Принцип действия ваккумных ламп с управлением током

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»

Кафедра электронной техники и технологии

РЕФЕРАТ

на тему:

«ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ВАКУУМНЫХ 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_se^-eUa/kT=I_se^-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_аo<s. Поэтому закон начального тока для таких диодов имеет вид:

(1)

где I_ао — анодный ток при действующем обратном на-пряжении U_действ = 0 (ограниченный облаком простран-ственного заряда перед катодом).

В режиме пространственного заряда (U_a>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 промышленных 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

(2а) В плоскости сетки действует так называемое эффек-тивное или действующее напряжение U_{действ.} Отношение называют проницаемостью триода.

(3)

С учетом уравнения (96) имеем:

U_действ=U_с+DU_а (4)

Следовательно, действующее напряжение U_действ равно сумме сеточного напряжения и некоторой части (D =-120%) 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, см².

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 отрица-тельным потенциалом. При подаче управляющего напряжения на сетку изменяется не только анодный ток, но и анодное напряжение (благодаря 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_aR_a, (13)

а по переменному току— следующим соотношением:

dU_a = - dI_aR_a (13a)

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<i (в пределе R_a0). 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:

(17a)

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)²R_a=I²_aR_a+(dI_a)²R_a (18)

(2dI_aR_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_aI_a+ dU_adI_a =

= U_aI_a-(dI_a)²R_a (4.19)

(Среднее от dU_aI_a и dI_aU_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_aI_a при наличии управляющего на-пряжения уменьшается на величину (dI_a)^zR_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 (_uа._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 типичные 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_aU_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_aэ.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<э.с., т. е. D_aU_a<< D_э.сU_э.с то для пентода приближенно имеем:

I_K = K (U_c + D_э.сU_э.с)^3/2. (23)

Следовательно, анодный ток пентода 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<э.с (перехват тока экранирующей сеткой).

Пентоды характеризуются очень малым влиянием анодного напряжения на ток катода (проницаемость лампы D_a<_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 10³), 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 .

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.

Порфирьев Л. Ф. Теория оптико-электронных приборов и систем: учебное пособие.—Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение. 1980 — 272 с.

Кноль М., Эйхмейер И. Техническая электроника, т. 1. Физические основы электроники. Вакуумная техника.—М.: Энергия, 1971.

Яворский Б.М., Детлаф А. А. Справочник по физике.—М., Наука, 1978 — 944 с.

Сивухин Д. В. Общий курс физики. Оптика.—М.: Наука, 1980 — 752 с.

Зи С. Физика полупроводниковых приборов. В 2-х кн.—М.: Мир, 1984.

Достанко А. П. Технология интегральных схем.—Мн: Вышэйшая школа, 1982 — 206 с.