Электронные лампы. 
Электроника. 
Часть 1 вакуумная и плазменная электроника

Электронные лампы — это электровакуумные приборы с термоэлектронным катодом и электростатическим управлением электронным потоком, которые служат для детектирования, генерации и преобразования электрических сигналов.

Диод— двухэлектродный электровакуумный прибор, имеющий анод и катод (рис. 4.2, о). Электровакуумный диод проводит ток в одном направлении — от катода к аноду и используется для преобразования переменного тока в постоянный (кенотрон). Эмитированные катодом электроны создают пространственный заряд между катодом и анодом. При положительном потенциале на аноде отрицательный потенциальный барьер

Рис. 4.1. Классификация приборов вакуумной электроники объемного заряда преодолевают более быстрые электроны, которые создают анодный ток во внешней цепи. Анодный ток в режиме пространственного заряда подчиняется «закону трех вторых»:

При достаточно большом напряжении на аноде анодный ток становится равным току эмиссии катода. Диод выходит на режим насыщения. Вольтамперная характеристика диода приведена на рис. 4.2, б.

Рис. 4.2. Диоды условное обозначение (а) и вольтамперная характеристика (б) Основными параметрами диода являются:

крутизна.

внутреннее сопротивление.

• ?
• ?

Односторонняя проводимость диода позволяет применять его для выпрямления переменного тока, детектирования электромагнитных колебаний и преобразования частот.

Триод — трехэлектродная вакуумная лампа с управляющей сеткой С между анодом А и катодом К (рис. 4.3, а). Изменяя потенциал сетки U_c можно управлять величиной анодного тока /" или, другими словами, количеством электронов, проходящих через сетку от катода к аноду. Наличие сетки позволяет применять триоды для усиления и генерации электромагнитных колебаний. Различают сеточные характеристики /" =J[U_C) при постоянном анодном напряжении и анодные характеристики l_t,=J[Ua) при постоянном сеточном напряжении (рис. 4.3, б). Эти характеристики называются статическими.

Основными параметрами триода являются:

? крутизна ;

? внутреннее сопротивление ;

? коэффициент усиления к = ^ _{= CQnst};

так, что.

Рис. 4.3. Триод: условное обозначение (а) и волыамперные характеристики (б).

Если в анодную цепь включить нагрузку R_m то при изменении /" одновременно будет меняться U_a. Такой режим и параметры соответствуют динамическому режиму. На рис. 4.4 приведена простейшая схема усилителя на триоде и сеточная динамическая характеристика триода.

При высоких частотах проходная емкость C_iK создает большое реактивное сопротивление. Для уменьшения проходной емкости помешают экранную сетку С, между анодом и управляющей сеткой. Она экранирует электроды лампы от поля анода, ослабляя влияние.

U" на /_а.

Рис. 4.4. Простейшая схема усилителя, реализованного на триоде (а) и динамическая сеточная характеристика триода (6).

Тетрод — четырехэлектродная лампа с экранной сеткой позволяющая снизить проходную емкость. При работе тетрода в усилительной ступени на экранную сетку подается положительное постоянное напряжение относительно катода U_n ~ 0,5 U_u. Электроны, проходящие экранную сетку, частично ею перехватываются, формируя ток /". При этом проходная емкость лампы может быть уменьшена на два порядка, а статический коэффициент усиления увеличивается.

На рис. 4.5 приведена усилительная ступень, реализованная на тетроде, и сравнительная анодная характеристика тетрода и триода. Заметен падающий участок характеристики, обусловленный динатронным эффектом, связанным с выбиванием вторичных электронов с анода. Падающий участок уменьшает область изменения И_и и схема самовозбуждается. Для снятия динатронного эффекта вводится еще одна сетка — антидинатронная С₃.

Она располагается между экранирующей сеткой и анодом и находится под потенциалом катода, либо небольшим положительным потенциалом.

Рис. 4.5. Усилительная ступень, реализованная на тетроде (а), и сравнительная анодная характеристика тетрода и триода (б).

Пятиэлектродная лампа называется пентодом (рис. 4.6, а).

Благодаря защитной сетке в пространстве между анодом и экранирующей сеткой создается поле, препятствующее попаданию вторичных электронов на сетку С₂ (рис. 4.6, б). Провал на анодной характеристике пентода ликвидируется. Это позволяет воспрепятствовать проникновению электронов от анода к экранной сетке.

Рис. 4.6. Пентод: условное обозначение (а) и распределение электрического поля между сетками (б) 104.

Пентоды делятся на приемоусилительные и генераторные, которые имеют положительное напряжение на сетке Су В пентодах с двойным управлением сетка С₃ является второй управляющей сеткой, на которую подается отрицательный потенциал. В этом случае между сетками С₂ и Cj образуется объемный заряд и формируется виртуальный катод. В этой области потенциал равен нулю, электроны тормозятся, создавая подобие катода. К недостаткам пентодов следует отнести большую емкость между третьей сеткой и анодом. Это ограничивает верхний предел диапазона частот при усилении электромагнитных колебаний.

Чтобы ликвидировать этот недостаток, вводят сшс одну сетку. Такая конструкция получила название гексод. Такая электронная лампа служит в качестве смесителя частот. Напряжение сигнала обычно подводится к первой управляющей сетке. Переменное напряжение на второй управляющей сетке изменяет токораспределение в лампе. При этом крутизна характеристики анодного тока по первой сетке изменяется с частотой гетеродина, а напряжение на ней меняется с частотой приходящего сигнала. В результате анодный ток представляет собой комбинационные колебания, в частности, колебания промежуточной частоты определяются так:

где/ — частота гетеродина,/. — частота сигнала.

Гексоды применяются также для усиления сигналов высокой частоты.

В радиотехнических схемах обычно применяют комбинированные лампы типа «триод— гексод» .

Гептод — семиэлектродная электронная лампа, которая служит для преобразования частоты, а также может использоваться как смесительная лампа.

В цепь первой управляющей сетки включается контур гетеродина, в цепь второй сетки — катушка обратной связи. Третья и пятая сетки служат для экранирования, т. к. в гексоде одной экранирующей сетки недостаточно. Четвертая сетка также служит для управления потоком и на нее подается напряжение сигнала.

Гептод можно рассматривать как триод + тетрод. Для триодной части имеем:

Лампа с двумя управляющими, двумя экранирующими и сеткой без витков называется петагрид (pente — пять, grid— сетка).

Октод— восьмиэлектродная электронная лампа с шестью сетками, которая предназначена для работы в частотно-преобразовательных устройствах радиоприемных устройств. По существу — это усовершенствованный гептод. Шестая сетка является антидинатронной, что позволяет увеличить амплитуду выходных сигналов. Особого распространения октоды так и не получили.

Также были созданы электронные лампы с девятью и десятью электродами (декоды). Однако практического применения они тоже не нашли. Наибольшее распространение получили двойные диоды — триоды, двойные триоды, триоды — пентоды.

Заметим, что с позиций системного анализа все рассмотренные конструкции соответствуют предложенной модели приборов вакуумной электроники.

Генераторная лампа — электронная лампа, предназначенная для преобразования энергии источника постоянного или переменного тока в энергию высокой частоты до 10 ГГц (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Конструкция сверхмощного коротковолнового тетрода с испарительным охлаждением:

• 1 — штангель для откачки; 2— вывод накала катода; 3— вывод управляющей сетки;
• 4 — керамический изолятор;
• 5 — вывод экранирующей сетки; б — вывод анода;
• 7 — охлаждаемая поверхность; б — решетка катодов.
• 9 — подвод накала и крепление катода;

ТО — управляющая сетка; 11 — экранирующая сетка.

Рис. 4.8. Внешний вид современных генераторных ламп; а — мощный металлостеклянный триод с водяным охлаждением; б — металлокерамический УКВ-тетрод с воздушным охлаждением.

Она может применяться в качестве управляющего элемента генератора или усилителя в радиопередатчиках для радиовещания, телевидения, радиолокации, ускорителях заряженных частиц, медицинской электроники. Различают маломощные (до 25 Вт), средней мощности (до I кВт), мощные (до 200 кВт) и сверхмощные лампы (> 200 кВт). На рис. 4.8 показан внешний вид современных генераторных ламп — мошною металлостеклянного триода с водяным охлаждением и металлокерамического УКВ-тетрода с воздушным охлаждением.

Они могут работать в диапазонах коротких (до 30 МГц), ультракоротких (до 300 МГц) или сверхвысокочастотных (до 10 ГГц) диапазонах длин волн.

Приемно-усилительные лампы (ПУЛ) — это электронные лампы, предназначенные для детектирования, преобразования частоты и усиления электрических сигналов на частотах до 300 МГц, а также для генерирования электрических колебании.