47)Двухэлектродные лампы, физические процессы.

Наиболее простой электронной лампой является двухэлектродная лампа, которую чаще всего называют диодом. Такая лампа имеет всего два электрода: катод и анод. Они помещены в стеклянный или металлический баллон, в котором создан вакуум.

Условные графические изображения диодов с катодами прямого и косвенного накала, применяемые в принципиальных схемах радиоаппаратуры:

Другим дифференциальным параметром, характеризующим ламповый диод, является внутреннее сопротивление. Под внутренним сопротивлением лампового диода понимается отношение приращения анодного напряжения ΔUA к вызванному им приращению анодного тока ΔIA при постоянном напряжении накала (UH = Const):

Ri = ΔUA/ΔIA при UH = Const

Таким образом, внутреннее сопротивление лампового диода представляет собой сопротивление междуэлектродного участка «анод-катод» изменениям анодного тока, то есть переменному току. При этом, исходя из приведенных формул, для диода справедливо следующее соотношение:

Ri = 1/S

Значение внутреннего сопротивления того или иного лампового диода показывает, на сколько вольт необходимо изменить анодное напряжение конкретной лампы, чтобы значение анодного тока изменилось на 1 А, если бы рост анодного тока не ограничивался током насыщения.

Для практического определения внутреннего сопротивления диода, как и при определении крутизны характеристики, необходимо воспользоваться прямолинейным участком анодной характеристики. На этом участке выбираются два значения анодного тока, например IA1 и IA2, а также соответствующие значения анодного напряжения, например UA1 и UA2 при постоянном напряжении накала UH. Затем с помощью простейших арифметических вычислений определяются приращения анодного тока ΔIA и анодного напряжения ΔUA:

ΔIA = IA2 — IA1;

ΔUA = UA2 — UA1

Процесс определения указанных приращений поясняется на этом рисунке:

48) Статические характеристики и параметры двухэлектродных ламп.

Зависимость анодного тока от анодного напряжения IA при постоянном напряжении накала (EH = Const) называется анодной характеристикой диода. Для снятия анодной характеристики необходимо при номинальном напряжении накала необходимо постепенно увеличивать величину анодного напряжения, начиная с нуля, с помощью потенциометра RA. При этом определяется сила тока, соответствующая каждому значению анодного напряжения. По полученным данным строится анодная характеристика в виде графика в системе координат, где по горизонтальной оси откладывается анодное напряжение UA в вольтах, а по вертикальной оси — величина анодного тока IA в миллиамперах.

При небольших значениях анодного напряжения анодный ток мал и слабо от него зависит. Дальнейшее увеличение анодного напряжения приводит к почти пропорциональному увеличению анодного тока, о чем свидетельствует практически прямолинейный средний участок характеристики (точки А и Б). При последующем увеличении анодного напряжения рост анодного тока ограничивается, а затем и прекращается. Последующее увеличение анодного напряжения не приводит к возрастанию анодного тока, поскольку этот ток ограничен эмиссией катода. Анодное напряжение, при достижении которое анодный ток практически перестает расти, называется напряжением насыщения — UAHAC.

Необходимо отметить, что эффект насыщения четко наблюдается в лампах с вольфрамовым или карбидированным катодом. В то же время у ламп с оксидированным катодом резко выраженный участок насыщения отсутствует, поскольку ток эмиссии катода в них продолжает увеличиваться с повышением анодного напряжения, как показано штриховой линией.

Анодная характеристика (а) и семейство анодных характеристик (б) диода

Для определения зависимости анодного тока IA от напряжения накала UH при постоянном значении анодного напряжения UA необходимо при изменении потенциометром величины напряжения накала, подаваемого на подогреватель катода, снять анодные характеристики, соответствующие каждому значению напряжения накала, например UH1 и UH2. Получившаяся в результате этого совокупность анодных характеристик, снятых при различных напряжениях накала, называется семейством анодных характеристик диода.

Ламповые диоды обычно характеризуются несколькими параметрами, которые определяют их основные свойства и возможности применения. Такими параметрами являются, во-первых, крутизна анодной характеристики S и внутреннее сопротивление диода R. Поскольку указанные параметры диода связаны с малыми изменениями или приращениями напряжений и токов, они называются дифференциальными. Помимо этого ламповые диоды характеризуются статическим сопротивлением R0 и рассеиваемой анодом мощностью PA.

В соответствии с анодной характеристикой диода при постоянном напряжении накала (UH = Const) приращение анодного напряжения ΔUAприводит к вполне определенному приращению анодного тока ΔIA. Соотношение этих двух величин и является крутизной характеристики диода:

S = ΔIA/ΔUa при UH = Const

Таким образом, крутизна характеристики определяет степень влияния изменений анодного напряжения на изменения анодного тока. Другими словами, крутизна характеристики показывает, на сколько миллиампер изменяется анодный ток конкретной лампы при изменении ее анодного напряжения на 1 В.

Для практического определения крутизны характеристики той или иной лампы необходимо воспользоваться прямолинейным участком анодной характеристики. На этом участке выбираются два значения анодного тока, например IА1 и IA2, а также соответствующие значения анодного напряжения, например UA1 и UA2 при постоянном напряжении накала UH.

Затем, с помощью простейших арифметических вычеслений определяются приращения анодного тока ΔIA и анодного напряжения ΔUA:

ΔIA = IA2 — IA1;

ΔUA = UA2 — UA1

Процесс определения указанных приращений поясняется вот на этом графике:

Используя полученные данные, можно вычислить крутизну характеристики диода:

S = ΔIA/ΔUa = (IA2 — IA1)/(UA2 — UA1).

Следует отметить, что сравнительно большая крутизна анодной характеристики диода является достоинством лампы, для отечественных диодов обычно она находится в пределах от 1 до 10 мА/В.

49)Электровакуумный диод в режиме нагрузки.

50)Трёхэлектродные лампы, физические процессы, параметры.

Катод и анод работают в триоде так же, как в диоде. В режиме объемного заряда около катода образуется потенциальный барьер. Катодный ток зависит от высоты этого барьера. Управляющее действие сетки в триоде подобно действию анода в диоде. Если изменять напряжение сетки, то изменяется высота потенциального барьера около катода. Следовательно, изменяется число электронов, преодолевающих этот барьер, т. е. катодный ток. Если напряжение сетки изменяется в положительную сторону, то барьер понижается, его преодолевает большее число электронов и катодный ток возрастает. А при изменении сеточного напряжения в отрицательную сторону барьер повышается, его преодолевает меньшее число электронов и катодный ток уменьшается.

Управление током в триоде с помощью сетки аналогично управлению током в биполярном транзисторе. В транзисторе изменение напряжения на эмиттером переходе вызывает изменение высоты потенциального барьера в этом переходе и в результате изменяется ток эмиттера. Сетка не только управляет катодным током, но и существенно изменяет действие анода. Для электрического поля, создаваемого анодным напряжением, сетка является электростатическим экраном, т. е. препятствием (при условии, что сетка соединена с катодом). Большая часть поля анода задерживается сеткой; лишь незначительная часть силовых линий поля проникает сквозь сетку и достигает потенциального барьера у катода. Таким образом, сетка экранирует катод от анода и ослабляет действие анода на потенциальный барьер около катода. Говорят, что сетка «задерживает» или «перехватывает» большую часть силовых линий электрического поля, создаваемого анодом.

Чем гуще сетка, т. е. чем больше в ней проводников, чем они толще и чем меньше просветы между ними, тем меньшая часть силовых линий поля анода проникает сквозь сетку. Кроме того, экранирующее действие сетки максимально при некотором среднем положении ее между анодом и катодом.

В диодах нормальные анодные токи получаются при анодных напряжениях, равных единицам или двум-трем десяткам вольт. Если же в диод ввести сетку, то при иg = 0 такие же анодные токи получаются при анодных напряжениях в десятки и сотни вольт.

Сама сетка влияет на анодный ток гораздо сильнее, чем анод. Если подать на сетку напряжение, то возникающее электрическое поле сетки беспрепятственно достигает катода, так как между сеткой и катодом для поля нет препятствий. Сетка занимает «командное» положение. Она действует на электронный поток сильно, а действие анода во много раз ослаблено, вследствие того что сквозь сетку проникает лишь небольшая часть силовых линий поля анода. Было бы неправильно утверждать, что сетка действует сильнее, чем анод, только потому, что она находится ближе к катоду. Если сетку расположить около анода и она окажется лишь незначительно ближе к катоду, нежели анод, то и в этом случае она во много раз ослабляет поле анода, проникающее на катод. Следовательно, близость сетки к катоду не является главным фактором, влияющим на анодный ток.

Влияние сетки и анода на анодный ток характеризуется важнейшим параметром триода — коэффициентом усиления μ. Коэффициент усиления показывает, во сколько раз напряжение сетки действует на анодный ток сильнее, чем напряжение анода. Если триод имеет μ = 10, это значит, что сетка действует в 10 раз сильнее, чем анод. Чем гуще сетка, тем больше значение μ. При данной густоте сетки коэффициент μ имеет наибольшее значение, когда сетка занимает некоторое среднее положение между катодом и анодом. В современных триодах коэффициент μ равен единицам или десяткам.

Иногда вместо коэффициента усиления μ пользуются обратной величиной — проницаемостью D:

D = 1/ μ. (17.1)

Очевидно, что D < 1. Проницаемость показывает, какой доле действия сетки на катодный ток эквивалентно действие анода. Если, например, μ = 10, то D = 0,1. Это значит, что действие анода на катодный ток равноценно десятой доле действия сетки, т. е. влияние анода в 10 раз слабее.

Термин «проницаемость» введен немецким ученым Г. Г. Баркгаузеном, внесшим большой вклад в теорию электронных ламп, и подчеркивает роль экранирующего действия сетки. Можно сказать, что проницаемость характеризует «пропускную способность» сетки для электрического поля анода. Чем реже сетка, тем легче через нее проникает от анода к катоду электрическое поле и тем больше значение D. Зато коэффициент μ соответственно уменьшается. Не следует считать проницаемость «пропускной способностью» сетки для электронного потока. Это грубая ошибка.

При отрицательном напряжении сетки в пространстве сетка — катод отрицательный заряд сетки создает тормозящее поле, которое противодействует ускоряющему полю, проникающему от анода. Потенциальный барьер у катода повышается, и катодный ток уменьшается. При некотором отрицательном сеточном напряжении ток уменьшается до нуля, т. е. лампа «запирается». Такое напряжение сетки называют запирающим (ugзап). Все электроны, вылетающие из катода, возвращаются на него. Если же при иg < 0 запирания лампы еще нет, следовательно, электроны, имеющие значительные начальные скорости, преодолевают потенциальный барьер и летят к аноду.

Запирающее напряжение сетки невелико по сравнению с анодным. Например, у триода, имеющего μ = 20, при uа = 100 В запирающее напряжение составляет — 5 В. При μ = 20 анодное напряжение 100 В по своему действию эквивалентно сеточному напряжению + 5 В. Подав на сетку ugзап = — 5 В, можно скомпенсировать влияние анода.

Итак, сравнительно небольшое отрицательное напряжение сетки может значительно уменьшить анодный ток и даже совсем его прекратить.

Положительное сеточное напряжение создает ускоряющее поле, которое складывается с полем, проникающим от анода. Результирующее поле понижает потенциальный барьер. Число электронов, преодолевающих его, увеличивается. Возрастает и катодный ток. Часть электронов при этом притягивается к сетке, и в ее цепи возникает сеточный ток, который бесполезен, а во многих случаях вредно влияет на работу лампы. Если положительное напряжение сетки значительно меньше анодного, то сеточный ток невелик и им можно пренебречь. Чем гуще сетка и выше ее положительное напряжение, тем больше сеточный ток.

Так как сетка действует сильнее анода, то сравнительно небольшое положительное напряжение сетки вызывает значительное возрастание анодного тока. Например, пусть триод имеет μ = 20 и при напряжениях ug = 0 и uа = 100 В анодный ток равен 10 мА. Предположим, что для увеличения анодного тока до 20 мА надо при неизменном сеточном напряжении удвоить анодное напряжение, т. е. подать на анод 200 В. Но при μ = 20 анодному напряжению 100 В равноценно сеточное напряжение 5 В. Поэтому вместо увеличения анодного напряжения на 100 В можно подать на сетку 5 В, и тогда анодный ток возрастет до 20 мА.

Итак, увеличение положительного напряжения сетки сопровождается ростом анодного и сеточного тока.

Изменяя сеточное напряжение от отрицательного, запирающего лампу, до некоторого положительного, можно изменять анодный ток в широких пределах — от нуля до максимального значения. Таково управляющее действие сетки. Важно, что анодный ток значительно изменяется при сравнительно небольшом изменении сеточного напряжения. Нужно в μ раз большее изменение анодного напряжения, для того чтобы получить такое же изменение анодного тока. Иначе говоря, небольшое изменение сеточного напряжения равноценно в μ раз большему изменению анодного напряжения. Это основное свойство триода позволяет использовать его для усиления электрических колебаний.

К параметрам триода относится напряжение накала UH и ток накала IН, а также нормальное постоянное анодное и сеточное напряжение и соответствующий им постоянный анодный ток.

Важными являются максимальные допустимые параметры: мощность, выделяемая На аноде (Рamax), мощность, выделяемая на сетке (Рgmax), анодное напряжение Uamax, напряжение между катодом и подогревателем UК-Пmax, предельный ток катода Iкmax Для импульсных триодов указывают максимальный допустимый импульс анодного и катодного тока.

Параметры триода, определяющие его свойства и возможности применения,— это крутизна характеристики (короче, крутизна), внутреннее сопротивление и коэффициент усиления либо проницаемость. Эти параметры характеризуют работу лампы без нагрузки. Их обычно называют статическими.

Крутизна S характеризует управляющее действие сетки, т. е. влияние сеточного напряжения на анодный ток. Если при изменении сеточного напряжения Δиg анодный ток изменяется на Δia, то

S = Δia / Δиg при иa = const. (17.10)

Таким образом, крутизна есть отношение изменения анодного тока к вызвавшему его изменению сеточного напряжения при постоянном анодном напряжении. Условие иa = const необходимо для того, чтобы крутизна характеризовала действие только сеточного напряжения.

Крутизна лампы аналогична параметру биполярного транзистора у21э или крутизне полевого транзистора.

Выражают крутизну в миллиамперах на вольт или амперах на вольт. Крутизна показывает, на сколько миллиампер (ампер) изменяется анодный ток при изменении сеточного напряжения на один вольт, если анодное напряжение постоянно. Например, если Δиg = 2 В и Δia = 6 мА, то S = 6 : 2 = 3 мА/В.

Внутреннее сопротивление Ri характеризует влияние анодного напряжения на анодный ток и имеет тот же физический смысл, что и в диоде, т. е. является сопротивлением между анодом и катодом для переменного (изменяющегося) анодного тока.

Если при изменении анодного напряжения на Δиa анодный ток изменяется на Δia, то

Ri = Δиa / Δia при иg = const. (17.12)

Например, при Δиa = 50 В и Δia = 2 мА получаем Ri = 50:2 = 25 кОм.

Как видно, внутреннее сопротивление представляет собой отношение изменения анодного напряжения к вызванному им изменению анодного тока при

постоянном сеточном напряжении. Условие иg = const необходимо для того, чтобы внутреннее сопротивление характеризовало действие только анодного напряжения.

Чем больше Ri тем слабее влияние анода на анодный ток. Действительно, при более высоком Ri для получения прежнего Δiа надо изменить в большей степени анодное напряжение.

Напряжение сетки действует на анодный ток значительно сильнее, нежели напряжение анода. Эта разница характеризуется коэффициентом усиления μ.

Например, если для изменения анодного тока на 1 мА нужно изменить анодное напряжение на 40 В, а напряжение сетки лишь на 2 В, то ясно, что сетка действует в 20 раз сильнее и μ = 20.

Таким образом, коэффициент усиления равен отношению эквивалентных по воздействию на анодный ток изменений анодного и сеточного напряжения:

μ = Δиa / Δig. (17.15)