток можно устранить, вводя третью (защитную или антидинатронную) сетку, ликвидирующую обмен вторичными электро нами между экранирующей сеткой и анодом. Лампы с тремя сетками (с пятью электродами) носят название пентодов. 4. Пентод (лампа с тремя сетками) Вредный эффект обмена вторичными электронами устранен в пентоде за счет того, что защитная сетка со единяется с катодом п, следовательно, имеет нулевой потенциал ( U б =0, рис. 4.5,а). Поэтому статическое уравнение характеристики пентода совпадает с уравне нием (4.22). Однако поскольку из-за сильного экрани рующего действия третьей пентодной сетки D a << D э.с. , т.е. D a U a << D э.с U э.с то для пентода приближенно имеем: I K = K ( U c + D э.с U э.с ) 3/2 . (23) Следовательно, анодный ток пенто да I а = Iк— Iс практически не зависит от U a (насыщение характеристик семейства I a - U a , рис. 4.5,б), за исключением случая U a << U э.с (перехват тока экранирующей сеткой). Пентоды характеризуются очень малым влиянием анодного напряжения на ток катода (проницаемость лампы D a << l %) и высоким внутренним сопротивлением R i (порядка нескольких мегаOм; вследствие горизонталь ного хода анодных характеристик I а — U а ). Поскольку обычно R i >> R a , то коэффициент усиления пентода по напряжению согласно уравнению (4.16) равен ( D = D a ): Рис. 5. Расположение электродов (а) и типичное семейство харак теристик (б) пентода. (24) При R a согласно уравнению (16) получаем, что u = u max =1/D а . На практике максимальный коэффициент усиления меньше l / D a (примерно 10 3 ), так как при больших амплитудах переменного анодного напряжения(полуволне анодный ток мо жет на время прерываться, что вызывает значительные искажения выходного сигнала. 4.1.5 . Гексоды, гептоды, октоды (лампы с четырьмя, пятью и шестью сетками) Эти лампы имеют по две(находящихся под отрицательным потенциалом) управляющие сетки, которые могут независимо друг от друга влиять на ток катода(двойное управление). В радиотехнике они обычно используются как смесительные лампы . ЛИТЕРАТУРА 1. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов: учебное пособие для приборостроительных вузов. -- 2-е издание, перераб. и доп.— Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1983 -- 696 с. 2. Порфирьев Л.Ф. Теория оптико-электронных приборов и систем: учебное пособие.— Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение. 1980 -- 272 с. 3. Кноль М., Эйхмейер И. Техническая электроника, т. 1. Физические основы электроники. Вакуумная техника.— М.: Энергия, 1971. 4. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике.— М., Наука, 1978 -- 944 с. 5. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика.— М.: Наука, 1980 -- 752 с. 6. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. В 2-х кн.— М.: Мир, 1984. 7. Достанко А.П. Технология интегральных схем.— Мн: Вышэйшая школа, 1982 -- 206 с.